罗克露计算机组成原理课件(一)_GAOQS
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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
3CPU-2控制器-罗克露计算机组成原理课件(绝对与网上视频教程同步)
总线 总线
RQ/GT
若干时钟
设备使用 总线
若干时钟
CPU使用 总线
设备请求 CPU响应， 设备释放 总线权 总线权交设备 总线权
CPU 设备 CPU 设备 CPU 设备 19
3.3.4 组合逻辑控制方式的优缺点及应用 1.组合逻辑控制方式
综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式，用 组合逻辑电路实现微命令发生器。
控制存储器 CM
（1）控制存储器CM
功能： 存放微程序。
CM属于CPU，不属于主存储器。
23
IR PSW
微地址 形成电路
微命令序列
译码器 微命令字段 微地址字段 µIR
PC
微地址寄存器
µAR
控制存储器 CM
（2）微指令寄存器 µIR
功能： 存放现行微指令。
微命令字段： 提供一步操作所需的微命令。 (微操作控制字段) 指明后续微地址的形成方式。 微地址字段： (顺序控制字段) 提供微地址的给定部分。 24
但时间安排不合理。 13
④应用场合：
用于CPU内部、设备内部、系统总线操作(各挂接 部件速度相近，传送时间确定，传送距离较近)。
（2）异步控制
①定义：各项操作按不同需要安排时间，不受统
一时序控制。
②特点：
✓ 无统一时钟周期划分； ✓各操作间的衔接和各部件之间的信息交换采 用异步应答方式。
14
例.总线的异步传送操作
④应用场合：用于异步总线操作(各挂接部件速度 差异大，传送时间不确定，传送距离较远)。
（3）同步方式的变化
①不同指令安排不同时钟周期数 指令周期长度可变，时钟周期长度不变。 ②总线周期中插入延长周期 经总线传送一次数据所用的时间(送地址、读/写)
计算机组成原理 罗克露
选择器 选择器
通用寄存器组
（2）控制器 ） 1）功能：产生控制命令(微命令 ， ）功能：产生控制命令 微命令)， 微命令 控制全机操作。 控制全机操作。 2）组成： ）组成： 微命令序列 微命令发生器
指 令 信 息 状 态 信 息 时 序 信 号
微命令产生方式（指令执行控制方式）： 微命令产生方式（指令执行控制方式）： 组合逻辑控制方式： 组合逻辑控制方式：由组合逻辑电 路产生微命令 微程序控制方式： 微程序控制方式： 由微指令产生 微命令
（2）单总线结构 ）
系 统 总 线
CPU M 接口 I/O 接口 I/O
（3）以M为中心的双总线结构 ） 为中心的双总线结构
系 统 总 线
CPU M 总线 M 接口 I/O 接口 I/O
（4）多级总线结构 ）
RAM CPU
总线控制逻辑
ROM
公共接口
局部总线
系统总线
M扩展板 I/O接口板 I/O接口板
第一章 概论
主要内容： 主要内容：
计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标
第一节 计算机的基本概念 1.1.1 冯 · 诺依曼思想
1. 用二进制代码表示程序和数据； 用二进制代码表示程序和数据； 2. 计算机采用存储程序的工作方式； 计算机采用存储程序的工作方式； 3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制 计算机硬件由存储器、运算器、 器、输入设备和输出设备组成。 输入设备和输出设备组成。
4. 数据传输率 总线位数× 总线位数×总线时钟频率 总线带宽 = 8
（B/S） ）
5. 处理功能 （1）指令系统功能（寻址方式、指令 ）指令系统功能（寻址方式、 类型） 类型） （2）系统软件配置 ）
通用寄存器组
（2）控制器 ） 1）功能：产生控制命令(微命令 ， ）功能：产生控制命令 微命令)， 微命令 控制全机操作。 控制全机操作。 2）组成： ）组成： 微命令序列 微命令发生器
指 令 信 息 状 态 信 息 时 序 信 号
微命令产生方式（指令执行控制方式）： 微命令产生方式（指令执行控制方式）： 组合逻辑控制方式： 组合逻辑控制方式：由组合逻辑电 路产生微命令 微程序控制方式： 微程序控制方式： 由微指令产生 微命令
（2）单总线结构 ）
系 统 总 线
CPU M 接口 I/O 接口 I/O
（3）以M为中心的双总线结构 ） 为中心的双总线结构
