计算机组成原理单周期课设报告_计算机组成原理期末考试

计算机组成原理概述 　　如果想了解详细内容的，可以听下边的课：王道计算机考研 计算机组成原理_哔哩哔哩_bilibili 　　组成原理是一个系统，他不是单个知识点的拼凑，所以真正理解需要你将前后知识连接起来。下面是我将其重要的概念进行了整理。计算对理解原理帮助并不很大，所以这里你基本看不到计算，但这并不影响你理解原理。下面整的一个大的思维导图：

　　1 通信的基础知识 　　基础知识，了解这些对了解计算机挺重要的。

以前传递信息都是用“线”，现在传递信息更多靠的是“电磁波”这里便简要介绍一下电话（声音）的传播原理：人对着话筒说话，通过空气传到碳精薄片，使碳精薄片振动，碳精膜忽松忽紧的挤压碳精盘里的碳粒，碳粒的电阻忽大忽小的变化，电路中的电流忽大忽小的变化，至此，声音转换成按声音变化规律而变化的电流。当忽大忽小的电流流过听筒的螺线管时，磁铁的磁性忽强忽弱，对薄铁片的吸引力忽大忽小，使薄铁片发生振动，变化的电流又转换成声音。并且薄铁片与碳精薄片的振动情况一样，所以通过听筒能听到对话筒说话相同的声音。（及我们使用声敏电阻，将不同大小的声音转化成不同大小的电流传播（利用电磁波）；最接收端，再将不同大小的电流转化成声音）上述一共有三个重点：声音转化成电流。（利用声敏电阻；如果传播的是图像，我们可以采用光敏电阻——照相机的原理）电流经过放大在空气中传播；中间可以利用各种放大器对信号放大。电流转化成声音（利用电磁铁，通过电流的强弱产生振动发生） 　　数字信号和模拟信号是什么？数字信号用0还有1表示信号，而模拟信号呢，就是下面一条线一样的东西。有啥用：1、数字信号不容易变形，因为它不是0就是1。2、数字信号可以看成是将模拟信号数字化后的结果，如果他高，你就表示1；如果模拟信号低，你就用0表示。

　　2 计算机结构概述 　　

　　我先利用唱歌这个例子，说明一下这个系统：今天你心情很好，拿起麦克风，一顿乱吼；完事了第二天的时候点开录音自己欣赏了一遍，可实在太难听，气急败坏的删了，注意，你点的是永远删除！下面是信号的流程：首先是声音转化成数字信号。（通信那块有简短的说明哦）这个数字信号，经过总线最终存储在了存储器中。1、这些操作都是在控制器的控制下。2、存储器里面存放的是0和1这种二进制代码。第二天你打开计算机，在控制器的控制下，将数据从存储器取出，经过输出设备音箱，然后你叫听到了声音。 　　好了，有以上了解，接下来便可以简单介绍一下计算机的这几大部件了。输入设备：如话筒，键盘等，用来输入一相应的型号。（注：现在我们的信息来源更多的是网路，也就是数据直接从网络接口传入计算机中）输出设备：显示器、音箱。将数据用我们人能够接受的方式展示给我们。存储器：用来存储各种信号的。（计算机中的所有数据和指令，都是存放在存储器中，只不过存储器的位置和种类有很多种）运算器：用来计算的。比如你执行1+2这个运算，计算机便会利用加法器，将他们相加。控制器：以上计算机的各种操作，都是在控制器的控制下执行的。 　　设备缩写I/O设置 = 输入设备 + 输出设备CPU = 运算器(alu) + 控制器（cu） 　　类比理解计算机的部件 输入设备：相当于人的眼睛，鼻子，耳朵这些。（计算机是用声电转化器，最后通过总线到存储器，而人是通过听觉细胞，最后通过细胞传递给大脑）输出设置：例如你的嘴巴说话的时候，就可以简单理解成输出设备了。 存储器：大脑中用来记忆的区域。运算器：人脑用来计算时所用到的区域。控制器：人脑用来控制我们行为的区域。 　　3 总线 　　注：很多人用人的血管来比喻总线，这并不十分恰当，尽管血管和电线管名字和样子都很像。但是，血管是为人体提供能量的，而总线是来传递信息数据的。 　　实例：你看，声音经过声电转化器变成0和1，这些0和1呢，通过总线传送到存储器进行存储。（至于如何变成0和1的，又是如何通过一根线传的，那不是这门课介绍的） 作用：传递计算机中的二进制数据分类（根据总线的位置和总线上传输的内容来分）片内总线：芯片内部的总结。（在芯片内传递数据）系统总线数据总结：用来传送数据。地址总结：用来传送数据的地址。控制总线：我们人点这个，点那个实现控制。但在计算机里面不是这样的，计算机里面有专门的控制信号，来让整个系统协调运行。总线的物理实现我们平时所説的总线，一般是集成在主板上的。（我们肉眼看不到）下图就是总结的物理实现（抽象），再下面是实际我们看到的。

