计算机组成与结构分析
“计算机组成与体系结构”教学改革模式分析
关 键 词 ： 力 ； 算机 组 成 与 体 系 结 构 ； 学模 式 能 计 教
中图分类 号 ： Ｇ４
文献标 识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：６ ２３ ９ （ Ｏ １ ｌ一２ ７０ １ ７ —１ ８ ２ ｌ ） Ｏ０ １— ３
教材 内容无法全 面 反 映该 学 科 最 新 发展 动 态 ； 实 验 设计 ⑤
仿 探 充 与 体 系 结 构 ” 门课 ， 内 的 也 有 不 少 院 校 采 用 了 这 种 课 程 式 实 验 、 真 式 平 台 实 验 、 索 式 实 验 相 结 合 的 方 式 ， 分 一 国 调 动 学 生 自身 的 能 动 性 ， 正 通 过 实 验 过 程 理 解 计 算 机 的 真 设 置 模 式 。“ 算 机 组 成 与 体 系 结 构 ” 软 件 工 程 专 业 的 核 计 是
构 及 其 运 行 机 理 ， 学 习 “ 算 机 体 系 结 构 ” 后 继 课 程 打 度 看 待 自己 的 工 作 。 为 计 等 为 此 ， 思想 上 教师 和 学 生 都 要认 识 到 学 生能 力 培养 在 下 良好 基 础 。“ 算 机 体 系 结 构 ” 以 计 算 机 系 统 的 外 部 特 计 是 性 为 主 来 研 究 计 算 机 系 统 基 本 结 构 的 一 门 学 科 ， 计 算 机 是 是 教 育 的 根 本 ， 人 的 观 察 能 力 、 解 能 力 、 考 能 力 和 创 把 理 思
现 代 商 贸 工 业
Ｎ ｏ ０， ０１１ ．１ ２
Ｍｏ ｅｎＢ ｓ ｅｓ ｒｄ ｄ ｓ ｙ ｄ ｒ ｕｉ ｓ Ｔ ａｅＩ ｕｔ ｎ ｎ ｒ
２１ ０ １年 第 １构 ’ 学 改 革 模 式 分 析 计 ’ 教
计算机体系结构与组成
计算机体系结构与组成计算机体系结构与组成是指计算机系统的硬件和软件组成部分以及它们的相互关系。
理解计算机体系结构与组成对于学习和应用计算机科学和工程至关重要。
本文将介绍计算机体系结构的基本概念、组成要素以及相关的技术发展。
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构定义了计算机硬件和软件之间的接口、数据的表示和操作以及指令的执行方式。
它是计算机系统的基础架构，决定了计算机系统的性能和能力。
计算机体系结构一般包括指令集架构和微体系结构两个层次。
指令集架构是计算机系统对外展示的接口，也被称为计算机的“机器语言”。
常见的指令集架构有精简指令集(RISC)和复杂指令集(CISC)两种。
RISC指令集架构以精简的指令集和固定长度的指令格式为特点，执行效率高；CISC指令集架构则有复杂的指令和丰富的操作功能，面向高级应用。
微体系结构是计算机系统内部的实现方式，包括处理器、存储器、总线和输入输出设备等组成部分。
微体系结构的设计对计算机的性能和功耗有重要影响。
当前主流的微体系结构包括单指令多数据流(SIMD)和多指令多数据流(MIMD)等。
二、计算机组成要素计算机系统由多个基本组成要素构成，每个组成要素都承担着特定的功能和任务。
1. 中央处理器(CPU)：是计算机的核心部件，负责执行指令、处理数据和控制计算机系统的运行。
CPU包括算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)和寄存器等部分。
2. 存储器：用于存储程序和数据。
主存储器(RAM)是计算机的主要工作空间，用于存储正在执行的程序和数据；辅助存储器(如硬盘、固态硬盘)则用于长期存储数据和文件。
3. 输入输出设备：用于与外部世界进行信息的输入和输出。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏等；输出设备包括显示器、打印机、音频设备等。
4. 总线：负责计算机内部各个组件之间的信息传输。
总线分为数据总线、地址总线和控制总线三种类型，分别用于传输数据、地址和控制信号。
三、计算机体系结构的发展计算机体系结构和组成都经历了多次变革和创新，在不同的发展阶段出现了各种不同的体系结构和组成方案。
计算机一级PPT05计算机组成
7 内存大小的计算
【例1】：某存储器的地址范围为1000H~4FFFH，其寻址范 围是（ 16 ）KB？
实际存储空间
1B 1B 1B 1B … 1B 1B
地址
4FFFH 4FFEH 4FFDH 4FFCH …. 1001H 1000H
解： 存储空间数量：
(1)运算器(ALU) 运算器主要由算术逻辑单元和各种寄存器组成。主 要功能是执行数值运算的加、减、乘、除等算术运算和 执行与、或、非的逻辑运算。
1.1 五大基本硬件-CPU
(2)控制器 控制器是计算机的指挥中枢，用于控制计算机各个部 件按照指令的功能要求协同工作，负责全机控制。其基 本功能是从内存取指令、分析指令、执行指令和向其他 部件发出控制信号。 控制器的主要部件由程序计数器(PC) 、指令寄存器 (IR) 、指令译码器(ID) 、操作控制器(OC)组成。
工具：编译程序
解释程序
2 系统软件-程序设计语言
解释方式：口译 特点：边翻译边执行 不产生目标程序
6 硬盘大小的计算
磁盘空间大小的计算 磁盘的数据存储是按照扇区进行存储的，同时，存储
容量是硬盘的主要参数。目前机械硬盘存储容量已经超过 6TB，一般的计算机也会达到几百GB到几TB，存储容量的 公式为：
存储容量=盘面数 × 磁道数 × 扇区数 × 每个扇区容量 例如：一个机械硬盘有64个扇面，1600个磁道，1024个扇
4FFFH-1000H+1 = 4000H 转换成十进制： 4000H = 4*163 空间大小： 4*163/210 = 16KB
02软件系统
1 基本概念
► 软件
程序、程序运行所需要的数据及开发、使用和维护这些程序所需要的文档。
计算机结构与逻辑设计
计算机结构与逻辑设计计算机结构与逻辑设计是计算机科学领域中的重要学科，它研究了计算机硬件和软件之间的关系，以及计算机内部各个组件的工作原理和相互作用方式。
