计算机组成原理课件1
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计算机组成原理第1章PPT课件
3.数据传输率与数据通路宽度 （1）数据通路宽度: 数据总线一次能并行 传输的数据位数。 （2）数据传输率（带宽）：数据总线每秒 传输的数据量。
总线位数×总线时钟频率
总线带宽 =
8
（B/S）
主存带宽 =？
4.存储容量
1）主存容量
K、M、G、T
1024
指存储单元个数 × 位数。
决定地址位数
存储体
控制线路
数据寄存器 读/写线路
译码器
…………
地址寄存器
…………
存储体: 存放信息的实体。 寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。 读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂 存读/写数据。 控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。 3）讨论 存储单元读/写原理、存储器逻辑设计
（3） 输入/输出设备 1）功能：转换信息。
换、逻辑控制等功能。
2.典型的硬件系统结构 （1）以总线为基础的系统结构 特点：结构简单、控制方便、扩展容易。
总线
部件 部件 部件
单总线结构 系统总线
CPU
M
接口
I/O
接口 I/O
（2）采用通道或IOP的系统结构 带通道的系统（图1-6）
主机
通道
I/O控制器
I/O
• 规模较小的系统可将通道部件设置在 CPU内部。
1.3.2 计算机的主要性能指标
1.基本字长 指操作数的基本位数。 和运算器、寄存器、总线有关，它影响
计算精度、指令功能。 8 — 16 — 32 — 64位
2. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间
（2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（Hz）
5M 100M 1G 2.0G 3.2G （4）典型程序执行时间 （5）每条指令平均执行周期.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序
计算机组成原理(本全)课件
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。
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》ppt课件
输入输出系统
输入设备
将人类可读的信息转换为计算机 可识别的二进制代码，如键盘、 鼠标等。
I/O控制方式
程序查询方式、中断方式、DMA 方式和通道方式等，用于管理输 入输出操作。
输出设备
将计算机处理后的结果转换为人 类可读的形式，如显示器、打印 机等。
I/O接口
连接输入输出设备与主机，实现 数据缓冲、电平转换和信号匹配 等功能。
括通用寄存器、专用寄存 器等。
指令的执行过程
取指
从内存中读取指令，并将其放入指令寄存器 中。
执行
根据微操作命令序列，控制运算器、寄存器 等部件执行相应的操作。
译码
将指令寄存器中的指令翻译成微操作命令序 列。
写回
将执行结果写回到寄存器或内存中。
CPU的性能指标
主频
CPU的时钟频率，通常以MHz或 GHz表示，主频越高，CPU处理
运算器
执行算术运算和逻辑运算， 处理数据。
寄存器
暂存指令、数据和地址， 提高CPU的运算速度。
存储器
01
主存储器
存放程序和数据的主要区域，直接和CPU交换信息。
02
辅助存储器
长期保存信息，容量大、价格低、速度慢，需通过主存与CPU交换信息。
03
高速缓冲存储器（Cache）
位于CPU和主存之间，存取速度接近CPU，用于缓解主存速度瓶颈问题。
云计算和大数据的融合是未来发展的趋 势，通过云计算平台提供的大数据服务， 可以实现海量数据的存储、处理和分析。 计算机组成原理在云计算和大数据融合 中发挥着重要作用，为构建高效、稳定 的云计算和大数据平台提供了理论支持。
计算机组成原理的发展趋势和挑战
发展趋势
计算机组成原理(本全PPT)
应用
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
计算机组成原理(本全PPT)白中英
32
为提高数据的表示精度，当尾数的值不为 0 时，其绝 对值应≥0.5，即尾数域的最高有效位应为1,否则以修 改阶码同时左右移小数点的办法，使其变成这一表 示形式，这称为浮点数的规格化表示。
