计算机组成原理第六章课件
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提高分析和解决问题的能力
通过学习计算机组成原理，可以提高学生分析和解决问题的能力，培养学生的计算思维和 创新能力。
未来计算机技术的发展趋势和挑战
人工智能和机器 学习
随着人工智能和机器学习的 快速发展，未来计算机技术 将更加注重智能化和自主学 习，需要解决算法优化、数 据处理等问题。
量子计算
量子计算是一种全新的计算 模式，具有超强的计算能力 和数据处理能力，是未来计 算机技术的重要发展方向之 一。但是，量子计算的实现 需要解决量子比特的稳定性 、量子纠缠等难题。
包括硬件系统和软件系统两大部
分，其中硬件系统由运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出
设备五大部件组成；
汇编语言程序设计
简要介绍汇编语言的基本语法和 程序设计方法。
关键术语和概念
01
02
03
计算机系统
由硬件系统和软件系统组 成的整体，用于实现数据 处理和信息存储等功能；
硬件系统
计算机的物理部分，包括 各种电子器件和机械设备 等；
微程序控制器
是计算机中的一种控制部件，负责执行指令的一部分，该部分提供了计 算机指令的底层实现。
03
微程序
存储在控制存储器中的完成一条机器指令功能的程序，由微指令组成。
它是实现指令的一种手段，具体实现这一指令功能的微命令序列。
微指令的格式和编码
微指令格式
分为水平型微指令和垂直型微指令两种。水平型微指令并行操作能力强、效率 高、灵活性强，垂直型微指令则简单易实现。
高速缓冲存储器的原理和应用
原理
高速缓冲存储器（Cache）采用高速的SRAM芯片组成，其存取速度与CPU相当。当CPU需要访问主存时，首先 访问Cache，如果所需数据在Cache中（称为命中），则直接从Cache中读取；否则（称为未命中），再从主存 中读取，同时将读取的数据块放入Cache中。
应用
高速缓冲存储器广泛应用于计算机系统中，用于提高CPU访问主存的速度。在多层次存储系统中，Cache位于 CPU和主存之间，起到承上启下的作用。同时，随着计算机技术的发展，Cache的容量和速度也在不断提高。 Nhomakorabea06
输入输出系统
输入输出系统的基本概念
输入输出设备的分类
01
包括输入设备（如键盘、鼠标等）和输出设备（如显示器、打
生物计算和光计 算
生物计算和光计算是新兴的 计算技术，具有高效、低能 耗等优点。未来计算机技术 将更加注重生物计算和光计 算的研究和应用，需要解决 生物芯片的设计、光器件的 制造等问题。
计算机安全和隐 私保护
随着互联网的普及和信息技 术的发展，计算机安全和隐 私保护问题日益突出。未来 计算机技术将更加注重安全 和隐私保护技术的研究和应 用，需要解决密码学、网络 安全等问题。
软件系统
计算机的程序和数据部分 ，用于控制和管理计算机 的运行；
关键术语和概念
运算器
执行算术运算和逻辑运算 的部件；
控制器
控制计算机各部件协调工 作的部件；
存储器
用于存储数据和程序的部 件；
关键术语和概念
输入设备
将外部信息转换为计算机能识别 的二进制代码的部件；
输出设备
将计算机处理后的结果转换为人 们能识别的信息的部件。
05
存储系统
存储器的层次结构
寄存器
位于CPU内部，速度最快，容量最小 ，用于暂存指令和数据。
高速缓存（Cache）
位于CPU和主存之间，速度较快，容 量较小，用于缓解CPU和主存之间的 速度差异。
主存储器（内存）
位于计算机主板上，速度与CPU相差 较大，容量较大，用于存放正在运行 的程序和数据。
介绍了控制器的组成、工作原理以及设计方法， 包括微程序控制器和硬布线控制器。
计算机组成原理课程的意义和价值
掌握计算机基本组成和工作原理
通过学习计算机组成原理，可以深入了解计算机的基本组成和工作原理，为后续课程的学 习打下基础。
培养计算机系统设计能力
计算机组成原理课程不仅介绍计算机的基本组成和工作原理，还注重培养学生的计算机系 统设计能力，包括指令系统设计、CPU设计、控制器设计等。
涉及中断/异常响应、中断/异常处理和中断/ 异常返回等步骤。
中断和异常的分类
包括硬件中断、软件中断、陷阱和故障等。