本文将从计算机结构和逻辑设计的角度，介绍这一学科的基本概念和重要内容。
一、计算机结构计算机结构是指计算机硬件系统的组织方式和相互连接的方式。
它是计算机的基础，决定了计算机的性能和功能。
计算机结构包括以下几个方面的内容：1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令和控制计算机的运行。
它由运算器、控制器和寄存器组成，具有运算、控制和存储功能。
2. 存储器：存储器用于存储数据和指令，是计算机的主要组成部分。
根据存取方式的不同，存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等。
3. 输入输出设备：输入输出设备用于与计算机进行信息交互。
常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪等，输出设备有显示器、打印机和音响等。
4. 总线：总线是计算机内部各个组件之间进行数据传输的通道。
它将数据、地址和控制信号传递给各个部件，实现它们之间的通信。
二、逻辑设计逻辑设计是指将计算机中的各个部件按照一定的逻辑关系进行组合，实现计算机的功能和性能要求。
逻辑设计主要包括以下几个方面的内容：1. 布尔代数：布尔代数是逻辑设计的基础，它用于描述逻辑运算和逻辑关系。
布尔代数包括与、或、非等逻辑运算，以及与、或、非门等逻辑门电路。
2. 组合逻辑电路：组合逻辑电路是由多个逻辑门组成的电路，其输出只取决于当前输入的状态。
常见的组合逻辑电路有加法器、多路选择器和译码器等。
3. 时序逻辑电路：时序逻辑电路是由组合逻辑电路和触发器组成的电路，其输出不仅取决于当前输入的状态，还取决于过去输入的状态。
常见的时序逻辑电路有时钟、计数器和存储器等。
4. 状态机：状态机是一种描述系统状态和状态转换的模型。
它由状态集合、输入集合、输出集合和状态转换函数组成，用于描述计算机系统的行为和功能。
计算机的基本组成
第1章计算机的基本组成1.1 概述1.1.1计算机的组成1．计算机硬件系统组成从1946年第一台以电子管为基本元件的计算机诞生到今天，计算机经过了几代的更新换代，已经形成了一个庞大的计算机家族。
尽管计算机在应用领域、硬件配置和工作速度上有着很大的差别，然而从组成结构上来看，各种计算机的硬件结构基本上还是相同的。
任何一台计算机，其硬件都是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大功能部件组成的，其硬件结构框图如图1-1所示。
图1-1计算机硬件结构框图在硬件系统中，通常把CPU、内存以及连接主要输入输出设备的接口电路统称为主机，其他部分则称为外部设备。
现在，生产厂家已能将主机制作在一块印制电路板上，这就是通常所说的主机板，简称主板。
2．指令和指令系统（1）指令（instruction）指令是指要计算机完成某个操作所发出的指示或命令，且由计算机直接识别执行。
一台计算机可以有许多指令，作用也各不相同，所有指令的集合称为计算机的指令系统。
指令通常包含操作码（operation code）和操作数（operand）两个部分，操作码指明计算机应该执行的某种操作的性质与功能，即指示计算机执行何种操作；操作数指出参加操作的数据或数据所在单元的地址。
用机器指令编写的程序称为机器语言程序。
指令按其功能可分为两种类型：一类是命令计算机的各个部件完成基本的算术逻辑运算、数据存取和数据传送等操作，属于操作类指令；另一类则是用来控制程序本身的执行顺序，实现程序的分支、转移等操作，属于控制转移类指令。
（2）指令系统指令系统能具体而集中的体现计算机的基本功能。
从计算机系统结构的角度看，指令系统是软件和硬件的界面，指令是对计算机进行程序控制的最小单位。
指令系统的内核是硬件，当一台机器指令系统确定之后，硬件设计师根据指令系统的约束条件构造硬件组织，由硬件支持指令系统使其功能得以实现。
而软件设计师在指令系统的基础上建立程序系统，扩充和发挥机器的功能。
CPU的结构和功能解析
CPU的结构和功能解析CPU（中央处理器）是计算机的核心组件，它被设计用于执行各种计算和数据处理任务。
CPU的结构和功能包括以下几个方面：1. 控制单元（Control Unit）：控制单元是CPU的一个重要组成部分，负责协调和管理所有的计算机操作。
它从存储器中读取指令并解码，然后将其发送到其他部件以执行相应的操作。
控制单元还负责处理器内部的时序和同步操作。
2. 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）：ALU是CPU的核心部分，负责执行计算和逻辑运算。
它可以执行加减乘除、移位、逻辑运算（与、或、非）等操作。
ALU的设计通常包括一组寄存器，用于存储和处理操作数和结果。
3. 寄存器（Register）：寄存器是CPU内部的高速存储器，用于存储临时数据和指令。
CPU中包含多个不同类型的寄存器，如数据寄存器、地址寄存器、程序计数寄存器等。
寄存器具有极快的读写速度，能够提高数据的访问效率。
4. 数据总线和地址总线（Data Bus and Address Bus）：数据总线用于在各个组件之间传输数据，地址总线用于标识存储器中的特定位置。
数据总线的宽度决定了CPU能够同时处理的数据量，地址总线的宽度决定了CPU能够寻址的存储器空间大小。
5. 运算器（Arithmetic Unit）：运算器是CPU的一个子部件，用于执行数学运算，如加法、减法、乘法和除法。
运算器通常由ALU和一些辅助电路组成，它能够高效地进行数值计算。
6. 控制器（Controller）：控制器是CPU的另一个子部件，负责控制和协调各个组件之间的操作。
它从指令存储器中获取下一条指令，并将其发送给控制单元解码执行。
控制器还负责处理各种中断和异常情况，以及调度和控制指令的执行顺序。
7. 存储器接口（Memory Interface）：存储器接口是CPU与主存储器之间的桥梁，负责传输数据和指令。
存储器接口包括地址解码器、读写电路、数据缓冲器等，它能够提供合适的接口和协议，以保证数据的高效传输和正确处理。
超级计算机的组成和应用