101.1101=0.1011101×20011=0.010111010×20100
规格化表示为尾数是0.1011101，阶码是0011 而尾数是0.01011101，阶码是0100不是规格化表示。
16
(347) 8 =3×82+4×81+7×80=(103)10 (347.5) 8 =3×82+4×81+7×80+5×8-1 =(231.625)10 (34E.5) 16 =3×162+4×161+14×160+5×16-1 =(846.3125)10
17
2、不同数制间的转换 1＞十进制八，十六进制二进制 法则 整数部分：除8（16）取余数 小数部分：乘8（16）取整 重复循环
0≤︱X︱≤2n －1 或： — (2n －1)≤ X≤2n －1 （16位整数范围：— (215 －1)≤ X≤ (215 －1)
25
2、浮点表示法 1＞数的浮点表示 其范围和精度部分分别用定点数表示 123.45=1234.5×10－1=12345×10 －2 =123450×10 － 3 4796.54＝0 . 479654×104 0.00479654＝ 0 . 479654×10－2 －0.00479654＝ －0 . 479654×10－2
27
任意十进制N，可以化为 N＝M×10E 其中M为小数，E为整数 一个数S的任意进制表示 （S）R＝m×Re m ：尾数，是一个纯小数。 e ：比例因子的指数，称为浮点的指数，是一个 整数。 R ：比例因子的基数，对于二进计数值的机器 是一个常数，一般规定Ｒ 为2，8或16。
《计算机组成原理》课件
指令结束
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
谢谢您的聆听
THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
谢谢您的聆听
THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
计算机组成原理(唐朔飞) PPT
§1.1 计算机发展历史 §1.2 计算机常用术语 §1.3 计算机系统组成 §1.4 计算机性能指标 §1.5 计算机工作过程
计算机组成原理
§1.4 计算机性能指标
第1篇 概述
1、 机器字长
指计算机能直接处理的二进制数据的位数 机器字长用bit为单位，有8位、16位、32 位、64位，为字节的倍数 字长决定着计算机运算的精度、速度、造价
计算机组成原理 §1.3 计算机系统组成
第1篇 概述
小结
1、计算机系统的层次结构 2、理解冯·诺依曼计算机的特点 3、掌握现代计算机系统的组成 4、理解CPU内部控制器、运算器、 存储器的各部件的关系和功能 5、了解计算机软件的分类 6、理解各种计算机语言的特点
计算机组成原理
第1篇 概述
第1篇 概 述
分类： 对计算机本身进行操作和管理，提供给用户操
作环境和软件运行环境。
软件系统
操作系统*
汇编程序
系统软件 语言处理程序* 解释程序
数据库系统 编译程序
应用软件 通用软件*
核心软件，
专业软件*
•管理计算机全部软件和硬件资源，
•组织计算机各部分协调工作，
•提供用户操作界面的运行平台。
计算机组成原理 软件之操作系统
目前常用：DOS、Windows、Unix、Linux、Vista
计算机组成原理
第1篇 概述
分类：
软件系统
操作系统*
汇编程序
系统软件 语言处理程序* 解释程序
数据库系统 编译程序
应用软件 通用软件* 专业软件*
计算机语言分为机器语言、汇编语言、高
级语言，语言处理程序负责将这些语言编写 的程序翻译为计算机能读懂的语言，并将计 算机的运算结果翻译为相应的人们能理解的 语言程序。
计算机组成原理
§1.4 计算机性能指标
第1篇 概述
1、 机器字长
指计算机能直接处理的二进制数据的位数 机器字长用bit为单位，有8位、16位、32 位、64位，为字节的倍数 字长决定着计算机运算的精度、速度、造价
计算机组成原理 §1.3 计算机系统组成
第1篇 概述
小结
1、计算机系统的层次结构 2、理解冯·诺依曼计算机的特点 3、掌握现代计算机系统的组成 4、理解CPU内部控制器、运算器、 存储器的各部件的关系和功能 5、了解计算机软件的分类 6、理解各种计算机语言的特点
计算机组成原理
第1篇 概述
第1篇 概 述
分类： 对计算机本身进行操作和管理，提供给用户操
作环境和软件运行环境。
软件系统
操作系统*
汇编程序
系统软件 语言处理程序* 解释程序
数据库系统 编译程序
