吉林大学_刘子良_计算机组成原理_视频配套_课件_ppt
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计算机组成原理(本全PPT)白中英
6第二节 计算机的发展
1、计算机五代变化 2、半导体存储器芯片的发展 3、微处理器的发展 4、计算机体系结构的变化 计算机体系结构是在冯•诺依曼结构的基础上，围 绕提高速度、提高字长、扩大存储容量、降低成本、 提高系统可靠性和方便使用等诸方面，通过新器件和 新软件提高计算机性能。 体系结构上，从指令系统、微程序设计、流水线 结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并 行体系结构、分布式体系结构等方面的形成和发展。 体系结构发展趋势：网络化、智能化、模块化、多媒体 应用。
31
阶码和尾数各占用的位数确定了浮点数的格式 对二进制数而言： 1110.011＝0.1110011×2100 0.001110011＝0.1110011×2－10 － 0.001110011＝－0.1110011×2－10 在将上面的数以浮点数格式存放时，只需将 红色部分按照浮点数格式要求的位数，化为相应 的补码或移码，按照浮点数格式存放。
16
(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
17
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
本课程是计算机及相关专业的核心专业基础课， 对后续课程（操作系统、接口与通信等）的学习十分 重要。考研必考课程。
通过课程的学习主要掌握以下内容
本课程主要讲授单处理机系统的组成及工作原 理。分析和说明计算机由哪些功能部件组成（结构）， 各功能部件在整机中的作用，以及它们如何完成各自 所分配的任务（工作原理）。
1、计算机五代变化 2、半导体存储器芯片的发展 3、微处理器的发展 4、计算机体系结构的变化 计算机体系结构是在冯•诺依曼结构的基础上，围 绕提高速度、提高字长、扩大存储容量、降低成本、 提高系统可靠性和方便使用等诸方面，通过新器件和 新软件提高计算机性能。 体系结构上，从指令系统、微程序设计、流水线 结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并 行体系结构、分布式体系结构等方面的形成和发展。 体系结构发展趋势：网络化、智能化、模块化、多媒体 应用。
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阶码和尾数各占用的位数确定了浮点数的格式 对二进制数而言： 1110.011＝0.1110011×2100 0.001110011＝0.1110011×2－10 － 0.001110011＝－0.1110011×2－10 在将上面的数以浮点数格式存放时，只需将 红色部分按照浮点数格式要求的位数，化为相应 的补码或移码，按照浮点数格式存放。
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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
本课程是计算机及相关专业的核心专业基础课， 对后续课程（操作系统、接口与通信等）的学习十分 重要。考研必考课程。
通过课程的学习主要掌握以下内容
本课程主要讲授单处理机系统的组成及工作原 理。分析和说明计算机由哪些功能部件组成（结构）， 各功能部件在整机中的作用，以及它们如何完成各自 所分配的任务（工作原理）。
2024版《计算机组成原理》ppt课件
《计算机组成原理》ppt课件目录•计算机系统概述•数字逻辑基础•计算机各部件的功能和组成•指令系统•CPU的结构和功能•存储器的层次结构•计算机组成原理的应用和发展01计算机系统概述Part计算机的发展历程第一代计算机（1946-1957）电子管时代，采用电子管作为基本元件，体积大、功耗高、可靠性差。
第二代计算机（1958-1964）晶体管时代，采用晶体管作为基本元件，体积减小、功耗降低、可靠性提高。
第三代计算机（1965-1970）集成电路时代，采用中小规模集成电路，使得计算机体积更小、功耗更低、可靠性更高。
第四代计算机（1971年至今）大规模和超大规模集成电路时代，计算机性能得到极大提升，应用领域不断扩展。