中断控制器和中断向量表
中断控制器用于管理多个中断源，而中断向 量表用于存储中断处理程序的地址。
设备驱动程序的编写和调试
设备驱动程序的概念
设备驱动程序是连接操作系统和硬件设备的软件接口，用于管理设备 的操作和控制。
01
02
03
04
05
数字逻辑层
微体系结构/硬件 指令集体系结构/ 系统软件层
层
操作系…
应用软件层
实现基本逻辑运算的电路 和芯片设计。
包括处理器、内存、总线 等硬件组件的设计和实现 。
定义处理器的指令集和操 作系统的功能和接口。
包括编译器、解释器、汇 编器等软件工具的设计和 实现。
各种应用程序的设计和实 现，如办公软件、游戏等 。
计算机组成原理第六章课件
目录
• 第六章概述 • 计算机系统层次结构 • 指令系统体系结构 • 微程序控制器 • 存储系统 • 输入输出系统 • 总结与展望
01
第六章概述
教学目标与要求
01
02
03
04
掌握计算机系统的基本组成和 工作原理；
理解计算机中数据的表示和运 算方法；
了解计算机指令系统和汇编语 言程序设计的基本原理；
07
总结与展望
第六章重点内容回顾
计算机的运算方法和运算器设计
包括定点数和浮点数的表示、运算以及运算器的 组成和设计方法。
CPU的结构和功能
详细阐述了CPU的组成、功能以及工作原理， 包括取指、译码、执行等过程。
ABCD
指令系统
介绍了指令格式、寻址方式、指令类型以及指令 系统的设计和优化。
控制器的设计
具备分析和设计简单计算机系 统的能力。
章节内容与结构
计算机中数据的表示
介绍计算机中数值数据和非数值 数据的表示方法，包括进制数、 定点数和浮点数等；
计算机中数据的运算
阐述计算机中基本运算的实现方 法，如算术运算、逻辑运算和移 位运算等；
指令系统
介绍指令的基本格式、寻址方式 和指令的分类等；
计算机系统的基本组成
03
指令系统体系结构
指令集架构的定义
指令集架构（ISA）
指令
是指计算机系统中软件和硬件之间的接口 ，它定义了一组用于编写程序的指令和这 些指令的二进制编码格式。
是指计算机执行某种操作的命令，由操作 码和操作数组成。
操作码
用于指定要执行的操作类型。
操作数
指定操作的对象，可以是寄存器、内存地址 或立即数等。
印机等）。
输入输出操作的过程
02
涉及用户程序、操作系统和硬件设备的交互，包括设备打开、
读写操作和设备关闭等步骤。
输入输出系统的性能指标
03
包括数据传输速率、设备利用率、可靠性和可维护性等。
中断和异常处理机制
中断和异常的概念
中断是由外部事件引起的处理器行为，而异 常是由处理器内部事件引起的。
中断和异常的处理过程
加载/存储架构（ 寄存器-寄存器架 堆栈架构（Stack
Loa…
构（R…
…
以微程序控制技术为代表 ，指令数量多且复杂，注 重指令的功能和效率。
以硬布线逻辑控制为主， 指令数量少且简单，强调 指令的规范性和统一性。
只允许通过专门的加载和 存储指令来访问内存，其 他指令只能在寄存器之间 进行操作。这种架构有利 于实现流水线和超标量处 理等技术。
02
计算机系统层次结构
计算机系统抽象层的转化
指令集体系结构层
应用程序员通过该层使用机器指令编 写的程序可以在多种处理器上运行， 实现程序的可移植性。
微程序机器层
传统机器层
该层包括操作系统、汇编语言以及传 统的高级语言编译器和解释器，为程 序员提供更为抽象和易用的编程接口 。
该层通过微指令实现对指令集体系结 构层的解释，微指令由硬件直接执行 。
取指周期中，根据PC的内容从主存中取出一条机器指令到 IR中，并且PC内容加1，形成下一条机器指令的地址。执 行周期中，通过CU译码产生该周期内的全部操作控制信号 ，这些信号按照时间顺序发往各个部件，控制相关部件执 行规定的操作。其中，取指周期流出的微地址信息流入 CMAR，再从CM中取出对应的微指令送入CMDR中。 CMDR中操作控制字段的信息送入微操作控制信号发生器 ，产生该机器周期内各个阶段的操作控制信号。
THANKS
感谢观看
指令格式和寻址方式
指令格式
通常由操作码、寄存器地址和操作数 地址等字段组成。不同的指令集架构 有不同的指令格式。
寻址方式
是指确定操作数有效地址的方式。常 见的寻址方式包括立即寻址、直接寻 址、间接寻址、寄存器寻址和相对寻 址等。