应用软件 通用软件*
核心软件，
专业软件*
•管理计算机全部软件和硬件资源，
•组织计算机各部分协调工作，
•提供用户操作界面的运行平台。
计算机组成原理 软件之操作系统
目前常用：DOS、Windows、Unix、Linux、Vista
计算机组成原理
第1篇 概述
分类：
软件系统
操作系统*
汇编程序
系统软件 语言处理程序* 解释程序
数据库系统 编译程序
应用软件 通用软件* 专业软件*
计算机语言分为机器语言、汇编语言、高
级语言，语言处理程序负责将这些语言编写 的程序翻译为计算机能读懂的语言，并将计 算机的运算结果翻译为相应的人们能理解的 语言程序。
计算机组成原理(本全)ppt课件
定点数的加减法实现
通过硬件电路实现定点数的加减法，包括加 法器、减法器等。
浮点数的加减运算
浮点数的表示方法
包括IEEE 754标准中浮点数的表示方法、规格化表示 和精度。
浮点数的加减法规则
包括阶码和尾数的运算规则、对阶操作、尾数加减运 算和结果规格化等。
浮点数的加减法实现
通过硬件电路实现浮点数的加减法，包括浮点加法器 、浮点减法器等。
指令的执行过程与周期
指令执行过程
取指、译码、执行、访存、写回等阶段 。
VS
指令周期
完成一条指令所需的时间，包括取指周期 、间址周期、执行周期等。
07
中央处理器（CPU）
CPU的功能与组成
控制器
负责指令的取指、译码和执行，控制 数据和指令在CPU内部的流动。
运算器
执行算术和逻辑运算，包括加、减、 乘、除、与、或、非等操作。
多核处理器与并行计算
多核处理器
将多个处理器核心集成在一个芯片上，每个核心可以独立执行指令，提高处理器的并行 处理能力。
并行计算
利用多核处理器或多个处理器同时处理多个任务或数据，加速计算过程，提高计算效率 。
08
输入输出系统
I/O接口与I/O设备
I/O接口的功能
实现主机与外设之间的信息交换，包括数据 缓冲、信号转换、设备选择等。
乘法与除法运算
浮点数的乘除法运算
包括浮点数的乘法、除法和平方根运算等。
定点数的乘除法运算
包括原码一位乘法、补码一位乘法、原码除 法和补码除法等。
乘除法运算的实现
通过硬件组成与设计
运算器的基本组成
包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、数据总线等。
运算器的设计原则
计算机组成原理PPT课件
图像处理软件
如Photoshop、GIMP等，用于编辑、处理 和美化图像。
游戏软件
提供娱乐和休闲功能，丰富人们的生活。
软件开发与维护
需求分析
对软件的功能需求进行详细分析，确 定软件的目标和功能。
02
设计阶段
根据需求分析结果，设计软件的架构、 模块和接口等。
01
03
编码阶段
根据设计文档，使用编程语言实现软 件的各个模块。
数据运算与逻辑运算
数据运算
加法、减法、乘法、除法等。
逻辑运算
与运算、或运算、非运算等。
运算器
加法器、乘法器、比较器等。
数据存储与访问方式
数据存储
内存、硬盘、闪存等。
访问方式
随机访问、顺序访问等。
存储结构
线性结构、树形结构、图形结构等。
06 计算机系统性能评价
计算机性能指标
运算速度
指计算机完成一项操作所需的时间， 包括CPU运算速度、内存存取速度等。
按用途
通用计算机和专用计算机。
计算机的应用领域
数据处理
企业、政府等组织 的数据存储、分析 和处理。
辅助设计
建筑设计、机械设 计、影视制作等领 域。
科学计算
天气预报、物理模 拟、工程设计等领 域。
自动控制
工业生产、交通管 理、智能家居等领 域。
网络通信
电子邮件、社交媒 体、在线会议等领 域。
02 计算机硬件组成
接口是连接设备与总线的桥梁，常 见的接口包括USB、HDMI等。
03 计算机软件组成
系统软件
操作系统ห้องสมุดไป่ตู้
是计算机系统的基本软件，负责管理计算机的硬件和应用程序，提供 计算机系统的控制、管理、维护等功能。
计算机组成原理(白中英)第1章PPT课件
表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元取 运算的结果应存到哪个单元
指令
加法 减法 乘法 除法 取数 存数 打印 停机
操作码
001 010 011 100 101 110 111 000
计算机组成原理 电子计算机的设计⊙思第想一章计算机系统概论
❖ 存储程序，程序控制 ❖ “存储程序”，是把指令以代码的形式事先输入到
集成度 – 表明微处理器的生产工艺水平 – 常用芯片上集成的晶体管数量来表达
计算机组成原理
⊙第一章计算机系统概论