计算机系统的层次结构微程序机器级微指令由硬件直接执行，微程序由微指令构成，用于描述机器指令。
高级语言级用高级语言编写程序，通过编译或解释程序翻译成机器语言程序或汇编语言程序。
传统机器级用微程序解释机器指令系统，提供传统机器级虚拟机器。
汇编语言级用汇编语言编写程序，通过汇编程序翻译成机器语言程序。
操作系统级通过系统调用实现操作系统功能，提供扩展机器。
计算机的性能指标机器字长指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。
存储容量包括主存容量和辅存容量。
主存容量通常以字节为单位，辅存容量通常以位为单位。
存储容量越大，系统能存储的信息就越多。
运算速度用每秒钟所能执行的指令条数来表示，单位通常用MIPS（百万条指令/秒）。
运算速度越快，系统处理任务的能力越强。
02数字逻辑基础Part数制与编码数制的基本概念介绍二进制、十进制、十六进制等数制的基本概念及转换方法。
编码方式详细阐述原码、反码、补码等编码方式及其在计算机中的应用。
数的定点与浮点表示解释定点数与浮点数的表示方法，包括整数和实数的表示。
1 2 3引入逻辑变量和逻辑函数的概念，为后续的逻辑运算打下基础。
吉林大学计算机组成原理_视频配套_课件
吉林大学计算机组成原理_视频配套_课件一、概述吉林大学计算机组成原理课程是计算机科学与技术专业的重要课程之一，旨在帮助学生深入了解计算机系统的基本原理、计算机硬件的组成以及计算机系统的设计与实现。
本课件作为该课程的配套资料，旨在帮助学生更好地理解和掌握计算机组成原理的相关知识。
计算机组成原理是计算机科学与技术专业的基础课程之一，它涉及到计算机系统的各个方面，包括计算机硬件、软件、操作系统等。
在现代社会，计算机技术已经渗透到各个领域，成为各行各业不可或缺的一部分。
掌握计算机组成原理的知识对于从事计算机科学、信息技术、电子信息等领域的工作具有重要的实际意义。
本课件以视频形式呈现，通过生动的讲解和演示，帮助学生更好地理解和掌握计算机组成原理的核心内容。
课件中涵盖了计算机的基本组成、处理器架构、存储器系统、总线与接口技术、输入输出系统等方面的内容，全面涵盖了计算机组成原理的核心知识点。
课件结合实际案例和实践应用，帮助学生更好地理解相关知识和技能的应用场景。
通过本课程的学习，学生将掌握计算机系统的基本原理和硬件组成，具备计算机系统设计和实现的基本能力。
这对于后续学习计算机系统其他课程以及从事相关领域的工作具有重要的基础作用。
本课件还可以作为计算机专业学生的自学资料，帮助学生自主掌握计算机组成原理的核心知识。
1. 介绍吉林大学计算机组成原理课程的重要性和目标。
吉林大学计算机组成原理课程是一门介绍计算机硬件结构和工作原理的重要课程。
其重要性在于为学生提供了深入理解计算机系统的基础知识和核心技术的基础，帮助学生建立计算机系统的整体概念，掌握计算机硬件的基本组成、工作原理和设计方法。
在当前信息技术迅猛发展的时代背景下，掌握计算机组成原理的知识对于从事计算机科学、软件工程、电子信息工程等相关领域的工作具有重要的实际意义。
该课程的教学目标旨在培养学生的计算机系统分析和设计能力，使学生掌握计算机硬件的基本组成和层次结构，理解各组成部分的功能、性能指标及相互关系。
计算机组成原理与系统结构课件ch9 输入输出系统
° 假定每个扇区512字节， 磁盘转速为5400 RPM，广告声称寻道时间为12 ms, 数 据传输率为40 MB/s, 磁盘控制器开销为1 ms, 不考虑排队时间，则磁盘响应时间 为多少？
Disk Response Time= Seek time + Rotational Latency + Transfer time
扇区
磁道
磁盘表面被 分为许多同 心圆，每个 同心圆称为 一个磁道。 每个磁道都 有一个编号， 最外面的是 0磁道
注：所谓磁盘的格式化操作，就是在盘面上划分磁道和扇区，并在
扇区中填写扇区号等信息的过程
io.14
2020年4月5日星期日
如何增大磁盘片的容量？
° 提高盘片上的信息记录密度！ • 增加磁道数目——提高磁道密度 • 增加扇区数目——提高位密度，采用可变扇区数 道密度
2020年4月5日星期日
磁盘响应时间计算举例 （续）
° 假定每个扇区4K字节， 其它条件不变
Disk Response Time= Seek time + Rotational Latency + Transfer time + Controller Time + Queuing Delay