指令集架构的分类和特点
01
02
03
04
05
复杂指令集（ CISC）
精简指令集（ RISC）
外存储器（辅存）
位于计算机外部，速度最慢，容量最 大，用于长期保存信息。
主存储器的组成和读写操作
组成
主存储器由存储体、地址译码器、驱动电路、读写电路和控 制电路等组成。
读写操作
CPU通过地址总线将地址信息送到地址译码器，译码器将地 址信息转换为对应存储单元的选择信号，然后通过数据总线 将数据写入存储单元或从存储单元中读出数据。
设备驱动程序的编写
涉及了解硬件设备的工作原理、编写设备控制程序、处理中断和异常 等步骤。
设备驱动程序的调试
包括使用调试工具进行单步跟踪、查看寄存器内容和内存数据等技巧 ，以及处理常见的驱动程序错误和问题。
设备驱动程序的优化
针对性能瓶颈和资源占用等问题，采用优化算法和数据结构等方法提 高驱动程序的效率和稳定性。
硬件和软件的界面
系统调用
操作系统通过系统调用为应用程 序提供对硬件资源的访问接口，
如文件操作、网络访问等。
中断和异常
硬件通过中断和异常机制与软件进 行交互，实现处理器与外设之间的 通信以及错误处理等功能。
寄存器与内存
处理器通过寄存器与内存进行数据 传输和存储，实现程序的执行和数 据处理。
计算机系统层次结构的划分
微指令编码
通常采用直接编码、字段直接编码、字段间接编码、混合编码、其他编码方式 。
微程序控制器的组成和工作原理
要点一
微程序控制器组成
要点二
工作原理
由控制存储器、微指令寄存器、微地址寄存器等部件组成 。其中，微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器 两部分，微命令寄存器又分为直接控制部分和译码部分两 部分。
允许任何指令都可以直接 访问寄存器，这种架构有 利于提高处理器的运算速 度。
使用堆栈数据结构来存储 操作数，所有操作都在堆 栈顶部进行。这种架构有 利于简化编译器设计和实 现函数调用等功能。
04
微程序控制器
微程序控制的基本概念
01 02
微程序控制
是一种仿照计算机解题程序的方法，把操作控制信号编制成微指令，存 放到一个控制存储器中，用寻址方式取出微指令，经过译码产生所需的 操作控制信号。
通过学习计算机组成原理，可以提高学生分析和解决问题的能力，培养学生的计算思维和 创新能力。
未来计算机技术的发展趋势和挑战
人工智能和机器 学习
随着人工智能和机器学习的 快速发展，未来计算机技术 将更加注重智能化和自主学 习，需要解决算法优化、数 据处理等问题。
量子计算
量子计算是一种全新的计算 模式，具有超强的计算能力 和数据处理能力，是未来计 算机技术的重要发展方向之 一。但是，量子计算的实现 需要解决量子比特的稳定性 、量子纠缠等难题。
包括硬件系统和软件系统两大部
分，其中硬件系统由运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出
设备五大部件组成；
汇编语言程序设计
简要介绍汇编语言的基本语法和 程序设计方法。
关键术语和概念
01
02
03
计算机系统
由硬件系统和软件系统组 成的整体，用于实现数据 处理和信息存储等功能；
硬件系统
计算机的物理部分，包括 各种电子器件和机械设备 等；
微程序控制器
是计算机中的一种控制部件，负责执行指令的一部分，该部分提供了计 算机指令的底层实现。
03
微程序
存储在控制存储器中的完成一条机器指令功能的程序，由微指令组成。
它是实现指令的一种手段，具体实现这一指令功能的微命令序列。
微指令的格式和编码
微指令格式
分为水平型微指令和垂直型微指令两种。水平型微指令并行操作能力强、效率 高、灵活性强，垂直型微指令则简单易实现。
高速缓冲存储器的原理和应用
原理
高速缓冲存储器（Cache）采用高速的SRAM芯片组成，其存取速度与CPU相当。当CPU需要访问主存时，首先 访问Cache，如果所需数据在Cache中（称为命中），则直接从Cache中读取；否则（称为未命中），再从主存 中读取，同时将读取的数据块放入Cache中。
应用
高速缓冲存储器广泛应用于计算机系统中，用于提高CPU访问主存的速度。在多层次存储系统中，Cache位于 CPU和主存之间，起到承上启下的作用。同时，随着计算机技术的发展，Cache的容量和速度也在不断提高。 Nhomakorabea06
