计算机组成原理课件
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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
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
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《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
计算机组成原理课件
移位运算
将数据按照指定的位数进行左右移动，用于 实现数据的快速乘除和逻辑处理等。
运算器的组成与功能
算术逻辑单元（ALU）
负责执行各种算术和逻辑运算，是运算器的 核心部件。
寄存器组
用于暂存操作数和运算结果，提供快速的数 据存取功能。
控制逻辑
根据指令的要求，控制运算器的各个部件协 同工作，完成指定的运算操作。
2023
PART 05
指令系统与寻址方式
REPORTING
指令格式与寻址方式
指令格式
指令由操作码和地址码两部分组成，操作码指明操作的性质，地址码则给出操 作数的地址或操作数本身。
寻址方式
寻址方式是指确定本条指令的数据地址以及下一条要执行的指令地址的方法。 常见的寻址方式有直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址等。
错误。CRC广泛应用于网络通信和文件存储等领域。
2023
PART 04
运算方法与运算器
REPORTING
基本运算方法
定点运算
包括定点加减、乘除等运算小数点的数值，包括浮点加减 、乘除等运算。
逻辑运算
包括与、或、非等逻辑运算，用于处理二进 制数的逻辑关系。
定点数表示法
定点数表示法中小数点位置固定，适合表示整数或纯小数 。定点数运算相对简单，但表示范围有限。
浮点数表示法
浮点数表示法中小数点位置可变，适合表示具有很大变化 范围的数。浮点数的运算较为复杂，但表示范围广泛。
IEEE 754标准
IEEE 754标准是计算机中浮点数表示的通用标准，规定了 浮点数的格式、精度、运算规则等。该标准被广泛应用于 各种计算机系统和编程语言中。
逻辑代数基础
逻辑变量的基本概念
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。
2024版计算机组成原理全ppt课件
掌握总线仲裁算法，实现总线的分配和管理。
实验步骤
确定总线仲裁方案、设计仲裁电路、连接并测试总线系统。
THANKS
感谢观看
ABCD
PCI总线
一种高性能的局部总线标准，广泛应用于计算机 内部设备连接。
IEEE 1394总线
一种高速串行总线标准，主要用于音视频设备的 连接和数据传输。
07
输入输出（I/O）系统组织结 构和设备接口技术
I/O系统基本概念和组成要素
I/O系统的定义
I/O系统是指计算机与外部设备之间进行数据传输和控制的系统， 它是计算机系统的重要组成部分。
ARM指令系统
ARM是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令集 和较少的寻址方式，广泛应用于嵌入式系统和移动设备。
MIPS指令系统
MIPS也是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令 集和较少的寻址方式，被用作许多大学计算机组成原理课 程的教材。
05
中央处理器（CPU）组成与功 能实现
08
计算机组成原理实验项目指导
实验项目一：简单组合逻辑电路设计
实验目的
掌握组合逻辑电路的基本原理和 设计方法。
实验要求
使用逻辑门电路搭建，测试并验 证电路功能。
实验内容
设计并实现一个简单的组合逻辑 电路，如加法器、比较器等。
实验步骤
确定设计目标、列出真值表、化 简逻辑表达式、选择器件并搭建
电路、测试与调试。
请求分段存储管理
在分段系统的基础上，增加了请求调段和分段置换功能。当 要访问的段不在内存时，产生缺段中断，系统将外存中的段 调入内存
04
指令系统设计与寻址方式选择
指令格式及操作码编码方法
指令格式
实验步骤
确定总线仲裁方案、设计仲裁电路、连接并测试总线系统。
THANKS
感谢观看
ABCD
PCI总线
一种高性能的局部总线标准，广泛应用于计算机 内部设备连接。
IEEE 1394总线
一种高速串行总线标准，主要用于音视频设备的 连接和数据传输。
07
输入输出（I/O）系统组织结 构和设备接口技术
I/O系统基本概念和组成要素
I/O系统的定义
I/O系统是指计算机与外部设备之间进行数据传输和控制的系统， 它是计算机系统的重要组成部分。
ARM指令系统
ARM是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令集 和较少的寻址方式，广泛应用于嵌入式系统和移动设备。
MIPS指令系统
MIPS也是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令 集和较少的寻址方式，被用作许多大学计算机组成原理课 程的教材。
05
中央处理器（CPU）组成与功 能实现
08
计算机组成原理实验项目指导
实验项目一：简单组合逻辑电路设计
实验目的
掌握组合逻辑电路的基本原理和 设计方法。
实验要求
使用逻辑门电路搭建，测试并验 证电路功能。
实验内容
设计并实现一个简单的组合逻辑 电路，如加法器、比较器等。
实验步骤
确定设计目标、列出真值表、化 简逻辑表达式、选择器件并搭建
电路、测试与调试。
请求分段存储管理
在分段系统的基础上，增加了请求调段和分段置换功能。当 要访问的段不在内存时，产生缺段中断，系统将外存中的段 调入内存
04
指令系统设计与寻址方式选择
指令格式及操作码编码方法
指令格式
相关主题
