5.1 计算机系统组成与结构(一)
简述计算机系统的组成
简述计算机系统的组成。
计算机系统由硬件系统和软件系统组成。
硬件系统包括以下五个部分：运算器、控制器；存储设备；输入设备；输出设备。
软件系统包括：系统软件和应用软件两个部分：系统软件是指计算机安装的各种操作系统；应用软件包括各种安装在操作系统上的实现不同用途的应用程序
系统软件与应用软件有什么区别。
1.硬件- 即构成计算机的内部和外部物理组件。
2. 操作系统- 管理计算机硬件的一组计算机程序。
3. 应用软件- 计算机上加载的程序，可借助计算机的能力实现特定的功能，
微型计算机的主要性能指标
字长
•计算机运算部件一次能处理的二进制数据的位数。
•微型计算机的字长都是8的整数倍
速度
•主频：时钟频率
•运算速度：MIPS每秒百万次指令
存储系统容量
•字节：每8个二进制位组成一个字节，简写为B
•1024B=210 B=1KB
•1024KB=1MB
•1024MB=1GB
•1024GB=1TB
可靠性
•计算机的可靠性是以平均无故障时间（MTBF),数值越大则系统性能越好
可维护性
计算机的可维护性是以平均修复时间（MTBF),数值越小则系统性能越好。
性能价格比
•性能价格比重的性能指数由专用公式进行计算机，性能价格比越大表明该计算机系统越好
易挥发性随机存取存储器，高速存取，读写时间相等，且与地址无关，如计算机内存等。
ROM-Read Only Memory只读存储器。
断电后信息不丢失，。
计算机体系结构与组织
计算机体系结构与组织计算机体系结构与组织是计算机科学中的一个重要概念，它涉及到计算机硬件的组成和设计原则，以及计算机系统的层次结构和功能划分。
本文将介绍计算机体系结构与组织的基本概念、主要组成部分以及其在计算机科学中的应用。
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构指的是计算机硬件组成和相互连接的方式，以及指令和数据在计算机系统中的传输和处理方法。
计算机体系结构包括计算机的组成部分、其功能和性能，以及与软件系统的接口。
计算机体系结构的主要目标是提供一种良好的计算机工作环境，以便用户可以方便地使用计算机。
它还包括处理器的类型和数量、内存的组织和容量、输入输出设备的种类和接口等。
二、计算机体系结构的主要组成部分1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是计算机体系结构的核心部分，负责执行计算机的指令和控制计算机的操作。
CPU包括运算器（ALU）和控制单元。
运算器负责执行算术和逻辑运算，而控制单元负责控制指令的执行顺序和操作。
2. 存储器：计算机的存储器用来存储指令和数据。
存储器包括主存储器和辅助存储器。
主存储器是计算机内存的一部分，用来存储正在执行的程序和相关的数据。
辅助存储器则用来存储大量的数据和程序，如硬盘、光盘等。
3. 输入输出设备：输入输出设备是计算机与用户进行信息交互的接口，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
输入设备用于将用户的指令和数据输入计算机系统，输出设备用于将计算机处理结果输出给用户。
4. 总线：计算机体系结构中的总线负责将数据和指令在各个部件之间传输。
总线分为数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线用于传输数据，地址总线用于传输存储器或设备的地址信息，控制总线用于传输控制信号。
三、计算机体系结构的应用计算机体系结构在计算机科学中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1. 计算机系统设计：计算机体系结构的设计是计算机系统设计的重要环节。
在设计计算机体系结构时，需要考虑到系统的性能需求、硬件限制和成本等因素。
计算机系统由哪些部分组成计算机系...
