计算机组成原理课程论文31

计算机科学与技术系课程小结控制单元内容摘要：这篇文章首先介绍计算机组成中的五个基本部件及其结构以及功能实现，然后重点讲解控制单元CPU，众所周知，计算机中的CPU就如同人的大脑，控制着整个计算机的运行，是核心部分之一。

其中微操作指令尤为重要，其包括加法指令、存数取数指令。

为进一步分析微操作，将其分为四个阶段，四个阶段包括取址周期、间址周期、执行周期以及中断周期。

另外功能主要包括其外特征、信号举例、多级时许系统、控制方式以及多级时序系统实例分析。

关键字：计算机组成、控制单元、微指令、CPU正文：（一）计算机组成原理课程综述课程综述：计算机组成原理这门课程主要是设计计算机的组成结构，从而来实现计算机体系结构中的功能。

课程首先是从总体上论述了这门课程的主要内容，然后，由表及里、层层递进地叙述计算机中的五大部件（总线系统、存储系统、输入输出系统、中央处理器）的构造及其功能；其次，介绍了计算机的指令系统，通过对指令的设计来实现相应的逻辑功能；最后是深度介绍计算机的中央控制单元的功能及其指令系统、控制单元的设计原理和设计方法。

这样，使得我们不仅能从宏观上了解计算机的组成结构，而且还能够从微观上理解计算机实现相应功能而进行的操作。

控制单元综述：控制单元的英文翻译为control unit （cu）是CPU部件之一，本次学习的《计算机组成原理》一书着重分析控制单元为完成不同指令所发出的各种操作命令——这些命令（又称控制信号）控制计算机的所有部件有次序地完成相应的操作，以达到执行程序的目的，控制单元负责程序的流程管理。

正如工厂的物流分配部门，控制单元是整个CPU 的指挥控制中心，由指令寄存器IR、指令译码器ID和操作控制器0C三个部件组成，整个电脑有序工作极为重要。

它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。

操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

其功能主要包括外特征、信号举例、多级时许系统、控制方式以及多级时序系统实例分析。

（二）课程主要内容和基本原理第一篇介绍的是计算机的基本组成。

主要内容是五大功能部件相互之间的协调工作原理；另一个就是要对计算机系统才用分层的设计的思想，以及这样设计的要达到的目的。

接着，介绍的是计算机的发展史，从第一台电子计算机的出现到现代的计算机，由于晶体管、大规模集成电路的产生，计算机的体积大大减小，但是功能却提高了很多倍。

第二篇是分别对计算机组成中的五大功能部件进行详细的介绍。

在总线系统中，首先是分析了“为什么要引入‘总线’这样一个概念？”。

引入总线的作用就是在系统的各个部件之间实现互联，用来传递地址、数据、控制信号等多种信息。

接着，根据不同的分类原则对总线进行了，例如，根据不同的作用，将系统总线分成了数据总线、地址总线、控制总线。

通过对总线性能的研究，可以根据不同的情况选用不同的总线，以达到资源和性能之间的平衡。

为了使总线能够有条不紊的工作，就要用一定的方式对这些总线进行准确的控制。

为了解决这样一个问题，要从两个方面着手，一是总线判优控制问题，这样有两大类，一类是集中式，包含链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式；一类是分布式，包含自举分布式和冲突检测分布式。

另一个是总线的通信控制方式，主要有同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信这四种方式。

接着介绍的就是存储器，在这方面主要是根据存储器的类别来分别介绍的。

在主存这方面主要介绍的是随机存储器，包含了随机存储器的结构特点，工作原理，存储容量等问题；在缓存方面，主要介绍缓存引入的背景，以及缓存如何实现主存与辅存之间速度不同步的问题，同时介绍了主存与Cache之间是如何实现地址映射的（有三种方式：直接相联地址映射、全相联地址映射、组相联地址映射）。

最后，介绍了不同类型的辅存，包括磁盘、磁带、光盘等，有容量、价格与存储速度之间三者之间的关系。

再接着介绍的就是输入输出系统，主要是分析了I/O设备与主机之间进行信息交换的三种控制方式，即：程序查询、中断和DMA方式，以及这些接口的功能和组成实现，在这里也相应的介绍了一些现在常用的I/O设备的功能及其特性。

第三篇介绍的是中央处理器，首先是介绍在计算机中是如何控制实现基本的算术、逻辑运算，指令系统，CPU的结构和功能。

在计算机的运算方法这章中介绍的是定点数、浮点数的运算方法，包括移位运算、加减乘除四则运算，同时为了实现这些运算所需要的硬件的结构与组成。

最后介绍的是算术逻辑单元，主要是ALU算术逻辑单元的电路的工作原理以及实现相应的运算原理需要的电路结构，为了对运算速度的改进，通过对进位过程的分析设计快速进位链，例如，利用多重跳跃进位链的方式实现快速进位。

在指令系统这章，讨论的主要是机器指令的格式、根据机器指令的格式对指令系统进行的分类，应用不同的指令寻址方式确定指令当中的各个部分，针对不同的要求设计指令系统。

这章的重点还是要能够体会到指令系统与机器的主要功能以及与硬件结构之间的联系。

在介绍CPU这个知识点时，就是要通过具体的实际功能的实现，来理解CPU在计算机实现相应动能时，所需要执行的控制逻辑的组合。

第四篇是对CPU内部进行深入的研究，主要选取CPU当中的控制单元CU进行深入的研究，通过编写的指令如何实现程序逻辑控制。

控制单元的功能是介绍指令周期的四个阶段，控制单元为了完成不同阶段的不同指令所发出的各种操作命令，从而达到各部件有序的完成相应的操作，实现相应的程序的功能。

控制单元的设计的思想就是根据不同的功能来设计指令，主要讲解的是采用两种设计方法，一种是组合逻辑电路设计，根据组合逻辑电路执行的不同的时间先后顺序来完成相应的微命令。