超级计算机的组成和应用2021年，中国发布了自主研发的天河三号超级计算机。
这款超级计算机综合性能再创世界纪录，并且成为了全球第一台技术实现AI模拟全流程自动化运行的超级计算机。
超级计算机，顾名思义，其计算能力超越了普通计算机，其应用也越来越广泛。
本文将讨论超级计算机的组成和应用。
一、超级计算机的组成超级计算机的众多计算单元通常使用芯片封装在一起，这些芯片可用芯片分组系统进行管理。
在超级计算机中，各个计算单元必须互相协调才能顺利完成计算任务，因此超级计算机的体系结构相当复杂，一般由以下几个部分组成：1. 中心计算单元：中心计算单元是超级计算机的中心，它负责控制整个系统的计算过程，向各个计算单元下达任务并收集结果。
中心计算单元的性能将直接影响到整个超级计算机的计算速度。
2. 存储器：存储器又分为主存储器和外围存储器（I/O存储器），主存储器与CPU之间速度非常快，可以提供高速数据交换，而I/O存储器更多是为外部总线提供存储区域。
3. 计算节点：计算节点通常是由一组CPU、内存、以及网络接口组成的单元模块。
每个计算节点通常运行的是操作系统，用于支持数值计算应用程序。
超级计算机包含大量的计算节点，这些计算节点集合起来完成超级计算机的计算任务。
二、超级计算机的应用超级计算机在人类社会发展中发挥着越来越大的作用，据统计，目前全球50％以上的超级计算机应用在科学研究领域中，剩下的大多数应用在商业领域和政府机关中。
下面，我们将进一步探讨超级计算机的应用。
1. 天气预报：由于天气预报对超级计算机要求很高，超级计算机可以通过运算海量数据提高天气预报的准确性。
超级计算机还可以通过比较不同算法对于气象数据的处理效果，优化预测效果。
2. 医学应用：超级计算机可以帮助生物医学研究人员进行疾病治疗方案的研究和开发。
生物医学研究人员可以使用超级计算机应用大数据分析的技术，分析基因数据并快速找到某些病症的基因组疾病表现，预测新的病症的发生率，并推测治疗模式。
IBMPC微机组成原理与基本结构.pptx
在大多数计算机中，存储器的组织都是以字节为基本 单位。每一个基本单位称为一个存储单元。
一个存储器是由许多的存储 单元构成的，如某存储器的 容量为32KB, 1MB, 128MB等 等。为了区分这些不同的存 储单元，一般使用单元地址 来指示各个存储单元。如一 个10位二进制数表示的地址， 可以用来区分210＝1024＝1K 个单元。
2、主存储器
主存储器是用于存放程序和数据的部件。它由若干 个存储单元构成。存储单元的多少表示存储器的容量。 每个存储单元使用一个唯一的编号来标识，称为存储单 元的地址。对每个存储单元内容的存和取是按照地址进 行访问的。
3
计算机存储信息的基本单位是一个二进制位，一位可存 储一个二进制数0或1。每8位组成一个字节（BYTE)。
3. 变址寄存器 有两个16位的变址寄存器SI和DI，一般被用来作地址指针。
SI——源变址寄存器 DI——目的变址寄存器
同BP寄存器一样，SI和DI也可以用作通用数据寄存 器存放操作数和运算结果。
16
二、段寄存器
8086/8088CPU在使用存储器时，将它划分成若干个 段。每个段用来存放不同目的内容，如程序代码、数据等 等。每个存储段用一个段寄存器来指明该段的起始位置 （也叫段基址）。
B、存取数据——在EU执行指令的过程中，如果需要与存 储器或I/O端口传送数据时，根据EU提供的数据和地址， 并结合相应的段寄存器（DS、ES或SS）的内容，进入外 部总线周期，与存储器或I/0进行数据的存取。
EU和BIU是既分工又合作的两个独立部分。它们的操 作在一定程序上是并行工作的，分别完成不同的任务，因 而大大加快了指令执行速度。
段基址
CS 段基址 DS 段基址 SS ES 段基址
认识计算机的基本构成和组织结构
认识计算机的基本构成和组织结构计算机是我们日常生活中不可或缺的一个工具，无论是工作、学习还是娱乐，计算机都为我们提供了非常便捷和高效的方式。
但是，对于计算机的构成和组织结构，很多人都存在着模糊和不清楚的情况。
因此，本文将详细介绍计算机的基本构成和组织结构。
一、计算机的基本构成1. 输入设备：输入设备是计算机与外部世界交互的桥梁，其中最重要的输入设备就是键盘和鼠标。
此外，还有触摸屏、扫描仪、摄像头等输入设备。
2. 输出设备：计算机通过输出设备将其结果显示给用户，例如，显示器或打印机等。
3. 中央处理器：中央处理器是计算机最重要的组成部分，它是计算机的大脑。
其主要作用是接收和执行指令。
中央处理器通常分为两部分：控制器和算术逻辑单元(ALU)，其中控制器负责解释执行指令，而ALU对数据进行加减乘除等运算。
4. 存储器：存储器用于存储程序和数据。
它通常分为两种类型：随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
RAM是一种易失性存储器，它允许计算机随时存放和取出数据，而ROM则是一种只读存储器，其中保存了程序和数据的固定信息，而不允许在运行时修改。
5. 外部存储设备：除了内存存储器外，我们还可以使用外部存储设备来存储大量的数据，例如硬盘驱动器、U盘和CD/DVD。
6. 硬件接口：硬件接口连接每个组成部分，例如USB、HDMI等接口。
它们允许我们将其他设备和计算机连接起来，以便进行数据传输和其他操作。
7. 操作系统：操作系统是一种非常基本的软件，它负责管理和协调计算机硬件资源，同时为用户提供界面和其他服务。
例如，Windows、macOS和Linux都是常见的操作系统。
8. 应用程序：应用程序是计算机上安装的其他软件，例如Microsoft Word和Adobe Photoshop。
这些应用程序允许我们进行更具体的工作。
9. 内部组件：计算机还由一些内部组件组成，例如风扇、电源和主板等。
二、计算机的组织结构在了解计算机的基本构成之后，我们来了解一下计算机的组织结构。
计算机组成与系统结构 复习要点解析
第一章计算机系统概论1、基本概念硬件：是指可以看得见、摸得着的物理设备（部件）实体，一般讲硬件还应包括将各种硬件设备有机组织起来的体系结构。
软件：程序（代码）+ 数据 + 文档。