系 统 总 线
CPU M 总线 M 接口 I/O 接口 I/O
（4）多级总线结构 ）
RAM CPU
总线控制逻辑
ROM
公共接口
局部总线
系统总线
M扩展板 I/O接口板 I/O接口板
第一章 概论
主要内容： 主要内容：
计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标
第一节 计算机的基本概念 1.1.1 冯 · 诺依曼思想
1. 用二进制代码表示程序和数据； 用二进制代码表示程序和数据； 2. 计算机采用存储程序的工作方式； 计算机采用存储程序的工作方式； 3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制 计算机硬件由存储器、运算器、 器、输入设备和输出设备组成。 输入设备和输出设备组成。
4. 数据传输率 总线位数× 总线位数×总线时钟频率 总线带宽 = 8
（B/S） ）
5. 处理功能 （1）指令系统功能（寻址方式、指令 ）指令系统功能（寻址方式、 类型） 类型） （2）系统软件配置 ）
计算机组成原理罗克露全原版
变长格式 基本指令
DL
D的位数可覆盖
DH
整个存储空间
S =（D）
● 寄存器直接寻址（寄存器寻址）
格式 操作码θ 寄存器号R
S =（R）
R所占位数少； 访问R比访问M快
用于访问固定的存储单元或寄存器。
（3）间接寻址
指令给出操作数的间接地址。
存储单元号 (数在M中)
间址单元
寄存器号 (数在M中)
● 存储器间址
便于控制 合理利用存储空间
2. 操作码结构 （1） 定长操作码 各指令θ的位置、位数固定相同。 （2）扩展操作码 各指令θ的位置、位数不固定，根据需要 变化。 关键在设置扩展标志。
例. 指令字长16位，可含有3、2、1或0 个地址，每个地址占4位。
操作码
地址码
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
R提供修改量(可变)；适 4K
于处理一维数组。
基址：指令提供位移量(不变)， R提供基准量(可变)；用 于扩大有限字长指令的访 存空间。
... …...
M
学生姓名
性别 年龄
D=2
... …...
学生姓名
性别 年龄
D=2
● 基址加变址
指令给出两个寄存器号和一个地址量，寄存 器内容与地址量之和为有效地址。
1
0
实现并行 操作
1
例2 用脉冲信号表示数字代码
10 1
有脉冲 无脉冲 有脉冲
实现串行 操作
1.1.3 存储程序工作方式 1.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序
传统诺依曼机串行执行指令。 对传统诺依曼机的改造：增加并 行处理功能。
计算机组成原理ppt文档
⒌可靠性：指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。通 常用MTBF(Mean Time Between Failures)。可以理解为连续两次故 障之间的平均间隔。
⒍性能价格比C/S
C是指存储器价格： S是存储器的总容量。
4.1.4存储器系统的层次结构 存储大量数据的传统办法是采用如图4-3所示的层次存储结构。
⑴Cache-M•M层次 ⑵M•M-A•M层次
4.2 半导体存储器
半导体读写存储器简称RWM，也称为RAM。具有体积小、速度 快等到优点，按不同 的工艺半导体RAM分为双极型和MOS型 RAM两大类，主要介绍MOS型RAM。
4.2.1 半导体存储器的分类
1
1.RAM
由于随机存取存储器可读可写， 有时它们又被称为可读写存储器。 随机存取存储器分为三类：静态 RAM、动态RAM和非易失性RAM
4.1.3 存储器的主要性能指标
⒈存储容量S
存储容量：主存所能容纳的二进制信息总量。 对于字编址的计算机以字数与字长的乘积来表示容量。 例：某计算机的容量为64K16，表示它有64K个字，字长为16位。 若用字节表示，则可记为128KB。 1K=210=1024 1M=210K=220=1 048 576 1G= 210M=220K=230=1 073 741 824 1T=210G= 220M=230K=240=1 099 511 627 776
Ⅱ 是存储容量逐渐增大。
寄存器有128个字节就很合适； 高速缓存可以是几MB； 主存储器பைடு நூலகம்几十MB到数千MB之间； 磁盘的容量应该是几GB到几十GB； 磁带和光盘一般脱机存放，其容量只受限于用户的预算。
