计算机组成原理

按照学校考试大纲整理，内容欠缺，有时间补上

对指令流和数据流在时间与空间上的实施正确的控制（指令流是CPU执行的指令序列，数据流是根据指令操作要求依次存取数据的序列，数据流是根据指令流的操作形成的，指令流驱动数据流）

（1）程序计数器（PC）：又称为指令计数器，用来存放正在执行的指令地址或者接着要执行的指令地址 （2）指令寄存器（IR） 存放从存储器中取出的指令，当指令从主存中取出于指令寄存器后，在执行指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化，以保证实现指令的全部功能 （3）存储器数据寄存器（MDR） 暂时存放从主存储器读出的一条指令或者一个数据字，，反之，当向主存写入一条指令或者一个数据字时，也暂时将他们存在存储器数据寄存器中 （4）存储器地址寄存器（MAR） 保存CPU所访问的主存单元的地址，直到主存的读写操作完成（主存与CPU存在速度上的差异） （5）程序状态字寄存器（PWSR） 又叫状态标志寄存器，用来存放程序状态字(PSW)，程序状态字的各种表证程序和机器运行的状态，是参与控制程序控制的重要依据之一，包括状态标志（进位、结果为零）和控制标志（中断标志，陷阱标志）

（1）程序计数器 （2）指令寄存器 （3）指令译码器：操作码译码器或指令功能分析解释器，暂存在指令寄存器中的指令，在操作码部分经过译码之后，才能识别指令功能，并产生对应的控制信号给微操作信号发生器 （4）地址形成部件：根据指令的不同寻址方式，形成操作数的有效地址。

产生一定的时序信号，保证机器的各个功能部件有节奏地进行信息传送，加工、信息储存

（1）脉冲源：用来产生一定频率和宽度的时钟脉冲信号，为整个机器提供基准信号，一般使用石英晶体振荡器做脉冲源 （2）启停控制逻辑：控制时序信号的发生或停止，实现对整个机器的发生或停止 （3）节拍信号发生器：脉冲分配器，脉冲产生的信号经过节拍信号发生器后产生出各个机器周期中的节拍信号，用以控制计算机完成每一步操作

（1）微操作：一条指令的取出和执行可以分成很多最基本操作，这种最基本的不可再分割的操作称为微操作 （2）微操作信号发生器称为控制单元CU

用来控制中断处理的硬件逻辑

微操作控制信号的形成 微操作控制信号是由指令部件提供的译码信号、时序部件提供的时序信号和被控制功能部件所反馈的状态及条件综合形成的

（1）组合逻辑型控制器 称为常规控制器或硬连线控制器，采用组合逻辑技术实现的，控制单元是由门电路组成的复杂树形网络。 优点：速度快 缺点：结构不规整，使得设计、调试、维修困难，难以实现自动化，控制单元完成后要加入新的控制单元是不可能的 （2）存储逻辑型控制器 又叫微程序控制器，采用存储逻辑实现的，就是把微信号操作代码化，使每条机器转化为一段微程序并存入一个专门的存储器（控制存储器），微操作控制信号由微指令产生 优点：设计规整，调试、维修以及更改、扩充指令方便，易于实现自动化 缺点：加入了一级控制存储器，所以指令的执行速度比组合逻辑控制器慢 （3）组合逻辑和存储逻辑结合型控制器 又叫可编程逻辑阵列（PLA）控制器，吸收了前两种设计思想。实际上也是一种组合逻辑型控制器，但是又可编程，某一微操作控制信号由PLA的某一端输出函数产生

（1）指令周期：是从取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间。指令周期=i*机器周期 （2）机器周期：又叫CPU周期，一个指令周期分为若干个机器周期，每一个机器周期完成一个基本操作，一般的机器周期有：取址周期、取数周期、执行周期、中断周期 （3）一条指令所需要的最短时间为两个机器周期：取址周期和执行周期

