计算机组成原理第1章计算机系统概论任国林版课件
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计算机组成原理课件--第1章 计算机系统概论
1.4 计算机的性能指标
• 1.4.1 机器字长
• 机器字长是指CPU一次能处理数据的位数
– 目前，微型计算机的机器字长有8位、16位、32位几种档次，最 新推出的微处理器已达64位。
• 1.4.2 存储容量
• 存储容量表示存储器中存放二进制代码的总数，具 体表示有两种方法。
– （1）字节数 – （2）单元数（字数）×位数
1.3 计算机的层次结构
• 1.3.1 虚拟机的概念
• 虚拟机（Virtual Machine）是一个抽象的计算机，它将提供 给用户的功能抽象出来，使之脱离具体的物理机器，用户可 以不关心真实的计算机及其细节，它由软件实现，并与实际 机器一样，都具有一个指令集并可以使用不同的存储区域。
– 例如，一台机器上配有C语言和Pascal语言的编译程序，对C语 言用户来说，这台机器就是以C语言为机器语言的虚拟机，对 Pascal用户来说，这台机器就是以P 1.1.5 计算机的应用和发展趋势
– 1．科学计算 – 2．数据处理 – 3．过程控制 – 4．人工智能 – 5．计算机辅助工程 – 6．信息高速公路 – 7．电子商务
1.1 计算机系统简介
• 计算机的系统结构仍在继续发展，其 发展趋势是：
– ① 由于计算机网络和分布式计算机系统能为信息处理提 供廉价的服务，因此计算机系统进一步发展的最终目标， 是将有线电视、数据通信和电话“三网合一”，进入以通 信为中心的体系结构。
拟机。
1.3 计算机的层次结构
• 1.3.2 虚拟机的层次结构
应用语言虚拟机 M 5（应用语言） 用应用语言编写的应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言程序
高级语言虚拟机 M 4（高级语言） 高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言程序（或某种中间语言程序或机
曹红根《计算机组成原理》第 1 章 计算机系统概论.ppt
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1.2.2 冯·诺依曼计算机
1. 存储程序概念
(1) 采用二进制形式表示数据和指令 (2) 采用存储程序方式 (3) 计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储
器和控制器五大部件组成。
2021/3/18
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2. 早期的冯·诺依曼计算机
2021/3/18
10
3. 现代计算机组组织结构
2021/3/18
⑵ 总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。
总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲
突，且总线上的各部件可以共享总线信息。
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3. 总线的分类
• 按总线所在位置分 (1) CPU内部总线 (2) 部件内总线 (3) 系统总线 (4) 外总线
采用总线结构的好处：
• 可以大大减少系统中的信息传输线数，减轻发送部 件的负载
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1.5 计算机的特点和性能指标
1.5.1 计算机的工作特点 (1) 能自动连续地工作 (2) 运算速度快 (3) 运算精度高 (4) 具有很强的存储能力和逻辑判断能力 (5) 通用性强
2021/3/18
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1.5.2 计算机的性能指标
1. 基本字长 2. 主存容量 3. 运算速度 4. 所配置的外部设备及其性能指标 5. 系统软件的配置
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1.1.1 计算机硬件—更新换代
1. 电子管时代（1946年-1959年） 2. 晶体管时代（1959年-1964年 ） 3. 中、小规模集成电路时代（1964年-1975年） 4. 超、大规模集成电路时代（1975年-1990年） 5. 超级规模集成电路时代（1990年-现在）
