计算机组成原理-第三讲讲义
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计算机组成原理第三章课件
A、电路图： 由两个MOS反相器交叉耦合而成的双稳态触发器。
字线
V
位/读出线 BS0 读/写“0” T2 T0 T1 A T4 T5 B T3 位/读出线 BS1 读/写“1”
6管MOS存储电路
静态MOS存储器
基本存储元—6管静态MOS存储元 B、存储元的工作原理
字线
①写操作。在字线上加一个正电压的字脉 冲，使 T2 、 T3 管导通。若要写“ 0”， 位/读出线 无论该位存储元电路原存何种状态， BS0 只需使写“ 0”的位线 BS0 电压降为地 电位（加负电压的位脉冲），经导通 读/写“0” T2 的Ｔ2 管，迫使节点Ａ的电位等于地电 位，就能使Ｔ1 管截止而Ｔ0 管导通。 写入1，只需使写1的位线BS1 降为地电 位，经导通的 T3 管传给节点Ｂ，迫使 T0 管截止而T1 管导通。 写入过程是字线上的字脉冲和位线上 的位脉冲相重合的操作过程。
静态MOS存储器
用静态MOS存储片组成RAM
字位同时扩展法： 一个存储器的容量假定为 M×N位，若使用l×k位的芯片（l＜M,k＜N）需 要在字向和位向同时进行扩展。此时共需要（M ／l）×（N ／k）个存 储器芯片。 其中， M ／ l 表示把 M×N 的空间分成（ M ／ l ）个部分（称为页或区）， 每页（N／k）个芯片。 地址分配： （A）用log2 l位表示低位地址：用来选择访问页内的l个字 （B ） 用log2 （M／l）位表示高位地址：用来经片选译码器产生片 选信号。
• 片选有效，才可以对芯片进行读/写操作 • 无效时，数据引脚呈现高阻状态，并可降低功耗
读控制（OE*）
• 芯片被选中有效，数据输出到数据引脚 • 对应存储器读MEMR*
计算机组成原理 第三课PPT课件
5. 数值数据：有确定的数值，能表示该数的大小，能 在数轴上找到确定的点。
表示一个数值数据有三个要素：
⑴ 进位计数制：数的进位系统。采用某种进位制，系 统便规定了可使用的数字符号定的点个表数示。法：小数点的位
置固定不变。 ⑵符号：（数的编码表示：原码、补码、反码、移码）
⑶小数点：（定点表示、浮点表示） 小数点位置的浮动性决定了数的表示范围。
6. 定点整数：小数点固定在有效数字的最右边，即固 定在最低位数的右面，该数为整数。
定点小数：小数点固定在有效数字的最左边，即固 定在最高位数的后面，该数为一个纯小数。
x7 x6 x5 x4 x3 x2 x1 x0
定点整数
x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7
定点小数
2.1.1 数值的机器码表示
无符号数：正数
（计算机加工的对象）
字符串
非数值数据 数字串
原码 补码 反码 移码
术 语：
1. 码 制：计算机表示数的大小和正负的方法。 2. 真 值：正负号加某进制数绝对值的形式。如+3，-5； 即实际值。 3. 机器数：计算机内部编码表示的数，称为机器数（机器 码），即真值在机器中的表示。 4. 机器数的形式：原码，补码，移码，反码。
主要内容：
本章主要介绍数据与文字的表示方法，定点 加/减法运算及加法器，定点乘法运算，定点除 法运算，定点运算器的组成与结构，浮点运算方 法和浮点运算器。
2.1 数据与文字的表示方法
指令
控制信息
计 算
（指挥计算机操作） 控制字
定点整数
机
定点数
内 的 信
有符号数 数值数据
定点小数 浮点数
息
数据信息
计算机组成原理课件 3
➢ 如总线工作频率为33MHz，总线宽度为32位， 则它的总线带宽为132MB／s。
➢ 总线带宽实际上即是在总线上每秒能传输的最大 字节量。
3.3.2
时钟同步／异步
➢ 总线上的数据与时钟同步工作的总 线称同步总线
➢ 与时钟不同步工作的总线称异步总 线。
3.3.2
总线复用
➢ 总线复用指两种不同性质且不同时出现的信号 分时使用同一组总线，称为总线的“多路分时 复用”。
带宽 15 MBps 33 MBps
66 MHz（CPU）
266MBps
33 MHz（独立） 64 MHz（独立）
66.7 MHz（独立） 133 MHz（独立）
133 MBps 266 MBps 266 MBps 533 MBps
数据终端设备（计算机）和数据通信设备 （调制解调器）之间的标准接口
普通无屏蔽双绞线 带屏蔽双绞线 最高
➢ PCI总线相当于CPU与外设间的一个中间层。
➢ PCI控制器有多级缓冲,可把数据快速写入其中， 写入过程中,CPU可以执行其他操作,可以并行工 作。
3.3.3 PCI(Peripheral Component Interconnect)