= 12 ms + 0.5 / 5400 RPM + 4 KB / 40 MB/s + 1 ms + 0 = 12 ms + 5.5 ms + 0.1 ms + 1 ms + 0 ms = 18.6 ms
• 数据记录方式按照写电流波形的极性、频率和相位的不同有：
- 归零制（RZ）：写1用正脉冲，写0用负脉冲，一位信息写完后，电流总 回到零，又叫双向归零制或典型归零制
计算机组成原理 第七课PPT课件
C1= g0+p0 C0 C2= g1+p1 C1 C3= g2+p2 C2 C4= g3+p3 C3
Company Logo
若将C1= g0+p0 C0代入C2表达式中的C1，依此类推，则 C1= g0+p0 C0 C2= g1+p1 g0+ p1 p0 C0 C3= g2+p2 g1+ p2 p1 g0+ p2 p1 p0 C0 C4= g3+p3 g2+ p3 p2 g1+ p3 p2 p1 g0+ p3 p2 p1 p0C0
Ci+1‘：十六进制的进位 Ci+1：十进制的进位 Fi3’~Fi1’：未修正的和数
BCD码十进制加法器设计的关键在于进位的产生及 和数的修正。
4. N位十进制加法器的构成
见 P52 图2.7 b 【例2.20】 设被加数x=(25)10，加数y=(68)10，用十进制加法 求x+y，要求写出BCD码执行相加的过程。
可见， Ci仅与gi、pi有关，即只与被加数、加数有关，可并 行产生。进位并行产生电路和进位加法器如下图所示。
Company Logo
C4
C3
C2
C1
C0
g3
P3 g2
P2 g1
P1 g0 P0
(a) 先行进位产生电路
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先行进位线路
F3
g3 FA
P3
C4
C3
F2
g2 FA
P2
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（2）真值表
Ai
Bi
Ci-1 Si
Ci
00000
00110
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若将C1= g0+p0 C0代入C2表达式中的C1，依此类推，则 C1= g0+p0 C0 C2= g1+p1 g0+ p1 p0 C0 C3= g2+p2 g1+ p2 p1 g0+ p2 p1 p0 C0 C4= g3+p3 g2+ p3 p2 g1+ p3 p2 p1 g0+ p3 p2 p1 p0C0
Ci+1‘：十六进制的进位 Ci+1：十进制的进位 Fi3’~Fi1’：未修正的和数
BCD码十进制加法器设计的关键在于进位的产生及 和数的修正。
4. N位十进制加法器的构成
见 P52 图2.7 b 【例2.20】 设被加数x=(25)10，加数y=(68)10，用十进制加法 求x+y，要求写出BCD码执行相加的过程。
可见， Ci仅与gi、pi有关，即只与被加数、加数有关，可并 行产生。进位并行产生电路和进位加法器如下图所示。
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C4
C3
C2
C1
C0
g3
P3 g2
P2 g1
P1 g0 P0
(a) 先行进位产生电路
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先行进位线路
F3
g3 FA
P3
C4
C3
F2
g2 FA
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（2）真值表
Ai
Bi
Ci-1 Si
Ci
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计算机组成原理(本全)ppt课件(2024)
I/O设备的分类
按数据传输方式可分为字符设备和块设备；按设备 共享属性可分为独占设备和共享设备。
I/O接口与I/O设备的连 接方式
包括并行接口和串行接口，其中并行接口传 输速度快，但传输距离短，而串行接口传输 速度慢，但传输距离长。
I/O控制方式与中断技术
I/O控制方式
包括程序查询方式、中断方式和DMA方式。程序查询方 式需要CPU不断查询I/O设备的状态，效率低下；中断方 式可以在I/O设备准备好数据后主动通知CPU，提高了 CPU的利用率；DMA方式则允许I/O设备与内存直接交 换数据，进一步提高了数据传输效率。
计算机的发展
