计算机组成原理与体系结构结构分析
计算机组成原理(本全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
计算机组成与系统结构
计算机组成与系统结构1冯•诺依曼计算机设计思想：依据存储程序，执行程序并实现控制。
2. 早期计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。
3软件系统爆过两大部分：系统软件和应用软件。
4.计算机的层次结构分为：微程序或逻辑硬件、机器语言、操作系统、汇编语言、高级语言、应用语言。
5计算机系统结构、组成与实现之间的区别与联系：①计算机结构：也称为计算机体系结构，是一个系统在其所处环境中最高层次的概念；是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配。
②计算机组成：也常译为计算机组织或成为计算机原理、计算机组成原理。
在计算机系统结构确定了分配给硬件子系统的功能及其概念之后，计算机组成的任务是研究硬件子系统各部分的内部结构和相互联系，以实现机器指令级的各级功能和特性。
③计算机实现：指的是计算机组成的物理实现，主要研究个部件的物理结构，机器的制造技术和工艺等，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度、速度和信号。
器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。
6Flynn分类法：按照计算机在执行程序时信息流的特征分为单指令单数据流计算机（SISD）单指令多数据流计算机（SIMD）、多指令单数据流计算机（MISD）、多指令多数据流计算机(MIMD).劝卩速比Sp=1/{(1-Fe)+Fe/Re},Fe为可改进比例，Re为部件加速比。
8•在计算机中有两种信息在流动，一种是控制流，即控制命令，由控制器产生并流向各个部件；另一种是数据流，它在计算机中被加工处理。
9•摩尔定律得以延续的理由：集成电路芯片的集成度每18个月翻一番。
10•冯•诺依曼计算机的执行过程：将要处理的问题用指令编程成程序，并将程序存放在存储器中，在控制器的控制下，从存储器中逐条取出指令并执行，通过执行程序最终解决计算机所要处理的问题。
11数据编码的好处：用更少的数据表示更多的信息。
计算机组成与系统结构
计算机组成与系统结构1.冯·诺依曼计算机设计思想：依据存储程序，执行程序并实现控制。
2.早期计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。
3.软件系统爆过两大部分：系统软件和应用软件。
4.计算机的层次结构分为：微程序或逻辑硬件、机器语言、操作系统、汇编语言、高级语言、应用语言。
5.计算机系统结构、组成与实现之间的区别与联系：①计算机结构：也称为计算机体系结构，是一个系统在其所处环境中最高层次的概念；是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配。
②计算机组成：也常译为计算机组织或成为计算机原理、计算机组成原理。
在计算机系统结构确定了分配给硬件子系统的功能及其概念之后，计算机组成的任务是研究硬件子系统各部分的内部结构和相互联系，以实现机器指令级的各级功能和特性。
③计算机实现：指的是计算机组成的物理实现，主要研究个部件的物理结构，机器的制造技术和工艺等，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度、速度和信号。
器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。
6.Flynn分类法：按照计算机在执行程序时信息流的特征分为单指令单数据流计算机(SISD)、单指令多数据流计算机(SIMD)、多指令单数据流计算机(MISD)、多指令多数据流计算机(MIMD).7.加速比Sp=1/{(1-Fe)+Fe/Re},Fe为可改进比例，Re为部件加速比。
8.在计算机中有两种信息在流动，一种是控制流，即控制命令，由控制器产生并流向各个部件；另一种是数据流，它在计算机中被加工处理。
9.摩尔定律得以延续的理由：集成电路芯片的集成度每18个月翻一番。
10.冯·诺依曼计算机的执行过程：将要处理的问题用指令编程成程序，并将程序存放在存储器中，在控制器的控制下，从存储器中逐条取出指令并执行，通过执行程序最终解决计算机所要处理的问题。
计算机考研十大核心考点总结
计算机考研十大核心考点总结
一、计算机组成原理
计算机组成原理是计算机科学的一个基础，是考研计算机的重要科目，它涉及计算机系统体系结构的概念，关系的数据处理技术等。
其中，主要
考察计算机体系结构、计算机存储器，CPU结构，机器指令等方面的相关
知识，是考研计算机考试的重要考点。
1.计算机系统概述
计算机系统包括硬件、软件、中断、存储器以及I/O系统，其中硬件
由处理器、控制器、存储器和接口组成，软件由操作系统、辅助工具和应
用程序组成。
计算机系统中的数据在系统设计、实施和管理过程中起着重
要作用，是系统可靠性和性能的主要考量因素。
2.CPU体系结构
