白中英计算机组成原理第1章 计算机系统概论PPT课件
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2021/2/1
7
1.2计算机发展简史
二、半导体存储器的发展
20世纪50～60年代，所有计算机存储器都是 由微小的铁磁体环
1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大 容量半导体存储器
从1970年起，半导体存储器经历了11代：单 个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、 1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。
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
2021/2/1
1
1.1计算机的分类
一、电子计算机从总体上来说分为两大类。 电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。
模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，
电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展 起来的，是用数目字来表示数量的大小。数 字计算机的主要特点是按位运算，并且不连 续地跳动计算。
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
2021/2/1
2
1.1计算机的分类
数字计算机
数据表示方式 数字0/1
计算方式
数字计数
计算机组成原理第1章课件(白中英编-科学出版社)
计算机组成原理
任课教师：赵静
目录
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第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
计算机系统概论 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 外围设备 输入输出系统
中央处理单元CPU （第五章） 控输 出 接 口 （第二章）
系统结构
基本概念
4. 操作系统
用来管理计算机资源(如处理器、内存、外部设备和各 种编译、应用程序 )和自动调度用户的作业程序 ,而使 多个用户能有效地共用一套计算机系统。
根据使用环境要求,操作系统大致分为批处理操作系统、分 时操作系统、网络操作系统、实时操作系统等多种。
5. 数据库管理系统
数据库： 实现有组织地、动态地存储大量相关数据 , 方便
基本概念
3. 控制器
控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作
(1) 程序
每一个基本操作就叫做一条指令,而解算某一问题的一 串指令序列,叫做该问题的计算程序,简称为程序。
(2) 指令的形式
操作码
指出指令所进行的 操作，如加、减、 乘、除、取数、存 数等
地址码
表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元 取；运算的结果应存 到哪个单元
系统结构
1.3 计算机的软件
1.3.1软件的组成和分类
操作系统 语言处理程序
基本概念
系统程序
数据库管理系统 诊断、排错程序 反病毒程序 卸载程序 备份程序 文件压缩程序
服务性程序
软件分类
办公软件包
应用程序
浏览器 实时控制软件 图形图像处理软件 其它应用软件
系统结构
任课教师：赵静
目录
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第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
计算机系统概论 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 外围设备 输入输出系统
中央处理单元CPU （第五章） 控输 出 接 口 （第二章）
系统结构
基本概念
4. 操作系统
用来管理计算机资源(如处理器、内存、外部设备和各 种编译、应用程序 )和自动调度用户的作业程序 ,而使 多个用户能有效地共用一套计算机系统。
根据使用环境要求,操作系统大致分为批处理操作系统、分 时操作系统、网络操作系统、实时操作系统等多种。
5. 数据库管理系统
数据库： 实现有组织地、动态地存储大量相关数据 , 方便
基本概念
3. 控制器
控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作
(1) 程序
每一个基本操作就叫做一条指令,而解算某一问题的一 串指令序列,叫做该问题的计算程序,简称为程序。
(2) 指令的形式
操作码
指出指令所进行的 操作，如加、减、 乘、除、取数、存 数等
地址码
表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元 取；运算的结果应存 到哪个单元
系统结构
1.3 计算机的软件
1.3.1软件的组成和分类
操作系统 语言处理程序
基本概念
系统程序
数据库管理系统 诊断、排错程序 反病毒程序 卸载程序 备份程序 文件压缩程序
服务性程序
软件分类
办公软件包
应用程序
浏览器 实时控制软件 图形图像处理软件 其它应用软件
系统结构
计算机组成原理白中英主编课件ch
设计阶段
根据需求分析结果, 设计软件 的体系结构、模块和数据库等。
测试阶段
通过单元测试、集成测试和系 统测试等手段, 确保软件质量。
需求分析
分析用户需求, 确定软件的功 能和性能要求。
编码阶段
将设计转化为计算机程序代码。
维护阶段
对软件进行修改、完善和升级, 以保持软件运行稳定和适应新 需求。
04 指令系统与汇编语言
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部, 通 过执行程序来实现各种计算任务。
02 计算机硬件组成
中央处理器