计算机经历了从电子管、晶体管、集成电路到超大规模集成 电路等多个发展阶段，性能和体积不断得到优化和改进。目 前，计算机已广泛应用于各个领域，成为现代社会不可或缺 的工具。
计算机系统的组成
要点一
硬件系统
计算机硬件是计算机系统的物质基础，包括中央处理器、 内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等部分。其中 ，中央处理器是计算机的核心部件，负责解释和执行指令 ；内存储器用于暂时存储数据和程序；外存储器用于长期 保存数据和程序；输入设备用于将数据和信息输入到计算 机中；输出设备则将计算机处理结果以人们能够识别的形 式输出。
人们日常生活中最为熟悉的数制，每一位上的数码都是 0~9之间的数字。
十六进制表示法
在二进制基础上发展起来的一种数制，每一位上的数码由 0-9和A-F（对应十进制中的10-15）组成，常用于表示内 存地址和机器码等信息。
数的定点表示与浮点表示
定点表示法
小数点固定在某一位置的数制表示方 法，包括定点整数和定点小数，适用 于表示范围较小的数值。
总线技术
计算机组成原理PPT课件
图像处理软件
如Photoshop、GIMP等，用于编辑、处理 和美化图像。
游戏软件
提供娱乐和休闲功能，丰富人们的生活。
软件开发与维护
需求分析
对软件的功能需求进行详细分析，确 定软件的目标和功能。
02
设计阶段
根据需求分析结果，设计软件的架构、 模块和接口等。
01
03
编码阶段
根据设计文档，使用编程语言实现软 件的各个模块。
数据运算与逻辑运算
数据运算
加法、减法、乘法、除法等。
逻辑运算
与运算、或运算、非运算等。
运算器
加法器、乘法器、比较器等。
数据存储与访问方式
数据存储
内存、硬盘、闪存等。
访问方式
随机访问、顺序访问等。
存储结构
线性结构、树形结构、图形结构等。
06 计算机系统性能评价
计算机性能指标
运算速度
指计算机完成一项操作所需的时间， 包括CPU运算速度、内存存取速度等。
按用途
通用计算机和专用计算机。
计算机的应用领域
数据处理
企业、政府等组织 的数据存储、分析 和处理。
辅助设计
建筑设计、机械设 计、影视制作等领 域。
科学计算
天气预报、物理模 拟、工程设计等领 域。
自动控制
工业生产、交通管 理、智能家居等领 域。
网络通信
电子邮件、社交媒 体、在线会议等领 域。
02 计算机硬件组成
接口是连接设备与总线的桥梁，常 见的接口包括USB、HDMI等。
03 计算机软件组成
系统软件
操作系统ห้องสมุดไป่ตู้
是计算机系统的基本软件，负责管理计算机的硬件和应用程序，提供 计算机系统的控制、管理、维护等功能。
2024版计算机组成原理全ppt课件
掌握总线仲裁算法，实现总线的分配和管理。
实验步骤
确定总线仲裁方案、设计仲裁电路、连接并测试总线系统。
THANKS
感谢观看
ABCD
PCI总线
一种高性能的局部总线标准，广泛应用于计算机 内部设备连接。
IEEE 1394总线
一种高速串行总线标准，主要用于音视频设备的 连接和数据传输。
07
输入输出（I/O）系统组织结 构和设备接口技术
I/O系统基本概念和组成要素
I/O系统的定义
I/O系统是指计算机与外部设备之间进行数据传输和控制的系统， 它是计算机系统的重要组成部分。
ARM指令系统
ARM是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令集 和较少的寻址方式，广泛应用于嵌入式系统和移动设备。
MIPS指令系统
MIPS也是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令 集和较少的寻址方式，被用作许多大学计算机组成原理课 程的教材。
05
中央处理器（CPU）组成与功 能实现
08
计算机组成原理实验项目指导
实验项目一：简单组合逻辑电路设计
实验目的
掌握组合逻辑电路的基本原理和 设计方法。
实验要求
使用逻辑门电路搭建，测试并验 证电路功能。
实验内容
设计并实现一个简单的组合逻辑 电路，如加法器、比较器等。
实验步骤
确定设计目标、列出真值表、化 简逻辑表达式、选择器件并搭建
电路、测试与调试。
请求分段存储管理
在分段系统的基础上，增加了请求调段和分段置换功能。当 要访问的段不在内存时，产生缺段中断，系统将外存中的段 调入内存
04
指令系统设计与寻址方式选择
指令格式及操作码编码方法
指令格式
实验步骤
确定总线仲裁方案、设计仲裁电路、连接并测试总线系统。