CPU是计算机系统中的中央处理器，主要负责数据的存取、处理和控制，它经历了多次改进和升级，现代计算机CPU一般由指令集、控制单元、内部总线和外部总线等组成，有了这些组成部件，CPU就可以实现指令系
统的运行和控制，保证数据的处理和控制。
3.存储器体系结构
存储器可以分为两类，一类是主存储器，一类是外存储器，外存储器
分为磁盘和移动存储器，而主存储器又分为物理内存和虚拟内存。
计算机体系结构与组成原理
计算机体系结构与组成原理计算机体系结构与组成原理讨论了计算机系统的基本原理、组成结构和相互关系。
它研究了计算机的硬件和软件组件，并介绍了计算机如何执行指令以及数据在计算机内部的处理方式。
本文将从计算机体系结构和计算机组成原理两个方面来探讨这一主题。
一、计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件和操作系统之间的接口关系。
它定义了计算机的结构、功能和性能特征，包括内存、输入输出设备和处理器等组件。
计算机体系结构的设计决定了计算机系统的可扩展性和性能。
1. 冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是一种广泛应用的计算机体系结构，是由冯·诺依曼于1945年提出的。
它包括了一个存储器、一个运算器、一个控制器、输入设备和输出设备等组件。
其中存储器用于存储数据和指令，运算器用于执行算术和逻辑运算，控制器用于指挥各个组件的操作。
2. 硬件层次结构计算机体系结构还可以按照硬件的层次结构进行分类。
常见的硬件层次结构包括计算机系统、总线、处理器和存储器等。
计算机系统是最高层次的硬件，它由多个处理器和存储器组成，并通过总线进行连接。
二、计算机组成原理计算机组成原理研究了计算机硬件的内部结构和功能，包括处理器、存储器、输入输出设备等。
它关注计算机内部数据的存储、传输和处理方式。
1. 处理器处理器是计算机的核心组件，负责执行指令和处理数据。
它由控制器和算术逻辑单元组成。
控制器用于解析和执行指令，算术逻辑单元用于执行算术和逻辑运算。
2. 存储器存储器用于存储计算机内部的数据和指令。
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）。
RAM用于临时存储数据和程序，而ROM则用于存储固定的指令和数据。
3. 输入输出设备输入输出设备用于将数据和指令传递给计算机系统，或将计算结果输出到外部设备。
常见的输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器和打印机等。
三、计算机体系结构与组成原理的关系计算机体系结构和组成原理是相互关联的，在计算机系统设计和优化过程中起着重要作用。
计算机组成-冯·诺依曼体系结构
计算机组成-冯·诺依曼体系结构计算机组成 - 冯·诺依曼体系结构⽬录计算机组成原理⽬录：计算机组成原理在整个计算机课程中的地位如下图所⽰：图1：计算机体系结构计算机组成原理这门课会围绕冯·诺依曼体系的五⼤组成部分展开，分别介绍运算器、控制器、存储器、输⼊设备和输出设备。
运算器、控制器、存储器、输⼊设备和输出设备。
1. 冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构(Von Neumann architecture)，也叫存储程序计算机。
什么是存储程序计算机呢？这⾥⾯其实暗含了两个概念：可编程计算机：计算机是由各种门电路组合⽽成的，然后通过组装出⼀个固定的电路板，来完成⼀个特定的计算程序。
⼀旦需要修改功能，就要重新组装电路。
这样的话，计算机就是“不可编程”的。
如计算器就是不可编程的。
存储计算机。
⽐如内存和硬盘都是存储设备。
图2：冯·诺依曼体系结构⽰意图处理器单元(Processing Unit)：⾸先是⼀个包含算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和处理器寄存器（ProcessorRegister）的处理器单元（Processing Unit），⽤来完成各种算术和逻辑运算。
因为它能够完成各种数据的处理或者计算⼯作，因此也有⼈把这个叫作数据通路（Datapath）或者运算器。
控制器单元(Control Unit/CU)：是⼀个包含指令寄存器（Instruction Register）和程序计数器（Program Counter）的控制器单元（Control Unit/CU），⽤来控制程序的流程，通常就是不同条件下的分⽀和跳转。
在现在的计算机⾥，上⾯的算术逻辑单元和这⾥的控制器单元，共同组成了我们说的 CPU。
存储器存储器：⽤来存储数据（Data）和指令（Instruction）的内存。
以及更⼤容量的外部存储，在过去，可能是磁带、磁⿎这样的设备，现在通常就是硬盘。
计算机组成原理 第四章 微体系结构
一个短序列的微指令（对应一条机器指令）可 能位于CM的任何位置，而且不一定连续，但通过 NEXT-ADDRESS可以连续执行。 3.主循环微程序 主循环的起点是标号为Main1的行，一条微指令， 完成功能： PC+1，指向操作码之后的第一个字节（下一条 指令OP或本条指令的第二个字节） Fetch，取下一条指令OP或本条指令的第二个字节 Goto(MBR)，Main1开始处的MBR指向的地址，因