输入输出系统
输入输出系统的基本概念
输入输出设备的分类
01
包括输入设备（如键盘、鼠标等）和输出设备（如显示器、打
生物计算和光计 算
生物计算和光计算是新兴的 计算技术，具有高效、低能 耗等优点。未来计算机技术 将更加注重生物计算和光计 算的研究和应用，需要解决 生物芯片的设计、光器件的 制造等问题。
计算机安全和隐 私保护
随着互联网的普及和信息技 术的发展，计算机安全和隐 私保护问题日益突出。未来 计算机技术将更加注重安全 和隐私保护技术的研究和应 用，需要解决密码学、网络 安全等问题。
软件系统
计算机的程序和数据部分 ，用于控制和管理计算机 的运行；
关键术语和概念
运算器
执行算术运算和逻辑运算 的部件；
控制器
控制计算机各部件协调工 作的部件；
存储器
用于存储数据和程序的部 件；
关键术语和概念
输入设备
将外部信息转换为计算机能识别 的二进制代码的部件；
输出设备
将计算机处理后的结果转换为人 们能识别的信息的部件。
05
存储系统
存储器的层次结构
寄存器
位于CPU内部，速度最快，容量最小 ，用于暂存指令和数据。
高速缓存（Cache）
位于CPU和主存之间，速度较快，容 量较小，用于缓解CPU和主存之间的 速度差异。
主存储器（内存）
位于计算机主板上，速度与CPU相差 较大，容量较大，用于存放正在运行 的程序和数据。
介绍了控制器的组成、工作原理以及设计方法， 包括微程序控制器和硬布线控制器。
计算机组成原理课程的意义和价值
掌握计算机基本组成和工作原理
通过学习计算机组成原理，可以深入了解计算机的基本组成和工作原理，为后续课程的学 习打下基础。
培养计算机系统设计能力
计算机组成原理课程不仅介绍计算机的基本组成和工作原理，还注重培养学生的计算机系 统设计能力，包括指令系统设计、CPU设计、控制器设计等。
涉及中断/异常响应、中断/异常处理和中断/ 异常返回等步骤。
中断和异常的分类
包括硬件中断、软件中断、陷阱和故障等。
中断控制器和中断向量表
中断控制器用于管理多个中断源，而中断向 量表用于存储中断处理程序的地址。
设备驱动程序的编写和调试
设备驱动程序的概念
设备驱动程序是连接操作系统和硬件设备的软件接口，用于管理设备 的操作和控制。
01
02
03
04
05
数字逻辑层
微体系结构/硬件 指令集体系结构/ 系统软件层
层
操作系…
应用软件层
实现基本逻辑运算的电路 和芯片设计。
包括处理器、内存、总线 等硬件组件的设计和实现 。
定义处理器的指令集和操 作系统的功能和接口。
包括编译器、解释器、汇 编器等软件工具的设计和 实现。
各种应用程序的设计和实 现，如办公软件、游戏等 。
计算机组成原理第六章课件
目录
• 第六章概述 • 计算机系统层次结构 • 指令系统体系结构 • 微程序控制器 • 存储系统 • 输入输出系统 • 总结与展望
01
第六章概述
教学目标与要求
01
02
03
04
掌握计算机系统的基本组成和 工作原理；
理解计算机中数据的表示和运 算方法；
了解计算机指令系统和汇编语 言程序设计的基本原理；
07
总结与展望
第六章重点内容回顾
计算机的运算方法和运算器设计
包括定点数和浮点数的表示、运算以及运算器的 组成和设计方法。
CPU的结构和功能
详细阐述了CPU的组成、功能以及工作原理， 包括取指、译码、执行等过程。
ABCD
指令系统
介绍了指令格式、寻址方式、指令类型以及指令 系统的设计和优化。
控制器的设计
具备分析和设计简单计算机系 统的能力。
章节内容与结构
计算机中数据的表示
介绍计算机中数值数据和非数值 数据的表示方法，包括进制数、 定点数和浮点数等；
计算机中数据的运算
阐述计算机中基本运算的实现方 法，如算术运算、逻辑运算和移 位运算等；
指令系统
介绍指令的基本格式、寻址方式 和指令的分类等；
计算机系统的基本组成
03
指令系统体系结构
指令集架构的定义
指令集架构（ISA）
指令
是指计算机系统中软件和硬件之间的接口 ，它定义了一组用于编写程序的指令和这 些指令的二进制编码格式。
是指计算机执行某种操作的命令，由操作 码和操作数组成。
操作码
用于指定要执行的操作类型。
操作数
指定操作的对象，可以是寄存器、内存地址 或立即数等。