　　

总线性能指标（我们平时所説的字长64位就和这个有关系了）总线宽度=总线的根数；64位=64根总线。总线带宽：单位时间内可以传输的字节数。 　　类比马路：总线宽度如同马路的车道数，带宽就是单位时间的车流量。总线标准：ISA——EISA——VESA——PCI——AGP（前面这些基本按性能排的）——USB（支持热插拔）总线结构（重点）MyBlog – GxkOrd（详细可看这个链接，不过把我下面的看完了也就够了） 　　单总线是什么：只有一条总线 注 ：总线一时刻只能传送一个数据。（单向车道不能逆向行驶，差不多的意思）你看，CPU、主存、i/0全部都在一条总线上，CPU速度最快，i/0最慢，那么自然会有问题。因为CPU将会很长时间处于空等待状态。

　　双总线（我们家庭机一般采用这个）是什么：添加了一条“CPU”和“主存”的总线。这大大缓解了上面的尬尴局面。 　　

总线的通信（判优）控制为什么：你看，如果键盘和鼠标同时申请使用总线，那么问题来了，只有一条总线，谁先使用呢？为了解决这个问题（多设备同时发送请求），我们引入了总线的判优控制。分类同步通信：我们把每个I/0设备按1，2，3……排下来，然后控制器从1到n扫描，这便是同步通信。异步通信：我们拿个骰子，从骰子数开始扫描（这样比第一种公平一些）……这块没啥好讲的，如果是针对考试的选择题，或许很有用处，但对我们理解计算机，效果一般般吧。 　　4 存储器 　　4.1 概述 　　是什么：用来存储计算机数据和指令的地方。存储器分类（重点）存取方法随机存储器（RAM）：任何一个存储单的内容都可以随机存取，存取的时候和物理位置无关。用分为静态RAM和动态RAM（学做主存）只读存储器（ROM）：只能写入，不能读的存储器。计算机中的BIOS信息便是记录在ROM写的。在计算机中的作用分类主存随机存储器（RAM）：静态RAM、动态RAM。只读存储器（ROM）：MROM,PROM,EPROM,EEPROM辅存：磁盘、磁带、光盘Cache 　　存储器的层次结构

　　存储器，还要分类？都用最快的不就好吗？可问题就是，容量和速度之间存在矛盾。那些速度快的，少，所以很贵；而容量大的，多，很便宜。于是乎，我们便有了上述东西。上图已经很好的说明了存储器的结构，从上到上，是按照存储器的速度由快而慢排列的，相应的大小也由小而大。CPU中的寄存器和主存之间的矛盾，我们利用Cache进行解决。主存和辅存之间的矛盾，我们利用虚拟存储器解决。 　　4.2 主存储器 　　主存储器的基本组成

存储器存取数据的过程（重点）1、需要地址定位到存储器的指定位置，由读写电路控制将数据读出还是写入。2、如果是写入，会将数据从数据总线写入到内存中；如果是读出，会将数据输出到数据总线上。存储体：存储器的的核心，真正用来存放数据和指令的地方。MAR：存放地址的。MDR：存储数据的。地址译码器：将地址进行译码。（译码器会因为不同的译码方式而有所不同）驱动器：译码后，驱动器会定位到指定位置。读写电路：控制存储器是读还是写入数据。 　　上图不大理解关系不大，下面这张图能够理解就及格了。你看，当我们取数据的时候，MAR中的地址经过地址总线找到主存数据；最后控制器发出读命令，数据经过数据总线到MDR，如此，一个读的操作完成。

　　主存储单的地址分配下面的0,1…11这些数字表示的是字节，一个字节代表8位。其中a图表示的是字长为32位，寻址范围是0-8。下图告诉我们什么呢？面积一定的情况下，长方形的长越长，那么它就越扁。用在存储器上就是字长越长，那么存储范围就越小。

　　地址译码器详讲 　　看吧，左边这张图只有左边有一个译码器，4根线进去，然后16根线出来（为什么？你説一根线表示0或者1两种状态，那么4根线不就一共可以表示16种状态吗），译码以后，我们便可以找到相应的存储空间了。第二张图有两个译码器，行和列，其原理和第一个也差不多，只不过是利用率的问题。（注：第二种需要二个译码器，尽管他可以访问更多的存储空间。）