MDR=SP+MDR H=H-MDR SP=MDR=SP+1 MAR=SP;rd MDR=H goto label (goto Main1) TOS=TOS Z=TOS if(Z) goto L1;else goto L2 Z=TOS;if(Z) goto L1;else goto L2 goto (MBR OR value) goto(MBR)
2）微指令格式 主要包括两部分 微操作码字段，又称为操作控制（控制命令） 字段，提供机器指令的一个执行步骤所需的微命令， 以控制各部件执行该步骤的操作。 微地址码字段，又称为顺序控制（下地址）字 段，用于指定后继微指令地址的形成方式，控制微 程序的自动连续执行（微程序设计的难点）
操作控制字段 顺序控制字段
4.1.2 微指令
Addr—下一条可能执行的微指令地址。 JAM—决定如何选择下一条微指令。 ALU—ALU和移位器的操作。 C—选择C总线的数据将要写入的寄存器。 Mem—内存操作。 B—选择B总线的数据来源，采用图示的编 码方式。
4.1.3微指令控制:Mic_1
JAM JAM JAM
000
过程（方法） 局部变量
4.2.2 IJVM 内存模型
4.2.3 IJVM 指令集
Hale Waihona Puke *※ ※∆ ∆ ∆ *
组成原理与计算机体系结构
组成原理与计算机体系结构计算机是一个非常复杂的系统，它在现代社会中扮演着至关重要的角色。
那么，计算机是如何诞生的呢？它的组成原理又是什么呢？本文将为大家介绍计算机的组成原理和体系结构，希望能够帮助大家更好地理解计算机。
一、计算机的组成原理计算机是由许多不同的部件组成的，这些部件需要相互配合才能正常工作。
计算机的主要组成部分包括：中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、硬盘、输入设备和输出设备等。
下面将分别介绍这些部件。
1、中央处理器中央处理器是计算机的“大脑”，它负责处理所有的指令和数据。
中央处理器包括两个重要的部分：控制单元和算术逻辑单元。
控制单元的主要功能是从内存中取出指令并执行它们，而算术逻辑单元则是负责执行各种算数和逻辑运算。
2、随机存储器随机存储器是计算机的内存，它用于暂时存储数据和指令。
随机存储器的容量和速度非常重要，它们直接影响计算机的性能。
3、硬盘硬盘是计算机的主要存储设备，它用于长期存储数据和程序。
硬盘的容量随着技术的发展而不断增加，目前最大的硬盘容量已经达到数十TB。
4、输入设备和输出设备输入设备和输出设备也是计算机的主要组成部分。
输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等，而输出设备则包括显示器、打印机、喇叭等。
二、计算机体系结构计算机体系结构是计算机硬件和软件之间的接口，它描述了计算机的组成和运行方式。
计算机体系结构包含两个层次：指令集体系结构和微体系结构。
下面将分别介绍这两个层次。
1、指令集体系结构指令集体系结构是计算机处理器和编译器之间的接口。
它定义了计算机所支持的指令集以及这些指令的语法和语义。
指令集体系结构包含许多方面，比如地址模式、数据类型、寄存器、中断和异常等。
2、微体系结构微体系结构是计算机处理器内部的设计，它描述了如何实现指令集体系结构。
微体系结构包括处理器中的电路、指令流水线、分支预测、缓存和总线等。
三、计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展经历了几个重要的阶段。
计算机组成原理
2、总线规范
每个总线标准都有详细的规范说明，一般包括以下几个部分 1）机械性能规范：模板尺寸、插头、连接器的规格及位置 等。 2）功能规范：信号线的序号、名称及功能等。 3）电气特性的规范：信号线的电平种类、动态转换时间、 负载能力等。
五、总线的性能指标
评价总线性能的优劣 1、总线宽度：主要是指数据总线的数目。如4/8/16/32/64 直接影响总线的传输率（吞吐量） 2、标准传输率（总线带宽） 单位时间内总线上传输数据的位数。以MB/S表示。 例如：某总线工作频率为8.33MHZ，总线宽度为16位，则 标准传输率为 8.33M×2B/s=16.66MB/s 3、总线定时协议（握手机制） 数据传输采用何种时钟控制。分为同步、异步、半同步、 分离式几种 4、总线控制方式：如仲裁机制、自动配置等。 5、总线复用 两种不同时出现的信号共用一组物理线路，即分时使用同 一组总线，称为总线的多路分时复用。其目的在于减少芯 片的引脚数。 6、信号线数：总线所包含的全部信号线的总数。 7、其它指标：如负载能力、电源电压、能否扩展等。
第三章 系统总线
3.1 总线概述 3.2 常用的总线标准 3.3 总线结构
3.4 总线控制
3.1 总线概述
一、为什么要用总线
机内部件间互连方式：
早期：分散连接 以运算器为核心，内部连线复杂，尤其是当I/O 与存储器交换信息时，都需要经过运算器，严重影 响CPU的工作效率。
采用存储器为核心的分散连接结构，虽采用中断、 DMA等技术，仍无法解决I/0设备与主机之间连接的 灵活性。 目前：总线连接
MAR MDR 容量 10 8 1 K × 8位 16 32 64 K × 32位
1K = 210
2 b = 1 KB 1B = 23b 221b = 256 KB 80 GB