由两部分组成，一是使计算机硬件能完成运算和控制功能的有关计算机指令和数据定义的组合，即机器可执行的程序及有关数据；二是机器不可执行的，与软件开发、过程管理、运行、维护、使用和培训等有关的文档资料。
固件：将软件写入只读存储器ROM中，称为固化。
只读存储器及其写入的软件称为固件。
固件是介于硬件和软件之间的一种形态，从物理形态上看是硬件，而从运行机制上看是软件。
计算机系统的层次结构：现代计算机系统是由硬件、软件有机结合的十分复杂的整体。
在了解、分析、设计计算机系统时，人们往往采用分层（分级）的方法，即将一个复杂的系统划分为若干个层次，即计算机系统的层次结构。
最常见的是从计算机编程语言的角度划分的计算机系统层次结构。
虚拟计算机：是指通过配置软件扩充物理机（硬件/固件实现）功能以后所形成的一台计算机，而物理机并不具备这种功能。
虚拟机概念是计算机分析设计中的一个重要策略，它将提供给用户的功能抽象出来，使用户摆脱具体物理机细节的束缚。
2、计算机的性能指标。
1 吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，用bps度量。
2 响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。
3 利用率：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所在的比率，用百分比表示。
4 处理机字长：常称机器字长，指处理机运算中一次能够完成二进制运算的位数，如32位机、64位机。
5 总线宽度：一般指CPU从运算器与存储器之间进行互连的内部总线一次操作可传输的二进制位数。
6 存储器容量：存储器中所有存储单元（通常是字节）的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。
7 存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用B/s（字节/秒）表示。
计算机存储器类型与层次结构解析
计算机存储器类型与层次结构解析计算机存储器是计算机中的一个关键组成部分，用于存储和读取数据。
根据存储介质和访问速度的不同，计算机存储器可以分为不同的类型和层次结构。
本文将详细解析计算机存储器的类型与层次结构，帮助读者更好地理解计算机存储器的工作原理。
一、计算机存储器的类型1. 内部存储器（主存储器）：内部存储器是计算机中直接与中央处理器（CPU）相连的部分，用于存储程序和数据。
它是计算机中最快的存储器，也是最重要的存储器之一。
内部存储器的容量较小，价格相对较高。
2. 外部存储器（辅助存储器）：外部存储器是计算机中与中央处理器间接连接的存储器，用于大容量和长期存储数据。
外部存储器的容量较大，价格相对较低。
常见的外部存储器包括硬盘驱动器（HDD）、固态硬盘（SSD）和光盘。
二、计算机存储器的层次结构1. 高速缓存存储器（Cache Memory）：高速缓存存储器位于内部存储器和中央处理器之间，用于提供更快的访问速度。
它采用了较小但更快的存储器芯片，并通过存储和取回最常用的数据和指令，以减少中央处理器的等待时间。
2. 主存储器（Main Memory）：主存储器是内部存储器的一种，是计算机存储器的核心部分。
它以字节为单位存储数据和程序，并可以直接被中央处理器访问。
主存储器通常采用随机存取存储器（RAM）技术。
3. 辅助存储器（Secondary Storage）：辅助存储器是外部存储器的一种，用于存储大量的数据和程序。
辅助存储器通常采用磁盘或固态存储技术，并具有较大的存储容量。
它的访问速度相对较慢，但可以长期保持数据。
三、计算机存储器的工作原理1. 数据存储：计算机存储器通过将数据以二进制形式存储在内存或磁盘中。
每个数据单元在存储器中都有一个唯一的地址，计算机可以通过地址来访问特定的数据单元。
2. 数据读取：计算机可以根据指令从存储器中读取数据。
读取数据的过程是通过计算机总线进行的，总线将数据传输到中央处理器中进行处理。
计算机系统结构的组成
计算机系统结构的组成
计算机系统结构通常包括以下几个主要组成部分：
1. 处理器：处理器是计算机的核心部分，负责执行程序中的指令。
它从内存中获取指令并执行，然后处理数据，并将结果存储回内存中。
处理器的能力决定了计算机的速度和性能。
2. 内存：内存是计算机的临时存储设备，用于存储正在处理的程序和数据。
内存分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM可以随时读写，而ROM只能读取不能写入。
3. 输入/输出设备：输入/输出设备是计算机与外部世界交互的工具。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏等，常见的输出设备包括显示器、打印机、音响等。
4. 存储器：存储器是计算机的永久性存储设备，用于长期存储数据和程序。
常见的存储器包括硬盘、闪存盘、光盘等。
5. 总线：总线是计算机中各个部分之间传输数据的通道。
总线带宽决定了数据传输的速度，总线类型决定了计算机各个部分之间的连接方式。
6. 操作系统：操作系统是计算机的管理和控制软件，
负责管理计算机的资源，控制程序的执行，并提供用户界面。
操作系统是计算机的重要组成部分，它使得计算机更易于使用和管理。
7. 应用软件：应用软件是为特定目的而编写的程序，例如办公软件、图像处理软件等。
应用软件使计算机具有各种功能和用途。
以上这些部分共同构成了计算机系统结构的主要组成部分。
在实际应用中，根据不同的需求和用途，还可以对计算机系统结构进行更详细或更概括的分类。
计算机硬件系统基础知识大全
计算机硬件系统基础知识大全计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
其中，计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大基本部件组成。
运算器也称为算术逻辑部件(ALU)，主要功能是对二进制数码进行算术或逻辑运算。
控制器是计算机的神经中枢，指挥计算机各个部件自动、协调地工作。
