《计算机系统概论》PPT课件
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第1章 计算机系统概论-计算机组成原理-刘超-清华大学出版社
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
1 计算模型及其基本内容 计算模型是完成计算任务所必需遵循的基于形式化 描述的基本规则。工作单元(对计算机来说即是指令)之 间存在处理次序与数据依赖等两种关联性，用于控制处 理次序的工作驱动与数据依赖机制的数据传递是计算模 型的基本内容。工作驱动方式是计算模型的核心。
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
3 计算机工作过程 程序控制计算机完成计算任务过程可分为人工编制 程序和机器运行程序两个阶段。
存储器存储单 元地址
00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000 00001001 00001010 00001011 00001100 00001101 00001110 00001111 00010000
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
输入设备
辅助存储器 存储 系统
主存储器
输出设备 外设
运算器
控制器
具有存储层次计算机的体系结构框架
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
主存 储器
主机 CPU
算术逻辑运算 单元ALU
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
1 计算机体系结构及其范畴 计算机体系结构的一般定义是：机器语言程序员所 必须了解的计算机概念性结构和功能特性。 计算机体系结构作为一门学科，其研究内容主要有 两个方面：一是软件与硬件功能分配；二是如何最佳最 合理地实分配给硬件的功能。 计算机体系结构(或属性)的范畴有：数据表示、指 令系统、寻址方式、寄存器组织、存储组织、中断机构、 机器状态、输入输出结构、信息保护等。
第1章计算机系统概论
18800电子管 18800电子管 30吨 30吨 150平方米 150平方米 150kw 5000次十进制加法 次十进制加法/ 5000次十进制加法/秒
ENIAC
ENIAC
ENIAC
ENIAC的特点： ENIAC的特点：十进制表示 的特点 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 为了改进程序的输入方式： 二进制表达方 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制表达方 式和存储程序控制计算机构想。 存储程序控制计算机构想 式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一 个计算机模型EDVAC 个计算机模型EDVAC
•它采用了间接寻址技术。在这种技术中，间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术。在这种技术中， 它采用了间接寻址技术 形成的地址，不是存放操作数的地址， 形成的地址，不是存放操作数的地址，而是用来形成操作 数地址的地址。这种寻址技术在分类、 数地址的地址。这种寻址技术在分类、排序中是非常有用 的； •采用了专用的程序控制指令，这种指令对应于不同程序 采用了专用的程序控制指令， 采用了专用的程序控制指令 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对， LINK/TRA指令对 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对，即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对， 称的调用子程序/子程序返回指令对，对调用子过程等是 十分有效的； 十分有效的； •I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配； 长能够匹配； •采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期， CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期，但是并不 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期； CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期；
ENIAC
ENIAC
ENIAC
ENIAC的特点： ENIAC的特点：十进制表示 的特点 程序用插线开关实现
为了改进程序的输入方式： 为了改进程序的输入方式： 二进制表达方 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制 美国数学家冯.诺依曼，提出二进制表达方 式和存储程序控制计算机构想。 存储程序控制计算机构想 式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一 个计算机模型EDVAC 个计算机模型EDVAC
•它采用了间接寻址技术。在这种技术中，间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术。在这种技术中， 它采用了间接寻址技术 形成的地址，不是存放操作数的地址， 形成的地址，不是存放操作数的地址，而是用来形成操作 数地址的地址。这种寻址技术在分类、 数地址的地址。这种寻址技术在分类、排序中是非常有用 的； •采用了专用的程序控制指令，这种指令对应于不同程序 采用了专用的程序控制指令， 采用了专用的程序控制指令 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对， LINK/TRA指令对 间的控制转移，如它的LINK/TRA指令对，即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对， 称的调用子程序/子程序返回指令对，对调用子过程等是 十分有效的； 十分有效的； •I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制，并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆、装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配； 长能够匹配； •采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术。即当I/O处理机请求访问主存储器时， 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期， CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期，但是并不 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期； CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作，只是使CPU操作推迟一个存储周期；
unit2DataManipulation计算机系统概论双语课件专业英语课件
signal at time, each separate line.
Communication Rates
• The rate at which bits are transferred from one computing component to an other is measured in bits per second (bps).
• This ability of a controller to access main memory is know as Direct Memory Access.来自Handshaking
• The transfer of data between two computer components is rarely a one way affair.
• XOR
10011010 11001001 ---------------01010011
• Rotation and Shift Operation
moving bits within a register and are often used in solving alignment problems.
Communication with Other Devices
• Computer Communicates with peripheral devices such as mass storage systems,printers,keyboards,mice,monitors, digital cameras, and even other computers.