计算机体系结构和计算机组成原理的区别
计算机体系结构和计算机组成原理的区别计算机体系结构和计算机组成原理是计算机科学领域中两个非常重要的概念，但它们具有不同的含义。
计算机体系结构描述了计算机系统的各个部分如何组成以及它们之间如何交互。
而计算机组成原理则更加关注计算机系统内部的各个硬件组件如何工作以及为什么工作。
具体来说，计算机体系结构包括计算机的指令集、寄存器、总线、存储器等部分。
这些部分描述了计算机系统的结构，以及这些部分之间如何进行数据传输和控制。
例如，计算机体系结构的指令集定义了计算机可执行的操作，包括加、减、乘、除、移位等等。
寄存器和存储器则用于保存程序和数据。
计算机组成原理则更加关注计算机系统内部的物理部件如何工作以及为什么工作。
这包括CPU、内存、I/O控制器等硬件组件。
例如，CPU是计算机的中央处理器，它执行指令，进行算术和逻辑运算，从内存中读取和写入数据。
计算机组成原理的学习者需要深入理解CPU的内部运作机制，例如时钟周期、流水线等等。
总的来说，计算机体系结构和计算机组成原理是紧密相关的，但它们具有不同的侧重点。
计算机体系结构关注的是计算机系统的整体结构和功能，而计算机组成原理则更多地关注计算机系统内部硬件组件的工作原理。
两个概念的深入理解和掌握对于计算机科学领域的学生和专业人士来说都是非常重要的。
- 1 -。
计算机体系结构与组成原理
计算机体系结构与组成原理计算机体系结构与组成原理是计算机科学与技术领域中的重要基础课程，它主要介绍了计算机系统的组成和工作原理。
本文将围绕这一主题展开探讨，从计算机体系结构和计算机组成原理两个方面展开论述。
一、计算机体系结构计算机体系结构指的是计算机硬件系统的架构和组织方式，它包括了计算机的指令集、寻址方式、存储器结构、总线结构、输入输出系统等。
计算机体系结构是计算机软件与硬件之间的接口，对计算机的性能和功能起着至关重要的作用。
1.1 指令集体系结构指令集体系结构定义了计算机能够执行的指令集合以及指令的格式和含义。
常见的指令集体系结构有RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）。
这两种指令集体系结构在指令的数量、长度、执行速度等方面存在差异，对计算机的硬件设计和编程有着不同的影响。
1.2 存储器结构存储器结构是计算机中负责存储数据和指令的组成部分，包括主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。
常见的存储器结构有层次结构和并行结构。
层次结构中，各级存储器按照速度和容量的大小排列，高速缓存存储器（Cache）作为主存储器与CPU之间的缓冲区，提高数据的访问速度。
并行结构中，多个存储器模块同时工作，提高了数据的传输速率和系统的并行处理能力。
1.3 总线结构总线结构是计算机各部件之间传输数据和控制信息的通信线路，包括地址总线、数据总线和控制总线。
总线结构的设计要考虑数据传输的速度、容量和稳定性等因素，对于计算机系统的性能和可靠性有着重要影响。
二、计算机组成原理计算机组成原理是指计算机系统各个硬件组成部分的工作原理和实现方式。
它包括了算术逻辑单元（ALU）、控制器、寄存器、时钟信号等。
2.1 算术逻辑单元（ALU）算术逻辑单元是计算机中负责进行算术运算和逻辑判断的部件，它由逻辑门电路和寄存器组成。
ALU根据控制信号执行不同的运算操作，如加法、减法、乘法、除法等，同时也能够进行逻辑运算，如与、或、非等。
计算机体系结构与组成原理
计算机体系结构与组成原理计算机体系结构是指计算机硬件系统的结构组织，包括硬件层次的划分、组成和功能设计等内容；而计算机组成原理则是指计算机内部各个功能模块的设计与实现原理。
本文将通过介绍计算机体系结构与组成原理，帮助读者更好地理解计算机的组成和工作原理。
一、计算机体系结构计算机体系结构是计算机硬件结构的逻辑和功能组织方式。
它主要包括指令系统结构、数据结构、处理单元结构和控制机构结构。
指令系统结构描述计算机的指令集、寻址方式等，数据结构描述数据的存储方式和组织形式，处理单元结构描述计算机的算术逻辑单元(ALU)、寄存器等主要硬件组件，控制机构结构描述计算机的控制方式和流程。
在计算机体系结构中，主要有三种类别：冯·诺伊曼体系结构、哈佛体系结构和混合体系结构。
冯·诺伊曼体系结构是目前使用最广泛的体系结构，它将指令和数据存储在同一个内存中，并通过总线进行传输。
哈佛体系结构则将指令和数据存储在不同的内存中，通过不同的总线进行传输。
混合体系结构则是冯·诺伊曼体系结构和哈佛体系结构的结合，可以根据实际需求灵活选择。
二、计算机组成原理计算机组成原理是计算机内部各个功能模块的设计与实现原理。
它主要包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备以及总线等组件。
1. 中央处理器(CPU)中央处理器(CPU)是计算机的核心部件，负责执行各种计算和控制操作。
CPU主要由控制单元和算术逻辑单元(ALU)组成。
控制单元负责指令的解码和执行，ALU则负责数据的运算和逻辑判断。
2. 内存内存是计算机用来存储数据和程序的地方，分为主存和辅助存储器。
主存通常指的是随机存取存储器(RAM)，用来暂时存储正在运行的程序和数据。