在计算机的5个基本部件中，运算器和控制器共同组成了中央处理器(CPU)，而CPU和和存储器又构成了计算机的主机。
下面将具体介绍各个部件。
4.1 运算器(1)运算器的组成运算器的基本功能是完成对各种数据的加工处理，即数据的算术运算和逻辑运算。
运算器由算术逻辑单元、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。
运算器包括寄存器、执行部件和控制电路三个部分。
运算器中的寄存器用于I临时保存参加运算的数据和运算的中间结果等。
执行部件包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。
控制电路按照一定的时间顺序发出不同的控制信号，使数据经过相应的门电路进人寄存器或加法器，完成规定的操作。
运算器主要由算术逻辑部件、通用寄存器组和状态寄存器组成。
· 算术逻辑部件ALU。
ALU主要完成对二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。
ALU能处理的数据位数(即字长)与机器有关。
· 通用寄存器组：近期设计的机器的运算器都有一组通用寄存器。
主要用来保存参加运算的操作数和运算的结果。
· 状态寄存器：状态寄存器用来记录算术、逻辑运算或测试操作的结果状态。
程序设计中，这些状态通常用作条件转移指令的判断条件，所以又称为条件码寄存器。
(2)与运算器相关的性能指标包括计算机的字长和运算速度· 字长：指计算机运算部件～次能同时处理的二进制数据的位数。
作为存储数据，字长越长，则计算机的运算精度就越高；作为存储指令，字长越长，则计算机的处理能力就越强。
· 运算速度：计算机的运算速度通常是指每秒钟所能执行的加法指令的数目。
计算机系统结构图
输入输出设备
作用
输入输出设备用于输入数据和命 令，以及输出结果。
组成
输入设备包括键盘、鼠标、触摸 屏等，输出设备包括显示器、打
印机等。
工作原理
输入输出设备通过接口与计算机 连接，将输入的数据转换为计算 机能识别的二进制码，将输出的 结果转换为人们能理解的格式。
总线与接口
作用
总线是计算机系统中各部件之间进行数据传输的通道，接口是连接 各部件与总线的接口。
们更好地理解计算机系统的设计和运作。
在项目管理中的应用
项目规划
在项目管理中，可以使用计算机系统结构图来规划项目的 组成和运作流程，以便更好地进行资源分配和进度控制。
风险管理
通过分析计算机系统结构图，可以识别出项目中的潜在风 险，从而提前采取相应的风险应对措施。
系统集成
在大型项目中，各个子系统之间的集成和协同工作非常重 要。计算机系统结构图可以用来描述这些子系统之间的关 系和集成方式。
根据操作系统，计算机系统可以分为 Windows、Linux和Mac OS等。
根据使用目的，计算机系统可以分为 服务器、工作站和个人计算机等。
02
计算机硬件系统
中央处理器
作用
中央处理器（CPU）是计算机系 统的核心，负责执行程序中的指
令并处理数据。
组成
CPU主要由运算器和控制器组成， 运算器负责执行算术和逻辑运算， 控制器负责控制计算机的各个部件 协调工作。
使用其他工具制作结构图
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AutoCAD
AutoCAD是一款专业的CAD绘图工具，适合制 作各种类型的计算机系统结构图，包括电气、管 道、钢结构等。
亿图图示
亿图图示是一款全能的绘图工具，支持制作各种 类型的系统结构图，包括流程图、组织结构图、 网络拓扑图等。
计算机组成与体系结构——流水线相关知识点（常考计算）
计算机组成与体系结构——流⽔线相关知识点（常考计算） 流⽔线是软考中经常考的⼀部分内容，并且常以要求计算的形式出现，所以，这⾥详细总结⼀下流⽔线的相关知识点。
流⽔线的概念 流⽔线是指在程序执⾏时多条指令重叠进⾏操作的⼀种准并⾏处理实现技术。
即可以同时为多条指令的不同部分进⾏⼯作，以提⾼各部件的利⽤率和指令的平均执⾏速度。
我们都知道，在执⾏⼀条指令的过程中，最少要经历取指分析执⾏三个步骤，也就是说，假设有三个指令1 、2、 3，当我们在正常情况下，在执⾏指令1的时候，会⾸先对指令1按照以上三个步骤进⾏处理，处理完毕后在对指令2进⾏处理，以此类推。
⽽流⽔线的应⽤，就是像我们在⼯⼚中⼀样，当对指令1进⾏分析⼯作时，同时对指令2进⾏取指，继续执⾏，当指令1到达执⾏阶段时，指令2进⼊分析阶段1同时对于指令3进⾏取指处理，这样就⼤⼤增加了对于时间的利⽤率。
流⽔线的计算 1、流⽔线的执⾏时长 ①关于流⽔线的周期，我们需要知道的是，流⽔线周期（△t）为指令执⾏阶段中执⾏时间最长的⼀段。
②流⽔线的计算公式为： 完成⼀条指令所需的时间+（指令条数-1）*流⽔线周期，在这个公式中，⼜存在理论公式和实践公式。
理论公式： 实践公式：（k+n-1）*△t k为⼀条指令所包含的部分的多少 例题：若指令流⽔线⼀条指令分为取指、分析、执⾏三个阶段，并且这三个阶段的时间分别为取指1ns，分析2ns，执⾏1ns，则流⽔线的周期为多少？100条指令全部执⾏完毕需要执⾏的时间是多少？ 分析：上⾯已经说过，流⽔线的周期为花费时间最长的阶段所花费的时间，所以流⽔线的周期就是2ns。
根据理论公式，T=（1+2+1）+（100-1）*2=4+99*2=202ns 根据实践公式，T=（3+100-1）*2=204ns 在这⾥，需要注意的是，因为流⽔线的理论公式和实践公式的结果不⼀样，但是在考试过程中可能都会考到，所以，在应⽤时，先考虑理论公式，后考虑实践公式。
计算机组成与结构(清华大学版)(第4版)习题解答(下)_khdaw
主存储器
后 答
分析与解答：
(1) 64K×1=> 512K×16
位扩展：16/1=16片 字扩展：512/64=8片 ∴共要16×8=128片
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WANG Wei: Computer Organization and Architecture, Copyright 2004 TJU