This part of the operand identifies the address of the memory cell that is to receive data.
Communication Rates
• The rate at which bits are transferred from one computing component to an other is measured in bits per second (bps).
• This ability of a controller to access main memory is know as Direct Memory Access.来自Handshaking
• The transfer of data between two computer components is rarely a one way affair.
• XOR
10011010 11001001 ---------------01010011
• Rotation and Shift Operation
moving bits within a register and are often used in solving alignment problems.
Communication with Other Devices
• Computer Communicates with peripheral devices such as mass storage systems,printers,keyboards,mice,monitors, digital cameras, and even other computers.
This part of the operand identifies the address of the memory cell that is to receive data.
第一章 计算机系统概论
5
1．2．1 计算机硬件 ． ．
1．运算器 ． 用于信息加工的部件，又称执行部件。它对数据信息进行算术运算 和逻辑运算。它由算术逻辑部件 ALU 和一系列寄存器组成。 算术运算指加、减、乘、除和其他复合运算，逻辑运算指与、或、 非、异或、比较、移位。 运算器包含多个寄存器，称为通用寄存器组，使用它们可减少访问 存储器的次数，提高运算速度。寄存器用于存放运行指令和运算操作 数，累加器除了存放运算操作数外，还存放中间结果和最终结果。 计算机采用二进制计数。二进制 二进制的运算规律非常简单，易于用物 二进制 易于用物 理的方式实现。 理的方式实现 二进制数的位数越多，计算精度就越高，但是位数越多，所需的电 子器件也越多。计算机运算器的运算宽度（ 机器字长 ） 通常为 8×2n 计算机运算器的运算宽度（机器字长） 计算机运算器的运算宽度 × （n 为自然数，目前最大为 3），即 8 位、16 位、32 位或 64 位。 即
9
1．2．1 计算机硬件 ． ．
指令和数据均以二进制信息形式存放在内存，按读取时间和存放 空间区分。取指周期中从内存中读出的信息流是指令流，它流向控制 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流， 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流 执行周期中从内存中读出的信息流是数据流 它流向运算器。 数据流， 器；执行周期中从内存中读出的信息流是数据流，它流向运算器 3．存储器 ． 存放程序和数据。分为若干个带地址的存储单元，数据以二进制 方式按地址存储。 读写过程：传送存储单元地址 → 地址译码器译码 → 选中存储单 元 → 从存储单元读出数据或向存储单元写入数据。 主板上的存储器为半导体触发器，每一个存储元（触发器）可存 储一位二进制信息。一个半导体触发器的 Q 输出端有两种电平状态， 输出高电平为 “1”，输出低电平为 “0”，通过输入端电平和时钟的控 制可改变触发器的输出状态，分别输出 “1” 或 “0”。
1．2．1 计算机硬件 ． ．
1．运算器 ． 用于信息加工的部件，又称执行部件。它对数据信息进行算术运算 和逻辑运算。它由算术逻辑部件 ALU 和一系列寄存器组成。 算术运算指加、减、乘、除和其他复合运算，逻辑运算指与、或、 非、异或、比较、移位。 运算器包含多个寄存器，称为通用寄存器组，使用它们可减少访问 存储器的次数，提高运算速度。寄存器用于存放运行指令和运算操作 数，累加器除了存放运算操作数外，还存放中间结果和最终结果。 计算机采用二进制计数。二进制 二进制的运算规律非常简单，易于用物 二进制 易于用物 理的方式实现。 理的方式实现 二进制数的位数越多，计算精度就越高，但是位数越多，所需的电 子器件也越多。计算机运算器的运算宽度（ 机器字长 ） 通常为 8×2n 计算机运算器的运算宽度（机器字长） 计算机运算器的运算宽度 × （n 为自然数，目前最大为 3），即 8 位、16 位、32 位或 64 位。 即
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1．2．1 计算机硬件 ． ．