THANKS
感谢观看
ABCD
PCI总线
一种高性能的局部总线标准，广泛应用于计算机 内部设备连接。
IEEE 1394总线
一种高速串行总线标准，主要用于音视频设备的 连接和数据传输。
07
输入输出（I/O）系统组织结 构和设备接口技术
I/O系统基本概念和组成要素
I/O系统的定义
I/O系统是指计算机与外部设备之间进行数据传输和控制的系统， 它是计算机系统的重要组成部分。
ARM指令系统
ARM是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令集 和较少的寻址方式，广泛应用于嵌入式系统和移动设备。
MIPS指令系统
MIPS也是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令 集和较少的寻址方式，被用作许多大学计算机组成原理课 程的教材。
05
中央处理器（CPU）组成与功 能实现
08
计算机组成原理实验项目指导
实验项目一：简单组合逻辑电路设计
实验目的
掌握组合逻辑电路的基本原理和 设计方法。
实验要求
使用逻辑门电路搭建，测试并验 证电路功能。
实验内容
设计并实现一个简单的组合逻辑 电路，如加法器、比较器等。
实验步骤
确定设计目标、列出真值表、化 简逻辑表达式、选择器件并搭建
电路、测试与调试。
请求分段存储管理
在分段系统的基础上，增加了请求调段和分段置换功能。当 要访问的段不在内存时，产生缺段中断，系统将外存中的段 调入内存
04
指令系统设计与寻址方式选择
指令格式及操作码编码方法
指令格式
计算机组成原理课件讲解PPT
计算机系统包括计算机硬件、操作系统、应用软件等多个部分，维护整个系 统的性能非常重要。
控制器
负责从存储器中提取指令，对整 个计算机进行协调和控制。
寄存器
用于快速存储和访问计算机执行 过程中需要用到的数据。
流水线技术的应用
流水线技术是将一个大的任务分成若干个小任务，分别处理后再组合成整体任务的技术，可以大大提高计算机 运行速度。
计算机性能指标
CPU主频
衡量CPU运行速度的重要标准。
存储器的层次结构
高速缓存
位于CPU和主内存之间，是存储器层次结 构中速度最快也最小的一层。
主内存
是计算机中大小和访问速度相对均衡的存 储器，主要用于保存程序及数据。
辅助存储器
数据传输速度较慢的存储器，常用于长期存储，如硬盘和光盘。
中央处理器的组成与工作原理
运算器
负责进行各种算术和逻辑运算， 是中央处理器的核心部分。
输入输出设备的分类
人机交互设备
如鼠标、键盘、触摸屏等，用于交互式操 作和输入。 Nhomakorabea图形设备
如显示器、投影仪等，用于显示图像、视 频等数据。
字符设备
如打印机、扫描仪等，用于数据输入输出。
输入输出方式的实现
1
中断方式
2
当有输入输出任务需要处理时，CPU会
停止当前的操作，并进入服务程序处理
输入输出任务。
3
计算机硬件系统的构架
1
冯诺依曼体系结构
由冯诺依曼于1945年提出，是计算机硬件结构设计的基本原则。
2
哈佛体系结构
指将指令和数据储存在不同的内存中，使得数据和指令可以同时传输。
3
人工智能体系结构
指为了加速特定类型的人工智能计算而设计的硬件和软件。
控制器
负责从存储器中提取指令，对整 个计算机进行协调和控制。
寄存器
用于快速存储和访问计算机执行 过程中需要用到的数据。
流水线技术的应用
流水线技术是将一个大的任务分成若干个小任务，分别处理后再组合成整体任务的技术，可以大大提高计算机 运行速度。
计算机性能指标
CPU主频
衡量CPU运行速度的重要标准。
存储器的层次结构
高速缓存
位于CPU和主内存之间，是存储器层次结 构中速度最快也最小的一层。
主内存
是计算机中大小和访问速度相对均衡的存 储器，主要用于保存程序及数据。
辅助存储器
数据传输速度较慢的存储器，常用于长期存储，如硬盘和光盘。
中央处理器的组成与工作原理
运算器
负责进行各种算术和逻辑运算， 是中央处理器的核心部分。
输入输出设备的分类
人机交互设备
如鼠标、键盘、触摸屏等，用于交互式操 作和输入。 Nhomakorabea图形设备
如显示器、投影仪等，用于显示图像、视 频等数据。
字符设备
如打印机、扫描仪等，用于数据输入输出。
输入输出方式的实现
1
中断方式
2
当有输入输出任务需要处理时，CPU会
停止当前的操作，并进入服务程序处理
输入输出任务。
3
计算机硬件系统的构架
1
冯诺依曼体系结构
由冯诺依曼于1945年提出，是计算机硬件结构设计的基本原则。