➢ PCI总线支持两种电压标准：5V与3.3V。 ➢ PCI为用户提供了真正的即插即用功能。 ➢ 可扩充性好,可以采用多层结构提高驱动能力 ➢ 还配有延时器,规定使用PCI总线的最长时间周
3.3.3
3.3.3
RS232C总线
➢ RS232C总线是一种串行的外总线标准，在应 用系统中应用十分广泛。
➢ 它规定了数据终端设备（DTE）和数据通信设 备（DCE）或调制解调器之间的接口。
➢ RS232C总线特性包括：可实现双工通信、可 使用适应不同传输速率的外设、传输距离远、 抗干扰能力强。
➢ 总线带宽实际上即是在总线上每秒能传输的最大 字节量。
3.3.2
时钟同步／异步
➢ 总线上的数据与时钟同步工作的总 线称同步总线
➢ 与时钟不同步工作的总线称异步总 线。
3.3.2
总线复用
➢ 总线复用指两种不同性质且不同时出现的信号 分时使用同一组总线，称为总线的“多路分时 复用”。
带宽 15 MBps 33 MBps
66 MHz（CPU）
266MBps
33 MHz（独立） 64 MHz（独立）
66.7 MHz（独立） 133 MHz（独立）
133 MBps 266 MBps 266 MBps 533 MBps
数据终端设备（计算机）和数据通信设备 （调制解调器）之间的标准接口
普通无屏蔽双绞线 带屏蔽双绞线 最高
➢ PCI总线相当于CPU与外设间的一个中间层。
➢ PCI控制器有多级缓冲,可把数据快速写入其中， 写入过程中,CPU可以执行其他操作,可以并行工 作。
3.3.3 PCI(Peripheral Component Interconnect)
➢ PCI总线支持两种电压标准：5V与3.3V。 ➢ PCI为用户提供了真正的即插即用功能。 ➢ 可扩充性好,可以采用多层结构提高驱动能力 ➢ 还配有延时器,规定使用PCI总线的最长时间周
3.3.3
3.3.3
RS232C总线
➢ RS232C总线是一种串行的外总线标准，在应 用系统中应用十分广泛。
➢ 它规定了数据终端设备（DTE）和数据通信设 备（DCE）或调制解调器之间的接口。
➢ RS232C总线特性包括：可实现双工通信、可 使用适应不同传输速率的外设、传输距离远、 抗干扰能力强。
计算机组成原理课件第3章
主存储器
辅助存储器
5. 按在计算机系统中的作用分
5
高速缓冲存储器
控制存储器
3.1.2 存储器的分级结构
为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛 盾，目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、 主存储器和外存储器。
6
表3.1
名
存储器的用途和特点
称 简称 用 途 特 点 存储介质
21
3.2.2 DRAM存储元
22
23
3. DRAM芯片的逻辑结构
24
3. DRAM芯片的逻辑结构
25
读/写周期、刷新周期
1、读/写周期 读周期、写周期的定义是从行选通信号 RAS下降沿开始，到下一个RAS信号的下降沿为止 的时间，也就是连续两个读周期的时间间隔。通常 为控制方便，读周期和写周期时间相等。
14
2) 字扩展法：
目的:用多个芯片扩大存储单元数，每个存储单元的位数已满足使 用要求，单元数为各芯片的单元数之和。 例：用16K×8的RAM存储器芯片,组成64K×8位的存储器
连接方法：
CPU的数据线 D0~D7 共8根 分别接到每一个芯片
CPU的地址线 A0~A13 共14根 分别接到每一个芯片 CPU的地址线A14A15经2:4译码器产生4根片选信号线分别接 到4个芯片的CE（或CS)
EPROM
电子通过绝缘层注入硅栅，在 高压电源去除后硅栅中的电子 被绝缘层包围而无法泄漏，硅 栅变负，形成导电沟，从而使 EPROM存储元导通，输出为 “0”。 芯片封装于石英玻璃窗口 内，当用紫外线照射该窗口时， 浮空栅中的电子会形成光电流 泄漏，从而使EPROM管恢复 初态。
43
EPROM内部结构＿＿以2716为例
计算机组成原理第三讲(数值型数据表示)
-32 -31 -30 -1 0 +1 +2 … …
+30 +31 College of Computer Science, SWPU
浮点数的表示
表示范围与精度
E 阶码 M 尾数 Ef E1 E2 … Em Mf M1 M2 … Mn 阶 数 符 符 阶码的 尾数的数值部分 数值部分
Mf：代表浮点数的符号
计算机组成原理
College of Computer Science, SWPU
机器数的表示
反码的表示法
正数的反码与正数的原码相同， 正数的反码与正数的原码相同，而负数的反 码为除符号位外，将原码逐位求反。 码为除符号位外，将原码逐位求反。
X1=+77D=+1001101 =+77D=+1001101 77D=+ [X1 [X1]原＝01001101 [X1 [X1]反＝01001101