定义
中央处理器（CPU）是计算机的核心部件, 负责执行程序中 的指令, 控制计算机的各个部件协调工作。
功能
CPU的主要功能包括运算、控制和输入输出等, 它决定了计 算机的性能和功能。
组成
CPU由运算器、控制器、寄存器等组成, 其中运算器和控制 器是CPU的核心部分。
工作原理
输入输出设备的基本工作原理是利用各种传感器和驱动器来实现数据 的输入和输出。
总线与主板
定义
总线是计算机中各个部件之间传输数据的 通道, 主板则是计算机中各个部件的载体。
组成
总线包括数据总线、地址总线和控制总线 等, 主板则包括处理器插座、内存插槽、扩
展插槽等。
功能
总线的主要功能是连接各个部件并传输数 据, 主板则是固定和连接各个部件的载体。
可维护性 指计算机在出现故障时能够迅速修复 的能力, 通常用平均修复时间来衡量。
计算机性能测试方法
基准测试
通过运行一组标准化的测试程序来评 估计算机的性能, 如SPECint、 SPECfp等。
负载测试
通过模拟实际负载情况来测试计算机 的性能, 如并发用户数、事务处理速 率等。
根据需求分析结果, 设计软件 的体系结构、模块和数据库等。
测试阶段
通过单元测试、集成测试和系 统测试等手段, 确保软件质量。
需求分析
分析用户需求, 确定软件的功 能和性能要求。
编码阶段
将设计转化为计算机程序代码。
维护阶段
对软件进行修改、完善和升级, 以保持软件运行稳定和适应新 需求。
04 指令系统与汇编语言
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部, 通 过执行程序来实现各种计算任务。
02 计算机硬件组成
中央处理器
定义
中央处理器（CPU）是计算机的核心部件, 负责执行程序中 的指令, 控制计算机的各个部件协调工作。
功能
CPU的主要功能包括运算、控制和输入输出等, 它决定了计 算机的性能和功能。
组成
CPU由运算器、控制器、寄存器等组成, 其中运算器和控制 器是CPU的核心部分。
工作原理
输入输出设备的基本工作原理是利用各种传感器和驱动器来实现数据 的输入和输出。
总线与主板
定义
总线是计算机中各个部件之间传输数据的 通道, 主板则是计算机中各个部件的载体。
组成
总线包括数据总线、地址总线和控制总线 等, 主板则包括处理器插座、内存插槽、扩
展插槽等。
功能
总线的主要功能是连接各个部件并传输数 据, 主板则是固定和连接各个部件的载体。
可维护性 指计算机在出现故障时能够迅速修复 的能力, 通常用平均修复时间来衡量。
计算机性能测试方法
基准测试
通过运行一组标准化的测试程序来评 估计算机的性能, 如SPECint、 SPECfp等。
负载测试
通过模拟实际负载情况来测试计算机 的性能, 如并发用户数、事务处理速 率等。
最新计算机组成原理第1章-计算机系统概论教学讲义PPT课件
(3)控制器 *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： 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)
取指阶段 取指令
分析指令
执行阶段 执行指令
指令地址 寄存器PC
指令内容 指令译码
寄存器IR
器ID
存储器
10
功能部件
+“1”
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
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
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……
*组成：
地 址 地址 译 码 器 命令
数据
存储阵列
…… I/O电路
0 1 … w-1
0 1
…
…
n-1
…
存储字长W
0
…
1
…
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；
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
指令内容
程序 逻辑顺序
A+0
int nCount=0； ⑴
A+1
int nSum=0； ⑵
A+2 LP: nSum+=nCount； ⑶ ⑹ ⑼
白中英 第五版 计算机组成原理第1章PPT课件
(2) 指令的形式
操作码 地址码
指出指令所进行的 操作，如加、减、 乘、除、取数、存 数等
计算机组成原理
表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元 取；运算的结果应存 到哪个单元
3. 控制器
操作的编码
操作 加法 减法 乘法 除法 取数 存数 停机
编码 001 010 011 100 101 110 000
器 计算机的运算器长度：
• 8位、16位、32位或64位
计算机组成原理
2. 存储器
功能：保存或“记忆”数据和运算过程
存储的是0或1表示的二进制代码
存储单元： 在存储器中保存一个n位二进制数的
n个触发器，组成一个存储单元
存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每
个存储单元的编号，称为地址
存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用
1985 386DX 27.5万
1999
P--III
1989 486DX 120万
1999.10 P-III-COP
管数 310万 550万 450万 750万 750万 950万 2800万
27.11.202பைடு நூலகம் 2:35
计算机组成原理
1.2.4 计算机的性能指标
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，单位是字节/秒（B/S）。
•计算机的基本结构；
•采用二进制；
•数据和程序都放在内存中。
主
• 冯.诺伊曼结构
机
冯·诺依曼计算机硬件框图
存放数据 将信息和转程换序成机 器能识别的形式
存储器
算将术结运果算转换成 逻人辑们运熟算悉的形式
输入设备
运算器
输出设备
计算机组成原理