通用微处理器
4位微处理器
– 1971年，Intel 4004，第一个微处理器
8位微处理器
– M6800、Z80和Intel 8080/8085 – Apple公司苹果机
16位微处理器
☼ 二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）
☆ 计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机 逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学 生掌握计算机的组成和工作原理。
☆ 通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课 程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。
计算机组成原理
⊙第一章计算机系统概论
教学大纲
☼ 一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）
☆ “计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬 件和理论。
☆ 《计算机组成原理》是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要 必修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算器、控制器、 存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解， 同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。
指令
加法 减法 乘法 除法 取数 存数 打印 停机
操作码
001 010 011 100 101 110 111 000
计算机组成原理 电子计算机的设计⊙思第想一章计算机系统概论
❖ 存储程序，程序控制 ❖ “存储程序”，是把指令以代码的形式事先输入到
集成度 – 表明微处理器的生产工艺水平 – 常用芯片上集成的晶体管数量来表达
计算机组成原理
⊙第一章计算机系统概论
通用微处理器
4位微处理器
– 1971年，Intel 4004，第一个微处理器
8位微处理器
– M6800、Z80和Intel 8080/8085 – Apple公司苹果机
16位微处理器
☼ 二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）
☆ 计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机 逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学 生掌握计算机的组成和工作原理。
☆ 通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课 程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。
计算机组成原理
⊙第一章计算机系统概论
教学大纲
☼ 一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）
☆ “计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬 件和理论。
☆ 《计算机组成原理》是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要 必修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算器、控制器、 存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解， 同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。
《计算机组成原理》课件
了解多种计算机体系结构的优缺点，分析 不同系统的适用领域，结合实际案例深入 理解计算机体系结构的实现原理和设计思 路
计算机组成基础理论
寄存器与缓存
探索计算机内部的寄存器和缓 存原理，了解不同级别寄存器 和缓存在计算机系统中的角色 和作用
主板与总线
深入了解计算机总线结构及数 据和控制流在总线上的传输方 式，了解与总线相关的概念和 术语