第一章引言1．计算机系统由哪些部分组成？计算机系统是按用户的要求接收和存储信息、自动进行数据处理并输出结果信息的系统。
计算机系统由硬件（子）系统和软件（子）系统组成。
硬件系统是计算机系统赖以工作的实体；软件系统保证计算机系统按用户指定的要求协调地工作。
硬件系统主要由中央处理器（CPU）、主存储器、辅助存储器（磁带、磁盘等）以及各种输入输出设备（键盘、显示器、打印机等）组成；软件系统由各种程序和数据组成。
2．名词解释：操作系统。
操作系统，是计算机系统的一种系统软件，由它统一管理计算机系统的资源和控制程序的执行。
操作系统既是一种资源管理程序，又是一种其他程序执行的控制程序，其目的是提供一个供其他程序执行的良好环境。
3．操作系统管理计算机系统的哪些资源？操作系统管理的计算机系统资源包括两大类：硬件资源和软件资源。
计算机系统的硬件资源主要包括中央处理器（CPU）、主存储器、辅助存储器（磁带、磁盘等）以及各种输入输出设备（键盘、显示器、打印机等）；软件资源包括各种程序和数据。
4．操作系统怎样为用户提供良好的运行环境？操作系统是一种系统程序，其目的是提供一个供其他程序执行的良好环境。
首先操作系统要使得计算机系统使用方便：操作系统为用户提供方便的使用接口，用户按需要输入命令或从提供的“菜单”中选择命令，操作系统按命令去控制程序的执行；用户也可以请求操作系统的功能模块为其服务，而不必了解硬件的特性。
其次操作系统要使得计算机系统能高效地工作：操作系统扩充硬件的功能，使硬件的功能发挥的更好；操作系统使用户合理共享资源，防止各用户间的相互干扰；操作系统以文件形式管理软件资源，保证信息的安全和快速存取。
5．操作系统怎样提高系统的效率？操作系统是一种系统程序，其目的是提供一个供其他程序执行的良好环境。
配置操作系统可以使得计算机系统能高效地工作：操作系统扩充硬件的功能，使硬件的功能发挥的更好；操作系统使用户合理共享资源，防止各用户间的相互干扰；操作系统以文件形式管理软件资源，保证信息的安全和快速存取。
计算机体系结构大学计算机基础知识全面解读
计算机体系结构大学计算机基础知识全面解读计算机体系结构是计算机科学与技术领域中的重要内容，它涉及到计算机硬件组成、计算机指令系统、计算机硬件和软件之间的交互关系等等。
本文将全面解读大学计算机基础知识中的计算机体系结构。
一、计算机体系结构的定义和作用所谓计算机体系结构，指的是构成计算机的各个硬件组成部分以及它们之间的连接方式、组织方式和功能。
计算机体系结构的设计和实现在计算机领域中起着重要的作用，它可以影响到计算机的性能、功耗、可靠性等方面。
二、计算机体系结构的组成1.中央处理器（CPU）CPU是计算机的核心部件，包括运算器和控制器两部分。
其中，运算器负责对数据进行运算和处理，而控制器负责指令的解析和执行。
2.存储器（内存）存储器用于存储计算机运行需要的数据和指令。
它分为主存和辅存两部分，主存存储运行中的数据和指令，而辅存则用于长期存储数据和程序。
3.输入输出设备输入输出设备用于与计算机进行信息的交互。
例如，键盘、鼠标、显示器、打印机等都属于输入输出设备。
4.总线总线是计算机中各个组件之间传输数据和控制信号的通道。
它包括数据总线、地址总线和控制总线。
三、计算机体系结构的类型根据不同的组成方式和功能特点，计算机体系结构可以分为以下几种类型：1.冯·诺伊曼结构冯·诺伊曼结构是最早提出的计算机体系结构之一。
它采用存储程序的方式，将数据和指令存储在同一个存储器中，并通过控制器从存储器中依次取出指令进行执行。
2.哈佛结构哈佛结构与冯·诺伊曼结构相比，将指令存储和数据存储分开，分别使用独立的存储器。
这样的结构可以实现指令和数据并行处理，提高计算机的性能。
3.组合式结构组合式结构将冯·诺伊曼结构和哈佛结构相结合，兼具两种结构的优点。
它的存储器既可以存储指令，也可以存储数据，根据需要进行读取和处理。
四、计算机体系结构的发展趋势随着计算机技术的不断发展，计算机体系结构也在不断演变和改进。
计算机系统的组成和基本结构资料
输出设备
微型计算机硬件系统的基本结构
中央处理器
概述 CPU的功能结构 CPU的主要技术参数
中央处理器