• 可以简化硬件结构，灵活地修改与扩充系统。
计算机组成原理第一章 计算机系统概论
目标系统运行。 解释系统 ：逐个解释并立即执行源程序的语句，它不是编出目的程序后再
执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果。
1.3 计算机系统的层次结构
应用程序级 （高级语言机器）
用编译程序翻译成汇编语言程序
中间级/平台级 （汇编语言机器）
用汇编程序翻译成机器语言程序
软
件
操作系统级 （操作系统语言机器）
✓ 任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬 件完成，也可以由软件来完成。
✓ 对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、 存储容量、变更周期等。
目标程序
早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并能 执行，所以又叫做目的程序。
• 程序首地址
PC
ห้องสมุดไป่ตู้
• 启动程序运行
• 取指令 PC MAR M MDR IR (PC )+ 1 PC
• 分析指令 OP(IR)
CU
• 执行指令 Ad(IR)
MAR
M
MDR
ACC
…
• 打印结果 • 停机
3、计算机硬件的主要技术指标
① 机器字长：CPU 一次能处理数据的位数，与 CPU 中的 寄存器位数 有关
➢ 指令和数据用二进制表示； ➢ 指令由操作码和地址码组成 ➢ 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访 ➢ 指令在存储器内按顺序存放。 ➢ 以运算器为中心，目前逐步发展为以存储器为中心
目前，大多数计算机仍然沿用这种体制，称为冯•诺依曼体制。把这 种思想称为称为冯•诺依曼思想（存储程序概念）。
2、计算机硬件框图 1）以存储器为中心的计算机硬件框图
软件与硬件的功能分配与逻辑上的等价性
执行，而是直接逐一解释语句并得出计算结果。
1.3 计算机系统的层次结构
应用程序级 （高级语言机器）
用编译程序翻译成汇编语言程序
中间级/平台级 （汇编语言机器）
用汇编程序翻译成机器语言程序
软
件
操作系统级 （操作系统语言机器）
✓ 任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬 件完成，也可以由软件来完成。
✓ 对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、 存储容量、变更周期等。
目标程序
早期计算机中，人们直接用机器语言编写程序，计算机完全可以“识别”并能 执行，所以又叫做目的程序。
• 程序首地址
PC
ห้องสมุดไป่ตู้
• 启动程序运行
• 取指令 PC MAR M MDR IR (PC )+ 1 PC
• 分析指令 OP(IR)
CU
• 执行指令 Ad(IR)
MAR
M
MDR
ACC
…
• 打印结果 • 停机
3、计算机硬件的主要技术指标
① 机器字长：CPU 一次能处理数据的位数，与 CPU 中的 寄存器位数 有关
➢ 指令和数据用二进制表示； ➢ 指令由操作码和地址码组成 ➢ 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访 ➢ 指令在存储器内按顺序存放。 ➢ 以运算器为中心，目前逐步发展为以存储器为中心
目前，大多数计算机仍然沿用这种体制，称为冯•诺依曼体制。把这 种思想称为称为冯•诺依曼思想（存储程序概念）。
2、计算机硬件框图 1）以存储器为中心的计算机硬件框图
软件与硬件的功能分配与逻辑上的等价性
2024版计算机组成原理第1章ppt课件
声音数据表示法
用采样、量化、编码等方式表示声音。
数据校验码
奇偶校验码
通过增加一位校验位，使得整个数据字中1的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。
海明码
通过在数据字中增加多个校验位，利用异或运算实现多位错误的检测和纠正。
循环冗余校验码（CRC）
通过发送方和接收方约定一个生成多项式，对数据进行模2除法运算，将余数作为校验码附加 在数据后面。接收方收到数据后，用同样的生成多项式去除，若余数为0，则认为数据正确； 否则认为数据有误。