指令和数据均以二进制信息形式存放在内存，按读取时间和存放 空间区分。取指周期中从内存中读出的信息流是指令流，它流向控制 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流， 取指周期中从内存中读出的信息流是指令流 执行周期中从内存中读出的信息流是数据流 它流向运算器。 数据流， 器；执行周期中从内存中读出的信息流是数据流，它流向运算器 3．存储器 ． 存放程序和数据。分为若干个带地址的存储单元，数据以二进制 方式按地址存储。 读写过程：传送存储单元地址 → 地址译码器译码 → 选中存储单 元 → 从存储单元读出数据或向存储单元写入数据。 主板上的存储器为半导体触发器，每一个存储元（触发器）可存 储一位二进制信息。一个半导体触发器的 Q 输出端有两种电平状态， 输出高电平为 “1”，输出低电平为 “0”，通过输入端电平和时钟的控 制可改变触发器的输出状态，分别输出 “1” 或 “0”。
《微机原理》教学课件 第1章 计算机系统概述
0.09μm / 315万
执行速度 (MIPS)
0.06 0.75
1. 5
112
时钟频率 (MHz)
代表产品
<1
MCS-4,MCS-8 4004，8008
<4
Intel8080,8085 M6800,Z80
4~10
Intel8086,80286 M68000,Z8000
16~3G
Intel8386,80486 Pentium ,Ⅱ, Ⅲ，4
（3）知识库管理功能。要求能完成知识获取、检 索和更新等功能。
第一章 计算机系统概论
1.1.2 微型计算机的发展
微型计算机指采用超大规模集成电路，形成体积 小、重量轻、功能强、耗电少的计算机系统。
电子计算机技术 微型计算机
超大规模集成电路工艺技术
结 晶
微型机的发展是以微处理器的发展为表征的，以 微处理器为中心的微型机是电子计算机的第四代产 品。微处理器自1971年诞生以来，发展迅猛，每 2～3年就更换一代。
第一章 计算机系统概论
第五代计算机设想：
1981年日本提出实现智能计算机，但没有取得预 期的结果。美国也有多家公司推出智能计算机。一 般要求智能计算机具有下列功能：
（1）智能接口功能。能自动识别自然语言、图形、 图象。即有语音识别、视觉、感知、理解功能。
（2）解题推理功能。根据自身存储的知识进行推 理，具有问题求解和学习的功能。
第一章 计算机系统概论
2. 电子数字计算机的发展的四个阶段
时间
46－5 8
器件
电子管
58－6 4
晶体管
64－7 1
集成电路
71－今
大规模集 成电路
计算机组成原理(本全)白中英PPT课件
计算机组成原理
白中英
1 精选ppt课件2021
概述
计算机组成：主要指计算机硬件的具体实现方 式及工作原理
从三方面掌握本课程内容
– 硬件结构：从物理上、逻辑上掌握计算机 各部件和器件的构成和作用
– 实现方式：硬件联接形式和内部处理方式 （如控制器、运算器的实现方式等）
– 工作原理：计算机各部分内部工作过程
15 精选ppt课件2021
对一任意数S，其r进制数表示为 （S）r＝kn ×r n-1+kn-1 × r n-2+… +ki × r i-1
+… +k-m × r -m-1 其中０≤ ki﹤r
r称为进位计数值的基数， ki为第i位数字符， i为位序号, r i为第i位的
• 计算机系统具有层次性，它是由多级层次结 构组成的。其层次之间的关系十分紧密，上 层是下层功能的扩展，下层是上层的基础； 层次的划分不是绝对的，各层之间有时是相 互渗透的。
13 精选ppt课件2021
第二章 运算方法和运算器
第一节 数据与文字的表示
数据一般分为两大类：
第四节 计算机软件
一、软件的组成与分类
计算机中的各种程序、数据和有关文档构成计算 机的软件系统。 计算机的软件一般分为两大类： • 系统软件：便于计算机使用的系统管理程序 (包括操作系统、语言处理、数据库管理系统等） • 应用软件：针对用户具体实际应用的程序
10 精选ppt课件2021
二、软件的发展
然后按指令的要求发出操作命令，控制计算机各部分 自动协调的工作。
简单程序 指令形式 控制器的基本任务 指令流和数据流 冯·诺依曼体系结构计算机的主要特征是：采用存储程 序和数据，由指令流来控制计算机的操作。
白中英
1 精选ppt课件2021
概述
计算机组成：主要指计算机硬件的具体实现方 式及工作原理
从三方面掌握本课程内容
– 硬件结构：从物理上、逻辑上掌握计算机 各部件和器件的构成和作用
– 实现方式：硬件联接形式和内部处理方式 （如控制器、运算器的实现方式等）
– 工作原理：计算机各部分内部工作过程
15 精选ppt课件2021
对一任意数S，其r进制数表示为 （S）r＝kn ×r n-1+kn-1 × r n-2+… +ki × r i-1
+… +k-m × r -m-1 其中０≤ ki﹤r
r称为进位计数值的基数， ki为第i位数字符， i为位序号, r i为第i位的
• 计算机系统具有层次性，它是由多级层次结 构组成的。其层次之间的关系十分紧密，上 层是下层功能的扩展，下层是上层的基础； 层次的划分不是绝对的，各层之间有时是相 互渗透的。
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第二章 运算方法和运算器
第一节 数据与文字的表示
数据一般分为两大类：
第四节 计算机软件
一、软件的组成与分类