二进制代码 无符号数 对应的真值 原码对应 的真值 补码对应 的真值 反码对应 的真值
00000000 00000001 00000010 01111111 10000000 10000001 11111101 11111110 11111111
计算机组成原理
0 1 2 127
128 129
+0 +1 +2 +127 -0 -1
+0 +1 +2 +127 -128 -127
+0 +1 +2 +127 -127 -126
… …
253 254 255
… …
-125 -126 -127
… …
-3 -2 -1
胡越明版计算机组成原理三PPT课件
选中，开始写操作；经过一段延迟后，数据线上的数据信 号就写入到地址线信号所指定的存储位置上。
2 动态存储器
字选择线
数据线 T1 CS
CD
D 单管动态存储电路
DRAM 刷新相关概念
DRAM靠电容电荷存储信息。电容电荷容易泄漏，需 定期补充电荷以保持信息不变，补充电荷的过程称 为刷新过程
泄漏完毕之前如不能补充电荷，存储信息发生丢失， 信息存储到信息泄漏完毕之间必须完成刷新过程， 称为最大刷新周期，
EPROM
高压写入
紫外线光照擦除
编程器
紫外线擦除器
3.1.2 存储器的基本组织
存储器芯片的容量是有限的，它在字数或 字长方面与实际存储器的要求都有很大差距，所以 要在字向和位向两方面进行扩充，才能满足实际存 储器的容量要求。中央处理器对存储器进行读写操 作时，首先由地址总线给出地址信号，然后要发出 有关进行读操作或写操作的控制信号，最后在数据 总线上进行信息交换，因此，存储器同CPU处理器 连接时，要完成： ①地址线的连接 ②数据线的连接 ③控制线的连接。
3. EPROM (多次性编程 )
可擦写PROM
源极 控制栅极 漏极 电极导体
----
基片
----
二氧化硅
紫外线全部擦洗
4. EEPROM (多次性编程 )
电可擦写
局部擦写
全部擦写
5. Flash Memory (闪速型存储器)
EPROM
价格便宜 集成度高
EEPROM
电可擦洗重写
比 EEPROM快 具备 RAM 功能
存储芯片的逻辑结构
存储器的容量特征表示为字数与位数的乘积，字数代表存储器芯片 中存储阵列的规模，位数表示数据宽度，就是阵列数量。
2 动态存储器
字选择线
数据线 T1 CS
CD
D 单管动态存储电路
DRAM 刷新相关概念
DRAM靠电容电荷存储信息。电容电荷容易泄漏，需 定期补充电荷以保持信息不变，补充电荷的过程称 为刷新过程
泄漏完毕之前如不能补充电荷，存储信息发生丢失， 信息存储到信息泄漏完毕之间必须完成刷新过程， 称为最大刷新周期，
EPROM
高压写入
紫外线光照擦除
编程器
紫外线擦除器
3.1.2 存储器的基本组织
存储器芯片的容量是有限的，它在字数或 字长方面与实际存储器的要求都有很大差距，所以 要在字向和位向两方面进行扩充，才能满足实际存 储器的容量要求。中央处理器对存储器进行读写操 作时，首先由地址总线给出地址信号，然后要发出 有关进行读操作或写操作的控制信号，最后在数据 总线上进行信息交换，因此，存储器同CPU处理器 连接时，要完成： ①地址线的连接 ②数据线的连接 ③控制线的连接。
3. EPROM (多次性编程 )
可擦写PROM
源极 控制栅极 漏极 电极导体
----
基片
----
二氧化硅
紫外线全部擦洗
4. EEPROM (多次性编程 )
电可擦写
局部擦写
全部擦写
5. Flash Memory (闪速型存储器)
EPROM
价格便宜 集成度高
EEPROM
电可擦洗重写
比 EEPROM快 具备 RAM 功能
存储芯片的逻辑结构
存储器的容量特征表示为字数与位数的乘积，字数代表存储器芯片 中存储阵列的规模，位数表示数据宽度，就是阵列数量。
计算机组成原理_第3章讲解
x+y = 7 正溢 负溢
(a) 0,110 (+6)
+) 1、,011 ( 5) 1 0,001(+1) 无溢出
(b) 1,110 ( 2)
+) 1、,101( 3) 1 1,011 ( 5) 无溢出
(c) 0,110 (+6) +) 0、,011 (+3) 1,001 溢出
(d) 1,100 ( 4) +) 1,011 ( 5) 1 0,111 溢出
输入
Ai Bi Ci 000 001 010 011 100 101 110 11 1
输出
Si Ci+1 00 10 10 01 10 01 01 11
Si=Ai⊕Bi⊕Ci Ci+1=AiBi+AiCi+BiCi
=AiBi+(Ai+Bi)Ci
=AiBi+(Ai⊕Bi)Ci
Ci+1 4ty 1 1ty
例4 已知：x= 0.1001, y = 0.0110,求：x y = ?