简称CPU（Central Processing Unit），是计算 机系统的核心，包括运算器和控制器两部分。 中央处理器是计算机的心脏。
运算器完成各种算术运算和逻辑运算。由进 行运算的运算器件和用来暂时寄存数据的寄 存器、累加器等组成。
固化在里面。 主要用于检查计算机系统的配置情况并提供
最基本的输入/输出控制程序。 特点是计算机断电后存储器中的数据仍然存在。 其他形式的只读存储器：可编程只读存储器PROM、可
擦除的可编程的只读存储器EPROM、闪存(Flash)本意是指互补金属氧化物半导体）， 主板上的一块可擦写的RAM芯片，用来保存 当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设 定。 CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电， 信息也不会丢失。 CMOS RAM本身只是一块内存，只有数据保 存功能，而对CMOS中各项参数的设定要通过 专门的程序。
计算机系统的组成 和基本结构
计算机系统的组成和基本结构
1. 计算机系统的构成 2. 计算机硬件系统 3. 计算机软件系统 4. 计算机工作原理 5. 选配一台计算机
计算机系统构成结构
计算机系统
软件系统（程序、文档） 硬件系统（设备）
何为硬件系统？ 何为软件系统？
硬件系统是指由电子器件和机电装置组 成的计算机实体； 软件系统是指为计算机运行工作服务的 全部技术资料和各种程序。
分类：按其工作特点分为只读存储器ROM （Read-Only Memory）和随机存取存储器 RAM (Random Access Memory) 。
随机存取存储器（ RAM）
计算机组成原理与系统结构
计算机组成原理与系统结构
计算机组成原理与系统结构是计算机科学中的一个重要课程，涉及到计算机硬件和软件的设计和实现。
计算机是由硬件和软件两部分构成的，硬件包括中央处理器、内存、输入输出设备等，而软件则包括操作系统、应用程序等。
在计算机组成原理中，我们主要学习计算机的基本原理和基本组成部分。
首先是计算机的基本原理，包括数字逻辑电路与门电路的设计与实现、布尔代数、时序电路等。
然后是计算机的基本组成部分，包括中央处理器、存储器、输入输出设备、总线等。
这部分内容主要涉及到计算机的组成和工作原理。
在系统结构方面，我们主要学习计算机系统的组成和结构。
计算机系统由硬件层面和软件层面构成。
硬件层面包括中央处理器、存储器、输入输出设备等，而软件层面包括操作系统、应用程序等。
这部分内容主要涉及到计算机系统的组成和工作方式。
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。
计算机系统的组成PPT
随着计算机技术的普及和信息化的加速，计算机安全问题越来越 重要，保护计算机安全已成为社会和个人的共同责任。
计算机安全的威胁
计算机安全的威胁来自多个方面，包括黑客攻击、病毒、木马、 钓鱼等，这些威胁严重威胁着计算机系统的安全和稳定。
防火墙技术
防火墙的定义
防火墙是指一种隔离设备，它 可以限制外部网络与内部网络 之间的访问，从而保护内部网
06
计算机未来发展趋势
人工智能在计算机中的应用
总结词：日益广泛
详细描述：人工智能在计算机中的应用已经变得日益广泛。随着人工智能技术的不断发展，它已经逐渐渗透到计算机系统的各 个领域。例如，自然语言处理技术可以用于智能客服、机器翻译等领域；机器学习技术可以应用于数据挖掘、图像识别等领域 ；深度学习技术可以用于语音识别、自动驾驶等领域。
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THANKS
集线器是连接网络节点的设备，能够将信 号放大并传输到其他节点。
调制解调器
调制解调器是实现数字信号和模拟信号转 换的设备，用于远程登录和控制等应用。
网络拓扑结构
星型拓扑结构
星型拓扑结构采用中心节点和分支节点 连接的格局，分支节点与中心节点相连
，实现信息交换。
A 总线型拓扑结构
总线型拓扑结构采用单根传输线作 为传输介质，节点通过总线连接并
组成
网络协议由语法、语义和 时序三个要素组成。
分层结构
计算机网络采用分层结构 ，常见的协议层次有物理 层、数据链路层、网络层 、传输层和应用层。