计算机中的各种程序、数据和有关文档构成计算 机的软件系统。 计算机的软件一般分为两大类： • 系统软件：便于计算机使用的系统管理程序 (包括操作系统、语言处理、数据库管理系统等） • 应用软件：针对用户具体实际应用的程序
10 精选ppt课件2021
二、软件的发展
然后按指令的要求发出操作命令，控制计算机各部分 自动协调的工作。
简单程序 指令形式 控制器的基本任务 指令流和数据流 冯·诺依曼体系结构计算机的主要特征是：采用存储程 序和数据，由指令流来控制计算机的操作。
1 计算机系统概论
输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、
字母、表格、图形等。
计算机硬件的组成框图
CPU（包括运算器和控制器） 存储器 ROM RAM 输入/输出设备(I/O设备) 运算器 和控制 总线 器 DB—DATA BUS CPU AB—ADDRESS BUS CB—CONTROL BUS
计算机硬件系统组成
22
1.3 什么是硬件?什么是软件?两者谁更重要? 为什么？ 答：硬件是计算机系统的实体部分，它由看得 见摸得着的各种电子元器件及各类光、电、机 设备的实物组成，包括主机和外部设备等。 软件是指用来充分发挥硬件功能，提高机器 工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算 机系统工作的程序集合，是无形的。 硬件和软件是不可分割的统一体，前者是后 者的物质基础，后者是前者的“灵魂"，它们 23 相辅相成，互相促进。
软件部分 硬、软界面 硬件部分
操作系统软件层（操作系统） 指令系统层（指令系统） 微体系结构层（微程序控制器） 数字逻辑层（硬件逻辑部件）
计算机系统的层次结构
站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性各不相同。
计算机系统的层次结构 （2）软件和硬件逻辑上的等价性
计算机系统以硬件为基础，通过软件扩充其功能，并以执 行程序方式体现其功能。硬件完成最基本的功能，而复杂 的功能则通过软件实现。计算机是一个软件和硬件结合的 整体系统。
计算机的语言简介
自然语言：人类相互交流信息所用的语言。 高级语言：一种和自然语言接近并能为计算机接受 的语言，这种语言被称为计算机的高级语言。 汇编语言：符号式程序设计语言，属于低级语言。 机器语言：机器能执行的语言，这种语言被称为机器 语言（由二进制代码表示的指令组成）。
计算机组成原理
利用率： 在给定的时间间隔内。系统被实际使用的时间所占的比例。% 处理器字长：运算器一次能过完成的二进制数运算的位数。 总线宽度：通常指运算器与存储器之间互联的总线2进制位数。 存储器容量：存储器的字节数。 存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量。B/s
主频: CPU的主时钟频率 f。MHz ，GHz 时钟周期: CPU的主时钟频率的倒数T=1/f，μS, nS
16
冯*诺依曼计算机原理
存储器：
* 数据存入存储器的过程也称“写入”。当存储器写入新数据后，其中的旧数 据丢失，不复存在。也称“冲掉”/“覆盖”旧数据。 * 数据从存储器取出的过程也称“读出”。读出并不破坏存取器中的数据。 因 此可以从同一存储单元中反复的读出同一数据。 * 存储器中只能存储2进制数据。存储器中所存入的一个2进制位，称作存储元。 * 存储器按存储单元组织，存储器中有大量的存储单元。为了方便查找，每个 存储单元都被分配一个地址。所以通常，存储器都是按地址查找。 * 一个存储单元中存入一个2进制数据串。不同的存储器，这个数据串的长度 并不一样。 * 一个8位二进制数据串称为一个“字节”。通常一个存储单元至少为一个字 节。有时则为一个“字”。例如对32位计算机，一个“字”的长度为4个字 节。 •不论存储器的存储单元有多大，存储器的容量一般都按字节计算。 •KB = 210=1024； MB = 220=1024*1024； GB = 230=1024*1024*1024； •TB = 240=1024*1024*1024*1024；
2012-6-20
9
冯*诺依曼计算机原理
现代数字计算机的重要里程碑：
谁把图灵的抽象计算模型变为现实？ 3。ENIAC （电子数字积分计算机，英文全称：
主频: CPU的主时钟频率 f。MHz ，GHz 时钟周期: CPU的主时钟频率的倒数T=1/f，μS, nS
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冯*诺依曼计算机原理
存储器：
* 数据存入存储器的过程也称“写入”。当存储器写入新数据后，其中的旧数 据丢失，不复存在。也称“冲掉”/“覆盖”旧数据。 * 数据从存储器取出的过程也称“读出”。读出并不破坏存取器中的数据。 因 此可以从同一存储单元中反复的读出同一数据。 * 存储器中只能存储2进制数据。存储器中所存入的一个2进制位，称作存储元。 * 存储器按存储单元组织，存储器中有大量的存储单元。为了方便查找，每个 存储单元都被分配一个地址。所以通常，存储器都是按地址查找。 * 一个存储单元中存入一个2进制数据串。不同的存储器，这个数据串的长度 并不一样。 * 一个8位二进制数据串称为一个“字节”。通常一个存储单元至少为一个字 节。有时则为一个“字”。例如对32位计算机，一个“字”的长度为4个字 节。 •不论存储器的存储单元有多大，存储器的容量一般都按字节计算。 •KB = 210=1024； MB = 220=1024*1024； GB = 230=1024*1024*1024； •TB = 240=1024*1024*1024*1024；