Ⅲ C/S即存储每位的价格逐渐减小。 主存的价格应该是每兆(M)字节几个美元， 磁盘的价格是每兆(M)字节几个美分， 磁带的价格是每吉(G)字节几个美元或更低一些。
⒍性能价格比C/S
C是指存储器价格： S是存储器的总容量。
4.1.4存储器系统的层次结构 存储大量数据的传统办法是采用如图4-3所示的层次存储结构。
⑴Cache-M•M层次 ⑵M•M-A•M层次
4.2 半导体存储器
半导体读写存储器简称RWM，也称为RAM。具有体积小、速度 快等到优点，按不同 的工艺半导体RAM分为双极型和MOS型 RAM两大类，主要介绍MOS型RAM。
4.2.1 半导体存储器的分类
1
1.RAM
由于随机存取存储器可读可写， 有时它们又被称为可读写存储器。 随机存取存储器分为三类：静态 RAM、动态RAM和非易失性RAM
4.1.3 存储器的主要性能指标
⒈存储容量S
存储容量：主存所能容纳的二进制信息总量。 对于字编址的计算机以字数与字长的乘积来表示容量。 例：某计算机的容量为64K16，表示它有64K个字，字长为16位。 若用字节表示，则可记为128KB。 1K=210=1024 1M=210K=220=1 048 576 1G= 210M=220K=230=1 073 741 824 1T=210G= 220M=230K=240=1 099 511 627 776
Ⅱ 是存储容量逐渐增大。
寄存器有128个字节就很合适； 高速缓存可以是几MB； 主存储器பைடு நூலகம்几十MB到数千MB之间； 磁盘的容量应该是几GB到几十GB； 磁带和光盘一般脱机存放，其容量只受限于用户的预算。
Ⅲ C/S即存储每位的价格逐渐减小。 主存的价格应该是每兆(M)字节几个美元， 磁盘的价格是每兆(M)字节几个美分， 磁带的价格是每吉(G)字节几个美元或更低一些。
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
计算机组成原理课件讲解PPT
计算机系统包括计算机硬件、操作系统、应用软件等多个部分，维护整个系 统的性能非常重要。
控制器
负责从存储器中提取指令，对整 个计算机进行协调和控制。
寄存器
用于快速存储和访问计算机执行 过程中需要用到的数据。
流水线技术的应用
流水线技术是将一个大的任务分成若干个小任务，分别处理后再组合成整体任务的技术，可以大大提高计算机 运行速度。
计算机性能指标
CPU主频
衡量CPU运行速度的重要标准。
存储器的层次结构
高速缓存
位于CPU和主内存之间，是存储器层次结 构中速度最快也最小的一层。
主内存
是计算机中大小和访问速度相对均衡的存 储器，主要用于保存程序及数据。
辅助存储器
数据传输速度较慢的存储器，常用于长期存储，如硬盘和光盘。
中央处理器的组成与工作原理
运算器
负责进行各种算术和逻辑运算， 是中央处理器的核心部分。
输入输出设备的分类
人机交互设备
如鼠标、键盘、触摸屏等，用于交互式操 作和输入。 Nhomakorabea图形设备
如显示器、投影仪等，用于显示图像、视 频等数据。
字符设备
如打印机、扫描仪等，用于数据输入输出。
输入输出方式的实现
1
中断方式
2
当有输入输出任务需要处理时，CPU会
停止当前的操作，并进入服务程序处理
输入输出任务。
3
计算机硬件系统的构架
1
冯诺依曼体系结构
由冯诺依曼于1945年提出，是计算机硬件结构设计的基本原则。
2
哈佛体系结构
指将指令和数据储存在不同的内存中，使得数据和指令可以同时传输。
3
人工智能体系结构
指为了加速特定类型的人工智能计算而设计的硬件和软件。
控制器
负责从存储器中提取指令，对整 个计算机进行协调和控制。
寄存器
用于快速存储和访问计算机执行 过程中需要用到的数据。
流水线技术的应用
流水线技术是将一个大的任务分成若干个小任务，分别处理后再组合成整体任务的技术，可以大大提高计算机 运行速度。
计算机性能指标
CPU主频
衡量CPU运行速度的重要标准。
存储器的层次结构
高速缓存
位于CPU和主内存之间，是存储器层次结 构中速度最快也最小的一层。
主内存
是计算机中大小和访问速度相对均衡的存 储器，主要用于保存程序及数据。
辅助存储器
数据传输速度较慢的存储器，常用于长期存储，如硬盘和光盘。
中央处理器的组成与工作原理
运算器
负责进行各种算术和逻辑运算， 是中央处理器的核心部分。
输入输出设备的分类
人机交互设备
如鼠标、键盘、触摸屏等，用于交互式操 作和输入。 Nhomakorabea图形设备
如显示器、投影仪等，用于显示图像、视 频等数据。
字符设备
如打印机、扫描仪等，用于数据输入输出。