2
哈佛体系结构
指将指令和数据储存在不同的内存中，使得数据和指令可以同时传输。
3
人工智能体系结构
指为了加速特定类型的人工智能计算而设计的硬件和软件。
计算机组成原理ppt课件
03
计算机中的数据表示
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
数值数据的表示
定点数表示法
使用固定的小数点位置来表示数值，分为定点整 数和定点小数两种。
浮点数表示法
使用科学计数法表示数值，即尾数和指数的形式， 可以表示很大或很小的数。
原码、反码和补码
计算机中使用二进制数表示数值，为了处理负数， 采用了原码、反码和补码三种编码方式。
通道是一个独立于CPU的专 管输入/输出控制的处理机， 它控制设备与内存直接进行 数据交换。这种方式进一步 减轻了CPU的负担，但需要
更多的硬件资源。
THANKS
感谢观看
寄存器组
包括通用寄存器、程序计数器 （PC）、指令寄存器（IR）等， 用于暂存数据和指令。
内部总线
连接CPU内部各部件，实现数据 传输。
CPU的设计方法与技术
微程序设计
将一条机器指令细分为一系列微操 作，由微指令进行描述，提高指令
执行效率。
分支预测技术
将一条指令的执行过程划分为若干 个阶段，每个阶段由不同的硬件部 件并行处理，提高CPU的吞吐率。
08
输入输出（I/O）系统
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
I/O系统的基本概念与组成
I/O系统的定义
是计算机与外部设备之间进行数据传输和控制的系统。
I/O系统的组成
包括输入设备、输出设备、I/O接口和I/O控制逻辑等部分。
I/O设备的分类
按数据传输方式可分为并行设备和串行设备；按信息交换 的单位可分为字符设备和块设备。
浮点数的加减运算
IEEE 754标准（单精度、 双精度）
相关主题
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
以CPU为中心的单总线结构（续）
图1.9 面向CPU的单总线结构关系图
27
(1) 结构特点 靠一簇总线（包括地址总线、数据总线和各种控制线）来 实现CPU、存储器、I/O设备这间的信息交换。 (2) 分析与结论 1) 从单总线的传送方式可以看出，中央处理机不再是计算 机的中心，CPU与其它设备一样，只不过是单总线上的一个子 系统。 2) 采用单总线结构后系统功能增强。因为采用单总线传送 方式允许I/O设备直接与存储器交换信息，除分配总线使用权时 还要与CPU打交道外，基本上不影响CPU，同时，外部设备寄存 器和内存统一编码，这样中央处理机可以象访问内存一样访问 28 外部设备。
第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
运算器由：加 法器、移位门、寄 存器组、输入选择 门和数据总线组成。 如图1.2所示。
来自数据总线
选择门B
通用寄存器组 图1.2 运算器结构框图
9
10
《计算机组成原理》 主讲：刘子良
《计算机组成原理》 主讲：刘子良
第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 1.2.2 存储器的基本结构 功能：存放程序和数据装置，并满足计算机在执行过程中 能够随机访问这些程序和数据。 设置考虑（1）： 存 取 数据 程序 一个一个地 取出参与操作 一条一条地 如何解决？
《计算机组成原理》 主讲：刘子良
《计算机组成原理》 主讲：刘子良
第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
以CPU为中心的单总线结构（续）
第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成 3. 面向存储器的双总线结构 双总线结构如图1.10所示。 I/O接口 I/O接口
光电输入机
(3) 存在问题 1) 单总线的工作不允许有两个主设备同时使用总线。因此， 当I/O设备控制总线使用权时， CPU （它对总线使用的优先级别 低于I/O设备）不能从主存中取出数据，因而降低了 CPU 的处理 速度。 2) 由于所有设备都连在一簇总线上，总线负载很重，随着外 设与中央处理机之间交换信息量增大，可使系统的吞吐量呈饱 和状态，甚至无法胜任，从而使系统性能下降。 3) 单总线常采用异步互销应答方式，因此，控制逻辑比较复 杂。 细节问题将在I/O控制一章作详细讨论。