计算机组成原理第1章ppt课件
contents
目录
• 计算机系统概述 • 数字逻辑基础 • 计算机中的数据表示 • 运算方法与运算器 • 指令系统与寻址方式 • 存储系统与主存储器
01
计算机系统概述
计算机的定义与发展
计算机的定义
计算机是一种基于微处理器的智能电子计算机器，能够按照人们事先编好的程 序，自动、高速地进行数值计算、信息处理、数据存储和传输等操作。
采用Cache技术
在CPU和主存之间设置高速缓存，减少对主存的访问次数。
主存储器的性能指标与优化
优化存储管理
采用合理的存储分配和管理策略， 减少内存碎片和浪费。
采用并行技术
通过多体交叉存取、并行读写等方 式提高主存的带宽和访问速度。
THANKS
感谢观看
地址译码器
将地址寄存器中的地址转换为对 应存储单元的选择信号。
存储体
由大量存储单元组成，每个存储 单元可存放一个字节或多个字节 的数据。
读写控制电路
根据CPU的命令控制存储器的读 写操作。
主存储器的性能指标与优化
存储容量
主存储器可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位进 行衡量。
用采样、量化、编码等方式表示声音。
数据校验码
奇偶校验码
通过增加一位校验位，使得整个数据字中1的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。
海明码
通过在数据字中增加多个校验位，利用异或运算实现多位错误的检测和纠正。
循环冗余校验码（CRC）
通过发送方和接收方约定一个生成多项式，对数据进行模2除法运算，将余数作为校验码附加 在数据后面。接收方收到数据后，用同样的生成多项式去除，若余数为0，则认为数据正确； 否则认为数据有误。
计算机组成原理第1章ppt课件
contents
目录
• 计算机系统概述 • 数字逻辑基础 • 计算机中的数据表示 • 运算方法与运算器 • 指令系统与寻址方式 • 存储系统与主存储器
01
计算机系统概述
计算机的定义与发展
计算机的定义
计算机是一种基于微处理器的智能电子计算机器，能够按照人们事先编好的程 序，自动、高速地进行数值计算、信息处理、数据存储和传输等操作。
采用Cache技术
在CPU和主存之间设置高速缓存，减少对主存的访问次数。
主存储器的性能指标与优化
优化存储管理
采用合理的存储分配和管理策略， 减少内存碎片和浪费。
采用并行技术
通过多体交叉存取、并行读写等方 式提高主存的带宽和访问速度。
THANKS
感谢观看
地址译码器
将地址寄存器中的地址转换为对 应存储单元的选择信号。
存储体
由大量存储单元组成，每个存储 单元可存放一个字节或多个字节 的数据。
读写控制电路
根据CPU的命令控制存储器的读 写操作。
主存储器的性能指标与优化
存储容量
主存储器可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位进 行衡量。
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
计算机组成原理第一章讲义
存储字长：一个存储单元可存放的二进制位数。 指令字长：一条指令所具有的二进制代码位数。 字节（Byte）：计算机中另一种数据的表示 单位。一个标准字节被规定为8位二进制代码。
19
2. 计算机的工作过程：
细化的计算机组成框图（整体）：
ACC ALU
X
CPU
MQ 运算器
……
控制 单元 CU
控 制 器
IR
PC
存 储 体 M
MDR
MAR 主存储器
I/O
接口
I/o 设 备
图中示出了一台计算机寄存器级的最简结构（连接省去)。
细化的计算机组成框图（运算器）：
ACC
MQ
ALU
X
运算器
计算机组成原理
唐朔飞 编著
代课教师：吝春妮 所属单位：教科院
高等教育出版社
1
教学内容
第1章 计算机系统概论 第2章 计算机的发展及应用 第3章 系统总线 第4章 存储器 第5章 输入输出系统 第6章 计算机的运算方法 第7章 指令系统 第8章 CPU的结构和功能 第9章 控制单元的功能 第10章 控制单元的设计
一、计算机的软硬件概念
硬件——组成计算机的各种实际装置的总称。 特点：看得见摸得着。
软件——计算机运行所需的各种程序及相关 资料。分类是？ 特点：看不见摸不着。
两者的关系：相辅相成，缺一不可。 （硬件是基础，软件是灵魂）
5
二、计算机系统的层次结构
计算机系统——由硬件和软件两大部分组成。 组织方法：分层——层次结构。 分层方法：从硬件开始，按与其结合的紧
26