掌握计算机硬件与软件之间的交互、
学会优化计算机性能的技巧
2
协作机制及其适用领域
了解计算机性能优化的基本概念和方
法，并能熟练运用于实践中
3
应用计算机体系结构案例分析
了解计算机体系结构中重要的实用技 术及其应用案例，并以此为基础研究 计算机领域中的新技术Fra bibliotek课程大纲
1 计算机组成基础理论
2 计算机硬件设计
操作系统优化技术
了解操作系统的内部工作原理，学习操作系统性能优化的方法和技巧
硬件优化技术
研究不同硬件系统中的性能问题，了解针对硬件性能进行的优化和调整策略
计算机体系结构案例分析
大型机体系结构
了解大型机的体系结构和设计 原理，深入探索大型机的操作 系统和应用场景
小型机体系结构
了解不同小型机的体系结构和 优化方案，探索小型机领域的 设计和发展趋势
分布式计算体系结构
了解分布式计算的各种技术和 常用框架，学习相关开源软件 和系统的使用方法和技巧
评价与总结
在本课程中，我们深入探讨了计算机组成原理的各个方面，了解了计算机硬 件的基本原理、如何优化计算机性能、如何设计计算机体系结构等关键技能 和知识。
希望通过这门课程的学习，您能够对计算机系统有更深入的理解，并能更好 地应用相关技术和知识。谢谢！
计算机组成原理ppt课件
常见输入输出接口类型和特点比较
要点一
常见输入输出接口类型
要点二
特点比较
常见的输入输出接口类型包括PS/2接口、USB接口、HDMI 接口、DisplayPort接口、SATA接口等。
不同的输入输出接口类型具有不同的特点，如传输速度、支 持热插拔、连接方式等。例如，USB接口支持热插拔和即插 即用，而SATA接口则主要用于连接硬盘和光驱等存储设备。
定点数表示与运算方法
定点数表示方法
阐述定点数的表示方法，包括符号位、 数值位等，并介绍定点数的范围及精 度。
定点数加减运算
详细讲解定点数的加减运算方法，包 括补码加减运算等。
定点数乘除运算
介绍定点数的乘除运算方法，包括原 码乘除、补码乘除等算法。
定点数运算器的设计
阐述定点数运算器的设计原理和实现 方法，包括加法器、减法器、乘法器 和除法器等。
当中断发生时，计算机首先保存当前程序的执行状态，然后转去执行中断处理程序。中断处理程序执行完毕 后，计算机再返回原程序继续执行。这个过程需要由计算机的操作系统来管理和控制。
THANK YOU
指令系统设计原则和优化策略
有效性原则
指令系统应能有效地支持高级 语言的实现，提高程序执行效 率。
兼容性原则
新设计的指令系统应尽可能与 已有的指令系统保持兼容。
完备性原则
指令系统应满足程序设计的各 种需求，具备完备性。
规整性原则
指令系统应尽可能规整，简化 硬件实现和软件编程。
优化策略
采用流水线技术、超标量技术、 乱序执行技术等优化策略，提 高指令执行速度和效率。
高速缓冲存储器（Cache）原理及应用
Cache原理
Cache是一种高速缓冲存储器，它位于CPU和内存之间，用于存储CPU最近访问过的数 据和指令。通过Cache技术，可以提高CPU访问内存的效率和速度。
1计算机组成原理(第一到八总章)课件PPT
27
计算机的层次结构
计算机通常被认为由6个不同的级组成：
第六级
为满足某种用途而专门设计，其语言是各种面向问题的应
应用语言级 用语言。用户看到的是能解决某些专门问题的智能机器。
虚
第五级
高级语言级是为方便用户编写应用程序而设置的，由各种
拟
高级语言级 高级语言编译程序支持，面向程序员。
机
第四级
提供一种符号语言即汇编语言，以减少程序编写复杂性，
n 在研制ENIAC的同时，以美籍匈牙利数学家冯 · 诺依曼为首的研 制小组提出了“存储程序、程序控制”的设计思想，体现该设计 思想的计算机EDVAC在1951年问世。
n 冯·诺依曼的存储程序控制概念概括起来为： n 计算机硬件应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出 设备五大基本部件组成。 n 计算机内部采用二进制来表示指令和数据（表示与实现）。 n 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后启动计算 机工作。这一点最为重要，即存储程序、程序控制的思想。
教材与参考书、考核方式
教材与参考书
n 蒋本珊，计算机组成原理，清华大学出版社，2004.3 n 王闵，计算机组成原理，电子工业出版社，2001.1
考核方式
n 考试方式：闭卷考试 n 成绩计算：总成绩 = 作业20% + 期终考试80%
5
第一章 计算机系统概论
主要内容
