大学信息技术PPT第2章 计算机组成原理
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《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
计算机组成原理课件第2章课件
压力测试
通过长时间运行高负载任务来 测试计算机的稳定性和可靠性 。
温度和散热测试
测试计算机在高温环境下的稳 定性和散热性能。
计算机性能优化
01
02
03
04
硬件优化
通过升级硬件配置，如 更快的处理器、更大的 内存和存储空间等，提 高计算机性能。
软件优化
通过优化软件算法、操 作系统和应用程序等， 提高计算机性能。
计算机安全重要性
随着计算机技术的快速发展，计算机安全问题日益突出，保护计算机安全对于保障国家安全、社会稳定和经济发展具 有重要意义。
计算机安全威胁
计算机安全面临的威胁包括病毒、木马、黑客攻击、网络钓鱼、拒绝服务攻击等，这些威胁可能导致数 据泄露、系统瘫痪、经济损失等严重后果。
计算机安全技术
防火墙技术
感谢您的观看
THANKS
Excel
电子表格软件，用于数据处理、图表制作和 数据分析。
应用软件
PowerPoint
演示文稿软件，用于制作幻 灯片、演示文稿和会议报告 等。
图像处理软件
用于处理和编辑图像，如 Photoshop等。
图像裁剪
对图像进行裁剪，保留需要 的部分。
应用软件
色彩调整
调整图像的色彩、亮度和对比度 等参数。
数据库管理系统
用于管理大量数据，提供数据存储、检索、更新和保护功能。
系统软件
数据模型
定义数据的组织方式和数据之间的关系。
数据操作语言
用于执行数据的插入、删除、更新和检索等 操作。
数据控制语言
用于控制对数据的访问权限和数据的安全性。
应用软件
Word
文本编辑软件，用于撰写文档、排版和打印。
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》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(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
第二章计算机组成原理 ppt课件
指令预取部件 提前向主存或快存去取出准备要执行的指令
指令译码部件 分析指令需要执行什么操作，然后产生控制信号 去控制运算器或其它部件具体执行这些操作
处理器内部主要部件的功能
地址转换部件 用来形成指令所处理的数据存放在内存中的存 储单元的地址码
2.3.1 CPU的结构
CPU内部的组成
• 运算器（执行单元） 对数据进行各种算术运算和逻辑运算(称ALU)
• 控制器 取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其
它部件的操作控制信号，记录内部状态 • 寄存器
临时存放参加运算的数据和得到的中间结果
为提高Pentium处理器处理速度采取的措施
• 运算器由多个处理整数的算术逻辑部件（ALU） 和1个处理实数的浮点运算器组成。
5.微控制器（单片机） 是一种把处理器、存储器、输入／输出接
口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电 路芯片。
2.2.3 计算机主要性能指标
1.运算速度 • 用于说明具有并行处理能力的巨型机的运算速度的度量
单位： 次／秒：每秒执行加法运算的次数 世界第一台计算机ENIAC的运算速度
5000 次/秒 目前计算机的速度
1999
2000
主频(MHz)
4.77
6～ 20
16～33
33～ 100
60～200
150～ 200
233～ 333
450～ 1400
1500～ 3060
晶体管数目
2.9 万
13.4 万
27.5万
120万
310万
550万
750万
950万
4200万
制造工艺 (微米)
>2
1.5
1.5～ 1.0～ 1.0 0.8
指令译码部件 分析指令需要执行什么操作，然后产生控制信号 去控制运算器或其它部件具体执行这些操作
处理器内部主要部件的功能
地址转换部件 用来形成指令所处理的数据存放在内存中的存 储单元的地址码
2.3.1 CPU的结构
CPU内部的组成
• 运算器（执行单元） 对数据进行各种算术运算和逻辑运算(称ALU)
• 控制器 取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其
它部件的操作控制信号，记录内部状态 • 寄存器
临时存放参加运算的数据和得到的中间结果
为提高Pentium处理器处理速度采取的措施
• 运算器由多个处理整数的算术逻辑部件（ALU） 和1个处理实数的浮点运算器组成。
5.微控制器（单片机） 是一种把处理器、存储器、输入／输出接
口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电 路芯片。