解：[x]补= 1.0111 [y]补= 1.1010 [ y]补= 0.0110 [x]补 1.0111 + [ y]补 0.0110 [x- y]补 1.1101 x y= 0.0011
三、实现补码加减运算的逻辑电路
图3-23
(P3*+P2*+P1*+G0*) P (P**)=P3*+P2*+P1*+P0*
3-20
3-21
多功能算逻单元总结
• SN74181是4位先行进位ALU 芯片，中规模集成电路。 • SN74182是4位BCLA (组间先行进位)芯片。
(a) 0,110 (+6)
+) 1、,011 ( 5) 1 0,001(+1) 无溢出
(b) 1,110 ( 2)
+) 1、,101( 3) 1 1,011 ( 5) 无溢出
(c) 0,110 (+6) +) 0、,011 (+3) 1,001 溢出
(d) 1,100 ( 4) +) 1,011 ( 5) 1 0,111 溢出
输入
Ai Bi Ci 000 001 010 011 100 101 110 11 1
输出
Si Ci+1 00 10 10 01 10 01 01 11
Si=Ai⊕Bi⊕Ci Ci+1=AiBi+AiCi+BiCi
=AiBi+(Ai+Bi)Ci
=AiBi+(Ai⊕Bi)Ci
Ci+1 4ty 1 1ty
例4 已知：x= 0.1001, y = 0.0110,求：x y = ?
解：[x]补= 1.0111 [y]补= 1.1010 [ y]补= 0.0110 [x]补 1.0111 + [ y]补 0.0110 [x- y]补 1.1101 x y= 0.0011
三、实现补码加减运算的逻辑电路
图3-23
(P3*+P2*+P1*+G0*) P (P**)=P3*+P2*+P1*+P0*
3-20
3-21
多功能算逻单元总结
• SN74181是4位先行进位ALU 芯片，中规模集成电路。 • SN74182是4位BCLA (组间先行进位)芯片。
计算机组成原理第三章课件(白中英版PPT课件
读周期时间：则是指对存储片进行两次连续读操 作时所必须间隔的时间。
显然总有：读周期 ≥ 读出时间
第26页/共102页
静态 RAM (2114) 读 时序
地址有效
t RC
t A
地址失效
A
片选有效
片选失效
CS DOUT
t CO
数据有效
t OHA
t OTD
数据稳定
高阻
读读周时期间ttRtCOCOTOHD地tAA片片地址选选址地有失有失址效效效效有后效的下一次地址输数有出据效高稳维阻数定持据时稳间定
• DRAM（动态RAM：Dynamic RAM） • 以单个MOS管为基本存储单元 • 要不断进行刷新（Refresh）操作 • 集成度高、价格低、功耗小，但速度较SRAM慢
第7页/共102页
3.2.1 SRAM存储器
• 6个开关管组成一个存储元，存储一位信息 • N(=1/4/8/16/32)个存储元组成一个存储单元 • 存储器芯片的大量存储单元构成存储体 • 存储器芯片结构：
地址分配：
（A）用log2 l位表示低位地址：用来选择访问页内的l个字
（B） 用log 生片选信号。
2
（
M
／
l
）
位
表
示
高
位
地
址
：
用
来
经
片
选
译
码
器
产
第20页/共102页
存储器与CPU连接
CPU对存储器进行读/写操作，首先由地址总 线给出地址信号，然后要对存储器发出读操作 或写操作的控制信号，最后在数据总线上进行 信息交流。所以，存储器与CPU之间，要完成:
（3）优点：结构简单，速度快：适用于小容量M
显然总有：读周期 ≥ 读出时间
第26页/共102页
静态 RAM (2114) 读 时序
地址有效
t RC
t A
地址失效
A
片选有效
片选失效
CS DOUT
t CO
数据有效
t OHA
t OTD
数据稳定
高阻
读读周时期间ttRtCOCOTOHD地tAA片片地址选选址地有失有失址效效效效有后效的下一次地址输数有出据效高稳维阻数定持据时稳间定
• DRAM（动态RAM：Dynamic RAM） • 以单个MOS管为基本存储单元 • 要不断进行刷新（Refresh）操作 • 集成度高、价格低、功耗小，但速度较SRAM慢
第7页/共102页
3.2.1 SRAM存储器
• 6个开关管组成一个存储元，存储一位信息 • N(=1/4/8/16/32)个存储元组成一个存储单元 • 存储器芯片的大量存储单元构成存储体 • 存储器芯片结构：
地址分配：
（A）用log2 l位表示低位地址：用来选择访问页内的l个字
（B） 用log 生片选信号。
2
（
M
／
l
）
位
表
示
高
位
地
址
：
用
来
经
片
选
译
码
器