操作码 地址码
指出指令所进行的 操作，如加、减、 乘、除、取数、存 数等
计算机组成原理
表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元 取；运算的结果应存 到哪个单元
3. 控制器
操作的编码
操作 加法 减法 乘法 除法 取数 存数 停机
编码 001 010 011 100 101 110 000
器 计算机的运算器长度：
• 8位、16位、32位或64位
计算机组成原理
2. 存储器
功能：保存或“记忆”数据和运算过程
存储的是0或1表示的二进制代码
存储单元： 在存储器中保存一个n位二进制数的
n个触发器，组成一个存储单元
存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每
个存储单元的编号，称为地址
存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用
1985 386DX 27.5万
1999
P--III
1989 486DX 120万
1999.10 P-III-COP
管数 310万 550万 450万 750万 750万 950万 2800万
27.11.202பைடு நூலகம் 2:35
计算机组成原理
1.2.4 计算机的性能指标
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，单位是字节/秒（B/S）。
•计算机的基本结构；
•采用二进制；
•数据和程序都放在内存中。
主
• 冯.诺伊曼结构
机
冯·诺依曼计算机硬件框图
存放数据 将信息和转程换序成机 器能识别的形式
存储器
算将术结运果算转换成 逻人辑们运熟算悉的形式
输入设备
运算器
输出设备
计算机组成原理
计算机组成原理第1章ppt课件
和电路实现。
浮点数的表示与运算
浮点数的概念
浮点数是指小数点位置可以浮 动的数，用于表示更大范围、
更高精度的数值。
浮点数的表示方法
通常采用IEEE 754标准表示， 包括符号位、指数位和尾数位 。
浮点数的加减运算
需要进行对阶、尾数加减、规 格化等步骤，同时处理溢出和 舍入等问题。
浮点数的乘除运算
需要设计高效的算法和电路实 现，包括浮点乘法、浮点除法
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。
存取时间
逻辑门电路
基本逻辑门电路
介绍与门、或门、非门等 基本逻辑门电路的工作原 理和实现方法。
复合逻辑门电路
讲解与非门、或非门、异 或门等复合逻辑门电路的 工作原理和实现方法。
逻辑门电路的应用
介绍逻辑门电路在数字电 路中的应用，如组合逻辑 电路的设计和实现等。
03
计算机中的数据表示
数值数据的表示
定点数表示法
计算机的发展
计算机经历了从机械式计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算 机到超大规模集成电路计算机的五个发展阶段。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入 输出设备等，是计算机的物理基
础。
软件系统
包括系统软件和应用软件，是计算 机的逻辑基础。
数据
是计算机处理的对象，包括数值数 据、非数值数据和多媒体数据等。
浮点数的表示与运算
浮点数的概念
浮点数是指小数点位置可以浮 动的数，用于表示更大范围、
更高精度的数值。
浮点数的表示方法
通常采用IEEE 754标准表示， 包括符号位、指数位和尾数位 。
浮点数的加减运算
需要进行对阶、尾数加减、规 格化等步骤，同时处理溢出和 舍入等问题。
浮点数的乘除运算
需要设计高效的算法和电路实 现，包括浮点乘法、浮点除法
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。
存取时间
逻辑门电路
基本逻辑门电路
介绍与门、或门、非门等 基本逻辑门电路的工作原 理和实现方法。
复合逻辑门电路
讲解与非门、或非门、异 或门等复合逻辑门电路的 工作原理和实现方法。
逻辑门电路的应用
介绍逻辑门电路在数字电 路中的应用，如组合逻辑 电路的设计和实现等。
03
计算机中的数据表示
数值数据的表示
定点数表示法
计算机的发展
计算机经历了从机械式计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算 机到超大规模集成电路计算机的五个发展阶段。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入 输出设备等，是计算机的物理基
础。
软件系统
包括系统软件和应用软件，是计算 机的逻辑基础。
数据
是计算机处理的对象，包括数值数 据、非数值数据和多媒体数据等。
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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
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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(本全PPT)白中英
32
为提高数据的表示精度，当尾数的值不为 0 时，其绝 对值应≥0.5，即尾数域的最高有效位应为1,否则以修 改阶码同时左右移小数点的办法，使其变成这一表 示形式，这称为浮点数的规格化表示。
101.1101=0.1011101×20011=0.010111010×20100
规格化表示为尾数是0.1011101，阶码是0011 而尾数是0.01011101，阶码是0100不是规格化表示。
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(347) 8 =3×82+4×81+7×80=(103)10 (347.5) 8 =3×82+4×81+7×80+5×8-1 =(231.625)10 (34E.5) 16 =3×162+4×161+14×160+5×16-1 =(846.3125)10