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(1) 结构特点 在内存上开了两个口子，一个通过高速缓冲存储器Cache （它存有存储器部分信息的副本）与中央处理机相连，专供它 与CPU交换信息；另一个口子与原来的单总线相通，实现内存 与其他设备的信息交换。 (2) 分析与结论 1) 依据结构特点来关系图1.11所示。 CPU mem I/O D
编码给出-> 加地址译码器AD Address Decode
9
第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 设置考虑（2）续： 存、取存在两个问题。
数据存放
区分
设置数据寄存器的MBR Memory Buffer Register
加读写控制线路（R/W）控制
于是，存储器的基本结构确定下来，如图1.3所示。
10
2
第一章 概论
1.1 冯· 诺依曼体制 2. 冯· 诺依曼体制 1)引进存储程序概念 2)计算机以运算器为核心的集中式控制 3)指令由操作码和地址码两部分组成，指令在计算机中最顺 序执行的，并受PC的统一控制 4)提出计算机系统应由：运算器、控制器、存储器、输入设 备和输出设备五大部分组成。 这些理论奠定了现代计算机的基本思想，在到目前为止， 大多数计算机仍沿用这一体制，人们称其为冯· 诺依曼体制。
19
第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成 3. 实现举例： 控A A 控B B SS
A‘ CPA’ B‘ CPB’ C‘ CPC’
图1.6 计算机总线实现举例框图
20
控C
C
第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成 二、小型机、微型机的典型结构 1. 以CPU为中心的双总线结构 如图1.7所示。 CPU
转移
MAR
PC
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
◎有秩序去执行
指前一个操作结束，进行下一个操作
如何判断？
通过定时系统
设置相应的时序线路
控制器的结构如图1.4所示
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
图1.4 控制器结构图
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 1.2.4 输入输出设备 输入/输出设备 种类繁多，很难用 一种结构形式加以 描述，通常可以将 其描述为一般结构 如图1.5所示。
移位门
数据总线
加法器
选择门A
选择门B
来自数据总线
通用寄存器组 图1.2 运算器结构框图
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 1.2.2 存储器的基本结构 功能：存放程序和数据装置，并满足计算机在执行过程中 能够随机访问这些程序和数据。 设置考虑（1）： 存 取 数据 程序 一个一个地 取出参与操作 一条一条地 如何解决？
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成 如何将计算机各个组成部件连接成为一个有机整体。为此， 人们提出一种重要的组成系统技术——总线。
一、总线
1. 总线的概念 所谓总线，就是连接多个部件的一组共享信息传送线路， 它能够分时接收和发送各部件信息。 2. 典型做法 ◎发送端：通过三态门将信息分时送入总线 ◎接收端：靠定时打入脉冲接收信息
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成 4. 大中型计算机的典型结构 至于大、中型计算机，由于软件资源越来越丰富，存储系 统己经成为计算机系统硬件组成的核心部件。同样，外部设备 的增多，也使得输入/输出问题变得十分突出。为此，又提出一 项组成系统的技术——通道。
图1.12给出了大、中计算机的代表性结构。
接口
接口
输入设备
输出设备
图1.5 外部设备的一般描述框图
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 ◎输入设备把程序和数据转化为计算机能识别和处理的数据形 式的设备，输入的程序和数据存入计算机存储器中。
◎输出设备是将计算机中的二进制信算转化为用户所需要的数 据格式的设备。它将计算机中的信息（计算结果等）以十进制 或字符、图形、表格等形式显示或打印出来。 以上，我们简要的介绍了计算机各主要部件的功能，以及其基 本构成在设置上的考虑，于是，留下的将是如何从硬件的角度， 将计算机各部件连成一个计算机系统的问题了。
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设置一个存储体，并将存储体分成若干个单元。
第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 设置考虑（2）： 访问 按地址进行 将第个单元赋予编码，表征该单元地址 设地址寄存器MAR Memory Address Register
放于何处？
在地址寄存器和存储体之间是否加地址译码器呢？ 取决于地址给出方式 存（写入） 取（读出） 直接给出
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
主存储器 中央处理机
通道A 单设备控制单元
通道B I/O控制器 I/O设备 I/O设备
I/O控制器 I/O控制器
I/O设备 I/O控制器
I/O设备
I/O设备
I/O控制器
多设备控制单元 I/O设备 I/O设备
图1.11 大型计算机系统典型结构框图
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第二章 运算方法与运算器
