(完整版)计算机组成原理总结

计算机组成原理综述

内容摘要

计算机从产生到今天不过短短的60多年的时间。但它已经深入到人类生活的每一个角落，现在人类的生活如果离开了计算机是难以想象的。个人计算机（PC）已经是我们日常办公和娱乐的工具。计算机科学与技术也成为了很热门

的专业，对于一个计算机科学与技术专业的学生来说，计算机组成原理的学习

是至关重要的，作为计算机科学与技术专业的基础课程，这门课会告诉我们计

算机的基本组成及其主要部件的工作原理。通过这门课程的学习可以让我们建

立计算机系统的整机概念，理解软硬件的关系和逻辑的等价性；了解计算机各

部件的组成原理，工作机制以及部件之间的相互关系；加强硬件分析和设计的

基本技能和方法，提高硬件方面专业素质和发展潜力；培养和提高计算思维能力。本文从计算机组成原理课程的各个方面对计算机组成原理的内容做了详细

的解释。

一、计算机组成原理课程综述

计算机组成原理是计算机科学与技术专业的基础课程之一，它主要告诉我

们计算机单系统组成结构，计算机各组成部件内部的运行机制以及相关的基本

理论，硬件分析和设计的基本技能和方法。

二、计算机组成原理的主要内容

根据冯·诺依曼机的特点我们知道：

1.计算机有运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件

组成。

2.指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。

3.指令和数据均用二进制数表示。

4.指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码

用来表示操作数在存储器中的位置。

5.指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条

件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。

6.机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运

算器完成。

典型的冯·诺依曼机是以运算器为中心的，现代的计算机已转化为以存储

器为中心：

1.运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在

运算器内。

2.存储器用来存放数据和程序。

3.控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。

4.输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式。

5.输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式。

从上面我们大概的了解了计算机的基本的组成和原理。下面来具体介绍下

五大部件，不过在介绍五大部件前我们先介绍一下总线，它是连接五大部件的

传输线。

⑴总线

概念：总线是将计算机各个部件连接在一起的一组公共信息传输线。

分类：①片内总线：指芯片内部总线。

②系统总线：数据总线（双向）

地址总线（单向）

控制总线（单向传输）

③通信总线：串行通信(远距离传输)

并行通信（近距离传输）

⑵随机存储器

存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置

无关的存储器。

1．静态存储单元（SRAM）

存储原理：由触发器存储数据

单元结构：六管NMOS或OS构成

优点：速度快、使用简单、不需刷新、静态功耗极低；常用作Cache 缺点：元件数多、集成度低、运行功耗大

2．动态存储单元（DRAM）

存贮原理：利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理，需刷新（早期：三

管基本单元；现在：单管基本单元）

刷新(再生)：为及时补充漏掉的电荷以避免存储的信息丢失，必须定时给

栅极电容补充电荷的操作

刷新时间：定期进行刷新操作的时间。该时间必须小于栅极电容自然保持

信息的时间（小于2ms）。

优点：集成度远高于SRAM、功耗低，价格也低

缺点：因需刷新而使外围电路复杂；刷新也使存取速度较SRAM慢，所以在

计算机中，DRAM常用于作主存储器。

3.存储容量的扩展

A.位扩展：增加存储字长。

B.字扩展：增加存储器的数量。

⑷输入输出系统

1.I/O系统功能：为数据传输操作选择I/O设备，连接I/O设备与主机，

完成数据交换

2.I/O系统组成

软件：可由系统软件（OS）或应用软件承担；输入输出过程控制：发送读写指令，检查设备状态等；用户界面。

硬件：I/O接口，主机与外设之间通信：速度匹配、同步、指令、状态、差错控制；数据缓存。

3.I/O与主机信息传送的控制方式

程序查询方式：由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。

程序中断方式：CPU在启动I/O设备后，不查询设备是否已准备就绪，

继续执行自身程序，只是当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才予以

响应。

DMA方式：主存与I/O设备之间有一条数据通路，主存与I/O设备交换

信息时，无须调用中断服务程序。若出现DMA和CPU同时访问主存，CPU总是

将总线占有权让给DMA，通常把DMA的这种占有称为窃取或挪用。

⑸指令系统

指一台计算机中所有机器指令的集合，是表征计算机性能的重要因素。

1.寻址方式

A.立即寻址：操作数本身设在指令字内。

B.直接寻址：指令字中的形式地址就是操作数的真实地址。

C.隐含寻址：指令字中不明显地给出操作数的地址，其操作数的

地址隐含在操作码或某个寄存器中。

D.间接寻址：指令字中的形式地址不直接指出操作数的地址，而

是指出操作数有效地址所在的存储单元地址。

E.寄存器寻址：地址码字段直接指出寄存器编号，操作数在寄存

器内。

F.寄存器间接寻址：寄存器中存放操作数所在主存单元地址。

G.基址寻址：操作数有效地址等于指令字中的形式地址和基址寄

存器中的内容相加。

H.变址寻址：操作数有效地址等于指令字中的形式地址与变址寄

存器的内容相加。

I.相对寻址：有效地址是将程序计数器的内容与指令字中的形式

地址相加而成。

⑹CPU

1.CPU基本功能

指令控制：程序的顺序控制，称为指令控制；控制器： PC、IR、ID