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8.5 设磁盘组有11个盘片，每片有两个记录面；存 储区域内直径2.36英寸，外直径5.00英寸；道密度 为1250TPI（每英寸磁盘数），内层位密度 52400bpi（每英寸位数），转速为2400rpm。问：
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辅助存储器
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(5) 已知：每扇区存储2KB数据
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(6) 如果某文件长度超过了一个磁道的容量，应将它记 录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上？
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主存储器
后 答
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主存储器
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计算机组成与结构 TEC+XP+学生实验讲义 (郝尚富)
计算机组成与结构（面向信息科学与工程学院各本科专业）主编：郝尚富实验讲义河北北方学院信息科学与工程学院2010.11目录实验一基础汇编语言程序设计...................................................................... 实验二脱机运算器实验.................................................................................. 实验三存储器部件教学实验.......................................................................... 实验四微程序控制器实验.............................................................................. 实验五 I/O口扩展实验................................................................................... 实验六中断实验.............................................................................................. 附录一：教学机系统结构图.............................................................................. 附录二 TEC-XP 16 系统各功能部件之间的连接关系和信息传送路径........ 附录三 TEC-XP 16 系统教学实验简明操作卡附录四指令汇总表附录五基本指令执行流程框图附录六扩展指令执行流程框图........................................................................ 附录七微程序表实验一基础汇编语言程序设计1.1 实验目的：1．学习和了解TEC-XP教学实验系统监控命令的用法；2．学习和了解TEC-XP教学实验系统的指令系统；3．学习简单的TEC-XP教学实验系统汇编程序设计；1.2 实验内容：1．学习联机使用TEC-XP教学实验系统和仿真终端软件PCEC.2．使用监控程序的R命令显示/修改寄存器内容、D命令显示存储器内容、E命令修改存储器内容；3．使用A命令写一小段汇编程序，U命令反汇编刚输入的程序，用G命令连续运行该程序，用T、P命令单步运行并观察程序单步执行情况；1.3 实验步骤1.3.1 完成TEC-XP教学计算机与PC机的硬件连接：1．将TEC-XP放在实验台上，打开实验箱的盖子，确定电源处于断开状态；2．将黑色的电源线一端接220V交流电源，另一端插在TEC-XP实验箱的电源插座里；3．取出通讯线，将通讯线的9芯插头接在TEC-XP实验箱上的串口1上，另一端接到PC机的“COM1”或“COM2”（建议用COM2）串口上；4．将TEC-XP实验系统左下方的五个黑色的控制机器运行状态的开关置于正确的位置，在找个实验中开关应置为00110（连续、内存读指令、组合逻辑（或微程序）、联机、16位）。
计算机体系结构与组成
计算机体系结构与组成计算机体系结构与组成是计算机科学中重要的概念之一。
计算机体系结构指的是计算机系统的各个组成部分以及它们之间的联系和工作方式。
而计算机的组成则是指计算机系统所使用的硬件设备，包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等。
一、计算机体系结构计算机体系结构是计算机系统的总体结构和功能组成的抽象模型。
它定义了计算机硬件和软件的接口，以及它们之间的交互方式。
计算机体系结构的设计是基于特定的应用需求和性能目标。
计算机体系结构可分为单处理器体系结构和多处理器体系结构两种。
单处理器体系结构包括单指令流单数据流(SISD)、单指令流多数据流(SIMD)、单指令流多线程(SMT)等。
多处理器体系结构则包括对称多处理(SMP)、非对称多处理(AMP)、片上多处理(CMP)等。
二、计算机组成计算机的组成是指计算机系统中各个部件的组合和安排。
它包括了中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等硬件组件以及操作系统和应用软件等软件组件。
1. 中央处理器(CPU)中央处理器是计算机系统的核心部件，用于执行计算机指令、控制计算机的运行和处理数据。
CPU由运算器、控制器和寄存器等部件组成。
运算器负责执行算术和逻辑运算，控制器负责解码指令和控制数据传输，寄存器则用于存储数据和指令。