产
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存储器与CPU连接
CPU对存储器进行读/写操作，首先由地址总 线给出地址信号，然后要对存储器发出读操作 或写操作的控制信号，最后在数据总线上进行 信息交流。所以，存储器与CPU之间，要完成:
（3）优点：结构简单，速度快：适用于小容量M
计算机组成原理第三章课件(白中英版)
03
比较
CISC注重提高指令的功能和灵活性，而RISC注重提高指令的执行速度
和效率。
MIPS指令系统介绍
MIPS（无互锁流水线微处理器 ）
一种基于RISC架构的处理器，采用简单的 指令集和流水线技术。
指令格式
MIPS指令采用固定长度的32位格式，包括 操作码、寄存器地址等部分。
寻址方式
流水线技术
MIPS支持多种寻址方式，如立即数寻址、 寄存器寻址、基址寻址等。
高级语言是一种面向问 题或面向过程的语言， 更加接近人类的自然语 言，需要经过编译器或 解释器转换成机器代码 才能执行。
02
CATALOGUE
运算方法和运算器
数据的表示方法和转换
数据的表示方法
包括原码、反码、补码等表示方 法，以及移码表示法。
数据之间的转换
介绍不同数据表示方法之间的转 换方法，如原码到补码的转换、 补码到移码的转换等。
THANKS
感谢观看
计算机组成原理第 三章课件白中英版
contents
目录
• 计算机系统概述 • 运算方法和运算器 • 存储系统 • 指令系统 • 中央处理器 • 总线系统
01
CATALOGUE
计算机系统概述
计算机系统的基本组成
01
02
03
硬件
包括中央处理器、存储器 、输入输出设备等，提供 基本的计算、存储和通信 功能。
VS
总线标准
常见的总线标准有ISA总线、EISA总线、 VESA总线和PCI总线等。
PCI总线和USB总线介绍
PCI总线
PCI（Peripheral Component Interconnect）总线是一种高性能的32位 或64位局部总线，用于连接高速的外部设 备。
计算机组成原理第4章第三讲PPT课件
第19页/共48页
3. 循环冗余校验码
• Cyclic Redundancy Check，CRC • 基于模2运算而建立编码规则的校验码，是在 k位信息码之后拼接r位校验码； • 应用CRC码的关键是如何从k位信息位简便地 得到r位校验位(编码)，以及如何从k+r位信息码 判断是否出错； • CRC码可以发现并纠正信息存储或传送过程 中连续出现的多位错误 。
D —— 检测错误的位数 最多检错 2位
C —— 纠正错误的位数 最多纠错 1位 汉明码是具有一位纠错能力的编码
第9页/共48页
2 . 汉明码
（1）汉明码的组成
组成汉明码的三要素 汉明码的组成需增添 ？位检测位
2k ≥ n + k + 1
检测位的位置 ？
2i-1 ( i = 1，2，… ， k )
阿尔托希望将它们融洽地联系在一起高位字节地址为字地址低位字节地址为字地址设地址线24寻址若字长为16寻址若字长为32字地址字节地址1110字节地址字地址通常计算机系统既可按字寻址也可按字节寻址此时地址编号按字节编号存储器容量16m字节8m字16m字节4m字16m字节evaluationonly
主要内容
第22页/共48页
（2） CRC码的编码方法
• 在纠错编码代数中，把以二进制数字表示的一个数据
系列看成一个多项式。
• 如，可将待编码的k位有效信息位组表达为多项式M(x)
• M(x)=Ck-1Xk-1 +Ck-2Xk-2 + … + CiXi +… + C1X+C0 • 式中Ci为0或1，由对应二进制数确定；如待编码数为
得
M(x) ·x3=1100000=x6+x5
3. 循环冗余校验码
• Cyclic Redundancy Check，CRC • 基于模2运算而建立编码规则的校验码，是在 k位信息码之后拼接r位校验码； • 应用CRC码的关键是如何从k位信息位简便地 得到r位校验位(编码)，以及如何从k+r位信息码 判断是否出错； • CRC码可以发现并纠正信息存储或传送过程 中连续出现的多位错误 。
D —— 检测错误的位数 最多检错 2位
C —— 纠正错误的位数 最多纠错 1位 汉明码是具有一位纠错能力的编码
第9页/共48页
2 . 汉明码
（1）汉明码的组成
组成汉明码的三要素 汉明码的组成需增添 ？位检测位
2k ≥ n + k + 1
检测位的位置 ？
2i-1 ( i = 1，2，… ， k )
阿尔托希望将它们融洽地联系在一起高位字节地址为字地址低位字节地址为字地址设地址线24寻址若字长为16寻址若字长为32字地址字节地址1110字节地址字地址通常计算机系统既可按字寻址也可按字节寻址此时地址编号按字节编号存储器容量16m字节8m字16m字节4m字16m字节evaluationonly