辅助存储器包括磁盘、光盘等，用来长久保存数据。
3. 输入输出设备输入输出设备用来与计算机进行数据的输入和输出。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等，输出设备有显示器、打印机、音频设备等。
计算机组成原理 大纲
计算机组成原理大纲
一、计算机组成原理概述
1. 计算机组成原理的定义和目标
2. 计算机的基本组成部分和功能
二、数字电路基础
1. 逻辑门和布尔代数
2. 组合逻辑电路和时序逻辑电路
三、数字系统与算术运算
1. 进位制和数字编码
2. 布尔代数运算和逻辑运算
3. 二进制加法器和减法器
4. 乘法器和除法器
四、存储器和存储系统
1. 存储器层次结构
2. RAM和ROM存储器
3. 高速缓存和虚拟存储器
五、指令集体系结构
1. CISC和RISC体系结构
2. 数据表示方法和指令格式
3. 寻址方式和数据处理指令
六、中央处理单元（CPU）
1. 控制单元和存储器单元
2. 指令执行过程和数据通路
3. 流水线技术和乱序执行
七、输入输出系统
1. 输入输出设备和接口
2. 数据传输和数据交换方式
3. 中断和异常处理
八、总线和通信
1. 总线的基本概念和分类
2. 总线传输方式和时序控制
3. 总线错误控制和总线仲裁
九、计算机性能评价和优化
1. 计算机性能指标
2. 提高计算机性能的方法
3. 并行计算和分布式计算
十、计算机安全与可靠性
1. 计算机系统的安全威胁
2. 安全措施和安全策略
3. 可靠性评估和故障处理。
计算机组成原理
计算机组成原理一、选择1、数的大小2、存储单元存储单元一般应具有存储数据和读写数据的功能，一般以8位二进制作为一个存储单元，也就是一个字节。
每个单元有一个地址，是一个整数编码可以表示为二进制整数。
程序中的变量与主存储器的存储单元相对应。
变量的名字对应存储单元的地址，变量的内容对应单元所存储的数据。
3、冯.诺依曼体系结构以二进制的形式将程序存放到存储器中，控制器依据存储器的程序来控制全机协调地完成计算任务。
存储程序并按地址顺序执行，这就是冯诺依曼型计算机的体系结构，该结构由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成。
4、寻址范围存储器的容量=存储字长*存储单位5、CPU模型中各器件的功能控制器：（1）从指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache中的位置。
（2）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作和控制信号，以便启动规定的动作。
（3）指挥并控制CPU、数据cache和输入/输出设备之间数据流动的方向。
运算器：（1）执行所有的算术运算。
（2）执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。
存储器：（1）数据缓冲寄存器（DR）①作为ALU运算结果和通用存储器之间信息传送中时间上的缓冲。
②补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。
（2）指令寄存器（IR）用来保存当前正在执行的一条指令。
（3）程序计数器（PC）保证程序能够连续地执行下去。
（4）数据地址寄存器（AR）用来保存当前CPU所访问的数据cache存储器中（简称数存）单元的地址。
（5）通用寄存器(R0__R3)通用寄存器共4个，当算术逻辑单元（ALU）执行算数或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。
（6）状态字寄存器（PSW）保存由算数指令和逻辑指令运算或测试结果建立的各种条件代码。
6、指令的分类数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令、输入输出指令、字符串处理指令、特权指令、其他指令7、指令周期的含义指令周期是指取出一条指令并执行这条指令的时间。
《计算机组成原理》
Intel 8086: 16位
Intel 80386,80486, pentium：32位
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1计算机的组成
1.1中央处理器 1.2存储体系 1.3主板主要部件 1.4系统总线 1.5输入设备 1.6输出设备
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14
中央处理器（ CPU ）
包含运算器和控制器
能够高速地进行算术运算和逻辑运算 负责对输入信息进行各种处理的部件 一台计算机中有多个处理器，它们各有其不
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指令和指令系统基本概念
计算机指令系统的“兼容性”问题
由于每种类型的CPU都有自己的指令系统， 因此，某一类计算机的可执行程序代码未必 能在其他计算机上运行。
同一公司的CPU产品通常“向下兼容”—— 新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基 础上进行扩充。