2. 内存内存是计算机系统中的临时存储设备，用于存储正在执行的程序和数据。
内存分为主存储器和辅助存储器两种。
主存储器包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)，它们存储的数据可读写或只读不可写。
辅助存储器包括磁盘、光盘和闪存等，用于存储大容量的数据。
3. 输入输出设备输入输出设备用于向计算机系统输入数据和从计算机系统输出数据。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等，而输出设备则包括显示器、打印机、音频设备等。
输入输出设备通过接口与计算机系统连接，实现数据的传输和交互。
4. 操作系统和应用软件操作系统是计算机系统中的核心软件，负责管理计算机硬件和软件资源，提供用户界面和文件管理等功能。
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一、填空题1. 计算机的硬件基本组成包括控制器、运算器、存储器、输入和输出等五个部分。
2. 计算机的软件一般分为系统软件和应用软件两大部分。
3. 计算机系统是一个由硬件和软件组成的多级层次结构，这通常由微程序级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级和高级语言级等组成，在每一级上都可以进行程序设计。
4. 计算机系统的发展按其核心部件采用器件技术来看经历了五代的变化，分别是电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路和巨大规模集成电路。
1. 按IEEE754规范，一个浮点数由符号位S 、阶码E 、尾数M三个域组成，其中阶码E 的值等于指数的真值e 加上一个固定偏移值。
2. 在进行浮点加法运算时，需要完成为零操作数检查、对阶、尾数求和、结果规格化、舍入处理和溢出处理等步骤。
3. 对阶时，使小阶向大阶看齐，使小阶的尾数向右移位，每右__ 移一位，其阶码加一，直到两数的阶码相等为止。
4. 提高加法器运算速度的关键是降低进位信号的传播时间。
先行进位的含义是低有效位的进位信号可以直接向最高位传递。
5. 现代计算机的运算器一般通过总线结构来组织。
按其总线数不同，大体有单总线结构、双总线结构和三总线结构三种形式。
6. 浮点运算器由阶码运算器和尾数运算器组成，它们都是定点运算器。
只要求能执行阶码运算器运算，而加法和减法要求能进行尾数运算器运算。
7. 两个BCD码相加，当结果大于9时，修正的方法是将结果加6，并产生进位输出。
8. 设有七位二进制信息码0110101，则低位增设偶校验码后的代码为01101010 。
1. 对存储器的要求是容量大，速度快，成本低，为了解决这三方面的矛盾，计算机采用多级存储和体系结构。
2. 存储器的技术指标主要有存储容量、存储时间、存储周期和存储器带宽。
3. CPU能直接访问由CACHE和内存，但不能直接访问外存。
4. 双端口存储器和多模块交叉存储器属于并行存储器结构，前者采用空间并行技术，后者采用时间并行技术。
5. 主存与CACHE的地址映射有全相联、直接、组相联三种方式。
6. 虚拟存储器指的是主存—外存，主存层次，它给用户提供了一个比实际空间大得多的虚拟地址空间。
7. 虚拟存储器只是一个容量非常大的存储器逻辑模型，不是任何实际的存储器，按照主存-外存层次的信息传送单位不同，虚拟存储器有物理式、段式页式和段页式三类。
8. DRAM存储器的刷新一般有集中式、分散式和异步式三种方式，之所以刷新是因为有电荷泄露需要定期补充。
1. 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式和功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也影响到系统软件。
2. 指令格式是指令用二进制代码和操作码表示的结构形式，指令格式由字段和地址码两字段组成。
3. 指令字长度分为单字长、半字长、双字长三种形式。
4. 形成指令地址的方式，称为指令寻址方式，有顺序寻址和跳跃寻址两种。
5. 形成操作数地址的方式，称为数据寻址方式。
操作数可以放在专用寄存器、通用寄存器、内存寄存器和指令寄存器中。
6. 堆栈是一种特殊的数据寻址方式，它采用先进后出原理。
按结构不同分为寄存器堆栈和存储器堆栈。
7. 二地址指令中，操作数的物理位置有三种型式，分别是寄存器-寄存器(RR)型、寄存器-存储器(RS)型和存储器-存储器(SS)型。
8. 地址码表示操作数的地址。
以其数量为依据，可以将指令分为零地址指令、一地址指令、二地址指令和三地址指令等几种。
1. 在单机系统中，三总线结构的计算机的总线系统由系统总线、内存总线和I/O总线等组成。
2. 一个适配器必须有两个接口：一个是和系统总线的接口，CPU和适配器的数据交换是并行方式，二是和外设的接口，适配器和外设的数据交换是并行或串行方式。
3. 总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通道，并在争用资源和的基础上进行工作。
4. 按照总线仲裁电路的位置不同，总线仲裁分为集中仲裁和分布仲裁。
5. PCI总线是当前流行的总线，是一个高带宽且与处理器无关的标准总线，又是至关重要的层次总线。
6. 单处理器系统中的总线可以分为三类，CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线称为内部总线；中、低速I/O设备之间互相连接的总线称为I/O总线；同一台计算机系统内的告诉功能部件之间相互连接的总线称为系统总线。
7. 一次总线的信息传送过程大致可以分为五个阶段，依次为请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送和状态返回。
8. 在总线上，由一个主方向多个从方进行写操作称为广播；多个从方的数据在总线上完成AND或OR操作称为广集。
1. 磁表面存储器的主要技术指标有存储密度、存储容量、平均存取时间和数据传输率等四个部分。