n 计算机的设计思想（存储程序与程序控制） n 计算机的硬件组成（五大部件） n 计算机的软件配置（系统软件和应用软件） n 计算机的基本工作过程
n 输出设备的种类也非常多，例 如显示器、打印机等是常见的 输出设备。同样新的输出设备 在不断问世，例如能用颜色表 示水温的水龙头。
20
计算机的层次结构
计算机通常被认为由6个不同的级组成：
第六级
为满足某种用途而专门设计，其语言是各种面向问题的应
应用语言级 用语言。用户看到的是能解决某些专门问题的智能机器。
虚
第五级
高级语言级是为方便用户编写应用程序而设置的，由各种
拟
高级语言级 高级语言编译程序支持，面向程序员。
机
第四级
提供一种符号语言即汇编语言，以减少程序编写复杂性，
n 在研制ENIAC的同时，以美籍匈牙利数学家冯 · 诺依曼为首的研 制小组提出了“存储程序、程序控制”的设计思想，体现该设计 思想的计算机EDVAC在1951年问世。
n 冯·诺依曼的存储程序控制概念概括起来为： n 计算机硬件应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出 设备五大基本部件组成。 n 计算机内部采用二进制来表示指令和数据（表示与实现）。 n 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后启动计算 机工作。这一点最为重要，即存储程序、程序控制的思想。
教材与参考书、考核方式
教材与参考书
n 蒋本珊，计算机组成原理，清华大学出版社，2004.3 n 王闵，计算机组成原理，电子工业出版社，2001.1
考核方式
n 考试方式：闭卷考试 n 成绩计算：总成绩 = 作业20% + 期终考试80%
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第一章 计算机系统概论
主要内容
n 计算机的设计思想（存储程序与程序控制） n 计算机的硬件组成（五大部件） n 计算机的软件配置（系统软件和应用软件） n 计算机的基本工作过程
n 输出设备的种类也非常多，例 如显示器、打印机等是常见的 输出设备。同样新的输出设备 在不断问世，例如能用颜色表 示水温的水龙头。
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计算机组成原理第课件
存储容量
指计算机存储器中能够存储的数据量，通常 以字节为单位。
可扩展性
指计算机硬件和软件的可扩展能力，以满足 未来需求。
计算机性能测试
基准测试
通过运行一系列标准化的测试用例，来评估 计算机的性能表现。
压力测试
通过模拟高负载情况下的性能表现，来评估 计算机的稳定性和可靠性。
兼容性测试
测试计算机硬件和软件之间的兼容性，以确 保正常运行。
计算机组成原理课件
目录
• 计算机系统概述 • 硬件组成 • 软件组成 • 指令系统 • 计算机性能评价
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
01
02
03
04
05
机械计算机时代
电子计算机时代
小型化与集成电 路时代
微处理器与个人 计算机时代
互联网与云计算 时代
1940年代以前，使用齿轮 、纸带等机械装置进行计 算。
扩展指令集
在基本指令集的基础上增加扩展指令，提高 处理能力。
寻址方式
立即寻址
操作数直接包含在指令中。
寄存器寻址
操作数存储在寄存器中。
内存寻址
操作数存储在内存单元中，通过地址计算得到。
05
计算机性能评价
计算机性能指标
运算速度
指计算机完成指令操作的速度，通常以每秒 执行多少条指令来衡量。
可靠性
指计算机在规定时间内完成规定任务的能力 ，通常以平均故障时间来衡量。
1940年代初开始，使用真 空管、晶体管等电子元件 进行计算。
1960年代开始，集成电路 使得计算机体积减小，性 能提高。
1970年代开始，微处理器 出现，个人计算机普及。
1990年代开始，互联网的 发展使得计算机不再局限 于单一设备，云计算技术 兴起。
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同一程序可以在不同复杂度级别进行表示
计算机组成原理 23
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
24
计算机系统结构、组成及其实现
计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和 对软硬件界面的确定