存储器的物理实现

　　上面不是劝退图，如果你电路学了，能够理解，自然很好；如果你没学电路，不理解也没有关系，因为这对了解计算机原理关系不大。对于上图，我们只需要理解，计算机的一个单的存储，及0和1的存储，是由电路实现的。 其他的像RAM和ROM啊，只不过是不同的物理实现，导致他们有不同的性能。SRAM：上述便是静态RAM。DRAM：因为写入的电流不稳定，所以需要刷新。ROM：MROM因为是用熔丝表示0和1的，所以只要熔丝断了，那肯定只读了啊；当然还包括其他，内容挺丰富，但不重要。 　　4.3 存储器与CPU的连接 　　也及所谓的字位扩展，当然如何扩展，那不是重点，我们只是通过这个，进一步了解存储体的构成。

字扩展：横向增加的为字扩展。（地址线相关）位扩展：1K x 4，那个4便是位扩展。（数据线相关） 　　4.4 Cache 　　为什么：解决主存和CPu之间的速度问题的一个存储块可行性时间局部性：一段代码，在一断时间后，很可能会再次执行。（可用循环理解）空间局部性：一段代码所在的位置，可能会经常执行。必要性：CPU和主存的速度不匹配。工作原理：因为篇幅原因，而且没啥必要（除非是为了考试或者设计），这里便省略了。 　　5 输入输出系统 　　输入输出系统的发展（本质：速度不匹配问题）早期 ：CPU一个人处理主存和I/O设备。接口：接口可用于信息转化和缓冲。如果i/0设置不工作，那么还是并行；可如果i/o设备需要工作了，那么就很糟糕。于是，出现了DMADMA：让I/o设备和主存进行信息交换，CPU终于可以不用受i/o的罪了。

　　下面简单介绍，因为没啥意思联系方式：当i/o设备有数据传递时，会发送信号给CPU，CPU自然会处理这些请求。控制方式：及我如何知道i/o设备是否发现请求呢？程序查询：我写个程序，因为每个设备都有编码。只要有请求，CPU就运行程序不断的查询设备。中断：让程序打断CPU，然后CPU转去处理i/o设备，处理完成了再回来搞自己的事情。DMA：不存在什么打断情况，但是如果主存和I/o同时都需要访问CPU时，该如何选择呢？如果女孩A和女孩B同时向你表白，你该如何选择呢？我会选择继续睡一觉。 　　6 数据在计算机中的存储（重点） 　　6.1 字符和汉字 　　英文字符用asc11码来存储的，也及我用一个字节（八位），来表示128个字符，最高位为0（标志位）。如：数字0在计算机中就存储为：00。

　　那么汉字怎么办呢？汉字有上万个？好吧，懒得写了，原理和上面差不多，需要了解的可以看下面链接。（原理：搞一张大表，用二个字节，然后用二进制和汉字一个一个对应啊）汉字在计算机中的表示_慕课手记 (imooc.com) 　　6.2 图像 　　看下图，知道了吧，我们给每一个位置编号，如果是0，就是白的；如果是1，就是黑的。那彩色图像呢？在加上一位来表示颜色不就好了。（当然，实现起来不会像我説得这么简单；但原理不就是如此吗）

　　6.3 数字 　　数字很重要，因为计算机又叫数字计算机。原因当然是因为计算机里面全是二进制数字。数字的存储：无符号数：正常存储就好了。有符号数：符号怎么处理？机器数：符号不就是正或者负吗？我们单独拿一位存放正负号不就好了？正是这样，我们将符号数字化的数叫机器数。原码：我们定义正为0，负号为1。反码：只是我们方便计算补码的一种手段。定义：原理的符号位不变，其他位置取反。补码：可以将减法改成加法。计算：1、定义。2、反码加1。注：如果是正数：原码=反码=补码=真值（原来的值） 　　这不是一篇説计算的文章，所以上述具体的，如果想了解，可以看下面的链接，这里不做过多介绍。原码, 反码, 补码 详解 – ziqiu.zhang – 博客园 (cnblogs.com)浮点数目的：解决小数在计算机存储问题，计算机中的数都用浮点表示。（上面的只是解决整数存储的问题）实现：所以的数都能写成科学计数法不是吗？所以，我们将其拆成二部分：阶码和尾数12.3=0.123*10^2，因为10总是不变的，所以我们只用存储阶码（2）和尾数（0.123）便可以了。计算机里面是二进制，实现类似，具体可以参考下面。计算机系统基础（四）浮点数 　　