2. CRT显示器上构成图像的最小单元或图象中的一个点称为像素，磁盘记录面上的一系列同心圆称为磁道。
3. 汉字在输入时采用汉字输入编码如字形码、拼音码等，在存储时采用汉字机内码，在显示或打印时采用汉字字模编码如点阵。
4. 磁盘上访问信息的最小物理单位是记录块(扇区)。
5. 温彻斯特是一种可移动磁头的固定盘片的磁盘机。
6. 按读写性质划分，光盘可以分为只读型光盘、一次型光盘和重写型光盘三种。
二、单项选择题1. 计算机硬件能直接识别和执行的语言是CA．高级语言 B．汇编语言 C．机器语言 D．符号语言2. 输入、输出设备以及辅助存储器一般统称为 BA．I/O系统 B．外围设备 C．外存储器 D．执行部件3. 冯·诺依曼机工作方式的基本特点是AA．按地址访问并顺序执行指令 B．精确结果处理C．存储器按内部地址访问 D．自动工作4. 控制器、运算器和存储器合起来一般称为DA．I/O部件 B．内存储器 C．外存储器 D．主机1. 某数在计算机中用8421BCD码表示为0111 1000 1001，其真值是AA．789D B．789H C．1887D D．11110001001B2. 若某数x的真值为-0.1010，在计算机中该数表示为1.0110，则该数所用的编码方法是B码A．原 B．补 C．反 D．移3. 一个8位二进制整数，采用补码表示，且由3个“1”和5个“0”组成，则其最小值是C 10000011A．-127 B．-32 C．-125 D．-34. 下列数中最小的数为CA．101001B B．52Q C．29D D．233H1. 存储单元是指BA．存放一个二进制信息位的存储元B．存放一个机器字的所有存储元集合C．存放一个字节的所有存储元集合D．存放两个字节的所有存储元集合2. 存储周期是指为CA．存储器的读出时间 B．存储器的写入时间C．存储器进行连续读和写操作所允许的最短时间间隔D．存储器进行连续写操作所允许的最短时间间隔3. 相联存储器是按C进行寻址的存储器A．地址指定方式 B．堆栈存取方式 C．内容指定方式D．地址指定与堆栈存取方式结合4. 交叉存储器实质上是一种A存储器，它能执行独立的读写操作A．模块式，并行，多个 B．模块式，串行，多个C．整体式，并行，一个 D．整体式，串行，多个5. 主存储器和CPU之间增加CACHE的目的是AA．解决CPU和主存之间的速度匹配问题B．扩大主存的容量C．扩大CPU中通用寄存器的数量D．既扩大主存容量又扩大CPU通用寄存器数量6. 采用虚拟存储器的主要目的是DA．提高主存储器的存取速度 B．提高外存储器的存取速度C．扩大外存储器的存储空间D．扩大主存的存储空间，并能进行自动管理和调度1. 指令系统中采用不同方式的目的主要是BA．实现存储程序和程序控制B．缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性C．可以直接访问外存D．提供扩展操作码的可能并降低指令译码难度2. 寄存器间接寻址方式中，操作数处在CA．通用寄存器 B．堆栈 C．主存储器 D．程序计数器3. 指令的寻址方式有顺序和跳跃两种，采用跳跃寻址方式，可以实现_D_A．堆栈寻址 B．程序的条件转移C．程序的无条件转移 D．程序的条件转移或无条件转移4. 方式对实现程序浮动提供了支持BA．变址寻址 B．相对寻址 C．间接寻址 D．寄存器间接寻址5. 单地址指令中为了完成两个数的算术运算，除地址码指明的一个操作数外，另一个经常需采用CA．堆栈寻址方式 B．立即寻址方式 C．隐含寻址方式 D．间接寻址方式1. 计算机系统的输入输出接口是C之间的交接界面。
A．CPU与存储器 B．存储器与外围设备C．主机与外围设备 D．CPU与系统总线2. 在集中式总线仲裁中，B方式响应时间最快。
A．菊花链 B．独立请求 C．计数器定时查询 D．分布3. 作为现行PC机的主要系统总线是AA．PCI总线和ISA总线 B．EISA总线和VESA总线C．ISA总线和AGP总线 D．PCI总线4. 同步通信之所以比异步通信具有较高的传输速率，是因为DA．同步通信不需要应答信号且总线长度比较短B．同步通信用一个公共的时钟信号进行同步C．同步通信中，各部件存取时间比较接近D．以上各项因素的综合结果1. 计算机的外围设备是指DA．输入/输出设备 B．外存设备 C．通信设备 D．除主机外的其他设备2. CRT的颜色数为256色，则刷新存储器每个单元的字长应该为BA．256位 B．8位 C．7位 D．16位3. 字符显示器中的VRAM用来存放AA．显示字符的ASCII码 B．BCD码 C．字模 D．汉字内码4. 下列外存中，属于顺序存取存储器的是CA．软盘 B．硬盘 C．磁带 D．光盘三、简答题1. 说明定点运算器的主要组成答：ALU，寄存器，多路选择器，移位器，数据通路等2. 说明双符号位法检测溢出的方法答：在数据运算前将符号位照样再写一次，构成双符号位。
运算后，如果双符号位状态=00，表示结果为正，无溢出；=11，表示结果为负，无溢出；=01，表示结果为负，有溢出；=10，表示结果为正，有溢出。
1. 计算机存储系统分为哪几个层次？答：计算机存储系统一般指：CPU内的寄存器、CACHE、主存、外存、后备存储器等五个层次2. 存储保护主要包括哪几个方面？答：存储保护一般涉及存储区域保护和访问方式保护两大方面。
前者主要有页表保护、键保护、环保护等方式，后者则主要考虑对主存信息使用的读、写、执行三种方式的保护。
3. 说出至少三种加速CPU和存储器之间有效传输的措施。
答：主要有：1) 加长存储器的字长2) 采用双端口存储器3) 加入CACHE4) 采用多体交叉存储器1. 一个比较完善的指令系统应该包括哪几类指令？数据传送指令，算术运算指令，逻辑运算指令，程序控制指令，输入/输出指令，堆栈指令，字符串指令，特权指令2. 说明RISC指令系统的主要特点指令条数少，指令长度固定，指令格式、寻址方式种类少，只有取数/存数指令访问存储器1. 说明外围设备有哪几种类型有：输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备、过程控制设备2. 说明磁盘找道时间和等待时间的含义磁盘找道时间是指磁头移动到信息所在磁道所需要的时间，一般是一个平均时间值。