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指令执行过程
（1）CPU的控制器从存储器读取一条指令并放 入指令寄存器。
（2）指令寄存器中的指令经过译码，决定该 指令应该进行何种操作、操作数在哪里。
（3）根据操作数的位置从存储器取得操作数。
……→
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指令执行过程
（4）运算器按照指令操作码的要求，对 操作数完成规定的运算处理，并根据运 算结果修改或设置处理器的一些状态标 志。
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中央处理器（ CPU ）
超标量结构
为了加快CPU中指令的处理速度，CPU在执 行当前指令的同时，可以使用指令预取部件 提前向主存或快存去取出一些准备要执行的 指令。CPU采取“流水线”式的工作方式和 结构，实现了“超标量结构”。
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中央处理器
并行处理和多处理器系统
计算机组成原理冯诺依曼体系结构
计算机组成原理冯诺依曼体系结构计算机组成原理是计算机科学的核心课程之一，它涉及计算机的硬件和软件组成部分以及它们之间的相互连接和工作方式。
冯诺依曼体系结构是现代计算机体系结构的基础，它是一种将数据和指令存储在同一存储器中的设计思想。
本文将针对计算机组成原理冯诺依曼体系结构进行详细介绍。
一、冯诺依曼体系结构的概念与特点冯诺依曼体系结构是由冯·诺伊曼于1945年提出的，它的主要特点有以下几个方面：1. 存储程序：冯诺依曼体系结构中，计算机的指令和数据都存储在同一块存储器中，它们没有区别对待。
这种存储程序的特性使得计算机可以按照指令顺序执行程序。
2. 指令执行周期：冯诺依曼体系结构的计算机按照指令的执行顺序进行操作。
每条指令的执行需要经过若干个时钟周期，包括取指令、解码、执行和存储结果等步骤。
3. 存储器与运算器的分离：冯诺依曼体系结构中，存储器和运算器是分离的，它们通过数据总线和控制总线进行通信。
这种结构使得计算机的存储器和运算器可以独立地进行工作。
二、计算机组成原理中的主要组成部分计算机组成原理主要包括以下几个组成部分：1. 运算器：运算器是计算机的核心部分，它包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器等。
ALU负责进行基本的算术和逻辑运算，寄存器用于存储临时数据和结果。
2. 控制器：控制器负责指挥计算机的各个组成部分协同工作，它包括指令寄存器、程序计数器、指令译码器等。
控制器从存储器中取指令，并根据指令的内容发出相应的控制信号。
3. 存储器：存储器用于存储计算机的指令和数据，它可以分为主存储器和辅助存储器两种。
主存储器是计算机中的主要存储器，它采用随机访问方式，速度较快；辅助存储器用于存储大量的数据和程序，它的容量比主存储器大，但速度较慢。
4. 输入输出设备：输入输出设备用于计算机与外部环境之间的信息交换，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
输入设备将外部信息传输给计算机，输出设备将计算机处理的结果显示或输出。
计算机组成原理实验
1. 采用 Cache-Memory 存储层次。 2. 地址长度为 16 位，数据寄存器长度 16 位，存储字长是 8 位，采用小端存储模式。 3. Cache 采用二路组相联，Cache 大小为 1KB，每个字块 4 个字，字长为 2B。 4. 能根据有效地址读 Cache 和内存，把数据读入数据寄存器中；能根据有效地址把
1、 运算器由 ALU，状态寄存器，通用寄存器组成。 2、 ALU 能够进行加、减、乘、除等四则运算，与、或、非、异或等逻辑运算以及移
位求补等操作。其中乘除法要实现原码 1 位乘、补码 1 位乘（Booth）、原码加减 交替除法、补码加减交替除法 4 种算法。选作原码/补码 2 位乘算法。 3、 通用寄存器组用于保存参加运算的操作数和运算结果。 4、 状态寄存器用于记录算术、逻辑运算的结果状态。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。一般均设置如下几种状 态位：零标志位（Z），负标志位（N），溢出标志位（v），仅为或借位标志（C）。 【输入】从 ins_input.txt 读入。每行有一个操作码和两个操作数，用空格分开，操作数用原 码表示。 e.g. Add 0.110111 1.101110 Sub 0.100111 0.101011 Mul 1.101110 0.110111 【输出】将运算过程和结果输入到 output.txt 例如： ori_onebit_times [x]ori=1.101110 [y]ori=0.110111 x*=0.101110 y*=0.110111 0.000000 110111 + 0.101110 -------------------------------0.101110 0.010111 0 11011 + 0.101110 -------------------------------1.000101 0 0.100010 10 1101 + 0.101110 -------------------------------1.010000 10 0.101000 010 110 0.010100 0010 11 + 0.101110 -------------------------------1.000010 0010 0.100001 00010 1 + 0.101110 --------------------------------