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2、不同数制间的转换 1＞十进制八，十六进制二进制 法则 整数部分：除8（16）取余数 小数部分：乘8（16）取整 重复循环
0≤︱X︱≤2n －1 或： — (2n －1)≤ X≤2n －1 （16位整数范围：— (215 －1)≤ X≤ (215 －1)
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2、浮点表示法 1＞数的浮点表示 其范围和精度部分分别用定点数表示 123.45=1234.5×10－1=12345×10 －2 =123450×10 － 3 4796.54＝0 . 479654×104 0.00479654＝ 0 . 479654×10－2 －0.00479654＝ －0 . 479654×10－2
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任意十进制N，可以化为 N＝M×10E 其中M为小数，E为整数 一个数S的任意进制表示 （S）R＝m×Re m ：尾数，是一个纯小数。 e ：比例因子的指数，称为浮点的指数，是一个 整数。 R ：比例因子的基数，对于二进计数值的机器 是一个常数，一般规定Ｒ 为2，8或16。
计算机组成原理PPTPPT课件
➢钱晓捷，微型计算机原理及应用，清华大学出版社， 2006
精选ppt课件2021
2
目录
☼ 第一章 计算机系统概论 ☼ 第二章 指令系统 ☼ 第三章 中央处理部件CPU ☼ 第四章 存储系统 ☼ 第五章 输入输出（I/O）系统
精选ppt课件2021
3
第一章 计算机系统概论
1.1 计算机的基本概念
如何正确理解“计算机”这个术语呢？ 凡是能完成以下三类工作的机器就是计算机： ①能接受程序和数据的输入，并存储起来； ②能按照存储的程序对输入的数据进行自动处理 并得出结果； ③能把结果输出。
特点：控制简单，译码时间短，编码浪费，n位操作码能表示2n条指令
操作码长度不固定：操作码分散在指令字的不同字 段内
特点：能有效压缩操作码的平均长度，控制复杂，指令译码、分析较难
精选ppt课件2021
17
现代计算机中多采用不等长操作码——不同类的 指令，其操作码的长度不同。
对于一部分不需要操作数的指令可以将指令操作 码扩展到操作数字段，操作码的长度随地址码的减少 而增加。
在不增加指令长度的情况下，能充分利用指令的 各个字段扩展操作码的长度，使它可以表示更多的指 令。
实现不等长操作码可以通过扩展操作码法实现。
精选ppt课件2021
18
操作码扩展实现方式 等长扩展
每次扩展的操作码的位数相同。例如：4-8-12扩展法、 3-6-9扩展法、4-6-8扩展法 不等长扩展
10010101 10100001
操作码用来表明本条指令要 求计算机完成的操作，如加 法，减法，取数等，CPU中有 专门的译码电路来识别解释 各操作码
地址码用来给出参加本次运算的操作数和 运算结果所在的地址，根据地址码个数， 指令格式分为零地址、一地址选ppt课件2021
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☼ 第一章 计算机系统概论 ☼ 第二章 指令系统 ☼ 第三章 中央处理部件CPU ☼ 第四章 存储系统 ☼ 第五章 输入输出（I/O）系统
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3
第一章 计算机系统概论
1.1 计算机的基本概念
如何正确理解“计算机”这个术语呢？ 凡是能完成以下三类工作的机器就是计算机： ①能接受程序和数据的输入，并存储起来； ②能按照存储的程序对输入的数据进行自动处理 并得出结果； ③能把结果输出。
特点：控制简单，译码时间短，编码浪费，n位操作码能表示2n条指令
操作码长度不固定：操作码分散在指令字的不同字 段内
特点：能有效压缩操作码的平均长度，控制复杂，指令译码、分析较难
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17
现代计算机中多采用不等长操作码——不同类的 指令，其操作码的长度不同。
对于一部分不需要操作数的指令可以将指令操作 码扩展到操作数字段，操作码的长度随地址码的减少 而增加。
在不增加指令长度的情况下，能充分利用指令的 各个字段扩展操作码的长度，使它可以表示更多的指 令。
实现不等长操作码可以通过扩展操作码法实现。
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18
操作码扩展实现方式 等长扩展
每次扩展的操作码的位数相同。例如：4-8-12扩展法、 3-6-9扩展法、4-6-8扩展法 不等长扩展
10010101 10100001
操作码用来表明本条指令要 求计算机完成的操作，如加 法，减法，取数等，CPU中有 专门的译码电路来识别解释 各操作码
地址码用来给出参加本次运算的操作数和 运算结果所在的地址，根据地址码个数， 指令格式分为零地址、一地址选ppt课件2021
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(白中英)第1章PPT课件
表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元取 运算的结果应存到哪个单元
指令
加法 减法 乘法 除法 取数 存数 打印 停机
操作码
001 010 011 100 101 110 111 000
计算机组成原理 电子计算机的设计⊙思第想一章计算机系统概论
❖ 存储程序，程序控制 ❖ “存储程序”，是把指令以代码的形式事先输入到
集成度 – 表明微处理器的生产工艺水平 – 常用芯片上集成的晶体管数量来表达
计算机组成原理
⊙第一章计算机系统概论
通用微处理器
4位微处理器
– 1971年，Intel 4004，第一个微处理器
8位微处理器
– M6800、Z80和Intel 8080/8085 – Apple公司苹果机
16位微处理器