2012-6-20
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冯*诺依曼计算机原理
现代数字计算机的重要里程碑：
谁把图灵的抽象计算模型变为现实？ 3。ENIAC （电子数字积分计算机，英文全称：
计算机组成与结构第1章 计算机系统概述
45
计算机的过去
根据逻辑元件，计算机的发展划分为四代： 第一代(1946年～1958年)是电子管计算机 第二代(1959年～1964年)是晶体管计算机 第三代(1965年～1970年)是集成电路计算机 第四代( 1971年以后)是大规模和超大规模集成电路计算机
从1946年计算机诞生以来，大约每五年运算速度提高10倍，可 靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。60多年来计算 机的发展过程，是在冯 · 诺依曼型计算机结构的基础上，紧紧围 绕提升运算速度、扩大存储容量、降低制造成本、提高系统可靠 性和使用的方便性为目的，不断采用新器件和研制新软件的过程。
23
二、计算机的分类
计算机从总体上分： • 模拟计算机、数字计算机（数字计算机俗称电脑）
计算机从用途上分： • 通用机、专用机
数字计算机按性能进一步分： • 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机
24
计算机的应用
1．科学计算 2．信息管理 3．过程检测与控制 4．计算机辅助工程 5．人工智能方面的
目前绝大多数计算机仍然建立在存储程序、程序控制概念的基础 上，称为冯·诺依曼型计算机。
28
外设
四、计算机的硬件组成
Байду номын сангаас输入设备
存储器
辅助存储器
输出设备
主存储器
主机
运算器
控制器
CPU
控制 数据 地址/指令
29
1、运算器
运算器的功能是执行算术运算、逻辑运算以及数据 转换，更复杂的运算分解成这些基本运算来实现。
计算机组成与结构第1章 计算机系统 概述
为什么要开设“计算机组成与结构”
重要的专业基础课有：
数据结构
计算机的过去
根据逻辑元件，计算机的发展划分为四代： 第一代(1946年～1958年)是电子管计算机 第二代(1959年～1964年)是晶体管计算机 第三代(1965年～1970年)是集成电路计算机 第四代( 1971年以后)是大规模和超大规模集成电路计算机
从1946年计算机诞生以来，大约每五年运算速度提高10倍，可 靠性提高10倍，成本降低10倍，体积缩小10倍。60多年来计算 机的发展过程，是在冯 · 诺依曼型计算机结构的基础上，紧紧围 绕提升运算速度、扩大存储容量、降低制造成本、提高系统可靠 性和使用的方便性为目的，不断采用新器件和研制新软件的过程。
23
二、计算机的分类
计算机从总体上分： • 模拟计算机、数字计算机（数字计算机俗称电脑）
计算机从用途上分： • 通用机、专用机
数字计算机按性能进一步分： • 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机
24
计算机的应用
1．科学计算 2．信息管理 3．过程检测与控制 4．计算机辅助工程 5．人工智能方面的
目前绝大多数计算机仍然建立在存储程序、程序控制概念的基础 上，称为冯·诺依曼型计算机。
28
外设
四、计算机的硬件组成
Байду номын сангаас输入设备
存储器
辅助存储器
输出设备
主存储器
主机
运算器
控制器
CPU
控制 数据 地址/指令
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1、运算器
运算器的功能是执行算术运算、逻辑运算以及数据 转换，更复杂的运算分解成这些基本运算来实现。
计算机组成与结构第1章 计算机系统 概述
为什么要开设“计算机组成与结构”
重要的专业基础课有：
数据结构
计算机系统概论
uA5…uA0 010000 000010 001000 000100 000101 000110 000001 001101 000001 000011 000111 001110 010110 000001 001111 010101 010010 010100 010111 000001 011000 000001 000001 010000 010001
计算机 系统概论
计算机
存储器
I/O
系统总线
CPU
中央处理单元 控制单元
ALU CU
内部 互连
排队 逻辑
寄存器 解码器
寄存器
控制 存储器
软件技术
机器语言:01100111100000010 汇编语言:ADD CL, BH 机器语言为: 00000010 11001111 高级语言:int a,b,c; a=1; b=2; c=a+b;
由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成
软件
???