2.2.3 计算机主要性能指标
1.运算速度 • 用于说明具有并行处理能力的巨型机的运算速度的度量
单位： 次／秒：每秒执行加法运算的次数 世界第一台计算机ENIAC的运算速度
5000 次/秒 目前计算机的速度
1999
2000
主频(MHz)
4.77
6～ 20
16～33
33～ 100
60～200
150～ 200
233～ 333
450～ 1400
1500～ 3060
晶体管数目
2.9 万
13.4 万
27.5万
120万
310万
550万
750万
950万
4200万
制造工艺 (微米)
>2
1.5
1.5～ 1.0～ 1.0 0.8
《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。
相关主题
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19
CPU的性能指标
• CPU总线速度
– CPU总线的工作频率和数据线宽度决定着CPU 与内存之间传输数据的速度快慢，总线速度快， CPU访问内存的 时间也可相应加快
• 高速缓存（cache）的容量与结构
– 它是介于高速CPU和相对低速的主存之间的存 储器。
– 程序运行过程中高速缓存有利于减少CPU访问 内存的次数。Cache容量越大、级数越多，命中 率就越高，CPU运行速度就越快。
• 存取速度快、容量相对小，价格相对高 • 直接与CPU相连接（CPU可直接访问） • 易失性，用于存放已经启动运行的程序和需要立即处
理的数据以及产生的结果。 • 存储介质：半导体芯片
7
内存储器和外存储器
–外存储器(简称外存或辅存)
• 存取速度慢、容量相对大，价格相对低 • 不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其
– 软件一般固化在芯片上，功能和用途一般就不能轻易改变了。 – 大多满足实时信息处理、最小化存储容量、最小化功耗、适应恶劣工
作环境等要求。
11
2.2 CPU的结构与原理
主要内容： CPU的内部结构 指令和指令系统的基本概念 指令执行过程 CPU的性能
12
CPU与内存的关系
控制信号
指令
控制器
中
内
控制信号
20
CPU的性能指标
• 指令系统
– 指令的类型和数目、指令的功能等都会影响程 序的执行速度
操作数地址 表示该指令所操作（处理）的数据（直接数）或
数据所在存储单元的地址
17
指令系统兼容
• 由于每种类型的CPU都有自己的指令系统，因此， 某一类计算机的可执行程序代码未必能在其他计 算机上运行，这个问题称之为计算机的“兼容性” 问题。
• 同一公司的ＣＰＵ产品通常“向下兼容” —— 新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上 进行扩充。
中存储的程序及相关的数据必须先送入内存， 才能被CPU使用） • 非易失性，用于长期存放各类信息 • 存储介质：磁盘、光盘、磁带等
8
总线
• 总线（bus)是用于在CPU、内存、外存和各 种输入输出设备之间传输并协调它们工作 的一种部件（含传输线和控制电路）
• 其主要组成部分是用于在各部件间运载信 息的一组（或多组）公用的传输线。
• 不同公司生产的CPU各有自己的指令系统，它们 未必互相兼容。
– Pentium与Power PC不兼容 – 与AMD或Cyrix公司的微处理器兼容
18
CPU的性能指标
• 字长（位数）
– 指的是CPU中定点运算器的宽度（即一次能同 时进行二进制整数运算的位数）。
• 主频（CPU时钟频率）
– 指CPU中电子线路的工作频率，它决定着CPU 芯片内部数据传输与操作速度的快慢。主频越 高，执行一条指令需要的时间就越少，CPU的 处理速度就越快。
控制器
•
主机 内存储器
寄存器组
总线
计算机硬件
外设
外存储器 输入/输出设备（I/O设备）
3
计算机硬件的逻辑结构
CP
中央处理器UFra bibliotek(运算器及其控制)
总线(bus)
内存储器
memor y
控制器
I/O设备通过I/O接 口与各自的控制器
控制器
连接，然后由控制
器与I/O总线相连 I/O接口
输入设备
控制器 I/O接口
央
存 储
数据
寄
处
存
运理
器
运算结果
器 组
算 器
器
13
CPU内部的组成
•寄存器组 速度很快，临时存放参加运算的数据和得到的中间
（或最后）结果 •运算器（执行单元）ALU
对数据进行各种算术运算和逻辑运算， • 控制器
CPU的指挥中心，它有一个指令计数器，用来存放CPU 正在执行的指令的地址，CPU将按照该地址从内存读取所 要执行的指令 ；它还有一个指令寄存器，用来保存当前 正在执行的指令，通过译码器解释该指令的含义，控制 运算器的操作，记录CPU的内部状态等。
第2章 计算机组成原理
1
计算机的组成
计 算
硬件：计算机系统中所有实际物理装置 的总称