☼ 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。
计算机组成原理
⊙第一章计算机系统概论
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）
☆ “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。
指令
加法 减法 乘法 除法 取数 存数 打印 停机
操作码
001 010 011 100 101 110 111 000
计算机组成原理 电子计算机的设计⊙思第想一章计算机系统概论
❖ 存储程序，程序控制 ❖ “存储程序”，是把指令以代码的形式事先输入到
集成度 – 表明微处理器的生产工艺水平 – 常用芯片上集成的晶体管数量来表达
计算机组成原理
⊙第一章计算机系统概论
通用微处理器
4位微处理器
– 1971年，Intel 4004，第一个微处理器
8位微处理器
– M6800、Z80和Intel 8080/8085 – Apple公司苹果机
16位微处理器
☼ 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。
计算机组成原理
⊙第一章计算机系统概论
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）
☆ “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。
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
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
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➢作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被 集成电路40多年的发展历史准确无误地验证着。
➢摩尔定律有另外一种表述方法，即每过10年计算机系统性能将 会增加100倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增 加。
14.11.2020
21
1.2.2 半导体存储器的发展
20世纪50~60年代，磁芯存储器 价格昂贵，体积大，破坏性读出
1970年，半导体存储器 价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写
1974年之后，半导体存储器 价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。
有关存储器的介绍详见第3章
14.11.2020
22
1.2.3 微处理器的发展
20世纪70年代的处理器 4004 8008 8080 8086 8088
20世纪80年代的处理器 80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX
吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间； MIPS、MFLOPS等。
要求
初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习 打下基础。
14.11.2020
3
1.0 预备知识
问题1：一台计算机一般有哪几部分组成？
显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；
主机箱中有：主板、CPU、硬盘、内存、显卡、声卡等；
针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）
MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。
针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果）
其他的性能指标
主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性……
14.11.2020
3.1 硬件的组成要素
主存储器带宽
单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。
主频/时钟周期
CPU主时钟的频率——主频；其倒数为CPU的时钟周期(T周期)。
14.11.2020
29
1.2.4 计算机的性能指标（3/3）
CPU的运算速度
CPU执行时间：CPU执行一般程序所占用的CPU时间； CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期数； MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；
第1章 计算机系统概论
目录
1.0 预备知识 1.1 计算机的分类 1.2 计算机的发展简史 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
14.11.2020
2
学习要求
了解计算机的发展历程； 清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部件
的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程； 了解计算机性能评价指标和相关参数；
如P2 图1.1
数字计算机
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
处理模拟量信息
26
双核CPU
三核CPU
14.11.2020
27
1.2.4 计算机的性能指标（1/3）
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。
响应时间
从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。
