[计算机硬件及网络]计算机组成原理控制器
【计算机组成原理】基础知识汇总（必背）
【计算机组成原理】基础知识汇总（必背）整理了⼀下超星上的题⽬以及教材《计算机组成原理第3版》——唐朔飞的课后题。
第 1 章计算机系统概论超星题⽬说明计算机系统的层次结构。
说明冯诺依曼体系结构的特点。
计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输⼊设备和输出设备5⼤部件组成。
指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可按地址寻访。
指令和数据均⽤⼆进制代码表⽰。
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。
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。
早期的冯·诺依曼机以运算器为中⼼，输⼊/输出设备通过运算器与存储器传送数据。
知识点：冯·诺依曼机的基本⼯作⽅式是：控制流驱动⽅式冯·诺依曼机⼯作⽅式的基本特点：按地址访问并顺序执⾏指令什么是机器字长、指令字长、存储字长？机器字长是指CPU⼀次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
指令字长是⼀个指令字中包含⼆进制代码的总位数。
指令字长取决于从操作码的长度、操作码地址的长度和操作码地址的个数。
存储字长是⼀个存储单元存储⼆进制代码的位数。
存储字是存放在⼀个存储单元中的⼆进制代码组合存储单元是存放⼀个存储字的所有存储元集合。
其他存放欲执⾏指令的寄存器是：IR⼀个8位的计算机系统以16位来标⽰地址，则该计算机系统中有（65536）个地址空间。
指令流通常是（主存流向控制器）CPU内通⽤寄存器的位数取决于（机器字长）。
课后题什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电⼦线路和物理装置。
计算机软件：计算机运⾏所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺⼀不可，因此同样重要。
解释下列概念：主机、 CPU 、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。
4901061《计算机组成原理》(周建敏)414-9答案
第1章计算机系统概论1．简答题（1）计算机硬件包括哪些基本功能部件？为什么要有这些部件？答：计算机的最基本的功能部件是运算器、存储器、控制器、输入单元和输出单元。
计算机的基本功能就是存储和处理外部世界的信息并在需要的时候向外界提供这些信息。
为了完成这些基本功能，要求计算机能够自动地输入信息、输出信息、存储信息以及处理信息。
计算机的基本部件就是根据这些要求设置的，分别用一个部件完成上述个功能，完后用一个控制器实现上述功能的自动化。
（2）简述现代计算机常用的三级存储体系。
答：CPU能按存储单元地址直接访问主存（内存）；增加高速缓存（Cache）的目的是为了提高速度，解决CPU与主存之间速度不匹配的矛盾；增加辅存（外存）的目的是弥补主存容量的不足。
（3）运算器中有哪些寄存器？答：运算器中有存放操作数和运算结果的寄存器，包括移位寄存器和若干通用寄存器。
（4）计算机软件有哪些类型？答：计算机软件一般可分为系统软件和应用软件两类。
系统软件是整个计算机系统的一部分，为用户操作计算机以及应用软件的运行提供一个方便的界面。
主要的系统软件有两类，一类是操作系统软件，负责计算机系统的运行控制；另一类是对程序设计语音进行处理的软件，包括编译程序解释程序、汇编程序等。
应用软件是完成用户所需功能的软件，专门为解决某文字处理软件、游戏软件等都属于应用软件。
（5）为什么说计算机的硬件和软件在功能上是等价的？答：因为计算机系统绝大部分硬件的功能可以用软件实现，软件的功能也可以用硬件来实现。
例如，浮点运算功能，早期的计算机中没有浮点运算部件，在这些计管机中实现浮点数据的运算是靠软件进行，现在计算机中都采用了硬件浮点运算部件。
可见计算机功能的这两种实现在逻辑上是等效的，其区别在于速度、成本、可靠性、存储容量、变更周期等因素。
2．改错题（1）现在的数字计算机系统的硬件都是由超大规模集成电路以及机电一体的外围设备构成的。
（2）运算器可以对数据进行算术运算和逻辑运算。
大学计算机基础计算机组成原理概述
大学计算机基础计算机组成原理概述计算机组成原理是大学计算机基础领域中的重要课程之一。
它主要涉及计算机硬件和软件的结构、功能和运行原理。
通过学习计算机组成原理，能够深入了解计算机的内部构造，理解计算机的工作原理，为今后深入学习和应用计算机技术打下基础。
一、计算机组成原理概述计算机组成原理是指计算机硬件和软件的组成和运行原理。