主要内容
第22页/共48页
（2） CRC码的编码方法
• 在纠错编码代数中，把以二进制数字表示的一个数据
系列看成一个多项式。
• 如，可将待编码的k位有效信息位组表达为多项式M(x)
• M(x)=Ck-1Xk-1 +Ck-2Xk-2 + … + CiXi +… + C1X+C0 • 式中Ci为0或1，由对应二进制数确定；如待编码数为
得
M(x) ·x3=1100000=x6+x5
计算机组成原理第三章课件白中英版
计算机组成原理第三章课件白中英版第一节分区与进程1.1 分区概念在计算机系统中，磁盘被划分为多个区域，每个区域称为分区。
每个分区都可以独立使用，保存不同的文件和数据。
1.2 分区方式常见的磁盘分区方式有主分区、扩展分区和逻辑分区。
•主分区：每个磁盘上可以有最多4个主分区，其中一个可以设为活动分区。
•扩展分区：一个磁盘上只能有一个扩展分区，扩展分区可以进一步分为多个逻辑分区。
•逻辑分区：位于扩展分区内的分区，可以有多个逻辑分区。
1.3 进程概念•进程是操作系统中资源分配的基本单位，是一个程序在执行中的实例。
•一个进程可以包含一个或多个线程，进程之间相互独立，拥有独立的内存空间。
第二节指令系统与编址方式2.1 指令系统指令系统由计算机的指令集构成，是计算机执行指令的基本规范。
指令系统包含了指令的格式、寻址方式以及指令的执行过程。
2.2 编址方式常见的编址方式有直接寻址、间接寻址和相对寻址。
•直接寻址：指令中直接给出操作数的地址。
•间接寻址：指令中给出的是操作数地址的地址，通过这个地址再找到操作数的地址。
•相对寻址：指令中给出的是当前指令地址与操作数相对地址的偏移量。
第三节存储器的层次与层次化结构3.1 存储器的层次结构•寄存器：位于CPU内部，速度最快，容量最小，主要用于暂存数据。
•高速缓存：位于CPU内部或靠近CPU，速度较快，容量较小，存放最常用的数据和指令。
•主存储器：位于CPU外部，速度较慢，容量较大，存放程序和数据。
•辅助存储器：容量最大，速度最慢，用于长期存储大量的程序和数据。
3.2 存储器的层次化结构存储器的层次化结构可以提高存储器的访问速度和效率，减少了CPU需要等待数据的时间。
层次化结构中，速度快、容量小、价格昂贵的存储器放在上层，速度慢、容量大、价格低廉的存储器放在下层。
第四节总线4.1 总线的概念总线是计算机各个部件之间传输数据和信号的通道。
它可以分为三种类型：数据总线、地址总线和控制总线。
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系统总线
存储总线
CPU
主存
I/O接口 … I/O接口
I/O 设备1
…
I/O 设备n
3.2 总线的分类
1.片内总线 芯片内部 的总线
2.系统总线 计算机各部件之间 的信息传输线
数据总线 双向 与机器字长、存储字长有关
地址总线 控制总线
单向 与存储地址、 I/O地址有关 有出 有入
中断请求、总线请求
存储器读、存储器写 总线允许、中断确认
第３章 系统总线
3.1 总线的基本概念 3.2 总线的分类 3.3 总线特性及性能指标 3.4 总线结构 3.5 总线控制
3.1 总线的基本概念
一、为什么要用总线 二、什么是总线
总线是连接各个部件的信息传输线， 是 各个部件共享的传输介质
三、总线上信息的传送
串行
并行
四、总线结构的计算机举例
3.1
Hale Waihona Puke PASCAL 结构化程序设计
C＋＋
面向对象
Java
适应网络环境
2. 系统软件
2.1
语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序
操作系统
DOS UNIX Windows
服务性程序
装配 调试 诊断 排错
数据库管理系统 数据库和数据库管理软件
网络软件
3. 软件发展的特点
2.1
⑴ 开发周期长 ⑵ 制作成本昂贵 ⑶ 检测软件产品质量的特殊性
软件是程序以及开发、使用和 维护程序所需要的所有文档
2.2 计算机的应用
一、科学计算和数据处理 二、工业控制和实时控制 三、网络技术
1. 电子商务 2. 网络教育 3. 敏捷制造
2.2
四、虚拟现实 五、办公自动化和管理信息系统 六、CAD/CAM/CIMS 七、多媒体技术 八、人工智能
2.3 计算机的展望
计算机组成原理
第三讲
计算机科学与技术学院 舒燕君
(1)存储器的基本组成
1.2
存储体
MAR MDR
主存储器
MAR 存储器地址寄存器