机 系
向计算机硬件指出应如何一步步的 进行规定的操作
统 软件：是指在计算机中运行的各种程序
及其处理的数据和相关的文档
程序处理 的对象
软件设计报告、 操作说明和相关
技术资料
2
计算机硬件的组成
运算器
中央处理器(CPU)
• CPU总线（前端总线）：连接CPU和内存 • I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）
9
计算机的分类
• 按内部逻辑结构分为 –单处理机、多处理机(并行机)
• 按字长分为 –16位机、32位机或64位计算机等
• 按计算机的性能、用途和价格分为 –巨型计算机（Supercomputer） –大型计算机（Mainframe） –小型计算机（Minicomputer） –个人计算机（Personal Computer）
5
中央处理器(CPU)
• 并行处理和多处理器系统
使用多个CPU（2，4，8或更多）实现超高 速计算的技术称为“并行处理”，采用这 种技术的计算机系统称为“多处理器系 统”。
6
内存储器和外存储器
• 存储器
存储程序和数据(包括原始数据、中间运算结果与最终结果等) 的部件。
• 存储器类别与特性 –内存储器(简称内存或主存)
10
微处理器和嵌入式计算机
• 微处理器
简称μP或MP，通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和 控制功能的处理器 • 单片机或嵌入式计算机
– 是一种把微处理器、存储器、输入／输出接口电路等都集成在单块芯 片上的大规模集成电路芯片。
– 例如：控制办公室的温度和湿度，检测病人的心率和血压，控制微波 炉的温度和工作时间，播放MP3音乐。
14
2.2.2 指令与指令系统
15
指令
• 使用计算机完成某个任务必须运行相应的 程序
• 在计算机内部，程序是由一连串指令组成 的，指令是构成程序的基本单位。
• 指令采用二进制表示，它用来规定计算机 执行什么操作以及操作对象所在的位置。
16
指令组成部分
机器指令格式：
操作码
操作数
操作码 表示计算机应执行何种操作的一个二进制代码
输出设备
控制器 外存储器接口
外存储器
storag e
4
中央处理器(CPU)
• 处理器
能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输 入信息进行各种处理 • 中央处理器(CPU)
包含运算器和控制器。承担系统软件和应用软 件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少 的核心组成部件。（一台计算机中有多个处理器, 它们各有其不同的任务）
CPU的性能指标
• CPU总线速度
– CPU总线的工作频率和数据线宽度决定着CPU 与内存之间传输数据的速度快慢，总线速度快， CPU访问内存的 时间也可相应加快
• 高速缓存（cache）的容量与结构
– 它是介于高速CPU和相对低速的主存之间的存 储器。
– 程序运行过程中高速缓存有利于减少CPU访问 内存的次数。Cache容量越大、级数越多，命中 率就越高，CPU运行速度就越快。
• 存取速度快、容量相对小，价格相对高 • 直接与CPU相连接（CPU可直接访问） • 易失性，用于存放已经启动运行的程序和需要立即处
理的数据以及产生的结果。 • 存储介质：半导体芯片
7
内存储器和外存储器
–外存储器(简称外存或辅存)
• 存取速度慢、容量相对大，价格相对低 • 不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其
– 软件一般固化在芯片上，功能和用途一般就不能轻易改变了。 – 大多满足实时信息处理、最小化存储容量、最小化功耗、适应恶劣工
作环境等要求。
11
2.2 CPU的结构与原理
主要内容： CPU的内部结构 指令和指令系统的基本概念 指令执行过程 CPU的性能
12
CPU与内存的关系
控制信号
指令
控制器
中
内
控制信号
20
CPU的性能指标
• 指令系统
– 指令的类型和数目、指令的功能等都会影响程 序的执行速度
操作数地址 表示该指令所操作（处理）的数据（直接数）或
数据所在存储单元的地址
17
指令系统兼容
• 由于每种类型的CPU都有自己的指令系统，因此， 某一类计算机的可执行程序代码未必能在其他计 算机上运行，这个问题称之为计算机的“兼容性” 问题。
• 同一公司的ＣＰＵ产品通常“向下兼容” —— 新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上 进行扩充。
中存储的程序及相关的数据必须先送入内存， 才能被CPU使用） • 非易失性，用于长期存放各类信息 • 存储介质：磁盘、光盘、磁带等
8
总线
• 总线（bus)是用于在CPU、内存、外存和各 种输入输出设备之间传输并协调它们工作 的一种部件（含传输线和控制电路）