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）
5
14.11.2020
6
14.11.2020
7
14.11.2020
8
14.11.2020
9
SDRAM内存条
DDR内存条
14.11.2020
10
80G硬盘
14.11.2020
11
硬盘数据线
14.11.2020
12
DVD光驱
14.11.2020
13
机内电源插头
14.11.2020
14
1.1 计算机的分类
20世纪90年代的处理器 486TM SX Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium Ⅲ
最近10年的处理器 Pentium 4 Itanium Itanium 2
14.11.2020
23
14.11.2020
24
14.11.2020
25
14.11.2020
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。
14.11.2020
28
1.2.4 计算机的性能指标（2/3）
总线宽度
一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。
注意课本上的表述错误！
主存储器容量
主存储器所能存储二进制数据的位数。
或者说“主存储器中所有存储元的总数目。”，而非“存储单元”！
超级计算机 高
低
数值连续、运算过程连续
14.11.2020
15
1.2 计算机的发展简史
1.2.1 计算机的五代变化
电子管 1946~1957年，第一代计算机
晶体管 1958~1964年 第二代计算机
摩尔定律
中小规模 集成电路
1965~1971年 1972~1990年
1991年~至今
超大规模集成电路
14.11.2020
18
第二代计算机(1958－1964)
晶体管
14.11.2020
19
14.11.2020
20
摩尔定律
➢1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（Gordon Moore）在一 篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍， 而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。
问题2：如何对以上设备分类？
输入输出设备 显示器，键盘，鼠标，音箱
中央处理设备 CPU（集处理和控制于一身）
存储设备
硬盘、内存
接口转换卡
显卡、声卡
部件连接线
总线
问题3：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？
一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分。
14.11.2020
4
14.11.2020
使用算盘计算y=ax+b-c
纸 ---------- 存储器 算盘 ---------- 运算器 笔 ---------- 输入/输出设备 人 ---------- 控制器
巨大规模 集成电路
14.11.2020
16
第一代计算机
第一代计算机(1945年－1958年)
采用电子管。
代表机型：ENIAC
1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制； 主要是为了解决美陆军提出的弹道计算
问题 ； 花费40万美元； 1955年10月2日最后切断电源。
14.11.2020
17
ENIAC
➢摩尔定律有另外一种表述方法，即每过10年计算机系统性能将 会增加100倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增 加。
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21
1.2.2 半导体存储器的发展
20世纪50~60年代，磁芯存储器 价格昂贵，体积大，破坏性读出
1970年，半导体存储器 价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写
1974年之后，半导体存储器 价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。
有关存储器的介绍详见第3章
14.11.2020
22
1.2.3 微处理器的发展
20世纪70年代的处理器 4004 8008 8080 8086 8088
20世纪80年代的处理器 80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX
吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间； MIPS、MFLOPS等。
要求
初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习 打下基础。
14.11.2020
3
1.0 预备知识
问题1：一台计算机一般有哪几部分组成？
显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；
主机箱中有：主板、CPU、硬盘、内存、显卡、声卡等；
针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）
MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。
针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果）
其他的性能指标
主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性……
14.11.2020
3.1 硬件的组成要素
主存储器带宽
单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。
主频/时钟周期
CPU主时钟的频率——主频；其倒数为CPU的时钟周期(T周期)。