　　6.4 进制 　　是什么？计数的一种方法。为什么不拿树枝计数呢？因为没有那么多的数枝，所以进制，可以理解成一个到特定值就需要进位的东西。8进制到7就需要进位，10进制到9就进位。计算机中的进制：我们只需要了解二进制就可以了，至于十六进制，那只不过是二进制的一种写法，8进制差不多。十进制是我们日常使用的进制。进制是如何转化的，这里不做介绍，有兴趣只可以参考：1.4 各种进制之间的转换，超详细_mb5fd86caa0a310的技术博客_51CTO博客 　　7 指令系统 　　

组成：操作码（OP）+地址码（A）。操作码表示计算机的一个操作（如加减），地址码指出了操作数的地址。为什么这样安排？因为地址有限，操作空间有限。（这非常非常重要）操作码（定长虽然指令少，但是快啊；扩展操作码尽管多，但增多了译码的难度）定长操作码：如果四位就表示有16个操作码。这肯定不够用扩展操作吗：因为定长操作码不够用，所以我们引用了扩展操作码。（具体如何实现考试经常考，但对于我们理解整个计算机，作用不大，需要的自行观看：指令系统——扩展操作码指令格式_wx60c1e0978aecb的技术博客_51CTO博客）地址码（PC和ACC我们将在CPU章节介绍）四地址：a1-第一个操作数地址；a2-第二个操作数地址；a3-操作结果地址；a4-下一条指令地址。三地址：因为pc每次取指后都会自动+1（原因是大部分代码都是顺序执行的），所以我们采用pc取代了a4。二地址：我们可以将操作结果放在ACC中或者放加a1中。一地址：Acc中的数 + 一个操作数 再放回ACC中零地址：有一些特殊的指令。（空操作，停机等） 　　寻址方式 　　（具体请看关于寻址方式一篇就够了 – 知乎 (zhihu.com)，我只大概説一下）

名词说明：操作码：执行什么操作；寻址特征：指明是什么寻址；形式地址：里面是地址或者操作数。 分类指令寻址：找到下一条指令的地址。只有正常的顺序和跳跃寻址两种数据寻址：找操作数立即寻址：形式地址就是操作数，所以不用访问内存。直接寻址：形式地址是操作数的地址，所以我们需要访存一次找到操作数。间接寻址：形式地址是操作数地址的地址，所以我们需要访存二次找到操作数。寄存器寻址：形式地址是操作数在寄存器中的地址，我们只需要访问一次寄存器就好了。基地寻址：形式地址+基址寄存器后才是操作数的地址。（一般用于多道程序）变址寻址：形式地址+变址寄存器中的内容后才是操作数的地址，变址寄存器的内容会改变。（一般用于数组等） 　　8 CPU的结构和功能 　　CPU的功能取指令分析指令执行指令CPU中的寄存器用户可见 通用寄存器：万金油存储器，基本啥都能干数据寄存器：存放操作数。地址寄存器：存放地址。条件码寄存器（PSW）：用来存放条件码。前面数据计算的时候是否有溢出等问题。控制和状态（重点）MAR：存储器地址寄存器。（用来访问存储单的地址）MAR：用来存放从存储器中取出的数据或指令。PC：程序计数器，存放现行或者下一条指令的地址。（有计数功能，一旦取出指令，PC会自动＋1）IR：指令寄存器，用来存放当前欲执行的指令。指令周期：取指、间指、执行和中断四个周期指令流水：有一些指令周期不会相互影响，我们将这些指令整一起，并发执行，提高计算机的运行速度。

　　我们就简单理解一下上面的图：从PC出发，在存储器取出指令后，将指令送到IR中，IR将指令的操作码部分送到ID进行译码，译码后通过CU发出控制信号（假设是1+2，此时已经有了+法的控制信号了）。在控制器的控制下，分别在存储器中取得1和2这两个操作数，一个数放在ACC中，另一个也已经取出，于是二端同时打入ALU中进行运算，PSW判断是否溢出，如果没有，那么将结果再放到累加器中，最后结果便出来了。关于CU

　　IR将指令操作码部分给译码器译码，之后便将译码后的结果送回给CU，CU发送相应信号到系统总线，实现控制。标志：因为这些消息不能乱发啊，如果溢出了呢？如果此时有更重要的内容需要打断呢，所以我们需要这些标志。时钟：控制器发信号需要特定的时间，这样才不会导致混乱。 　　关于什么组合逻辑设计，那是设计相关的， 尽管对了解计算机组成原理会有更深的印象，但理解到这一步，也已经足够使用了。 　　（完）