计算机系统由（ 硬件）系统和（软件 ）系统 构成
若以电视机比喻计算机硬件和软件的关系 ，则电视机好比（ 硬件），（电视节目 ）好比 软件 现在主要采用（ 总线 ）结构作为计算机硬件 之间的连接方式
二、计算机系统的层次结构
高级语言
汇编语言 操作系统 机器语言
程序 — 运算的 全部步骤 指令 — 每 一个步骤
数字仪表板系统的数据流图
读旋转 信号
确定 加速/ 减速
箭头
指示
产生 加速、 减速显示
sps
上箭头
收集和 求平均
⊕
水平线
下箭头
⊕
计算 里程 超速值
计算 Mph和 超速值
计算机组成原理第五章(白中英版)PPT课件
指令周期 : CPU从内存取出一条指令并执行完这 条指令的时间总和 取指时间＋执行指令时间
CPU周期 : 又称机器周期（总线周期），CPU访问 内存所花的时间较长，因此用CPU从内存读取一条指 令字的所需的最短时间来定义
时钟周期 : 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU 周期包含若干个时钟周期T
相互关系： 1个指令周期 = 若干个CPU周期 1个CPU周期 = 若20干21 T周期
2021
时序产生器 (3/4)
三、3级时序信号的关系 1、一台计算机机内的控制信号一般均由若干个周期
状态，若干个节拍电位及若干个时标脉冲这样3级 控制时序信号定时完成。 2、3级控制时序信号的宽度均成正整数倍同步关系。 周期状态之间，节拍电位之间，时标脉冲之间既 不容许有重叠交叉，又不容许有空白间隙，应该 是能一个接一个地准确连接，一个降落另一个升 起而准确切换的同步信号。
(2) 对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号， 送往相应的部件，启动规定的动作；
(3) 指挥并控制CPU、内存与输入/输出（I/O）设 备之间数据流动的方向
• 运算器是数据加工处理部件，所进行的全部操作由 控制器发出的控制信号指挥
(1) (2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试
2021
CPU的基本模型
2021
5.1.1 CPU的功能
★ 指令控制
★ 操作控制 CPU产生每条指令所对应的操作信号，并把各种
操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令 的要求进行动作
★ 时间控制 对各种操作的实施时间进行定时
★ 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理
2021
5.1.2 CPU的基本组成
• 控制器完成对整个计算机系统操作的协调与指挥。 (1) 控制机器从内存中取出一条指令，并指出下一条 指令在内存中的位置；
CPU周期 : 又称机器周期（总线周期），CPU访问 内存所花的时间较长，因此用CPU从内存读取一条指 令字的所需的最短时间来定义
时钟周期 : 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU 周期包含若干个时钟周期T
相互关系： 1个指令周期 = 若干个CPU周期 1个CPU周期 = 若20干21 T周期
2021
时序产生器 (3/4)
三、3级时序信号的关系 1、一台计算机机内的控制信号一般均由若干个周期
状态，若干个节拍电位及若干个时标脉冲这样3级 控制时序信号定时完成。 2、3级控制时序信号的宽度均成正整数倍同步关系。 周期状态之间，节拍电位之间，时标脉冲之间既 不容许有重叠交叉，又不容许有空白间隙，应该 是能一个接一个地准确连接，一个降落另一个升 起而准确切换的同步信号。
(2) 对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号， 送往相应的部件，启动规定的动作；
(3) 指挥并控制CPU、内存与输入/输出（I/O）设 备之间数据流动的方向
• 运算器是数据加工处理部件，所进行的全部操作由 控制器发出的控制信号指挥
(1) (2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试
2021
CPU的基本模型
2021
5.1.1 CPU的功能
★ 指令控制
★ 操作控制 CPU产生每条指令所对应的操作信号，并把各种
操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令 的要求进行动作
★ 时间控制 对各种操作的实施时间进行定时
★ 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理
2021
5.1.2 CPU的基本组成
• 控制器完成对整个计算机系统操作的协调与指挥。 (1) 控制机器从内存中取出一条指令，并指出下一条 指令在内存中的位置；
白中英计算机组成原理第1章计算机系统概论
标志寄存器的影响设置。
指令的形式
操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等； 地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。
2019/11/22
40
计算机运算y＝ax＋b－c
指令
指令地址 操作码 地址码 指令操作内容
1 2 3 4 5 6 7 8
数据地址
99 10 11 12 20119/311/22
利用率
在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比 表示。
处理机字长（机器字长）
处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位； 机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性（不一定完全一样）。
2019/11/22
30
1.2.4 计算机的性能指标（2/3）
MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。
2019/11/22
39
1.3.4 控制器