细化的计算机组成框图（存储器）：
②. 主存： 存储体：由许多存储单元组成 存储单元：由若干存储元组成 存储元：存放一位二进制代码的物理
19
2. 计算机的工作过程：
细化的计算机组成框图（整体）：
ACC ALU
X
CPU
MQ 运算器
……
控制 单元 CU
控 制 器
IR
PC
存 储 体 M
MDR
MAR 主存储器
I/O
接口
I/o 设 备
图中示出了一台计算机寄存器级的最简结构（连接省去)。
细化的计算机组成框图（运算器）：
ACC
MQ
ALU
X
运算器
计算机组成原理
唐朔飞 编著
代课教师：吝春妮 所属单位：教科院
高等教育出版社
1
教学内容
第1章 计算机系统概论 第2章 计算机的发展及应用 第3章 系统总线 第4章 存储器 第5章 输入输出系统 第6章 计算机的运算方法 第7章 指令系统 第8章 CPU的结构和功能 第9章 控制单元的功能 第10章 控制单元的设计
一、计算机的软硬件概念
硬件——组成计算机的各种实际装置的总称。 特点：看得见摸得着。
软件——计算机运行所需的各种程序及相关 资料。分类是？ 特点：看不见摸不着。
两者的关系：相辅相成，缺一不可。 （硬件是基础，软件是灵魂）
5
二、计算机系统的层次结构
计算机系统——由硬件和软件两大部分组成。 组织方法：分层——层次结构。 分层方法：从硬件开始，按与其结合的紧
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细化的计算机组成框图（存储器）：
②. 主存： 存储体：由许多存储单元组成 存储单元：由若干存储元组成 存储元：存放一位二进制代码的物理
计算机组成原理第一章概论共50页PPT课件
应用级的程序设计者与传统机的程序设计 者所看到的计算机性能的区别：
前者：用应用语言编程，所以他所看到的机器的功能是能 够识别和执行应用语言 。
后者：看到的是硬件设备所体现的具体功能。
透明性
一种本来存在的有差异的事物和属性， 从某种角度上看又好像不存在的现象， 被称为是“透明性” 。
例如，高级程序员看不到各种不同类 型机器的差异性就是一个明显的例证。
参考教材
1. 《计算机系统结构》
陆鑫达 高教出版社
96年
2. 《计算机系统结构》
孙强南 科学出版社
92年
3. 《计算机系统结构》
苏东庄 西安电子科技大学 92年
4. 《RISC单发射与多发射体系结构》
李三立 清华出版社
93年
1. 《计算机系统结构》
郑纬民等 清华出版社
97年
2. 《Advanced Computer Architecture 》
Kai Hwang 清华出版社 95年
第一章 概 论
❖ 计算机的“年龄”：
Clolossus:1944.1.19(英国)----二战期间 ENIAC：1946.2.14（美国） Baby：1948.6.21（英国） EDSAC：1949年英国剑桥大学，第一台存储式计算机
本章要点
体系结构概念 弗林分类法 计算机层次结构 CPU 性能及计算
1.2 计算机系统结构
1.2.1 计算机系统结构的基本概念
1964年，IBM公司的系统设计师阿姆达尔 (G.M.Amdahl)在介绍IBM 360机型时提出了系统结构的 概念。
系统结构：从程序设计者的角度所看到的系统的属 性，即概念性结构和功能特性。
计算机系统结构：指机器语言程序的设计者或是编译 程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构与功能特性。
计算机组成原理第1章 计算机系统概论 任国林版课件
控制器
缓冲器
运算器
缓冲器
缓冲技术
存储器 程序 数据
直接存储器访 (DMA)技术 问(DMA)技术 结果
输入设备
输出设备
11
8
*由多种存储器构成存储系统： 多种存储器构成存储系统： 构成存储系统 解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/ 解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/价格
运算器 控制器 计算机 硬件 存储器 输入设备 输出设备 主存(内存) 主存(内存) 辅存(外存) 辅存(外存) CPU 主机 I/O设备(外设) I/O设备(外设) 设备 主机 CPU
用机器语言 操作系统命令 机器 令 机器 令 令 用编译程序翻译 成汇编语言程序 编译程序翻译 或机器语言程序 用汇编程序翻译 成机器语言程序 汇编程序翻译 虚 拟 机 器 实 际 机 器
用汇编语言编程 汇编语言编程