网络设备
路由器
路由器是连接不同网络的设备，能够实现 数据包转发和路由选择等功能。
交换机
交换机是连接局域网的设备，能够实现数 据帧的转发和过滤等功能。
计算机体系结构与组成基础知识
计算机体系结构与组成基础知识计算机体系结构与组成是计算机科学与技术领域中的基础知识之一。
它涵盖了计算机硬件和软件的结构和组成，以及它们之间的关系。
了解计算机体系结构和组成的基础知识对于计算机专业的学习和工作至关重要。
本文将介绍计算机体系结构和组成的基本概念和原理。
一、计算机体系结构的定义计算机体系结构指的是计算机内部各个组成部分之间的结构和连接方式。
它包括了计算机中的处理器、内存、输入输出设备等组件，以及它们之间的数据和控制信号传输方式。
计算机体系结构决定了计算机的计算能力、速度和可扩展性。
二、计算机组成的基本组件计算机组成是指计算机中各个硬件和软件组件的组织方式和工作原理。
计算机组成包括了中央处理器（CPU）、存储器（内存）、输入输出设备（键盘、鼠标、显示器等）、总线等。
中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和进行运算；存储器用于存储数据和程序；输入输出设备用于与计算机进行交互；总线是各个组件之间进行数据和控制信号传输的通道。
三、冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是现代计算机体系结构的基础，它由冯·诺依曼于1945年提出。
冯·诺依曼体系结构的特点是将程序和数据存储在同一块内存中，并通过指令和数据流进行交替。
它还包括了存储程序、指令流水线、存储器层次结构等重要概念。
四、计算机指令集计算机指令集是计算机处理器能够执行的指令的集合。
指令集分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。
复杂指令集包含了多种复杂的操作指令，可以完成较复杂的操作；精简指令集包含了一些简单的操作指令，但执行效率高。
常见的处理器架构包括x86、ARM等。
五、存储器层次结构存储器层次结构是计算机内存的组织方式。
它包括了高速缓存、主存和辅助存储器。
高速缓存是位于处理器内部的一块快速存储器，用于暂时存储频繁访问的数据和指令；主存是计算机的主要内存，用于存储程序和数据；辅助存储器是备份存储和长期存储数据的设备，如硬盘、光盘等。
计算机系统组成ppt课件
信息交换-总线
总线 (BUS)：交换数据的通道。包括3类：
– 地址总线 (AB) ：是CPU向内存储器或I/O接口传送地址信
息的通路，它是单方向的，只能从CPU向外传送。
– 数据总线 (DB)：传送数据（如在 CPU 与内存之间传送数
据和 CPU与 I/O 接口之间传送）
– 控制总线 (CB)：是CPU向内存储器或I/O接口传送命令信
CPU
• CPU（Central Processing Unit）：也称为中央处理器。
两大功能部件：控制器 +算术逻辑部件（运算器和寄存器） 内存
ALU(arithmetic & Logic Unit)
寄存器 控制器 累加器 寄存器
控制器、寄存器和累加器
• 控制器是计算机的指挥系统，控制器是通过地 址访问存储器，逐条取出选中单元的指令、分 析指令，并根据指令产生相应的控制信号作用 于其它各个部件，控制其它部件完成指令要求 的操作。 • 寄存器：高速存储器（数目很少，价格贵） • 累加器（运算器）：进行算术/逻辑运算
– 内存容量 ：内存容量是指微机内存储器的容量
它表示内存储器所能容纳信息的字节数.内存容量越大,它 所能存储的数据和运行的程序就越多,程序运行的速度就 越高,微机的信息处理能力就越强,所以内存容量是微机的 重要性能指标
微机指标（续）
盘和磁盘驱动器等）是否有故障。
• Step4: 加载 OS（如，Windows）。根据在
CMOS 中设置的磁盘优先顺序，从相应的盘中加载 OS （如A盘为优先盘但没有插入，则依次检查下一个）。 若找不到，则报错
• Step5: 根据配置信息，由 OS 设置计算机的运 行环境。配置信息来自于 CMOS 和配置文件 （Config）。 • Step6: OS 运行，开始接受用户命令。
计算机基本结构