功能： 根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，
协调计算机的各个部件的工作。 主要任务：
解释并执行指令； 控制指令的执行顺序； 负责指令执行过程中，操作数的寻址； 根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对
专用计算机
是针对某一任务设计的最有 效、最经济和最快速的计算
机，但适应性很差。
低
高
双核机
处理数字量信息
单片机 体积
分 类
按位运算，
不连续地跳动计算 通用计算机
适应性很大，但
微型机 服务器
牺牲了效率、速
模拟计算机 度和经济性。
大型机
功能
简
数据存储量 易
指令系统
性
价格
指令的形式
操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等； 地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。
2019/11/22
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计算机运算y＝ax＋b－c
指令
指令地址 操作码 地址码 指令操作内容
1 2 3 4 5 6 7 8
数据地址
99 10 11 12 20119/311/22
利用率
在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比 表示。
处理机字长（机器字长）
处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位； 机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性（不一定完全一样）。
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1.2.4 计算机的性能指标（2/3）
MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。
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1.3.4 控制器
功能： 根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，
协调计算机的各个部件的工作。 主要任务：
解释并执行指令； 控制指令的执行顺序； 负责指令执行过程中，操作数的寻址； 根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对
专用计算机
是针对某一任务设计的最有 效、最经济和最快速的计算
机，但适应性很差。
低
高
双核机
处理数字量信息
单片机 体积
分 类
按位运算，
不连续地跳动计算 通用计算机
适应性很大，但
微型机 服务器
牺牲了效率、速
模拟计算机 度和经济性。
大型机
功能
简
数据存储量 易
指令系统
性
价格
计算机系统概论
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1-3 指令周期
• 处理器执行的程要两个步骤
• 处理器从存储器读一条指令
• fetch
• 处理器执行指令
• excute
第4页/共9页
1-3 取指令和执行指令
• 取指令：处理器从程序计数器(PC)保存的寄存器地址中取指令，存放在指令寄存器(IR)中。 • 执行指令：处理器解析IR中的指令并执行对应操作。这些操作分为四类：
第2页/共9页
1-1 计算机部件:顶层视图
• 存储地址寄存器(MAR)
• 确定下一次读写的存储 器地址
• 存储缓冲寄存器(MBR)
• 写入存储器的数据 • 从存储器中读出的数据
• I/O地址寄存器(I/O AR)
• 确定一个特定的输入/输 出设备
• I/O 缓冲寄存器(I/O BR)
• 缓存输入/输出设备与处 理器间的交换数据
第7页/共9页
阶段总结
计算机的基本构成，处理器，主存，I/O模块，系统总线。 处理器的内部寄存器，有些是用户可见的，有些是不可见的，控制或状态寄存器 指令的执行，分为取指令，执行指令阶段
第8页/共9页
感谢您的观看。
第9页/共9页
• 处理器-存储器
• 在存储器和处理器之间传递数据
• 处理器-I/O
• 处理器和I/O模块间传递数据
• 数据处理
• 数据的算术操作和逻辑操作
• 控制
• 改变执行顺序
第5页/共9页
1-3 理想计算机的特征
注：
a：指令寄存器中的存储格式 b：数据寄存器中的存储格式
第6页/共9页
1-3 程序执行的例子 将地址940的存储单元中的内容与地址为941的存储单 元中的内容相加，并将结果保存在后一个单元
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成电路
万次，软件技术和外设发展迅速应用领
域不断扩大。
大/超大规模 速度提高至几千万亿次 集成电路 出现微型计算机
巨 大 规 模 集 速度提高至几亿次乃至上百亿次。
成电路
出现单片机
系统结构
系统结构
第一台电子计算机（ENIAC）
1. 1946年开始，第一代电子管计算机
2. 1958年开始，第二代晶体管计算机
3. 1965年开始，第三代中小规模集成电路计算机
4. 1971年开始，第四代大规模集成电路计算机
5. 1986年开始，第五代巨大规模集成电路计算机
系统结构
计算机的发展史
基本概念
类型
第1代
第2代
第3代
第4代 第5代
时期
通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺 牲了效率、速度和经济性。
系统结构
通用计算机类别
基本概念
系统结构
基本概念
巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机 和单片机，它们的结构规模和性能指标依次 递减。
随着超大规模集成电路的迅速发展,今天的小 型机可能是明天的微型机,而今天的微型机可 能是明天的单片机。
