计算机组成原理
十六位体系结构计算机组成原理
十六位体系结构计算机组成原理
十六位体系结构计算机组成原理是指计算机的硬件和软件组成原理，可以分为以下几个部分：
1.中央处理器(Central Processing Unit, CPU)：负责执行计算机指令和进行数据处理。
CPU包括指令寄存器、程序计数器、算术逻辑单元(ALU)和寄存器等。
2.存储器：存储器包括主存储器和辅助存储器。
主存储器用于存储正在运行的程序和数据，可分为RAM和ROM。
辅助存储器用于长期存储程序和数据，如硬盘、光盘等。
3.输入输出设备：用于与外部设备进行数据交互，如键盘、鼠标、打印机、显示器等。
4.总线(Bus)：计算机内各个部件之间传送数据和控制信息的通道。
总线分为数据总线、地址总线和控制总线。
5.指令系统：计算机的指令系统决定了计算机的操作特性和功能。
按照十六位体系结构，指令由16位表示，可以包括逻辑运算、算术运算、存储和转移等操作。
6.中断系统：用于处理紧急情况和异步事件，如异常中断、硬件中断和软件中断等。
7.时钟系统：用于同步计算机内各个部件的工作节奏和时序，提供时钟脉冲。
8.控制单元(Control Unit)：负责控制计算机的操作，根据指令操作码的不同，控制单元产生特定的控制信号和时序信号，控制各个部件的工作。
9.运算器(アrithmetic and Logic Unit, ALU)：负责进行算术运算和逻辑运算，包括加法、减法、乘法、除法和与、或、非、异或等逻辑运算。
以上是十六位体系结构计算机组成原理的基本内容，具体实施中可能会有一些差异。
计算机组成原理-(完整版)
计算机组成原理-完整版前言计算机组成原理是计算机科学中最基础的课程之一，它主要研究计算机系统的各个组成部分的原理和关系。
它是计算机科学中最基础的课程之一，也是理解其他计算机科学领域的必备基础。
本文将介绍计算机组成原理中涉及的各个方面，从处理器到内存，再到输入输出系统，以及操作系统和应用层，详细解释它们的工作原理和相互关系。
此外，我们还将介绍一些实际的例子，以帮助读者更好地理解这些概念。
计算机硬件组成处理器处理器是计算机的大脑，它是计算机中最为关键的部分之一。
处理器的任务是执行指令，它通过解码指令，再根据指令来执行相应的操作。
处理器包括控制单元和算术逻辑单元两部分。
控制单元是处理器的主控制中心，它决定了处理器要执行的操作，以及操作的顺序。
由于处理器的速度非常快，因此它能够在一个时钟周期内执行多个操作。
算术逻辑单元（ALU）则用于执行运算操作，例如加减乘除、位移等。
ALU从寄存器中读取数据，并根据指令进行相应的计算和操作。
存储器存储器用于存储计算机中的数据和指令。
存储器被分为两种类型：内存和外存。
内存是指计算机中直接可访问的存储，例如DRAM。
它是用于临时存储程序和数据的地方。
内存的访问速度非常快，但只能存储有限的数据量。
外存则是指计算机中不直接可访问的存储，例如硬盘。
它用于长期存储数据和程序。
虽然外存的访问速度相对较慢，但它能够存储大量的数据和程序。
输入输出设备输入输出设备是与计算机交互的途径，例如键盘、鼠标和显示器等。
输入设备用于将数据输入到计算机中，输出设备则用于从计算机中输出数据。
计算机系统架构冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是计算机系统的经典架构，它由储存器、算术逻辑单元、控制单元和输入输出设备组成。
程序存储在内存中，并通过控制单元来控制执行。
该体系结构具有良好的扩展性和通用性，适用于大多数计算机系统。
哈佛体系结构哈佛体系结构是一种采用不同存储器分别用于程序和数据存储的计算机系统。
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。
计算机组成原理课件
计算机组成原理课件
计算机组成原理课件通常包括以下几个部分：1.计算机系统概述
计算机的发展历史
计算机的基本组成
计算机的工作原理
2.数据表示与运算
二进制数系统
数据的表示方法：原码、反码、补码
基本运算：加法、减法、乘法、除法、逻辑运算3.计算机硬件组成
中央处理器(CPU)
指令系统
控制器
运算器
存储器
内存
外存
输入/输出设备
输入设备
输出设备
4.计算机指令系统
指令格式
指令分类：数据传输指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等
指令执行过程
5.存储系统
存储器层次结构
高速缓冲存储器（CaChe）
主存储器（内存）
辅助存储器（外存）
虚拟存储器
6.I/O系统
I/O设备的分类
I/O接口与总线
I/O控制方式：轮询、中断、直接内存访问（DMA）等
I/O设备管理
7.计算机性能评价与优化
计算机性能指标
影响计算机性能的因素
计算机性能优化方法
8.计算机体系结构
冯•诺依曼体系结构
哈佛体系结构
VonNeumann和Harvard体系结构的比较与优缺点9.多处理器系统与并行计算
多处理器系统的基本概念
多处理器系统的分类与特点
并行计算的基本概念与技术
多处理器与并行计算的应用实例。