第一章 概论
1.1 冯· 诺依曼体制 2. 冯· 诺依曼体制 1)引进存储程序概念 2)计算机以运算器为核心的集中式控制 3)指令由操作码和地址码两部分组成，指令在计算机中最顺 序执行的，并受PC的统一控制 4)提出计算机系统应由：运算器、控制器、存储器、输入设 备和输出设备五大部分组成。 这些理论奠定了现代计算机的基本思想，在到目前为止， 大多数计算机仍沿用这一体制，人们称其为冯· 诺依曼体制。
(1) 结构特点 在内存上开了两个口子，一个通过高速缓冲存储器 Cache （它存有存储器部分信息的副本）与中央处理机相连，专供它 与CPU交换信息；另一个口子与原来的单总线相通，实现内存 与其他设备的信息交换。 (2) 分析与结论 1) 依据结构特点来关系图1.11所示。 CPU CPU I/O D
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显见，在这种结构中，存储器成为计算机的中心，所以把 这种结构称为面向存储器的双总线结构。 2) 这种结构不是对单总线结构的否定，而是对它很好的补 充。原因有二：第一，CPU通过专用总线与主存交换信息，不 仅提高了处理机的速度，而且减轻了系统总线的负担，防止饱 和。第二，主存与I/O设备交换信息，不必经过 CPU，因此又保 持了单总线的主要优点——系统灵活性。 3) 系统程序日益庞大，信息存储成为构成系统的一个核心 问题，整个系统由早期以CPU为中心发展为以存储系统为中心。 因此，这种双总线结构被广泛采用。
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I/O接口
宽行打印机
CPU
MEM CACHE
磁盘
图1.10 面向存储器的双总线结构关系图
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《计算机组成原理》 主讲：刘子良
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
面向存储器的双总线结构（续）
第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
面向存储器的双总线结构（续）
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《计算机组成原理》 主讲：刘子良
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第一章 概论
1.1 冯· 诺依曼体制 1. ENIAC概况 1) 数据表示——十进制 2) 工作存储器——只有20个单元，用于存放数据 3) 编程——先要人工对面板上 6000多个电子开关进行机械 定位，然后都转插线插头，插入与拨出方式来编制程序 4) ENIAC共用18000多个电子管， 6000多个继电器，耗电 140KW，占地 170平米，重 30吨，运算速度5000次/秒。ENIAC 可靠运行时间大概不超过20分钟。
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 设置考虑（2）： 访问 按地址进行 放于何处？ 将第个单元赋予编码，表征该单元地址 设地址寄存器MAR Memory Address Register
在地址寄存器和存储体之间是否加地址译码器呢？ 取决于地址给出方式 存（写入） 直接给出
设置一个存储体，并将存储体分成若干个单元。
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计算机组成原理
主讲：刘子良
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计算机组成原理
参 考 书 目 ◎《计算机组成原理教程》 科学出版社，1988年。白中英，韩兆轩 ◎《计算机组成与结构》 清华大学出版社，1990年。王爱英
计算机组成原理
课 程 简 介 计算机组成原理是计算机科学与工程系所有专业的 一门核心课程，它在先导课和后续课之间起着承上启下 的和继往开来的作用。计算机组成原理教学具有知识面 广、内容多、难度大、更新快的特点。 本课程讲述计算机组成与结构方面的知识，包括： 计算机系统概论、运算方法、运算器、存储系统、指令 系统、处理器、系统总线、外围设备、输入输出系统。