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• 4.了解指令周期、机器周期、节拍的 概念 • 指令周期是完成一条指令所需的时间 ，包括取指令、分析指令及执行指令所需 的全部时间。
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• 4.了解指令系统兼容性的概念 • 硬件实现方法可以不同，指令系统可以 有较大的扩充，但仍保留原来的全部指令， 保持软件向上兼容的特点。
• 5.掌握RISC和CISC的定义，各自的特点 • 指令系统很复杂，指令条数很多的计算 机为CISC。精简指令系统使机器结构更加简 单合理，提高运行速度的计算机为RISC。
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•第三章 •存 储 系统
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• 本章着重介绍存贮器的各种存贮元件存贮 信息的基本原理和存贮器的结构特点。
• 1.了解主存在全机中的中心地位 • 主存的速度和容量对整机有很大的影响。
• 2.了解主存的分类及各类存储器的特点 • RAM、ROM、PROM、EPROM、 E2PROM、Flash memory。
• 9.掌握多体交叉存储器的工作原理 • 它是解决主存与CPU速度差别的另一种 有效方法。
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• 10.掌握cache存储器的相关概念和工作 原理 • 全相联、直接映射、组相联等。命中率 、访问效率、平均访问时间等 • 11.掌握虚拟存储器的相关概念和工作 原理 • 替换算法
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•第四章 •指 令 系 统
计算机组成原理与体系 结构结构分析
2020/3/20
•计算机组成原理与体 系结构结构 •知识点复习
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•一、课程考试的内容及基本要求 • 主要包括计算机系统概论、计算机 的逻辑部件、运算方法和运算部件、存储 系统、指令系统、中央处理部件等。
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•第一章
•计算机系统概 论
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• 本章回顾了计算机的发展历史， 描述了计算机系统的层次结构、计算机 的性能指标、分类和应用，并重点讨论 计算机的组成和工作原理，希望在同学 们头脑中初步建立一个整机的概念。
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•第五章
•中央处理部件（CPU ）
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• 微处理器将运算器和控制器集成在一个 芯片上，称之为中央处理部件（CPU）。
• 本章主要论述了CPU的组成原理，各个 硬件在计算机运行过程中的作用；介绍了 CPU中各个部件的操作过程及其实现方法的 原理。重点讲述了程序是如何执行的；计算 机怎样实现各条指令的功能；又如何保证逐 条指令的连续执行过程。
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• 1.了解Intel 80386微机系统的结构 • 2.掌握控制器的组成、功能和指令的 执行过程 • 控制器的组成：程序计数器（PC）、 指令寄存器（IR）、指令译码器、时序产 生器和操作控制器部件。
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• 控制器的功能包括：取指令、分析 指令、执行指令、控制程序和数据的输 入与结果的输出、对异常情况和某些请 示的处理。
• 5.掌握计算机组成、体系结构和实现的内 容和关系 • 6.了解计算机的发展历史和各类计算机的 特点 • 7.了解计算机的主要应用领域
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•第二章
•运算方法和运算部 件
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• 本章主要讨论数据在计算机中的表示 方法、运算方法、运算部件的实现等问题 。