硬件包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等各个部件，而软件则是指计算机应用程序和系统软件。
计算机组成原理的研究对象主要是计算机的组成和工作原理，包括计算机的层次结构、指令系统、数据表示和处理、I/O系统等方面。
二、计算机硬件的组成计算机的硬件主要包括中央处理器(CPU)、内存(RAM)、输入设备、输出设备和存储设备等。
其中，中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和控制计算机的运行；内存用于存储数据和程序；输入设备用于接收外部信息；输出设备用于展示计算结果；存储设备则用于长期保存数据和程序。
三、指令系统和数据表示指令系统是计算机硬件和软件的桥梁，它定义了计算机可以执行的操作和指令的格式。
数据表示则是计算机用来存储和处理数据的方式，常见的数据表示包括二进制、十进制和十六进制等。
四、中央处理器的工作原理中央处理器是计算机的核心组件，它由运算器和控制器两部分组成。
运算器用于执行算术和逻辑运算，而控制器负责指挥整个计算机系统的工作。
中央处理器通过指令周期来执行指令，包括取指、译码、执行和写回等阶段。
五、内存的层次结构和存储器技术内存是计算机用来存储数据和程序的地方，它具有不同的层次结构和存储器技术。
常见的内存层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等。
而存储器技术则包括静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)等。
六、输入输出系统和外围设备输入输出系统是计算机与外部设备之间的连接桥梁，它负责数据的输入和输出。
外围设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等各种设备，通过输入输出系统与计算机进行数据交换。
计算机组成原理和系统结构
一、计算机的工作原理计算机工作原理是计算机在执行程序时，首先会从存储器中取出指令并加以执行。
执行过程中，控制器负责协调运算器、内存、输入和输出设备等各个部件，完成相应的任务。
在计算机内部，数据和程序均采用二进制形式表示，这使得计算机可以准确地完成各种任务。
简单来说就是存储和程序控制。
在计算机运行时，它会从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。
接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。
依此进行下去，直至遇到停止指令。
二、计算机的系统组成计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
计算机硬件是构成计算机系统各功能部件的集合，是由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的总称，是计算机完成各项工作的物质基础。
计算机软件是指与计算机系统操作有关的各种程序以及任何与之相关的文档和数据的集合。
1.计算机硬件系统组成计算机硬件主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个基本部分组成：运算器：也称为算术逻辑单元（ALU），主要负责完成算术运算和逻辑运算。
控制器：作为计算机的指挥系统，控制器主要由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。
存储器：包括内存储器和外存储器，其中内存储器（如RAM）用于临时存储数据和程序，外存储器（如硬盘）则用于长期存储数据和程序。
输入设备：如鼠标、键盘等，用于向计算机输入数据和指令。
输出设备：如显示器、打印机等，用于将计算机处理的结果展示给用户。
2.计算机软件系统由系统软件、支撑软件和应用软件三部分组成。
系统软件：系统软件是由一组控制计算机系统并管理其资源的程序组成的，主要功能包括启动计算机、存储和加载应用程序、对文件进行排序和检索、将程序语言翻译成机器语言等。
系统软件可以看作用户与计算机的接口，它为应用软件和用户提供了控制和访问硬件的手段，这些功能主要由操作系统完成。
计算机组成原理名词解释
主机：CPU、存储器和输入输出接口合起来构成计算机的主机。
CPU：中央处理器，是计算机的核心部件，由运算器和控制器构成。
运算器：计算机中完成运算功能的部件，则ALU和寄存器构成。
外围设备：计算机的输入输出设备，包括输入设备、输出设备和外存储设备。
数据：编码形式的各种信息，在计算机中作为程序的操作对象。
指令：构成计算机软件的基本元素，表示成二进制数编码的操作命令。
透明：在计算机中，从某个角度看不到的特性称该特性是透明的。
位：计算机中的一个二进制的数据代码（0或1），是数据的最小表示单位。
字：数据运算和存储单位，其位数取决于计算机。