使用操作系统命令 使用操作系统命令
用机器语言编程 机器语言编程
机器语言级机器 M
用 程序
13
2、计算机部件的基本组成 (1)存储器 (1)存储器 功能：存储程序和数据 通过读/写操作接收 提供信息 程序和数据、 接收/ *功能：存储程序和数据、通过读/写操作接收/提供信息 *组成： 组成：
地址 地 址 译 码 器 存储阵列 …… 数据 /
1 n 1
1 ……
w 1 … … … …
存储 1
ALU
Func
△约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容 约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y 表示寄存器 表示存储单元
16
(3)控制器 (3)控制器 功能：指挥及控制各部件协调地工作 各部件协调地工作， *功能：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程 *程序执行过程： 程序执行过程： 循环的指令执行过程(取指令及执行指令) ①循环的指令执行过程(取指令及执行指令)； ②下条指令地址由当前指令产生(按程序逻辑顺序) 下条指令地址由当前指令产生(按程序逻辑顺序) 由当前指令产生
缓冲器
运算器
缓冲器
缓冲技术
存储器 程序 数据
直接存储器访 (DMA)技术 问(DMA)技术 结果
输入设备
输出设备
11
8
*由多种存储器构成存储系统： 多种存储器构成存储系统： 构成存储系统 解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/ 解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/价格
运算器 控制器 计算机 硬件 存储器 输入设备 输出设备 主存(内存) 主存(内存) 辅存(外存) 辅存(外存) CPU 主机 I/O设备(外设) I/O设备(外设) 设备 主机 CPU
用机器语言 操作系统命令 机器 令 机器 令 令 用编译程序翻译 成汇编语言程序 编译程序翻译 或机器语言程序 用汇编程序翻译 成机器语言程序 汇编程序翻译 虚 拟 机 器 实 际 机 器
用汇编语言编程 汇编语言编程
使用操作系统命令 使用操作系统命令
用机器语言编程 机器语言编程
机器语言级机器 M
用 程序
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2、计算机部件的基本组成 (1)存储器 (1)存储器 功能：存储程序和数据 通过读/写操作接收 提供信息 程序和数据、 接收/ *功能：存储程序和数据、通过读/写操作接收/提供信息 *组成： 组成：
地址 地 址 译 码 器 存储阵列 …… 数据 /
1 n 1
1 ……
w 1 … … … …
存储 1
ALU
Func
△约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容 约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y 表示寄存器 表示存储单元
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(3)控制器 (3)控制器 功能：指挥及控制各部件协调地工作 各部件协调地工作， *功能：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程 *程序执行过程： 程序执行过程： 循环的指令执行过程(取指令及执行指令) ①循环的指令执行过程(取指令及执行指令)； ②下条指令地址由当前指令产生(按程序逻辑顺序) 下条指令地址由当前指令产生(按程序逻辑顺序) 由当前指令产生
计算机组成原理复习任国林版通用课件
分析指令
指令寄存器中的指令送至 译码器进行译码，确定所 执行的操作性质。
执行指令
将操作数送至运算器进行 运算或传输，并将结果存 回内存。
控制器的时序系统
时钟信号
用于同步各部件的工作， 使它们按照一定的节拍协 同工作。
节拍信号
将时钟信号分频得到，用 于确定各部件的工作周期。
控制信号
根据指令要求和节拍信号 生成，用于协调各部件的 工作。
USB接口
通用串行总线接口，支持热插 拔和即插即用，广泛用于各种 设备。
HDMI接口
高清多媒体接口，用于连接高 清视频输出设备。
数据传输方式
同步传输
数据在固定的时钟信号控制下进行传输，具 有稳定性和可靠性。
串行传输