把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段对应一个电位信号，称为节拍电位信号 节拍的宽度取决于CPU完成一次微操作所（ALU一次正确的运算，寄存器间一次传送）的时间 节拍的选取 （1）统一节拍法：以最复杂的机器周期为准定出节拍数，每一个节拍时间的时间长短也以最繁的微操作为标准，也叫定长CPU周期 （2）分散节拍法：按照机器周期的实际需要安排节拍数，需要多少节拍就发出多少节拍，称为不定长CPU周期 （3）延长节拍法：照顾多数机器周期要求的情况下，选取适当的节拍数作为基本节拍，如果某个机器周期在该节拍下无法完成，就可以适当延长一两个节拍 （4）时钟周期插入法 时序信号不设置节拍，直接使用时钟周期信号，一个机器周期中含有若干个时钟周期，时钟周期的数目取决于机器周期内完成微操作数目的多少及相应的功能部件的速度，一个机器周期的基本时钟确定后，还可以不断插入等待时钟周期

在一个节拍中常常设置一个或多个工作脉冲作为各种同步脉冲的来源，工作脉冲的宽度只占电位宽度的1/n，并出游节拍的末尾部分，以保证所有的触发器都能稳定可靠地翻转

一个指令周期包含若干机器周期，一个机器周期包含若干时钟周期

（1）同步控制方式 即固定时序控制方式，各指令所需的时序由控制器统一发出，所有的微操作都与时钟同步，所有又称为集中控制方式或中央控制方式 （2）异步控制方式 即改变时序控制方式，各操作根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间就占用多少时间，称为分散控制方式或局部控制方式 这是一种“应答”的方式，或由下一项操作的“准备好”信号作为下一项操作的起始信号，未收到信号之前不开始新的操作

完成取指阶段任务的时间为取指周期 取指令阶段完成的任务是把现行指令从主存中取出来并送到指令寄存器中，公共操作（任何一条指令都必须要执行的操作）： （1）将PC的内容送至存储器地址寄存器（MAR），并送地址总线（AB） （2）由控制单元（CU）经控制总线（CB）向存储器发读命令 （3）主存中取出的指令通过数据总线（DB）送到存储器数据寄存器（MDR） （4）将MDR的内容送到IR中 （5）PC的内容递增，为下一条指令做准备

（1）微操作序列：控制器在实现一条指令的功能时，总要把每条指令分解成一系列时间上有序的最基本、最简单的微操作。一条指令可以分解成一个微操作序列。 （2）微命令：控制部件向执行部件发出的各种控制命令称为微命令，构成了控制序列的最小单位，微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操作的命令（微命令和微操作一一对应） （3）微指令：微指令是指控制存储器中一个单元的内容，即控制字，是若干微命令的集合，存放控制字的单元地址就是微地址 一条微指令最少包含两部分信息 操作控制字段（微操作码字段）：用来产生某一步操作所需的各种微操作控制信号 顺序控制字段（微地址码字段）：用以产生下一条要执行的微指令地址 （4）微程序：一系列微指令的有序集合就是微程序，每一条机器周期（一个微程序序列）都对应一个微程序

（1）微程序是微命令组成的，用于描述机器指令，实际上是机器指令的实时解释器，存放在控制存储器中 （2）程序由机器指令构成，存放在主存或者辅存中

（1）控制存储器（CM） 微程序控制器的核心部件，用来存放微程序 （2）微指令寄存器（uIR） 用来存放从CM取出来的微指令，位数与微指令字长相等 （3）微地址形成部件 用来产生初始微地址和后继微地址，以保证微指令的连续执行 （4）微地址寄存器（uMAR） 接收微地址形成部件送来的微地址，为在CM中读取微指令做准备

当公用的取指微程序取出机器指令之后，由机器指令的操作码字段指出各个微程序的入口地址（初始微地址）。从操作码字段转换成初始微地址的方式有3种 （1）一级功能转换：如果机器指令操作码字段的位数和位置固定，可以直接使操作码与入口地址码的部分位相对应。 （2）二级功能转换 （3）通过PLA电路实现功能转换