字节：衡量数据量以及存储器容量的基本单位，1字节等于8位二进制信息。
字长：一个数据字包含的位数，一般为8位、16位、32位和64位等。
地址：给主存储器不同的存储位置指定的一个二进制编号。
存储器：计算机中存储程序和数据的部件，分为内存和外存两种。
存储器的访问：对存储器中数据的读操作和写操作。
总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合。
硬件：由物理元器件构成的系统，计算机硬件是一个能够执行指令的设备。
软件：由程序构成的系统，分为系统软件和应用软件两种。
兼容：计算机部件的通用性。
操作系统：主要的系统软件，控制其他程序的运行，管理系统资源并且为用户提供操作界面。
汇编程序：将汇编语言程序翻译成机器语言程序的计算机软件。
汇编语言：采用文字方式（助记符）表示的程序设计语言，其中大部分指令和机器语言中的指令一一对应。
编译程序：将高级语言的程序转换成机器语言程序的计算机软件。
解释程序：解释执行高级语言程序的计算机软件，，解释并执行源程序的语句。
系统软件：计算机系统的一部分，进行命令解释、操作管理、系统维护、网络通信、软件开发和输入输出管理的软件。
应用软件：完成应用功能的软件，专门为解决某个应用领域中的具体任务而编写。
指令流：在计算机的存储器与CPU之间形成的不断传递的指令序列。
计算机组成原理(本全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
计算机组成原理(附答案)
计算机组成原理中的运算器与控制器
计算机组成原理中的运算器与控制器计算机组成原理是计算机科学与技术中的重要课程，它涉及到计算机内部各个组成部分的结构和工作方式。
在计算机组成原理中，运算器与控制器是其中两个核心模块，它们负责处理和控制计算机的数据和指令。
本文将对计算机组成原理中的运算器与控制器进行探讨。
一、运算器运算器是计算机的核心部件之一，它负责执行各种算术和逻辑运算。
运算器通常由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（AC）和数据缓冲寄存器（DR）等组成。
算术逻辑单元是运算器中的关键部件，它能够执行四则运算和逻辑运算等操作。
累加寄存器用于存储运算结果，数据缓冲寄存器则用于暂时存放需要进行运算的数据。
在运算器中，ALU起到了核心的作用。
它能够对两个二进制数进行加减乘除等运算，还可以执行与、或、非、异或等逻辑运算。
ALU内部通常包含了多个逻辑门和触发器，通过这些基本逻辑电路可以实现各种算术和逻辑运算。
运算器还通过高速缓存和数据通路等技术手段来提高数据访问速度和运算效率。
二、控制器控制器是计算机硬件中的另一个重要组成部分，它负责控制各个部件之间的协调工作，以确保计算机按照用户的指令正确地执行操作。
控制器通常由指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、时钟电路和控制逻辑等组成。
指令寄存器用于存放当前正在执行的指令，程序计数器则用于存放下一条需要执行的指令地址。
时钟电路提供了固定的时序脉冲，控制逻辑根据时钟信号的变化来进行相应的控制操作。
控制器的工作过程通常分为指令获取、指令译码和执行三个阶段。
在指令获取阶段，控制器从内存中获取指令并存放到指令寄存器中；在指令译码阶段，控制器对指令进行解码，确定下一步的操作；在执行阶段，控制器根据指令的要求控制其他部件进行相应的操作，包括数据的读取、运算的执行和结果的存储等。
通过这些阶段的协调工作，控制器能够完成计算机的指令执行过程。
三、运算器与控制器的协作运算器和控制器在计算机组成原理中密切合作，彼此之间进行数据和控制信号的传递，以完成计算机的各种运算任务。
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T0:IR(0-7)-SB,SB-AR,RD T1:DR-SB,SB-ALU.R,AC-ALU.L T2:ADD,ALU.O-AC
微程序控制器设计举例 微命令编码设计
3 SBin
2
1
1
1
1
1
1
SBout 0-AC ALU.O-AC AC-ALU.L PC+1 RD ADD
000 001 PC-SB 010 DR-SB 011 IR(0)-SB 100 IR(0-7)-SB
功能，其中还包括对运算结果的处理以及下条指
令地址的形成。
计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作： 取指、分析、执行；再取指、再分析、再执 行……，如此循环，直到遇到停机指令或外来的 干预为止。
组合逻辑控制器的时序关系
指令周期：是指取出并执行一条指令所需的时间，由若干 个CPU周期组成，每个CPU周期由若干时钟周期组成。
译码器 存储器直接 寻址方式
&
&
&
& & & &&
... ... ... ...