计算机基本结构计算机基本结构是指计算机系统中各个组成部分的组织和联系方式，包括硬件和软件两个层面。
硬件层面主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等；软件层面主要包括操作系统、应用程序等。
计算机的基本结构决定着计算机的性能和功能。
一、中央处理器（CPU）中央处理器是计算机硬件中的核心部件，负责执行各种计算和控制指令。
它由运算器（ALU）、控制器和寄存器组成。
运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责解析和执行指令，寄存器用于存储数据和指令。
1. 运算器（ALU）运算器是计算机中的算术和逻辑运算单元，它可以对数据进行加、减、乘、除等各种运算操作，同时还可以进行逻辑运算，如与、或、非等。
运算器的性能直接影响计算机的运算速度和处理能力。
2. 控制器控制器是计算机中的指令解析和执行单元，它负责解析指令、控制各个部件的工作顺序以及处理异常情况。
通过控制器，计算机可以按照指令的要求完成各种操作。
3. 寄存器寄存器是计算机中的高速存储器，用于存储正在运行的指令和数据。
计算机中有多个寄存器，包括通用寄存器、程序计数器、指令寄存器等，它们具有不同的功能和用途。
二、存储器存储器是计算机中的数据存储部件，主要分为内存和外存两种形式。
内存是计算机中的主要存储介质，用于存储正在运行的程序和数据；外存则是辅助的存储介质，用于离线存储和长期保存数据。
1. 内存内存是计算机中的主要存储器，分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型。
RAM用于存储程序和数据，可读写；ROM用于存储固定的程序和数据，只读。
内存的容量和速度直接影响计算机的性能。
2. 外存外存主要包括硬盘、光盘、U盘等存储介质，用于离线存储和长期保存数据。
外存容量一般较大，但访问速度相对较慢。
三、输入输出设备输入输出设备是计算机与外部环境交互的接口，主要用于数据的输入和输出。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等；输出设备包括显示器、打印机、音响等。
计算机系统的结构与组成.ppt
(4)、I/O的速度
主机I／O的速度，取决于I/O总线的设计。 这对于慢速设备（例如键盘、打印机）关 系不大，但对于高速设备则效果十分明显。 例如对于当前的硬盘，它的外部传输率已 可达20MB／S、4OMB／S以上。
②字长。CPU进行运算和数据处理的最基本、最有效的信 息位长度。PC机的字长，已由8088的准16位(运算用16 位，I／O用8位)发展到现在的32位、64位。
③指令系统的合理性。每种机器都设计了一套指令，一般 均有数十条到上百条，例如：加、浮点加、逻辑与、跳 转……等等，组成了指令系统。
（2）、字长
操作系统的安装及使用
Windows xp操作系统的安装
要点一：在BIOS中将光驱设置为第一启动 项。
进入BIOS的方法随不同BIOS而不同，一 般来说有在开机自检通过后按Del键或者 是F2键等。
要点二：选择系统安装分区
从光驱启动系统后，就会看到如图所示的 Windows XP安装欢迎页面。根据屏幕提 示，按下Enter键来继续进入下一步安装 进程
遭遇停电
现象：显示器，主机，音箱等会在一瞬 间“强行关闭”。
现象分析：这是突然“停电”造成的。 由停电的瞬间产生的电压波动会冲击电 脑硬件的芯片，电路，电阻等。而一旦 停电时您正在进行磁盘读写操作，则有 可能产生坏道，或当你在编写文稿时， 则数据资料就会丢失……
应对之策：配电脑时选配个品牌电源，这样能 最大限度的从电源上减小电压波动对硬件造成 的不良影响。停电后，关闭所有电源，以防下 次来电时显示器和部份ＡＴＸ电源同时启动， 这样会造成对硬件的不良损害。当您用WORD编 辑文稿时，用上WORD的自动保存功能。如果停 电的瞬间恰好您在对磁盘进行操作，建议您下 次开机不要在启动时跳过磁盘检测，检测有无 产生坏道。一旦发现坏道，则用NORTON， PQMAGIC等工具软件来修复或屏蔽坏道。另外， 如果您经济上许可，建议选配一个UPS，为电 脑提供一段时间的断电保护.