软件
指令系统体系结构（ISA）
计算机组成原理
寄存 器组
计算机组成
CPU组成
总线系统：各部件之间传送信息的通路和器件
计算机组成原理 13
计算机硬件系统的基本构成
控制流CS 运算器 数据流DS
程序和数据
计算结果
输入设备
存储器
输出设备
控制器 计算机的组成部件
计算机组成原理 14
主要部件基本功能
1 输入设备 Input devices：从计算机外部输入信息
2 存储器 Memory Unit：存放数据、指令等
3 运算器 Arithmetic and Logic Unit (ALU)： 执行算术、逻辑运算 4 控制器 Control Unit (CU)： 分析指令，控制指令的执行，协调其它部件工作
5 输出设备 Output devices ：将加工后的信息输出
32
计算机组成原理
例:①确定是否有乘法指令属于计算机系统
结构。
②乘法指令是用专门的乘法器实现，还是经 加法器用重复的相加和右移操作来实现，属于计 算机组成。 ③乘法器、加法器的物理实现，如器件的选定 (器件集成度、类型、数量、价格)及所用微组 装技术等，属于计算机实现。
计算机组成原理 33
计算机系统结构、计算机组成和计算机实 现是三个不同的概念，但随着技术、器件和应 用的发展，三者之间的界限越来越模糊。
、器件的设计、装配技术等属于计算机实现。
计算机组成原理 31
例:① 主存容量与编址方式(按位、按字节、
按字访问等)的确定属于计算机系统结构。
②为达到所定性能价格比，主存速度应多快 ，在逻辑结构上需采用什么措施(如多体交叉 存储等)属于计算机组成。 ③主存系统的物理实现，如存储器器件的选 定、逻辑电路的设计、微组装技术的选定属于 计算机实现。
编译器
temp = v[k];
v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;
汇编语言程序
lw $15, 0($2)
汇编器
lw $16, 4($2) sw$16, 0($)
机器语言程序
机器解释
sw$15, 4($2)
控制信号描述
0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101
编译
操作系统
指 令 系 统
逻辑 设计
计算机组成原理
组 实
成 现
器件，封 装、机箱、 电源、冷 却设计
30
系统结构、组成、实现三者之间的区别
例 ① 机器指令集的确定属于计算机系统结 构。
② 指令的实现，如取指令、取操作数、运
算、送结果等具体操作及其排序方式属 于计 算机组成。
③ 实现指令集中所有指令功能的具体电路
•面向计算机本身的软件--OS，故障处理程序等
•面向计算机维护人员的软件--调试、纠错、测试程序等 •面向用户的软件--汇编、编译和解释程序、DBMS等
（2）应用软件：为解决某个应用领域的具体任 务而编制的程序
计算机组成原理
12
计算机硬件系统的基本构成
控制器 内部 外设
CPU
系统 主存
总线
运算器
总线
计算机软件
计算机硬件
应用软件
系统软件
操作系统 语言处理程序 诊断程序 各种标准程序库 。。。
计算机组成原理
MIS ERP OFFICE OUTLOOK 。。。
10
计算机软件（Software）： 是指能使计算机工作的程序和程序运行时所需 要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明 和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。
第2级 第1级 第0级
机器指令时序
硬操作时序
物理计算机 （硬件）
从语言功能层次划分
计算机组成原理 21
计算机系统的层次结构
第0级由硬件实现。 第1级由微程序实现。 第2级是传统指令系统（机器语言）机器。 第3级是操作系统机器。操作系统是运行在第２级上的解释程序 第4级是汇编语言机器。 第5级是高级语言机器。 第6级是应用语言机器。
——运算速度、存储容量、I/O带宽
计算机组成原理 27
结构、组成和实现
计算机系统的组成是指计算机系统结构的逻
辑实现，主要包括：
确定数据通路的宽度 确定各种操作对功能部件的共享程度 确定专用的功能部件 确定功能部件的并行度 设计缓冲和排队策略 设计控制机构 确定采用何种可靠性技术
计算机系统如何构成？ 计算机硬件有哪些基本部件构成？
计算机组成原理
19
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
20
计算机系统的层次结构