一种是微程序设计，就是将机器指令编写成一条条的为程序，而一条微程序又包含多个微命令，最终是通过这些微命令实现机器指令的功能。

（三）实际内容微操作命令的分析：控制单元具有发出各种微操作命令序列的功能。

概括地说，计算机的功能就是执行程序。

在执行程序的过程中，控制单元要发出各种微操作命令，而且不同的指令对应不同的命令。

进一步分析发现完成不同指令的过程中有些操作是相同或相似的如取指令、取操作数地址当间接寻址时以及进入中断周期由中断隐指令完成的一系列操作。

为更清晰起见下面按指令周期的四个阶段进一步分析其对应的微操作命令。

四个阶段包括取址周期、间址周期、执行周期以及中断周期。

访存指令这类指令在执行阶段都需访问存储器。

为简单起见这里只考虑直接寻址的情况不考虑其他寻址方式。

1.加法指令 ADD X。

该指令在执行阶段需完成累加器内容与对应于主存X地址单元的内容相加结果送累加器的操作。

2.存数指令 STA X。

该指令在执行阶段需将累加器ACC的内容存于主存的X地址单元中。

3.取数指令LDA X。

该指令在执行阶段需将主存X地址单元的内容取至累加器ACC中。

控制单元功能细化：①、控制单元的外特性包括：1.输入信号（它也包含时钟、指令寄存器、标志以及来自控制总线的控制信号如中断请求、DMA请求。

）2.输出信号（它又包括CPU内的控制信号和送至控制总线的信号）②、控制信号举例控制单元的主要功能就是能发出各种不同的控制信号。

一种是不采用CPU内部总线的方式，它包括：取指周期、间址周期、执行周期。

另外一种是采用CPU内部总线的方式。

它也包含取指周期、间址周期和执行周期。

③、多级时序系统1.机器周期的介绍机器周期可看作是所有指令执行过程中的一个基准时间机器周期取决于指令的功能及器件的速度。

确定机器周期时通常要分析机器指令的执行步骤及每一步骤所需的时间。

总之通过对机器指令执行步骤的分析会找到一个基准时间在这个基准时间内所有指令的操作都能结束。

若以这个基准时间定为机器周期显然不是最合理的。

2.时钟周期节拍、状态介绍在一个机器周期里可完成若干个微操作每个微操作都需一定的时间可用时钟信号来控制产生每一个微操作命令。

这样一个机器周期内就包含了若干个时钟周期又称节拍或状态。

3.多级时序系统介绍一个指令周期包含若干个机器周期一个机器周期又包含若干个时钟周期节拍每个指令周期内的机器周期数可以不等每个机器周期内的节拍数也可以不等。

④、控制方式控制单元控制一条指令执行的过程实质上是依次执行一个确定的微操作序列的过程。

常见的控制方式有同步控制、异步控制、联合控制和人工控制四种。

⑤、多级时序系统实例分析从指令的执行过程来看，实现时序控制所需的时序信号，主要包含节拍电位和节拍脉冲，它们组成了中央处理器的时序系统。

图（1）多级时序系统示意图实际应用：图（2）cpu内部总线方式的数据通路和控制信号关系图上图示意了采用CPU内部总线方式的数据通路和控制信号的关系图中每一个小圈处都有一个控制信号它控制寄存器到总线或总线到寄存器之间的传送。

如IRi表示控制从内部总线到指令寄存器的输入控制门PC0表示控制从程序计数器到内部总线的输出控制门。

下标为i表示输入控制下标为o表示输出控制、以此类推。

图中多了两个寄存器Y和Z这是由于ALU 是一个组合逻辑电路在其运算过程中必须保持两个输入端不变其中一个输入可以从Y寄存器中获得另一个输入可以从内部总线上获得。

当CPU内有多个通用寄存器时由于设置了寄存器Y可实现任意两个寄存器之间的算逻运算。

此外ALU的输出不能直接与内部总线相连因为其输出又会通过总线反馈到ALU的输入影响运算的正确性故用寄存器Z暂存运算结果再根据需要送至指定的目标。

下面仍以完成间接寻址的加法指令ADD X为例分析控制单元发出的控制信号。

1.取指周期①PC0和MARi有效完成PC经内部总线送至MAR的操作即PC→MAR②通过控制总线图中未画出向主存发读命令即1→R③存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容指令送至MDR④MDR0和IRi有效将MDR的内容送至IR即MDR→IR至此指令送至IR其操作码字段开始控制CU⑤使PC内容加1图中未标出。

2.间址周期①MDR0和MARi有效将指令的形式地址经内部总线送至MAR即 MDR→MAR②通过控制总线向主存发读命令即1→R③存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容有效地址送至MDR④MDR0和IRi有效将MDR中的有效地址送至IR的地址码字段即MDR→AdIR。

3执行周期①MDR0和MARi有效将有效地址经内部总线送至MAR即MDR→MAR②通过控制总线向主存发读命令即1→R2③存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容操作数送至MDR④MDR0和Yi有效将操作数送至Y即MDR→Y⑤AC0和ALUi有效同时CU向ALU发“ADD”加控制信号使AC的内容和Y的内容相加结果送寄存器Z即ACY→Z⑥Z0和ACi有效将运算结果存入AC即Z→AC。