计算机系统组成ppt课件
硬盘
选择读写速度快、容量适中的硬 盘，考虑是否需要固态硬盘。
组装流程演示
安装处理器和散热器
将处理器安装到主板上，并安 装好散热器。
安装主板和显卡
将主板安装到机箱内，并连接 好各种接口和线缆，安装显卡 并连接好显示器。
准备工作
准备好所需硬件和工具，确保 工作环境静电安全。
安装内存和硬盘
将内存插入主板内存插槽，将 硬盘安装到机箱内并连接好数 据线和电源线。
02 计算机硬件系统
中央处理器
01
02
03
组成
包括运算器和控制器，是 计算机的核心部件。
功能
负责解释计算机指令以及 处理数据，执行各种算术 和逻辑运算。
性能指标
主频、外频、倍频、缓存 等。
存储器
分类
功能
内存储器
外存储器
内存储器和外存储器。
用于存储程序和数据， 供CPU调用。
包括RAM（随机存储器） 和ROM（只读存储器）。
进行系统配置
根据个人需求进行系 统配置，如设置网络、 分辨率、声音等参数。
常见故障排查及维修方法
开机无显示 检查硬件连接是否正常、电源是否通 电等可能原因，并逐一排查解决。
系统蓝屏或死机
可能是硬件冲突、驱动程序问题或病 毒感染等原因导致，需要针对不同情 况进行排查和修复。
硬盘故障
硬盘出现故障可能导致数据丢失或无 法启动等问题，需要及时进行数据备 份和更换硬盘等操作。
系统调优
针对特定应用场景，对计算机系统进行综合调优，实现最佳性能表 现。
可靠性、可用性与可维护性评估
可靠性评估
通过故障率、平均无故障时间等指标，评估计算机系统的稳定性。
可用性评估
计算机系统结构 李学干
计算机系统结构概述计算机系统结构是指计算机硬件和软件组件之间的关系和组织方式。
在软件和硬件之间有多个层次的相互作用和依存关系，这些层次的组织方式称为计算机系统结构。
计算机系统结构是计算机科学中非常重要的一个领域，它涉及到计算机硬件设计、指令集架构、操作系统以及应用软件等方面。
计算机系统结构的组成计算机系统结构由以下几个主要组成部分组成：1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机系统的核心，负责执行指令并处理数据。
它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（Control Unit）和寄存器（Registers）等部分。
ALU负责执行算术和逻辑运算，控制单元负责控制指令的执行，而寄存器用于暂存数据。
2. 存储器存储器用于存储程序和数据。
计算机系统通常包括主存储器（主存）和辅助存储器（辅存）。
主存储器是CPU直接访问的存储器，而辅助存储器用于长期存储大量的数据和程序。
3. 输入输出（I/O）输入输出设备用于与外部世界进行数据的输入和输出。
常见的输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
计算机系统利用输入输出设备与用户进行交互，并将结果输出到显示器或打印机等设备上。
4. 总线总线是计算机系统中各个组件之间进行数据传输的通道。
它分为数据总线、总线和控制总线。
数据总线负责传输数据，总线负责传输，控制总线负责传输控制信号。
5. 指令集架构指令集架构是计算机硬件和软件之间的接口，定义了计算机能够执行的指令和操作。
常见的指令集架构包括xARM等。
不同的指令集架构决定了计算机的性能和可移植性。
计算机系统结构的设计原则设计计算机系统结构时需要遵循一些重要的原则，以保证系统的可靠性和性能。
1. 层次化原则计算机系统结构应该采用分层结构，将复杂的系统划分为若干层次，每个层次负责不同的功能。
这样可以提高系统的可维护性和可扩展性。
2. 模块化原则计算机系统应该由多个独立的模块组成，每个模块负责完成一定的功能。
这样可以提高系统的可测试性和可重用性。
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COMPUTER SYSTEM COMPOSITION AND STRUCTURE
理学院 计算机教研室 贾韶华
计算机硬件系统（一）
1
计算机系统概述
主要内容
2
中央处理器
存储系统
3
2017/12/23
PA R T
01
计算机系统概述
COMPUTER SYSTEMS OVERVIEW
2017/12/23