≥
≥
1-EXEC
SB-AR
1-FIC
PC-SB
DR-SB
PC+1 SB-ALU.R ALU.O-AC ADD IR(0)-SB AC-ALU.L IR(0-7)-SB
0-AC RD SB-IR
时序控制信号
CPU内部控制信号
030 000 006 031 000 040
040 存和单元
数据
控制信号产生电路的设计：
控制信号产生电路原理图
时序部件
FIC
T0
T3
操作码
……
译码器
……
IR
寻址方式
……
译码器
……
PSW O NZ C
……
控制信号产生电路
1-FIC 1-EXEC 1-FDC CLR
时序控制信号
……
PC-SB DR-SB
第六章 控制器
6.1 控制器功能及组成 6.2 指令执行过程及时序控制方式 6.3 硬布线控制器的设计 6.4 微程序控制器及设计技术
控制器功能
控制器的作用就是控制计算机完成用户提出的 任务：处理信息、处理异常情况。
问题：如何接受任务请求？ 如何理解任务内容？ 如何控制计算机完成任务？
控制器时序工作方式
同步控制方式： 同步控制方式中不同操作的周期、节拍、 脉冲（时序）长短相等。
异步控制方式： 不同的操作对应的时序长短不同。
联合控制方式： 同步与异步的结合。
指令的执行过程
典型程序的执行过程： 020 CLA ---非访内指令 021 ADD 30 ---直接访内指令 022 STA 40 023 NOP 024 JMP 21
直接编码法
用n位表示2^n个微命令
字段直接编码法
将互斥微命令采用编码方式表示，相容命令则采用直 接表示法表示
字段间接编码法
由不同编码字段结合生成一些微命令
下地址的生成（NAC类型）
增量方式： 顺序：下地址= uPC, (uPC+Δ) 非顺序：下地址由跳转微指令决定，跳转微
指令根据NAC决定是否跳到NA，条件不满足 则由uPC生成下地址 断定方式：下地址=NA（微命令 NAC NA） 结合方式：(微命令 NAC NA), uPC
NOP
JMP
FDC EXEC
T0:IR(0-7)-SB,SB-AR,RD
T0:0-AC
T0:DR-SB,SB-ALU.R,ACALU.L
T1:ADD,ALU.O-AC
T0:IR(0-7)-SB, SB-AR
T1:AC-SB,SB-DR,WR
T0:IR(0-7)-SB,SB-PC
T0:IR(0-7)-SB,SB-AR,RD
T0:(IR(0))-SB,SB-ALU.R,AC-ALU.L T1:ADD,ALU.O-AC
T0:IR(0-7)-SB,SB-AR,RD T1:DR-SB,SB-ALU.R,AC-ALU.L T2:ADD,ALU.O-AC
时序部件
EXEC T1
T0
T2
FIC
IR 操作码 寻址方式
译码器 CLA ADD
控制信号产生电路逻辑图
时序部件
FIC
T0
T2
操作码 IR
……
译码器
……
&
&
&
控制信号产生电路
…… …… ……
≥
……
1-FIC 1-EXEC PC-SB DR-SB
PC+1
WR RD
1-FDC CLR
SB-AR SB-IR
0-AC
时序控制信号
CPU内部控制信号
系统总线控制信号
指令译码器设计
考虑计算机组合逻辑控制中什么是译码
IB
AC
0 ALU
ADD
GR
SB MM
AR DR IR PC
T0:PC-SB,SB-AR,RD
FIC
T1:DR-SB,SB-IR（PC+1) 为什么PC+1不
T2:（PC+1)
放到T0或T1？
IR(8-10)=000 CLA
IR(8-10)=001 ADD
IR(8-10)=010 STA
IR(8-10)=011 IR(8-10)=100