反映存储单元的个数
MDR 存储器数据寄存器
反映存储字长
设 MAR = 4 位
MDR = 8 位 存储单元个数 16 存储字长 8
(2)运算器的基本组成及操作过程 1.2
一、计算机具有类似人脑的一些超级 智能功能 要求计算机的速度达1015/秒
二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制
• 芯片集成度受物理极限的制约 • 按几何级数递增的制作成本 • 芯片的功耗、散热、线延迟
三、？替代传统的硅芯片
2.3
1. 光计算机 利用光子取代电子进行运算和存储
2. DNA生物计算机 通过控制DNA分子间的生化反应
IR 存放当前欲执行的指令 CU 控制单元
(4)主机完成一条指令的过程
1.2
以取数指令为例
CPU
…5
存储体
ACC MQ
6
ALU
CU
IR
控制
27 3 8
I/O 设
单元 PC 1 MAR MDR
备
X
4
运算器
控制器
主存储器 9
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
3.2
3.通信总线
用于 计算机系统之间 或 计算机系统 与其他系统（如控制仪表、移动通信等） 之间的通信
传输方式
串行通信总线 并行通信总线
3.3 总线特性及性能指标
一、总线物理实现
CPU 插板
主存 插板
I/O 插板
BUS
主板
二、总线特性
3.3
1. 机械特性 尺寸、形状、管脚数 及 排列顺序
2. 电气特性 3. 功能特性
传输方向 和有效的 电平 范围
每根传输线的 功能
地址 数据 控制
4. 时间特性 信号的 时序 关系
三、总线的性能指标
3.3
1. 总线宽度
数据线 的根数
2. 总线带宽
每秒传输的最大字节数（MBps）
3. 时钟同步/异步 同步、不同步
4. 总线复用
地址线 与 数据线 复用
5. 信号线数
地址线、数据线和控制线的 总和
ACC MQ ALU
X
运算器
ACC
MQ
加法 被加数 和
减法
被减数 差
乘法
乘积高位
乘数 乘积低位
除法
被除数 余数
商
X 加数 减数 被乘数 除数
(3)控制器的基本组成
1.2
完成 取指令 PC
CU
一条 指令
分析指令 IR 执行指令 CU
取指 访存 执行 访存
IR PC
PC 存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（PC）+ 1 PC
第２章 计算机的发展及应用
2.1 计算机的发展史 2.2 计算机的应用 2.3 计算机的展望
Amdahl 定律 (67’) 描述了处理器并行运算之后效率提升的能力。
三、软件技术的兴起和发展
2.1
1. 各种语言
机器语言 面向机器
汇编语言 面向机器
高级语言 面向问题
FORTRAN 科学计算和工程计算
3. 量子计算机 利用原子所具有的量子特性
Gartner 新兴技术成熟度曲线 （The Hype Cycle of Emerging Technology）
2015年 Gartner发布
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
6. 总线控制方式 突发、自动、仲裁、逻辑、计数
7. 其他指标
负载能力
1. 面向 CPU 的双总线结构框图
中央处理器 CPU
I/O总线
M 总
I/O接口
I/O接口 … I/O接口
线
主存
I/O 设备1
I/O 设备2
…
I/O 设备n
2. 单总线结构框图
3.1
单总线（系统总线）
I/O接口
CPU
主存
I/O 设备1
I/O接口 … I/O接口
I/O 设备2
…
I/O 设备n
3. 以存储器为中心的双总线结构框图 3.1
存储总线
CPU
主存
I/O接口 … I/O接口
I/O 设备1
…
I/O 设备n
3.2 总线的分类
1.片内总线 芯片内部 的总线
2.系统总线 计算机各部件之间 的信息传输线
数据总线 双向 与机器字长、存储字长有关
地址总线 控制总线
单向 与存储地址、 I/O地址有关 有出 有入
中断请求、总线请求
存储器读、存储器写 总线允许、中断确认
第３章 系统总线
3.1 总线的基本概念 3.2 总线的分类 3.3 总线特性及性能指标 3.4 总线结构 3.5 总线控制
3.1 总线的基本概念
一、为什么要用总线 二、什么是总线
总线是连接各个部件的信息传输线， 是 各个部件共享的传输介质
三、总线上信息的传送
串行
并行
四、总线结构的计算机举例
3.1
Hale Waihona Puke PASCAL 结构化程序设计
C＋＋
面向对象
Java
适应网络环境
2. 系统软件
2.1