3
计算机系统概述
硬件系统是物理设备
软件系统是支撑物理设备工作的灵魂
硬件系统
软件系统
计算机系统
计算机系统概述 1. 硬件系统
冯•诺依曼体系结构
以美籍匈牙利数学家冯.诺依曼为首的研
制小组与参与研制 ENIAC 主要人员联名 发表了计算机史上著名的 101 页报告， 提出了存储程序控制的计算机结构（即 诺依曼机）；从此，奠定了现代计算机
计算机之父
的体系结构。
计算机系统概述 1. 硬件系统
冯•诺依曼体系结构 计算机由五个基本部件组成
计算机系统概述 1. 硬件系统
存储器
输入设备
运算器
输出设备
控制器
冯•诺依曼工作原理
计算机系统概述 1. 硬件系统
冯•诺依曼体系结构 计算机由五个基本部件组成 数据和程序采用二进制代码 采用“存储程序”方式
将编制好的程序（指令和数据）预先存入存储器中，计算机 工作时自动地从存储器中取出程序代码和数据，并加以执行。
计算机系统概述 2. 软件系统
操作系统 语言处理程序 诊断程序
┅┅
系 统 软 件
工具软件
应用程序
用户程序与文档
┅┅
应 用 软 件
计算机系统概述 3. 系统层次结构
用户程序与文档层
应用程序层 操作系统层
用户
应用软件 系统软件 冯•诺依曼体系结构
硬件层
PA R T
02
中央处理器（CPU）
CENTRAL PROCESSING UNIT
2017/12/23
11
中央处理器（CPU）
CPU（Central Processing Unit，中央处理器） ——计算机运算和控制核心
中央处理器（CPU）
主板
CPU 插座
中央处理器（CPU） 1. CPU结构
CPU由算术逻辑单元、控制单元、寄存器组及实现它们之间 联系的CPU总线构成。
算术 逻辑 单元 ALU
数据 路径
CPU
内 部 总 线
寄存器
控制 路径
控制单元 CU
CPU
主要功能：控制计算机的操作和处理数据。
中央处理器（CPU） 2. 指令系统（Instruction set）
指令：是指计算机完成某个基本操作的命令，是程序设计
的最小语言单位。 机器指令：根据冯诺伊曼的“存储程序”思想，CPU被设
计成能够识别采用二进制编码的指令。
机器指令：
中央处理器（CPU） 2. 指令系统
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0 0 0
1
1 1 0 0 1
0 0 0
0 1
1 0
ADD
加运算
R6
目的操作数
R2
源操作数
R6
源操作数
加法机器指令示例
ADD R6, R2, R6
加法汇编指令示例
中央处理器（CPU） 2. 指令系统
CPU 的 指 令 是 由 指 令 集 体 系 结 构 （ Instruction Set
Architecture，ISA）规定的。
指令系统：一台计算机所能执行的全部指令的集合。
中央处理器（CPU） 2. 指令系统
指令类型：
数据传输指令
I/O store load
算术逻辑指令
基本算术运算、布尔运算、移位运算
控制指令
Jump（无条件转移、条件转移）
中央处理器（CPU） 2. 指令系统
假设一台典型的计算机，它有16个通用寄存器，256个主存 储器单元，每单元8位。编码实现：将主存6CH和6DH单元 中的两个数相加，结果存入6EH单元中。 寄存器编号：0～F 主存储器单元编号：00～FF
机器指令
4位 12位
中央处理器（CPU） 2. 指令系统
算法描述：
将主存6CH和6DH单元中的两个 数相加，结果存入6EH单元中。
Step1：从主存6CH单元中取出数放到一个寄存器中 Step2：从主存6DH单元中出数放到另一个寄存器中 Step3：将两个寄存器中的数相加，结果放到寄存器中 Step4：从寄存器中取出计算结果存到主存6EH单元中 Step5：停止
中央处理器（CPU）
操作码 操作数 说 明
将地址为XY的存储 单元中的数据载入 寄存器R 将寄存器R中的数据 存入地址为XY的存 储单元中 将寄存器S、T中的 数相加，结果存入 寄存器R 停止执行（HALT）
(二进制) (十六进制)
将主存6CH和6DH单元中的两 个数相加结果存入6EH单元中。
0001
RXY
指令序列： 0001 0101 0110 1100 0001 0110 0110 1101 0101 0000 0101 0110