数据一位一位地顺序传输，占用通信线路少， 适合长距离传输。
异步传输
数据传输不受时钟信号控制，传输速率不固 定，但灵活性较高。
输入输出系统的性能评价
01 02
输入输出系统的性能评价
输入输出系统的性能评价主要包括数据传输速率、数据吞吐量、数据传 输延迟以及可靠性等方面。这些因素直接影响到计算机的数据处理能力、 系统响应速度以及与外部设备的交互能力。
数据传输速率
数据传输速率是指输入输出设备之间每秒钟传输的数据量。较高的数据 传输速率可以提高数据处理的效率。
只读存储器（ROM）
ROM是一种只能读取而不能写入的 存储器，断电后数据不会丢失。
高速缓存（Cache）
Cache是一种高速的、容量较小的存 储器，用于存放CPU经常访问的数据 和指令。
主存储器与高速缓存
主存储器
主存储器是计算机中最重要的存储器， 用于存放计算机运行时所需的数据和 指令。
计算机组成原理复习任国林版通用课件
指定操作数的地址，可以是寄存器、内存单元 或立即数。
长度码
指示指令的长度，以便正确解析指令。
扩展码
用于扩展指令的长度，以适应更长的操作码或地址 码。
操作数
指定操作数的内容，可以是寄存器中的值、内存 单元中的数据或立即数。
标志位
指示指令执行后的结果状态，如进位、溢出等。
寻址方式
寄存器寻址
操作数存储在寄存器中，需要 访问寄存器以获取操作数。
进程定义
进程是程序的一次执行过程，是 系统进行资源分配和调度的基本 单位。
进程状态
02
03
进程控制
进程在运行过程中会处于不同的 状态，如运行状态、就绪状态和 等待状态。
进程控制的主要任务是对系统中 所有进程进行创建、撤销、暂停 和恢复等操作。
存储管理
存储管理概述
存储管理的主要任务是对内存空间进行分配、回 收、共享、保护和扩充等操作。
内存管理方式
常见的内存管理方式有分区管理、分页管理、分 段管理和段页式管理等。
虚拟内存
虚拟内存是一种内存管理技术，通过将部分硬盘 空间映射为内存，可以弥补物理内存的不足。
文件系统
01
02
03
文件系统定义
文件系统是用于实现文件 存储、检索和管理的一组 软件和数据结构。
文件类型
常见的文件类型包括普通 文件、目录文件和特殊文 件等。
网络设备
网络设备概述
网络设备是实现计算机网络功 能的硬件设备，包括计算机、
交换机、路由器、网卡等。
交换机
交换机是一种基于MAC地址的 二层网络设备，可以实现多个 端口之间的数据交换。
路由器
路由器是一种基于IP地址的三 层网络设备，可以实现不同网 络之间的数据转发。
长度码
指示指令的长度，以便正确解析指令。
扩展码
用于扩展指令的长度，以适应更长的操作码或地址 码。
操作数
指定操作数的内容，可以是寄存器中的值、内存 单元中的数据或立即数。
标志位
指示指令执行后的结果状态，如进位、溢出等。
寻址方式
寄存器寻址
操作数存储在寄存器中，需要 访问寄存器以获取操作数。
进程定义
进程是程序的一次执行过程，是 系统进行资源分配和调度的基本 单位。
进程状态
02
03
进程控制
进程在运行过程中会处于不同的 状态，如运行状态、就绪状态和 等待状态。
进程控制的主要任务是对系统中 所有进程进行创建、撤销、暂停 和恢复等操作。
存储管理
存储管理概述
存储管理的主要任务是对内存空间进行分配、回 收、共享、保护和扩充等操作。
内存管理方式
常见的内存管理方式有分区管理、分页管理、分 段管理和段页式管理等。
虚拟内存
虚拟内存是一种内存管理技术，通过将部分硬盘 空间映射为内存，可以弥补物理内存的不足。
文件系统
01
02
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文件系统定义
文件系统是用于实现文件 存储、检索和管理的一组 软件和数据结构。
文件类型
常见的文件类型包括普通 文件、目录文件和特殊文 件等。
网络设备
网络设备概述
网络设备是实现计算机网络功 能的硬件设备，包括计算机、
交换机、路由器、网卡等。
交换机
交换机是一种基于MAC地址的 二层网络设备，可以实现多个 端口之间的数据交换。
路由器
路由器是一种基于IP地址的三 层网络设备，可以实现不同网 络之间的数据转发。
计算机组成原理计算机系统概论
1.2计算机发展简史
一、计算机的五代变化 • 第一代为1946—1957年，电子管计算机：数据
处理 • 第二代为1958—1964年，晶体管计算机：工业
控制 • 第三代为1965—1971年，中小规模集成电路计
算机：小型计算机 • 第四代为1972—1990年，大规模和超大规模集