计算机组成原理总结精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版第一章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
7. 解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。
解：P9-10主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。
CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。
主存：计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。
存储单元：可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。
存储元件：存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。
存储字：一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。
存储字长：一个存储单元所存二进制代码的位数。
存储容量：存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。
机器字长：指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
指令字长：一条指令的二进制代码位数。
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理是一门计算机科学基础课程，它主要涉及计算机硬件结构和系统软件两个方面。
以下是一些知识点的汇总：
1. 计算机的基本组成：包括运算器、控制器、存储器和输入输出设备。
2. 计算机的存储器层次结构：主要包括寄存器、高速缓存、内存和外存，每一级存储器速度和价格都有所不同。
3. CPU的工作原理：CPU主要由控制器和ALU两部分组成，通过不同的指令和数据进行运算和控制，实现程序的执行。
4. 指令系统和编程：计算机执行的所有程序都是由一系列指令组成的，不同的指令可以执行不同的操作。
5. 总线和I/O系统：总线是连接不同部件的主要通道，而I/O系统则负责计算机与外部设备的数据传输和控制。
6. 中断和异常：计算机系统在执行程序时可能会遇到不正常的情况，这时就需要通过中断和异常机制来处理。
7. 计算机系统的性能分析与优化：通过各种性能指标和分析方法，可以对计算
机系统的性能进行评估和优化，以实现更高效的计算。
以上是计算机组成原理中的一些重要知识点，掌握它们对于理解计算机硬件和系统软件的设计和优化有重要的作用。
计算机组成原理(本全PPT)
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
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。
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
0≤︱X︱≤2n －1 或： — (2n －1)≤ X≤2n －1 （16位整数范围：— (215 －1)≤ X≤ (215 －1)
25
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
27
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》课件
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
谢谢您的聆听
THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
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 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
《计算机组成原理》ppt课件
VS
挑战
在计算机组成原理的发展过程中，面临着 许多挑战和问题，如处理器的性能和功耗 问题、存储器的速度和容量问题、系统的 可靠性和安全性问题等。这些问题需要不 断研究和探索，以推动计算机组成原理的 持续发展。
THANKS
感谢您的观看
解释定点数与浮点数的表示方法，包括整数和实数的表示。
逻辑代数基础
1 2
逻辑变量与逻辑函数
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。
基本逻辑运算
介绍与、或、非三种基本逻辑运算及其性质。
3
复合逻辑运算
阐述其他复合逻辑运算，如异或、同或等。
逻辑门电路
基本门电路
01
介绍与门、或门、非门等基本门电路的工作原理及实现。
01
03 02
I/O接口的功能和基本结构
数据传输寄存器
命令/状态寄存器
控制逻辑电路
I/O控制方式
优点
控制简单，易于实现
缺点
CPU利用率低，实时性差
I/O控制方式
优点
提高了CPU的利用率，实时性较好
缺点
中断次数多，开销大，数据丢失问题
I/O控制方式