14.11.2020
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1.2.4 计算机的性能指标（3/3）
CPU的运算速度
CPU执行时间：CPU执行一般程序所占用的CPU时间； CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期数； MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；
第1章 计算机系统概论
目录
1.0 预备知识 1.1 计算机的分类 1.2 计算机的发展简史 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
14.11.2020
2
学习要求
了解计算机的发展历程； 清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部件
的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程； 了解计算机性能评价指标和相关参数；
如P2 图1.1
数字计算机
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
处理模拟量信息
26
双核CPU
三核CPU
14.11.2020
27
1.2.4 计算机的性能指标（1/3）
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。
响应时间
从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。
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）
5
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6
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7
14.11.2020
8
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9
SDRAM内存条
DDR内存条
14.11.2020
10
80G硬盘
14.11.2020
11
硬盘数据线
14.11.2020
12
DVD光驱
14.11.2020
13
机内电源插头
14.11.2020
14
1.1 计算机的分类
20世纪90年代的处理器 486TM SX Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium Ⅲ
最近10年的处理器 Pentium 4 Itanium Itanium 2
14.11.2020
23
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24
14.11.2020
25
14.11.2020
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。
14.11.2020
28
1.2.4 计算机的性能指标（2/3）
总线宽度
一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。
注意课本上的表述错误！
主存储器容量
主存储器所能存储二进制数据的位数。
或者说“主存储器中所有存储元的总数目。”，而非“存储单元”！
超级计算机 高
低
数值连续、运算过程连续
14.11.2020
15
1.2 计算机的发展简史
1.2.1 计算机的五代变化
电子管 1946~1957年，第一代计算机
晶体管 1958~1964年 第二代计算机
摩尔定律
中小规模 集成电路
1965~1971年 1972~1990年
1991年~至今
超大规模集成电路
14.11.2020
18
第二代计算机(1958－1964)
晶体管
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19
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20
摩尔定律
➢1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（Gordon Moore）在一 篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍， 而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。
问题2：如何对以上设备分类？
输入输出设备 显示器，键盘，鼠标，音箱
中央处理设备 CPU（集处理和控制于一身）
存储设备
硬盘、内存
接口转换卡
显卡、声卡
部件连接线
总线
问题3：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？
一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分。
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使用算盘计算y=ax+b-c
纸 ---------- 存储器 算盘 ---------- 运算器 笔 ---------- 输入/输出设备 人 ---------- 控制器
巨大规模 集成电路
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16
第一代计算机
第一代计算机(1945年－1958年)
采用电子管。
代表机型：ENIAC
1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制； 主要是为了解决美陆军提出的弹道计算
问题 ； 花费40万美元； 1955年10月2日最后切断电源。
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ENIAC