第6级 应用语言
第5级
第4级
高级语言
汇编语言 系统原语 机器指令系统 虚拟计算机 （软件）
第3级
程序+数据+文档
计算机硬件（Hardware）： 是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这 些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。 计算机硬件指可触摸得到的物理设备实体
计算机组成原理 11
计算机软件（Software）： （1）系统软件：为用户便于使用和管理计算机 而编制的程序，由系统设计者和厂家提供。
计算机系统由软件、硬件和固件组成，在功能上是同等的
。 同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。 不同的组成只是性能和价格不同。
本课程中探讨问题的前提？
计算机组成原理 34
输入/输出接口
小结
主机
系统总线
RAM
存储器 ROM 运算器 控制器 寄存器
硬件系统
CPU I/O设备
计算机系统
系统软件
软件系统
应用软件
计算机组成原理 35
小结
计算机组织(organization)是指计算机 的各个操作部件工作原理以及它们之间的相 互联系，这些操作部件用来具体实现计算机 结构的属性，如计算机内部的控制信号，存 储技术，与外部设备的接口等。
计算机组成原理
36
28
计算机组成原理
计算机实现是指计算机组成的物理
实现，包括：
处理机、主存储器等部件的物理结构 器件的集成度和速度 专用器件的设计 器件、模块、插件、底版的划分与连接 信号传输技术 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺 及技术等
计算机组成原理 29
相互关系
外特性 设计
应用程序
参考教材：
郑纬民 《计算机组成和设计-硬件/软件接口（第二版）》。清华大学 出版社 王爱英.《计算机组成与结构》.清华大学出版社.１９８９ 江义鹏.《计算机组成原理》.人民邮电出版社.１９８８ 俸远祯.《计算机组成原理》.电子工业出版社 李亚民.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社.2000年 袁开榜.《计算机组成原理》高等教育出版社 白中英、韩兆轩编.《计算机组成原理》.科学出版社 唐朔飞.《电子数字计算机原理》.哈尔滨工业大学出版社参考书： 邹海明.《计算机组织与结构》.电子工业出版社.１９９３年.版
计算机组成原理 7
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
8
计算机系统的基本构成
计算机系统
计算机硬件
计算机软件
主机
外设
主存 I/O接口CPU 系统总线来自辅存I/O设备
运算器
控制器
内部寄存器组
计算机组成原理
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计算机系统的基本构成
计算机系统
Jump Aluop PCSource MemRead MemWrite MemtoReg
Rx A Dx Ry 寄存器堆 Rz B Dy Dz RegWrite
ALU
Add 数据 Do 存储器 Di
PCWrite
IRWrite
I15-0
RegDst
符号扩展
ALUSource
专用通路结构例子
计算机组成原理 18
课程简介
课程性质与地位： 专业基础必修课程,承上启下 课程目的与任务：
建立计算机硬件系统的完整概念，以单 机系统为研究对象，阐述计算机系统的硬 件组成以及各部件的工作原理
计算机组成原理
4
课程主要内容
1、计算机系统概论 2、逻辑电路设计基础 3、信息编码和数据表示 4、计算机算法和算法逻辑实现 5、存储器 6、计算机指令构成和寻址方式 7、处理机设计 8、流水线处理机 9、存储系统 10、输入输出设备 11、输入输出系统
计算机组成原理 15
计算机的组成部件
计算机的5大部件中，运算器和控制器是 信息处理的中心部件，所以它们合称为“中 央处理单元”（CPU：Central Processing Unit）。存储器、运算器和控制器在信息处 理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体 部分，通常被称为“主机”。而输入 （Input）设备和输出（Output）设备统称 为“外部设备”，简称为外设或I/O设备。
计算机组成原理
16
计算机硬件系统的一种构成形式 存储器 系 统 总 线