输入输出方式的实现
1
中断方式
2
当有输入输出任务需要处理时，CPU会
停止当前的操作，并进入服务程序处理
输入输出任务。
3
计算机硬件系统的构架
1
冯诺依曼体系结构
由冯诺依曼于1945年提出，是计算机硬件结构设计的基本原则。
2
哈佛体系结构
指将指令和数据储存在不同的内存中，使得数据和指令可以同时传输。
3
人工智能体系结构
指为了加速特定类型的人工智能计算而设计的硬件和软件。
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。
罗克露计算机组成原理课件(一)
总清 Q Q R S FT D C
ST DT ET
DMA 请求？ DMA请求？ Y
N 中断请求？ Y N
1 FT
CPFT
DMAT
IT
2）流程图 ：M IR FT0 FT0： PC+1 PC 3）操作时间表 ： FT0 FT0： 电位型微命令 M IR EMAR, R, SIR PC+1 PC PC A, A+1, DM A,A+1, A+1,DM 1 ST 或 1 DT 或 1 ET
与系统总线 MDR 的连接通过 、MDR 实现。 MAR MAR、 MDR实现。
输入 输出
) (打入 打入) 从内总线输入 ) 置入) 输入 (置入 从DB DB输入 DB 输出至 输出至DB ALU 的B门 输出至 输出至ALU ALU的
内总线
移位器 ALU R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O 移位器 ALU
4）M
6） I/O 7） I/O
R I/O DB MDR M DMA方式： I/O
ALU 内打入 R0 M DB
内总线
移位器 ALU R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O 移位器 ALU
内总线
R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O
FT 1）取指周期 ）取指周期FT PC 。 从M取出指令并译码； 修改 修改PC PC。 公操作 非R寻址 ) 取指结束时，按操作码和寻址方式 (R/ (R/非 寻址) 转相应工作周期。 ST 2）源周期 ）源周期ST (非R寻址 )形成源地址，从 按寻址方式 按寻址方式( 寻址) M取出源操 作数，暂存于 C。 DT 3）目的周期 ）目的周期DT (非R寻址 )形成目的地址，或从 按寻址方式 按寻址方式( 寻址) M取出 目的操作数，暂存于 D。 ET 4）执行周期 ）执行周期ET 按操作码完成相应操作 (传送、运算、取转移地址 PC 、返回地址压栈保存 送入 送入PC PC、返回地址压栈保存 )； 。 后续指令地址送入 MAR MAR。
ST DT ET
DMA 请求？ DMA请求？ Y
N 中断请求？ Y N
1 FT
CPFT
DMAT
IT
2）流程图 ：M IR FT0 FT0： PC+1 PC 3）操作时间表 ： FT0 FT0： 电位型微命令 M IR EMAR, R, SIR PC+1 PC PC A, A+1, DM A,A+1, A+1,DM 1 ST 或 1 DT 或 1 ET
与系统总线 MDR 的连接通过 、MDR 实现。 MAR MAR、 MDR实现。
输入 输出
) (打入 打入) 从内总线输入 ) 置入) 输入 (置入 从DB DB输入 DB 输出至 输出至DB ALU 的B门 输出至 输出至ALU ALU的
内总线
移位器 ALU R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O 移位器 ALU
4）M
6） I/O 7） I/O
R I/O DB MDR M DMA方式： I/O
ALU 内打入 R0 M DB
内总线
移位器 ALU R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O 移位器 ALU
内总线
R0 R1
AB DB CB MAR MDR IR PC SP PSW 控制 逻辑 M I/O
FT 1）取指周期 ）取指周期FT PC 。 从M取出指令并译码； 修改 修改PC PC。 公操作 非R寻址 ) 取指结束时，按操作码和寻址方式 (R/ (R/非 寻址) 转相应工作周期。 ST 2）源周期 ）源周期ST (非R寻址 )形成源地址，从 按寻址方式 按寻址方式( 寻址) M取出源操 作数，暂存于 C。 DT 3）目的周期 ）目的周期DT (非R寻址 )形成目的地址，或从 按寻址方式 按寻址方式( 寻址) M取出 目的操作数，暂存于 D。 ET 4）执行周期 ）执行周期ET 按操作码完成相应操作 (传送、运算、取转移地址 PC 、返回地址压栈保存 送入 送入PC PC、返回地址压栈保存 )； 。 后续指令地址送入 MAR MAR。