• 其主要组成部分是用于在各部件间运载信 息的一组（或多组）公用的传输线。
• 不同公司生产的CPU各有自己的指令系统，它们 未必互相兼容。
– Pentium与Power PC不兼容 – 与AMD或Cyrix公司的微处理器兼容
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CPU的性能指标
• 字长（位数）
– 指的是CPU中定点运算器的宽度（即一次能同 时进行二进制整数运算的位数）。
• 主频（CPU时钟频率）
– 指CPU中电子线路的工作频率，它决定着CPU 芯片内部数据传输与操作速度的快慢。主频越 高，执行一条指令需要的时间就越少，CPU的 处理速度就越快。
控制器
•
主机 内存储器
寄存器组
总线
计算机硬件
外设
外存储器 输入/输出设备（I/O设备）
3
计算机硬件的逻辑结构
CP
中央处理器UFra bibliotek(运算器及其控制)
总线(bus)
内存储器
memor y
控制器
I/O设备通过I/O接 口与各自的控制器
控制器
连接，然后由控制
器与I/O总线相连 I/O接口
输入设备
控制器 I/O接口
央
存 储
数据
寄
处
存
运理
器
运算结果
器 组
算 器
器
13
CPU内部的组成
•寄存器组 速度很快，临时存放参加运算的数据和得到的中间
（或最后）结果 •运算器（执行单元）ALU
对数据进行各种算术运算和逻辑运算， • 控制器
CPU的指挥中心，它有一个指令计数器，用来存放CPU 正在执行的指令的地址，CPU将按照该地址从内存读取所 要执行的指令 ；它还有一个指令寄存器，用来保存当前 正在执行的指令，通过译码器解释该指令的含义，控制 运算器的操作，记录CPU的内部状态等。
第2章 计算机组成原理
1
计算机的组成
计 算
硬件：计算机系统中所有实际物理装置 的总称
机 系
向计算机硬件指出应如何一步步的 进行规定的操作
统 软件：是指在计算机中运行的各种程序
及其处理的数据和相关的文档
程序处理 的对象
软件设计报告、 操作说明和相关
技术资料
2
计算机硬件的组成
运算器
中央处理器(CPU)
• CPU总线（前端总线）：连接CPU和内存 • I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）
9
计算机的分类
• 按内部逻辑结构分为 –单处理机、多处理机(并行机)
• 按字长分为 –16位机、32位机或64位计算机等
• 按计算机的性能、用途和价格分为 –巨型计算机（Supercomputer） –大型计算机（Mainframe） –小型计算机（Minicomputer） –个人计算机（Personal Computer）
5
中央处理器(CPU)
• 并行处理和多处理器系统
使用多个CPU（2，4，8或更多）实现超高 速计算的技术称为“并行处理”，采用这 种技术的计算机系统称为“多处理器系 统”。
6
内存储器和外存储器
• 存储器
存储程序和数据(包括原始数据、中间运算结果与最终结果等) 的部件。
• 存储器类别与特性 –内存储器(简称内存或主存)
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微处理器和嵌入式计算机
• 微处理器
简称μP或MP，通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和 控制功能的处理器 • 单片机或嵌入式计算机
– 是一种把微处理器、存储器、输入／输出接口电路等都集成在单块芯 片上的大规模集成电路芯片。
– 例如：控制办公室的温度和湿度，检测病人的心率和血压，控制微波 炉的温度和工作时间，播放MP3音乐。
14
2.2.2 指令与指令系统
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指令
• 使用计算机完成某个任务必须运行相应的 程序
• 在计算机内部，程序是由一连串指令组成 的，指令是构成程序的基本单位。
• 指令采用二进制表示，它用来规定计算机 执行什么操作以及操作对象所在的位置。
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指令组成部分
机器指令格式：
操作码
操作数
操作码 表示计算机应执行何种操作的一个二进制代码
输出设备
控制器 外存储器接口
外存储器
storag e
4
中央处理器(CPU)
• 处理器
能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输 入信息进行各种处理 • 中央处理器(CPU)
包含运算器和控制器。承担系统软件和应用软 件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少 的核心组成部件。（一台计算机中有多个处理器, 它们各有其不同的任务）