0011
RXY
0011 0000 0110 1110
0101 1100
RST 000
1100 0000 0000 0000
中央处理器（CPU） 2. 指令系统
汇编指令
汇编语言编码举例：计算1+2+3+…+1000的值。 MOV R0, #0 MOV R1, #1 LOOP: ADD R0, R1, R0 ADD R1, #1 CMP R1, #1000 BLE LOOP HALT ; 将寄存器R0置为0 ; 将寄存器R1置为1 ; 将R1与R0相加，结果保存到R0 ; R1加1 ; 比较R1与1000的大小 ; 如果R1小于或等于1000，从LOOP 指令开始执行 ; 程序结束
中央处理器（CPU） 3. CPU工作过程
开始
取一条指令
分析指令？
是运行指令
是结束指令
执行指令 写结果
结束
中央处理器（CPU） 3. CPU工作过程
写结果 取指令
执行
译码
中央处理器（CPU） 3. CPU工作过程
CPU
寄存器组 0 1 程序计数器PC A1 A2 A0
主存
A0 MOV R0,#0 A1 MOV R1,#1 A2 ADD R0,R1,R0 … … … … ADD R1,#1 CMP R1, #1000 BLE HALT LOOP
指令寄存器IR
MOV R0,#0 R1,#1
程序运行中在主存与寄存器之间的存储过程
中央处理器（CPU） 4. CPU高级话题
CISC与RISC
CISC复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer）
CPU设计成能够执行大量复杂的机器指令集。 优点：能够有效缩短新指令的代码设计时间，控制简单。 缺点：指令集与计算机结构设计复杂，指令执行速度慢。
RISC精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer）
CPU设计成只执行最基本的机器指令集。 优点：指令数目少，执行速度快。处理器设计更简单，可应用更多 先进的技术，开发更快的下一代处理器。 缺点：编写的代码量非常大。
中央处理器（CPU） 4. CPU高级话题
并行处理（Parallel Processing）
并行处理是为了节省大型和复杂问题的解决时间，计算机系 统中能同时执行两个或更多个处理的一种计算方法。 从理论上讲，在 n 个并行处理的执行速度可能会是在单一处 理机上执行的速度的 n 倍。
中央处理器（CPU） 4. CPU高级话题
机器周期、指令周期
机器周期（CPU周期）：完成一个基本操作所需要的时间 如取指周期、取数周期 指令周期：取出一条指令并执行这条指令的时间总和 一个指令周期通常由若干个机器周期组成 指令不同，所需的机器周期数也不同
我们有三个步骤。
中央处理器（CPU） 4. CPU高级话题
假定一条指令的执行有以下三个阶段：
一般情况下指令是一条一条的来处理，这种顺序处理， 机器里设备的利用情况是怎样的呢？
我们有三个步骤。
中央处理器（CPU） 4. CPU高级话题
1
2
3
4
5
6
7
8
9ms
若每个阶段的执行时间是1ms，那么三条指令执行完需要9ms的时间。
其中取值设备只有在1ms,4ms,7ms的时候在工作，有三分之二的时间空
闲着，因此产生了很多设备的空闲，所以引入了流水线。
中央处理器（CPU） 4. CPU高级话题
指令流水线（Instruction pipeline）
是多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。
目的：提高CPU利用率和执行指令的效率
将每条指令分为若干个阶段，并行执行不同指令的不同 阶段，从而同时执行多个指令。
我们有三个步骤。
中央处理器（CPU） 4. CPU高级话题
1 2 3 4 5 6 7 8 9ms
1
2
3
4
5
6
7
8
9ms
流水线方式执行三条指令所需时间：5ms
处理器的5级流水线
中央处理器（CPU） 4. CPU高级话题
指令流水线
流水线阶段 IF ID EX MEM WB 描 述 Instruction Fetch，取指 Instruction Decode，译码 Execute，执行 Memory Access，内存数据读或写 Write Back，数据写回到通用寄存器中 经典的处理器5级流水线