计算机组成原理第一章26页PPT
运算电路单元
寄存器B
累加器A
02.10.2019
14
1.3计算机的硬件
五、存储器
存储数据和程序（指令）
容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）
分类内存（ROM、RAM）、外存 存储器单位：
210 byte＝1K 210 K＝1M 210 M＝1G 210 G＝1T
02.10.2019
释程序
系统软件的发展
操作系统 分布式系统软件
02.10.2019
20
1.5计算机系统的层次结构
一、多级计算机系统 计算机不能简单地认为是一种电子设备，
而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。 它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能 进行程序设计，如图所示。
02.10.2019
21
1.5计算机系统的层次结构
10
1.3计算机的硬件
二、数字计算机基本组成 控制器：人的大脑的操作控制功能 运算器：人的大脑的计算功能 存储器：人的大脑记忆功能 输入设备：交互接口，笔 输出设备：交互接口，纸
02.10.2019
11
1.3计算机的硬件
三、冯·诺依曼型计算机
存储程序 按地址自动执行 五大部件：包括控制器、运算器、存储器、
其中1K=210,1M=220,1G=230
02.10.2019
7
1.2计算机发展简史
三、微处理器的发展 1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件
都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这
02.10.2019
1计算机组成原理(第一到八总章)课件PPT[562页]
![1计算机组成原理(第一到八总章)课件PPT[562页]](https://img.taocdn.com/s3/m/6ae6d0773169a4517623a313.png)
n 机器数：在计算机内部表示的、连同符号一起数码化了的 数，称为机器数（机器表示的数），通常采用二进制表示
要做三件事
n 区分数据的正负、选择数值的码制、确定小数点的位置
38
二、带符号数的表示方法
n 带符号机器数的符号表示方式（符号）
l 规定：机器字中，最高位为符号位
l 意义：符号位0，表示正数；符号位1，表示负数
16
2、控制器
n 控制器的作用是协调计算机各部件之间的工作。具体讲，控制器从 内存中取出解题步骤（指令），加以分析后执行某种规定的操作。
n 指令的作用是告诉控制器做什么操作，数据从哪里来、结果送到哪 里去。指令由两大部分构成：操作码说明执行什么操作，而地址码 说明数据的来源和去向。
操作码
地址码
n 指令用二进制表示、并预先存放在存储器中，称为存储程序。 n 控制器依据存储的程序控制计算机完成计算任务，称为程序控制。 n 存储程序、程序控制是冯·诺依曼型计算机设计思想的核心。
电子邮件
宣荣喜
88201500 13709187607 rxxuan@
1
课程性质
n “计算机组成原理”是计算机科学与工程技术专业以 及相关电子类专业（如：集成电路专业）的一门核心 课程，是必修的专业基础课。
n 本课程特点是涉及的知识面宽、内容多、更新快，在 基础课和专业课之间起着承上启下的重要作用。
2
课程的目标
n 在单机系统范围内，讨论计算机各部件及其系统的 组成原理和内部工作机制。
n 要求熟练掌握计算机各大部件的组成原理、设计方 法、逻辑实现、以及相互连接构成整机（系统）的 技术。
3
教学内容
第1章 计算机概论 第2章 数据的机器表示 第3章 指令系统 第4章 数值的机器运算 第5章 存储系统 第6章 中央处理器CPU 第7章 输入输出系统（包括总线） 第8章 数据采集技术
要做三件事
n 区分数据的正负、选择数值的码制、确定小数点的位置
38
二、带符号数的表示方法
n 带符号机器数的符号表示方式（符号）
l 规定：机器字中，最高位为符号位
l 意义：符号位0，表示正数；符号位1，表示负数
16
2、控制器