语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序
操作系统
DOS UNIX Windows
服务性程序
装配 调试 诊断 排错
数据库管理系统 数据库和数据库管理软件
网络软件
3. 软件发展的特点
2.1
⑴ 开发周期长 ⑵ 制作成本昂贵 ⑶ 检测软件产品质量的特殊性
软件是程序以及开发、使用和 维护程序所需要的所有文档
2.2 计算机的应用
一、科学计算和数据处理 二、工业控制和实时控制 三、网络技术
1. 电子商务 2. 网络教育 3. 敏捷制造
2.2
四、虚拟现实 五、办公自动化和管理信息系统 六、CAD/CAM/CIMS 七、多媒体技术 八、人工智能
2.3 计算机的展望
计算机组成原理
第三讲
计算机科学与技术学院 舒燕君
(1)存储器的基本组成
1.2
存储体
MAR MDR
主存储器
MAR 存储器地址寄存器
反映存储单元的个数
MDR 存储器数据寄存器
反映存储字长
设 MAR = 4 位
MDR = 8 位 存储单元个数 16 存储字长 8
(2)运算器的基本组成及操作过程 1.2
一、计算机具有类似人脑的一些超级 智能功能 要求计算机的速度达1015/秒
二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制
• 芯片集成度受物理极限的制约 • 按几何级数递增的制作成本 • 芯片的功耗、散热、线延迟
三、？替代传统的硅芯片
2.3
1. 光计算机 利用光子取代电子进行运算和存储
2. DNA生物计算机 通过控制DNA分子间的生化反应
IR 存放当前欲执行的指令 CU 控制单元
(4)主机完成一条指令的过程
1.2
以取数指令为例
CPU
…5
存储体
ACC MQ
6
ALU
CU
IR
控制
27 3 8
I/O 设
单元 PC 1 MAR MDR
备
X
4
运算器
控制器
主存储器 9
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
3.2
3.通信总线
用于 计算机系统之间 或 计算机系统 与其他系统（如控制仪表、移动通信等） 之间的通信
传输方式
串行通信总线 并行通信总线
3.3 总线特性及性能指标
一、总线物理实现
CPU 插板
主存 插板
I/O 插板
BUS
主板
二、总线特性
3.3
1. 机械特性 尺寸、形状、管脚数 及 排列顺序
2. 电气特性 3. 功能特性
传输方向 和有效的 电平 范围
每根传输线的 功能
地址 数据 控制
4. 时间特性 信号的 时序 关系
三、总线的性能指标
3.3
1. 总线宽度
数据线 的根数
2. 总线带宽
每秒传输的最大字节数（MBps）
3. 时钟同步/异步 同步、不同步
4. 总线复用
地址线 与 数据线 复用
5. 信号线数
地址线、数据线和控制线的 总和
ACC MQ ALU
X
运算器
ACC
MQ
加法 被加数 和
减法
被减数 差
乘法
乘积高位
乘数 乘积低位
除法
被除数 余数
商
X 加数 减数 被乘数 除数
(3)控制器的基本组成
1.2
完成 取指令 PC
CU
一条 指令
分析指令 IR 执行指令 CU
取指 访存 执行 访存
IR PC
PC 存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（PC）+ 1 PC
第２章 计算机的发展及应用
2.1 计算机的发展史 2.2 计算机的应用 2.3 计算机的展望
Amdahl 定律 (67’) 描述了处理器并行运算之后效率提升的能力。
三、软件技术的兴起和发展
2.1
1. 各种语言
机器语言 面向机器
汇编语言 面向机器
高级语言 面向问题
FORTRAN 科学计算和工程计算
3. 量子计算机 利用原子所具有的量子特性
Gartner 新兴技术成熟度曲线 （The Hype Cycle of Emerging Technology）
2015年 Gartner发布
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
6. 总线控制方式 突发、自动、仲裁、逻辑、计数
7. 其他指标
负载能力
1. 面向 CPU 的双总线结构框图
中央处理器 CPU
I/O总线
M 总
I/O接口
I/O接口 … I/O接口
线
主存
I/O 设备1
I/O 设备2
…
I/O 设备n
2. 单总线结构框图
3.1
单总线（系统总线）
I/O接口
CPU
主存
I/O 设备1
I/O接口 … I/O接口
I/O 设备2
…
I/O 设备n
3. 以存储器为中心的双总线结构框图 3.1