印机等）。
输入输出操作的过程
02
涉及用户程序、操作系统和硬件设备的交互，包括设备打开、
读写操作和设备关闭等步骤。
输入输出系统的性能指标
03
包括数据传输速率、设备利用率、可靠性和可维护性等。
中断和异常处理机制
中断和异常的概念
中断是由外部事件引起的处理器行为，而异 常是由处理器内部事件引起的。
中断和异常的处理过程
加载/存储架构（ 寄存器-寄存器架 堆栈架构（Stack
Loa…
构（R…
…
以微程序控制技术为代表 ，指令数量多且复杂，注 重指令的功能和效率。
以硬布线逻辑控制为主， 指令数量少且简单，强调 指令的规范性和统一性。
只允许通过专门的加载和 存储指令来访问内存，其 他指令只能在寄存器之间 进行操作。这种架构有利 于实现流水线和超标量处 理等技术。
02
计算机系统层次结构
计算机系统抽象层的转化
指令集体系结构层
应用程序员通过该层使用机器指令编 写的程序可以在多种处理器上运行， 实现程序的可移植性。
微程序机器层
传统机器层
该层包括操作系统、汇编语言以及传 统的高级语言编译器和解释器，为程 序员提供更为抽象和易用的编程接口 。
该层通过微指令实现对指令集体系结 构层的解释，微指令由硬件直接执行 。
取指周期中，根据PC的内容从主存中取出一条机器指令到 IR中，并且PC内容加1，形成下一条机器指令的地址。执 行周期中，通过CU译码产生该周期内的全部操作控制信号 ，这些信号按照时间顺序发往各个部件，控制相关部件执 行规定的操作。其中，取指周期流出的微地址信息流入 CMAR，再从CM中取出对应的微指令送入CMDR中。 CMDR中操作控制字段的信息送入微操作控制信号发生器 ，产生该机器周期内各个阶段的操作控制信号。
THANKS
感谢观看
指令格式和寻址方式
指令格式
通常由操作码、寄存器地址和操作数 地址等字段组成。不同的指令集架构 有不同的指令格式。
寻址方式
是指确定操作数有效地址的方式。常 见的寻址方式包括立即寻址、直接寻 址、间接寻址、寄存器寻址和相对寻 址等。
指令集架构的分类和特点
01
02
03
04
05
复杂指令集（ CISC）
精简指令集（ RISC）
外存储器（辅存）
位于计算机外部，速度最慢，容量最 大，用于长期保存信息。
主存储器的组成和读写操作
组成
主存储器由存储体、地址译码器、驱动电路、读写电路和控 制电路等组成。
读写操作
CPU通过地址总线将地址信息送到地址译码器，译码器将地 址信息转换为对应存储单元的选择信号，然后通过数据总线 将数据写入存储单元或从存储单元中读出数据。
设备驱动程序的编写
涉及了解硬件设备的工作原理、编写设备控制程序、处理中断和异常 等步骤。
设备驱动程序的调试
包括使用调试工具进行单步跟踪、查看寄存器内容和内存数据等技巧 ，以及处理常见的驱动程序错误和问题。
设备驱动程序的优化
针对性能瓶颈和资源占用等问题，采用优化算法和数据结构等方法提 高驱动程序的效率和稳定性。
硬件和软件的界面
系统调用
操作系统通过系统调用为应用程 序提供对硬件资源的访问接口，
如文件操作、网络访问等。
中断和异常
硬件通过中断和异常机制与软件进 行交互，实现处理器与外设之间的 通信以及错误处理等功能。
寄存器与内存
处理器通过寄存器与内存进行数据 传输和存储，实现程序的执行和数 据处理。
计算机系统层次结构的划分
微指令编码
通常采用直接编码、字段直接编码、字段间接编码、混合编码、其他编码方式 。
微程序控制器的组成和工作原理
要点一
微程序控制器组成
要点二
工作原理
由控制存储器、微指令寄存器、微地址寄存器等部件组成 。其中，微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器 两部分，微命令寄存器又分为直接控制部分和译码部分两 部分。
允许任何指令都可以直接 访问寄存器，这种架构有 利于提高处理器的运算速 度。
使用堆栈数据结构来存储 操作数，所有操作都在堆 栈顶部进行。这种架构有 利于简化编译器设计和实 现函数调用等功能。
04
微程序控制器
微程序控制的基本概念
01 02
微程序控制
是一种仿照计算机解题程序的方法，把操作控制信号编制成微指令，存 放到一个控制存储器中，用寻址方式取出微指令，经过译码产生所需的 操作控制信号。