n 控制器的作用是协调计算机各部件之间的工作。具体讲，控制器从 内存中取出解题步骤（指令），加以分析后执行某种规定的操作。
n 指令的作用是告诉控制器做什么操作，数据从哪里来、结果送到哪 里去。指令由两大部分构成：操作码说明执行什么操作，而地址码 说明数据的来源和去向。
操作码
地址码
n 指令用二进制表示、并预先存放在存储器中，称为存储程序。 n 控制器依据存储的程序控制计算机完成计算任务，称为程序控制。 n 存储程序、程序控制是冯·诺依曼型计算机设计思想的核心。
电子邮件
宣荣喜
88201500 13709187607 rxxuan@
1
课程性质
n “计算机组成原理”是计算机科学与工程技术专业以 及相关电子类专业（如：集成电路专业）的一门核心 课程，是必修的专业基础课。
n 本课程特点是涉及的知识面宽、内容多、更新快，在 基础课和专业课之间起着承上启下的重要作用。
2
课程的目标
n 在单机系统范围内，讨论计算机各部件及其系统的 组成原理和内部工作机制。
n 要求熟练掌握计算机各大部件的组成原理、设计方 法、逻辑实现、以及相互连接构成整机（系统）的 技术。
3
教学内容
第1章 计算机概论 第2章 数据的机器表示 第3章 指令系统 第4章 数值的机器运算 第5章 存储系统 第6章 中央处理器CPU 第7章 输入输出系统（包括总线） 第8章 数据采集技术
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置入MDR SMDR，置入IR SIR
---
---
3.6.3 组合逻辑控制器设计
1.时序系统
（1）工作周期
取指周期FT
源周期ST 目的周期DT
用于指令正常执行
执行周期ET
中断周期IT DMA周期DMAT
用于I/O传送控制
设置6个触发器分别 1 工作周期开始
作为各周期状态标志 0 工作周期结束 在整个指令周期中，任何时候必须、且只能有一
MAR
MDR
M I/O
R2
A
B
R3
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
SP PC PSW MDR D
与系统总线
的连接通过 MDR
MAR、MDR实现。
IR
PC
控制
逻辑
SP
PSW
从内总线输入(打入) 输入 从DB输入 (置入)
输出
输出至DB 输出至ALU的B门内总线移位器R0
ALU
R1
AB DB CB
MAR
内总线
移位器
R0
ALU
R1
AB DB CB
MAR
MDR
M I/O
R2
A
B
R3
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
IR
PC
控制
逻辑
SP
SP PC PSW MDR D
PSW
5.微命令设置 ALU输入选择：R0 A、R0 B、
(1)数据通路 ALU功能选择：S3S2S1S0、M、C0
操作：
输出移位选择：不移、左移、 结果分配：CPR0、CPC、CPMAR、
SP PC PSW MDR D
IR
PC
控制
逻辑
SP
PSW
打入
1）指令地址 PC A ALU 移 内 MAR
2）指令地址加1 PC A ALU 移 内 PC
C0
打入
内总线
移位器
R0
ALU
R1
AB DB CB
MAR
MDR
M I/O
R2
A
B
R3
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
IR
PC
控制
逻辑
SP
SP PC PSW MDR D
M DB MDR B ALU 移 内 C
R0 A CB
ALU
移 内 MAR
内总线
移位器
R0
ALU
R1
AB DB CB
MAR
MDR
M I/O
R2
A
B
IR
R3
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
PC
控制
逻辑
SP
SP PC PSW MDR D
PSW
（3）数据信息
1）R R：R0 B ALU 移 内 打入 R1 2）R M：R0 B ALU 内 打入 MDR DB M
后续指令地址送入MAR。
5）中断周期IT
2）时钟周期数：一个工作周期中的时钟数可变。
IT指CPU响应中断请求后，到执行中断服务程序前。
每个工作周期第一拍T=0，
关中断、保存断点和PSW、转服务程序入口。
6）DMA周期DMAT
由硬件完成
用计数器T控制节拍数 每开始一个新节拍T计数， 工作周期结束时T清0。
DMAT指CPU响应DMA请求后，到传送完一次数据。
将计数值译码，可产生节拍电位。