• 1.掌握数制表示和不同数制间的数据 转换（二、八、十、十六进制的表示及相 互转换）。
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• 6.了解ROM、PROM、EPROM、E2PROM、 工作原理和各自的特点
• 7.掌握存储系统的扩展方法、主存贮器与 CPU的连接 • 位扩展、字扩展、字位全扩展。地址线 、数据线、控制线的连接。
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• 8.掌握DRAM的常见刷新方式 • 刷新是动态存贮器区别于静态存贮器的 明显标志。集中式刷新、分散式刷新、异 步式刷新的优缺点。
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• 3.了解主存容量、存储器存取时间和 存储周期等主要技术指标
• 4.了解主存与CPU的连接，CPU对主 存的读/写过程
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• 5.了解SRAM和DRAM存储信息的原 理、各自的特点
• SRAM靠双稳态触发器存储二进制信 息，速度快、功耗大、集成度低。DRAM 利用MOS晶体管极电容(或MOS电容)上充 积的电荷来存贮信息的，集成度高，功耗 小，速度较低，需要刷新。
• 指令的执行过程中需要发出哪些控制 信号。
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• 3.掌握微程序控制的基本概念、基本原 理，掌握微程序控制器的组成及设计
• 基本概念：微命令、微操作、微指令、 微地址、微周期、微程序、控制存贮器CS 。
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• 基本原理：当指令取入IR后，根据操作码 进行译码，得到指令的第一条微指令的地址， 按此地址从控制存储器中取得第一条微指令。 由微指令的控制字段产生控制信号，控制相应 操作；由微指令的下址字段（或根据条件修改 ）确定下一条微指令的地址，从控制存储器中 取得下一条微指令，并执行之。
• 2.了解十进制数的编码，数字串的表 示和存储。
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• 3.了解ASCII编码、BCD编码等
• 4.掌握定点小数和整数的表示，以及 原码、反码、补码、移码的表示
• 原码、反码、补码的数据表示范围， 它们所能表示的最大数、最小数、数据0 。
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• 5.掌握数据类型、数据表示、数据结 构的基本概念，及数据表示的原则。 • 6.掌握并行全加器及其进位链结构 • 串行进位与并行进位的区别、并行进 位的逻辑式。
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• 1.了解计算机的语言主要有机器语言、 汇编语言和高级语言三种
• 2.掌握计算机由运算器、控制器、存贮 器、输入设备和输出设备等五大功能部件组 成，掌握各功能部件的功能
• 3.掌握计算机系统有机器语言（硬件或 微程序）、操作系统、汇编语言或中间语言 、高级语言等多级层次结构
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• 4.掌握冯·诺依曼思想的基本特点
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指令：指示计算机执行某种操作
的命令。
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指令系统：一台计算机能执行的
全部指令的集合。
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1.了解指令系统的发展
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2.掌握指令的基本格式及各个
部•分操的作码功能•地址码
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• 3.掌握基本的寻址方式 • 立即寻址、直接寻址、寄存器直接寻址 、间接寻址(间址)、寄存器间址、变址寻址 、基址寻址、堆栈寻址等。
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• 7.掌握浮点数的表示，了解阶码的位数 和尾数的位数对浮点数的表示有何影响 • 数的浮点表示、规格化尾数、移码的表 示。
• 8.了解原码一位乘、补码一位乘的算法 及具体运算，了解定点二位乘的算法。
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• 9.了解原码一位除法（加减交替除法） 的算法及具体运算，了解补码一位除法的 算法
• 10.掌握浮点数的加减法运算，了解浮 点数的乘除法运算