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《计算机组成原理》 主讲：刘子良
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成 3. 实现举例： 控A A 控B B 控C C C‘ CPC’
图1.6 计算机总线实现举例框图
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成 二、小型机、微型机的典型结构 A‘ SS 1. 以CPU为中心的双总线结构 如图1.7所示。 CPU CPB’ MEM
图1.4 控制器结构图 图1.5 外部设备的一般描述框图
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接口
接口
输入设备
输出设备
《计算机组成原理》 主讲：刘子良
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
◎输入设备把程序和数据转化为计算机能识别和处理的数据形 式的设备，输入的程序和数据存入计算机存储器中。 ◎输出设备是将计算机中的二进制信算转化为用户所需要的数 据格式的设备。它将计算机中的信息（计算结果等）以十进制 或字符、图形、表格等形式显示或打印出来。 以上，我们简要的介绍了计算机各主要部件的功能，以及其基 本构成在设置上的考虑，于是，留下的将是如何从硬件的角度， 将计算机各部件连成一个计算机系统的问题了。
图1.7 面向CPU的双总线结构
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CPA’
B‘
I/O接口 磁盘
I/O接口 输入机
I/O接口 打印机
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
以CPU为中心的双总线结构（续）
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1.3 计算机系统的硬件组成
以CPU为中心的双总线结构（续）
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
1.2.3 控制器的基本结构 功能：全机指挥机构，执行方式有如下三种， ◎按规定的操作去执行 ◎自动地去执行 ◎有秩序地去执行 下面，我们具体看一下各种执行方式。
第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
I/O 设备
CPU
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
1.2.1 运算器基本结构 功能：完成算术运算和逻辑运算的装置 设置考虑：任意算术运算（加 +、减 -、乘*、除/）都可以通 过相加和移位来解决。 举证：…… 这样一来，运算器的基本结构就确定下来，如图1.2所示。
图1.1 计算机基本组成框图
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 从图1.1中我们可以看出，计算机一般由以下几部分组成： ◎输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备五大部分 ◎运算器与控制器统称为中央处理机 CPU ◎习惯将输入设备、输出设备统称为I/O设备 输入设备 存储器 运算器 控制器 输出设备
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1.2 计算机的基本组成 人们常提到的 反馈信息 操作命令 运算器 冯· 诺依曼机与原始 结 数 果 的以运算器为中心 据 存储器 输出设备 的冯· 诺依曼机在结 输入设备 地 指 构上有很大的改进。 址 令 控制信号 控制信号 现在已转向以存储 控制器 请求信号 请求信号 器为中心的计算机 组成方式。如图1.1 控制台 所示。
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
如何将计算机各个组成部件连接成为一个有机整体。为此， 人们提出一种重要的组成系统技术——总线。 一、总线 1. 总线的概念 所谓总线，就是连接多个部件的一组共享信息传送线路， 它能够分时接收和发送各部件信息。 2. 典型做法 ◎发送端：通过三态门将信息分时送入总线 ◎接收端：靠定时打入脉冲接收信息