例：已知某计算机有80条指令，平均每条指令 由12条微指令组成，其中有一条取指微指令是 所有指令共有的，设微指令的长度为32位，计 算断定方式的微程序控制存储器的容量（设测 试条件不大于四种）。
解：881*44
例：某机采用微程序控制器，已知每条机器指令可以 分解成8条微指令组成的微程序（不考虑取指的单独 存放问题），该机指令系统采用6位定长操作码格式。 问：1）确定微程序控制存储器的单元数； 2）增量方式中，如何确定机器指令操作码与该 指令微程序起始地址的对应关系，给出一种方案。
微指令的格式
微命令编码 下地址控制字 下地址字段 段NAC
微命令编码
微程序控制器组成及工作原理
控制存储器 CM
NAC NA
PC-SB SB-AR
NAC NA
下地址产生逻辑 uAR (uPC)
PSW
时序部件
uIR PC-SB SB-AR
NAC NA
PC
AR
SB
微命令编码方式
直接表示法
PC-SB SB-AR RD PC+1…………
问题：如果将R0作为变址寻址寄存器，指令格式如何变化？
SB MM
AR DR IR PC
FIC
IR(9)=0（CLA)
T0:PC-SB,SB-AR,RD T1:DR-SB,SB-IR T2:PC+1
IR(9)=1(ADD)
IR(8)=0 (寄存器直接寻址）
IR(8)=1 (存储器直接寻址）
EXEC
T0:0-AC
组合逻辑控制器设计： 指令格式、运算器及CPU体系
直接寻址地址
9
操作码
8
7
寻址方式
1
0
寄存器编号
0：CLA 1：ADD
0：寄存器直接 1：存储器直接
0：R0 1：R1
单地址指令，目标地址隐含 在累加器AC中，源操作数有 直接寻址方式、寄存器直接 寻址方式两种
GR (R0,R1)
3、综合化简每一个微操作命令，写出相应的逻辑表达 式，画出相应的控制信号产生电路逻辑图
组合逻辑控制器设计举例： 指令格式、运算器及CPU体系
10
87
0
操作码 直接寻址地址
000：CLA
001：ADD 010：STA 011：NOP 100：JMP
单地址指令，目标地址隐含 在累加器AC中，源操作数只 有直接寻址方式一种
系统总线控制信号
微程序控制器
微程序控制器是在控制器设计中引入程序 设计思想而设计完成的控制器，该控制器 中控制命令并非产生于组合逻辑电路，而 是取自于控制存储器中。微程序控制器中 的控制存储器内存放着对应所有指令的微 命令组，执行某一条指令时，控制器会根 据微地址取出对应该指令的微命令组。相 应的概念：微命令、微指令、微程序。
T1:DR-SB,SB-ALU.R,AC-
考虑不AL同U.的L 运算器总线结构（单总线或混合总线结构）, 指令系T2统:AD（D若,AL内U存.O-间AC接寻址）会导致微命令如何变化？
控制信号逻辑表达式
1-FIC=EXEC*T3+RESET
1-EXEC=FIC*T3
PC-SB=FIC*T0
SB-AR=FIC*T0+(IR(8-10)=001)*EXEC*T0+(IR(8-10)=010)*EXEC*T0
00
01 SB-AR 10 SB-IR 11 SB-ALU.R
微程序控制器设计举例 下地址部分设计
NAC字段：2位，00：顺序；01：操作码跳转； 10：add寻址方式跳转；11：无条件跳转
NA字段：需要确定多少位，根据什么确定？
9条微指令，可以配置16个单元，因此需要4位地址码表示
存储控制器规格的确定
SB MM
AR DR IR PC
微程序控制器设计举例:指令微流程
IR(9)=0（CLA)
T0:PC-SB,SB-AR,RD T1:DR-SB,SB-IR T2:PC+1
IR(9)=1(ADD)
IR(8)=0 (寄存器直接寻址）
IR(8)=1 (存储器直接寻址）
T0:0-AC
T0:(IR(0))-SB,SB-ALU.R,AC-ALU.L T1:ADD,ALU.O-AC