成电路计算机：微型计算机 • 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算
1.4计算机的软件
一、软件的组成与分类
计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计 算机系统中不可少的无形部件。主要有两大类：
• 系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法， 提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功 能及用途。它包括以下四类：
①各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 ②语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 ③操作系统 ④数据库管理系统
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，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。 • 1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而 4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而 设计的中央处理器。 • 20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便 是其中之一。 • 这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP 公司开发出了32位单片微处理器。 • Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 • 到现在的64
• 输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他 机器设备所能接收和识别的信息形式
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器件、电路
MEM总线 带宽
信号线数、时钟、传输方式
§1.2 计算机系统基本组成
一、冯·诺依曼模型计算机
*结构与组成： 由运算器、存储器、控制器、输入及输出设备组成， 以运算器为中心；
输出设备 输入设备
存储器 运算器 控制器
注：
数据信息 指令信息 控制信息 状态信息
*数据表示与运算： 指令及数据均用二进制方式表示，运算亦采用二进制方式
控制器
缓冲器
运算器
缓冲器
缓冲技术
程序 数据
存储器 输入设备 输出设备
直接存储器访 问(DMA)技术
结果
8
*由多种存储器构成存储系统： 解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/价格
运算器
控制器 计算机 存储器
硬件
CPU
主存(内存)
主机
辅存(外存)
输入设备
I/O设备(外设)
输出设备
主机
CPU
主
算术逻辑单元ALU
*计算机实现：实现计算机组成时所体现的计算机属性
*相互关系： 计算机系统结构—确定软硬件功能分配及其界面特性； 计算机组成—逻辑实现系统结构的内容； 计算机实现—物理实现计算机组成的内容
举例
系统结构
计算机组成
计算机实现
乘法功能 是否有乘法指令 乘法器还是加法+移位
主存系统 最大容量、编址方式 速度保证、单体/多体
计算机 系统
计算机硬件— 计算机的物理实体；
如主机、外设等
表示应用需求
计算机软件— 具有特定功能的信息(程序)。 如系统程序、应用程序
*计算机系统功能的实现方式： 解题过程—
用户
①编辑 ②编译 ③运行
③ 解题结果
输入设备 输出设备
存储设备 处理设备
① 源程序 (高级语言)
②
目标程序 (机器语言)
功能的实现方式—
*存储程序原理—程序存储方式： 指令及数据预先存放(以等同地位)在存储器中；
*存储器结构： 由定长单元构成的一维空间，存储器按地址访问；
*指令组成： 由操作码及地址码组成；
操作码 地址码1 地址码2
表示操作的性质
表示操作数在存储器中的位置
例：若加法运算的操作码用010表示，第01000号与第10000 号两个存储单元内容相加的操作可表示为：
存
储
器
控制单元CU
MM
包含辅存( 如DISK等)
I/O 设备