DMA控制器接管总线权，控制直传。 由硬件完成 （2）时钟周期(节拍)T
（3）工作脉冲P
^_^ 每个时钟结束时设置一个脉冲。
1）时钟周期时间： 1微秒 完成一步操作： 一次从M读出，并经数据通路传送的操作；或 一次数据通路传送操作；或 一次向M写入的操作
MDR
M I/O
R2
A
B
R3
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
SP PC PSW MDR D
IR
PC
控制
逻辑
SP
PSW
4.各类信息传送途径
（1）指令信息 M
DB 置入 IR
（2）地址信息
内总线
移位器
R0
ALU
R1
AB DB CB
MAR
MDR
M I/O
^_^
R2
A
B
R3
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
内总线
移位器
R0
ALU
R1
AB DB CB
MAR
MDR
M I/O
R2
A
B
R3
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
IR
PC
控制
逻辑
SP
SP PC PSW MDR D
PSW
地址使能 EMAR 1 MAR向AB送地址
(2)访M、I/O 读 R
0 MAR与AB断开
操作： 写 W 00 MDR与DB断开,R=1读 W=1写
个工作周期状态标志为“1”。
1）取指周期FT 从M取出指令并译码；修改PC。 公操作 取指结束时，按操作码和寻址方式(R/非R寻址) 转相应工作周期。 2）源周期ST 按寻址方式(非R寻址)形成源地址，从M取出源操 作数，暂存于C。 3）目的周期DT 按寻址方式(非R寻址)形成目的地址，或从M取出 目的操作数，暂存于D。 4）执行周期ET 按操作码完成相应操作(传送、运算、取转移地址 送入PC、返回地址压栈保存)；
---
内总线
移位器
R0
ALU
R1
AB DB CB
MAR
MDR
M I/O
R2
A
B
R3
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
SP PC PSW MDR D
IR
PC
控制
逻辑
SP
PSW
（2）特点
ALU为内部数据传送通路的中心；寄存器采用
分立结构；内总线采用单向数据总线 (16位)；
内总线
移位器
R0
ALU
R1
AB DB CB
PSW
3）转移地址 寄存器寻址：R0 B ALU 寄存器间址：R0 B ALU
AB M DB 置入 MDR B
移 内 打入 PC 移 内 打入 MAR ALU 移、内 PC
内总线
移位器
R0
AB DB CB
MAR
ALU
R1
MDR
R2
A
B
R3
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
SP PC PSW MDR D
4）操作数地址
IR PC SP PSW
寄存器间址：R0 B ALU 移
M I/O 控制 逻辑
内 打入 MAR
---
---
内总线
移位器
R0
ALU
R1
AB DB CB
MAR
MDR
M I/O
R2
A
B
R3
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
IR
PC
控制
逻辑
SP
SP PC PSW MDR D
PSW
变址： PC A ALU 移 内 MAR AB M
模型机以访存时间作为一步操作时间。一个总线 周期等于一个时钟周期，可根据需要扩展。
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
SP PC PSW MDR D
IR
PC
控制
逻辑
SP
PSW
4）M M：M(源) DB MDR ALU 内打入 C (计算目的地址) C ALU 内 MDR DB M(目的) 5）R I/O：R0 ALU 内 MDR DB I/O
6）I/O R I/O DB MDR ALU 内打入 R0 7）I/O M DMA方式：I/O DB M
3）M R：M DB MDR B ALU 移、内 R2
内总线
移位器
R0
ALU
R1
AB DB CB
MAR
MDR
M I/O
内总线
移位器
R0
ALU
R1
AB DB CB
MAR
MDR
M I/O
R2
A
B
R3
R0~R3 R0~R3
C
CD CD
SP PC PSW MDR D
IR
PC
控制
逻辑
SP
PSW
^_^
R2
A
B
R3