各自主要特点： 模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量 （如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的。 数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开 关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算 模式是离散式的。
系统结构
数字计算机与模拟计算计的主要区别
基本概念
比较内容 数据表示方式
计算方式 控制方式 精度、抗干扰性 数据存储量 逻辑判断能力
目录
基本概念
第一章 计算机系统概论
1.概念 计算机（Computer）是一种以电子器件为
基础的，不需人的直接干预，能够对各种数 字化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。
系统结构
2、特征 ：
（1）内部特征：
（A） 高速高集成度开关元件 （B） 数字化信息编码 （C） 逻辑判断和处理能力 （D） 存储程序
☼ 二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）
☆ 计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微 程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组 成和工作原理。
☆ 通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实 验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。
基本概念
（2）外部特征：
（A） 快速性（由（1）中（A）（D）决定） （B） 准确性（由（1）中（B）（D）决定） （C） 逻辑性（由（1）中（A）（C）（D）决定） （D） 通用性（由（1）中（A）（B）（C）（D）决定）
系统结构
1.1 计算机的分类
基本概念
计算机从总体上来说分为两大类:
模拟计算机和数字计算机。
19461957
19581964
19641971
19711986 1986-主要器件 重 要 特 征
电子管 晶体管
机器语言，汇编语言。速度低，体积大， 价格昂贵，可靠性差，用于科学计算。 速度达几千次到几万次
算法语言，操作系统。体积缩小，可靠 性提高。从科学计算到数据处理。每秒 几万次到几十万次
中 小 规 模 集 体积小，可靠性大大提高，速度达几百
☼ 三、课程与其他课程的联系与分工
☆ 先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计 ☆ 后续课：计算机系统结构、微型计算机系统与设计，关系密切的还有操作系统等课程。
☼ 四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）
☆ 授课学时：48，实验学时：8
第一章 计算机系统概论
☼ 1.1 计算机的分类 ☼ 1.2 计算机发展简史 ☼ 1.3 计算机的硬件 ☼ 1.4 计算机的软件 ☼ 1.5 计算机系统的层次结构
☆ “计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。 ☆ 《计算机组成原理》是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要必修的主
干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算器、控制器、存储器、输入输出 设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势 也有一个较为深入的了解。 ☆ 主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器 部件、存储器子系统、输入/输出子系统与输入/输出系统设备，围绕各自的功能、组成、 设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强， 还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过 作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。
白中英 邝坚，计算机组织与结构·网络版，科 学出版社，2003
☼ 第一章 计算机系统概论 ☼ 第二章 运算方法和运算器 ☼ 第三章 多层次的存储器 ☼ 第四章 指令系统 ☼ 第五章 中央处理机 ☼ 第六章 总线系统 ☼ 第七章 外存与I/O设备 ☼ 第八章 输入输出系统
目录
教学大纲
☼ 一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）
数字计算机 数字0和1 数字计数 程序控制
高、好 大 强
模拟计算机 电压、电流等 电量组合和测量值 模拟信号组合控制
低、差 小 无
系统结构
基本概念
数字计算机分类
数字计算机根据计算机的效率、速度、价 格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分 为两类：
专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快 速的计算机，但是它的适应性很差。
系统结构
1.2. 数字计算机的发展史
基本概念
世界上第一台电子数字计算机ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Calculator）诞生于1946年2月15日，是美国宾 夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发 明的。计算机的发展大致经历了五代的变化：
计算机组成原理
任课教师：马玉峰 时间：7-18周
教材
白中英，计算机组成原理·第五版·立体化教材， 科学出版社，2013
参考书
陈智勇，计算机组成原理, 西安电子科技大学 出版社，2009
钱晓捷，微型计算机原理及应用, 清华大学出 版社，2006
王爱英,计算机组成与结构·第3版, 清华大学 出版社，2001