*采用总线互连形式： 实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性
标准格式 按地址访问
CPU
主存
MEM总线
总线桥
I/O总线
I/O接口1 … I/O接口n
I/O接口 … I/O接口
I/O设备1
I/O设备n
I/O设备
非标准格式 min{所连I/O设备速度}
AC
ALU
Func
△约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容
010 01000 10000
*存储程序原理—程序控制机制： 按程序逻辑顺序、自动地、逐条地取出指令并执行。
物理顺序 (指令地址)
指令内容
程序 逻辑顺序ຫໍສະໝຸດ A+0int nCount=0； ⑴
A+1
int nSum=0； ⑵
A+2 LP: nSum+=nCount； ⑶ ⑹ ⑼
A+3
nCount++；
计算机组成原理第1章计 算机系统概论任国林版
课件
2020年5月17日星期日
第1章 计算机系统概论
§1.1 计算机系统简介
一、计算机系统的软硬件
*电子计算机：
是采用按位及跳动式计算、能够根据逻辑判断结果控制计
算过程的电子式机器
*计算机的功能：
数据存储、数据传送、数据处理，过程控制
*计算机系统的组成：
①硬件具备数据的存储、传送及处理和过程控制功能 ②软件表示应用的数据处理及过程控制需求
└→程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能) ③执行软件实现应用的数据处理及过程控制功能
*计算机系统组成的特性： 软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映
二、计算机系统的层次结构
虚拟机器 实际机器
用高级语言编程 用汇编语言编程 使用操作系统命令 用机器语言编程 使用微指令系统
(2)运算器 *功能：实现算术运算及逻辑运算，并暂存运算结果
*组成：
存储器
存储器
TEMP
AC
ALU
Func
寄存器 组(堆)
ALU
Func
累加器型运算器
*(AC)+[Y]→AC的运算过程：
(0) (AC)为被加数
寄存器型运算器 存储器
(1) 加数[Y]→TEMP
TEMP
(2) (AC)＋(TEMP) (3) ALU结果→AC
I/O设备
2、计算机部件的基本组成
(1)存储器
*功能：存储程序和数据、通过读/写操作接收/提供信息
…
… … … …
…… 地址译码器
*组成：
地址
存储阵列
0 1 … w-1
0 1
…
…
存储字长W
0
…
1
命令 数据
……
n-1
…
I/O电路
…
存储字 n-1
*术语：存储元件(存储元)—可存储一个二进制位的元件；
存储单元—可同时存储一串二进制位的元件； 存储字—存储单元内存储的二进制编码；
⑷⑺⑽
A+4
if (nCount<4) ⑸ ⑻ ⑾
goto LP；
A+5
COUT>>nSum； ⑿
循环的 指令执行过程
取指令 过程
执行指令 过程
+“1”
指令地址
指令发生 转移时
下条指令地址 由当前指令产生
二、计算机硬件的基本组成
1、计算机硬件的结构 现代计算机均在冯·诺依曼模型基础上进行改进
*采用以存储器为中心的结构： 使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能
高级语言级机器 M4
用编译程序翻译 成汇编语言程序
汇编语言级机器 M3 或机器语言程序
用汇编程序翻译 成机器语言程序
操作系统级机器 M2
用机器语言解释 操作系统命令
机器语言级机器 M1
用微程序解释
微程序级机器 M0
直接执行机器指令 机器指令 直接执行微指令
三、计算机结构与组成
*计算机系统结构：机器语言程序员所看到的计算机属性 概念性结构和功能特性←┘
存储阵列—所有存储单元的集合 存储单元地址—每个存储单元被赋予的惟一编号 存储容量—存储阵列可存储的二进制位数
*完成操作的过程： 读操作—①接收地址及命令，内部操作； ②输出数据
①0…01
… … … … … 地址译码器
①Read
②1#的存储字
I/O电路
写操作—①接收地址及命令；
②接收数据，内部操作
高级语言级机器 M4
软件 汇编语言级机器 M3
软硬件 交界面
硬件
操作系统级机器 M2
机器语言级机器 M1 微程序级机器 M0
指令系统、数据表示、寻址方式, 存储系统，I/O系统、信息保护等
指令功能逻辑实现、部件组成、 控制机构、排队及缓冲技术等
数字电路级机器
器件技术、组装技术等
*计算机组成：实现计算机系统结构时所体现的计算机属性