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 人们常提到的 反馈信息 操作命令 运算器 冯· 诺依曼机与原始 结 数 果 的以运算器为中心 据 存储器 输出设备 的冯· 诺依曼机在结 输入设备 地 指 构上有很大的改进。 址 令 控制信号 控制信号 现在已转向以存储 控制器 请求信号 请求信号 器为中心的计算机 组成方式。如图1.1 控制台 所示。
I/O 设备
CPU
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
1.2.1 运算器基本结构 功能：完成算术运算和逻辑运算的装置 设置考虑：任意算术运算（加+、减-、乘*、除/）都可以通 过相加和移位来解决。 举证：……
这样一来，运算器的基本结构就确定下来，如图1.2所示。
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 运算器由：加 法器、移位门、寄 存器组、输入选择 门和数据总线组成。 如图1.2所示。
图1.1 计算机基本组成框图
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 从图1.1中我们可以看出，计算机一般由以下几部分组成： ◎输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备五大部分 ◎运算器与控制器统称为中央处理机CPU ◎习惯将输入设备、输出设备统称为I/O设备
输入设备 存储器 运算器 控制器 输出设备
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成 3. 面向存储器的双总线结构 双总线结构如图1.10所示。 I/O接口 CPU MEM CACHE 磁盘 I/O接口
光电输入机
I/O接口
宽行打印机
高速 缓存 图1.10 面向存储器的双总线结构关系图
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
面向存储器的双总线结构（续）
第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
地址码 地址寄存器
地址译码器
读令 写令 代 码 缓 冲 寄 存 器
存储体
数 据 或 指 令
0 1 号号 单单 元元
4094 4095 号 号 单 单 元 元
图1.3 存储器基本结构框图
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 1.2.3 控制器的基本结构 功能：全机指挥机构，执行方式有如下三种， ◎按规定的操作去执行 ◎自动地去执行 ◎有秩序地去执行 下面，我们具体看一下各种执行方式。
第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
以CPU为中心的单总线结构（续）
(3) 存在问题 1) 单总线的工作不允许有两个主设备同时使用总线。因此， 当I/O设备控制总线使用权时，CPU（它对总线使用的优先级别 低于I/O设备）不能从主存中取出数据，因而降低了CPU的处理 速度。 2) 由于所有设备都连在一簇总线上，总线负载很重，随着外 设与中央处理机之间交换信息量增大，可使系统的吞吐量呈饱 和状态，甚至无法胜任，从而使系统性能下降。 3) 单总线常采用异步互销应答方式，因此，控制逻辑比较复 杂。 细节问题将在I/O控制一章作详细讨论。
图1.8 面向CPU的双总线结构关系图
显而易见，内存与I/O设备之间交换信息都要通过CPU。因 此，称其为面向CPU的双总线结构。
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
以CPU为中心的双总线结构（续）
2)既然内存与I/O设备要通过CPU交换信息，那么就必要要 受到CPU的直接控制。 这种结构的优点是同一时间内只能进行一种传送，因此控 制线路简单，时间关系易于处理，可以采用同步控制方式。 缺点是由于I/O设备与存储器交换信息要有CPU进行干预， 因而当I/O设备工作频繁时要占用大量的CPU时间，从而降低了 CPU的工作效率。因此，这种结构为多数低档小型机所采用。
计算机组成原理
参 考 书 目
◎《计算机组成原理教程》 科学出版社，1988年。白中英，韩兆轩 ◎《计算机组成原理》 高等教育出版社，2008年1月。唐朔飞 ◎《计算机组成与结构》 清华大学出版社，1990年。王爱英
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第一章 概论
1.1 冯· 诺依曼体制 1. ENIAC概况 1) 数据表示——十进制 2) 工作存储器——只有20个单元，用于存放数据 3) 编程——先要人工对面板上6000多个电子开关进行机械 定位，然后都转插线插头，插入与拨出方式来编制程序 4) ENIAC共用18000多个电子管，6000多个继电器，耗电 140KW，占地170平米，重30吨，运算速度5000次/秒。ENIAC 可靠运行时间大概不超过20分钟。
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图1.11 面向存储器的双总线结构关系图
第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
面向存储器的双总线结构（续）
显见，在这种结构中，存储器成为计算机的中心，所以把 这种结构称为面向存储器的双总线结构。 2) 这种结构不是对单总线结构的否定，而是对它很好的补 充。原因有二：第一，CPU通过专用总线与主存交换信息，不 仅提高了处理机的速度，而且减轻了系统总线的负担，防止饱 和。第二，主存与I/O设备交换信息，不必经过CPU，因此又保 持了单总线的主要优点——系统灵活性。 3) 系统程序日益庞大，信息存储成为构成系统的一个核心 问题，整个系统由早期以CPU为中心发展为以存储系统为中心。 因此，这种双总线结构被广泛采用。