优点
数据传输速度快，CPU干预少
缺点
需要专门的DMA控制器，硬件开销大
指令的执行过程
取指周期
从内存中读取指令，并放入指令 寄存器IR中。
中断周期
在执行过程中，如果出现中断请 求，则进入中断周期，保存现场 信息，并转向中断服务程序。
分析周期
对取回的指令进行分析，确定指 令的操作性质和操作数地址。
执行周期
根据分析结果，执行相应的操作 ，如算术运算、逻辑运算、数据 传输等。
计算机组成原理讲义
计算机组成原理讲义计算机组成原理是一门研究计算机硬件和软件协同工作的学科。
它研究计算机系统的组成、结构、工作原理和设计方法，涉及到计算机的各个层次、各个组成部分和各种操作。
计算机组成原理作为计算机科学和计算机工程的基础课程，对于理解计算机的工作原理和提高计算机系统设计和性能优化具有重要意义。
首先，计算机组成原理涵盖了计算机的硬件组成。
计算机的硬件部分主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备和总线等。
中央处理器是计算机的核心部件，又被称为计算机的大脑。
它包括算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU），负责执行指令、算术运算和逻辑运算等。
存储器用于存储数据和指令，分为主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。
输入输出设备用于与计算机交互，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
总线用于连接计算机的各个组成部分，包括数据总线、地址总线和控制总线等。
了解计算机硬件组成，对于设计和优化计算机系统具有重要意义。
其次，计算机组成原理涉及计算机的工作原理。
计算机的工作原理主要包括数据的表示和存储、指令的执行和流水线技术等。
数据的表示和存储是计算机进行数据处理的基础。
计算机使用二进制表示数据，将数据存储在内存中。
指令的执行是计算机进行计算和逻辑操作的基本单元。
计算机通过解码和执行指令，对数据进行处理。
流水线技术是提高计算机执行效率的一种重要方法。
通过将指令执行分解成多个阶段，可以提高指令的吞吐量。
计算机组成原理对于理解计算机工作原理和提高计算机系统性能具有重要意义。
最后，计算机组成原理涉及计算机的设计方法。
计算机的设计方法包括指令系统的设计、组合逻辑电路的设计和微程序设计等。
指令系统的设计是计算机体系结构的基础，决定了计算机的功能和性能。
组合逻辑电路设计是实现计算机各个功能模块的基础，包括加法器、乘法器、寄存器和控制电路等。
微程序设计是实现指令的执行和控制的基础，将指令分解成微指令并存储在控制存储器中。
计算机组成原理(本全)ppt课件
定点数的加减法实现
通过硬件电路实现定点数的加减法，包括加 法器、减法器等。
浮点数的加减运算
浮点数的表示方法
包括IEEE 754标准中浮点数的表示方法、规格化表示 和精度。
浮点数的加减法规则
包括阶码和尾数的运算规则、对阶操作、尾数加减运 算和结果规格化等。
浮点数的加减法实现
通过硬件电路实现浮点数的加减法，包括浮点加法器 、浮点减法器等。
指令的执行过程与周期
指令执行过程
取指、译码、执行、访存、写回等阶段 。
VS
指令周期
完成一条指令所需的时间，包括取指周期 、间址周期、执行周期等。
07
中央处理器（CPU）
CPU的功能与组成
控制器
负责指令的取指、译码和执行，控制 数据和指令在CPU内部的流动。
运算器
执行算术和逻辑运算，包括加、减、 乘、除、与、或、非等操作。
多核处理器与并行计算
多核处理器
将多个处理器核心集成在一个芯片上，每个核心可以独立执行指令，提高处理器的并行 处理能力。
并行计算
利用多核处理器或多个处理器同时处理多个任务或数据，加速计算过程，提高计算效率 。
08
输入输出系统
I/O接口与I/O设备
I/O接口的功能
实现主机与外设之间的信息交换，包括数据 缓冲、信号转换、设备选择等。
乘法与除法运算
浮点数的乘除法运算
包括浮点数的乘法、除法和平方根运算等。
定点数的乘除法运算
包括原码一位乘法、补码一位乘法、原码除 法和补码除法等。
乘除法运算的实现
通过硬件组成与设计
运算器的基本组成
包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、数据总线等。
运算器的设计原则
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
计算机组成原理计算机组成原理是指计算机由硬件和软件组成的过程和原理。
它涉及了计算机内部各部件的功能和相互关系，以及它们如何协同工作，实现计算、存储和通信等功能的基本原理。
计算机组成原理主要包括指令执行周期、存储器层次结构、总线结构、I/O系统、中央处理单元（CPU）、寄存器以及各种逻辑门电路等基本概念和原理。
计算机组成原理是计算机科学与技术的核心课程之一，它为我们深入了解计算机的工作原理以及如何有效地设计和优化计算机系统提供了重要基础。
指令执行周期是计算机工作的基本单位，它由取指令、指令译码、指令执行、访问存储器、写回数据等若干步骤组成。
存储器层次结构是指计算机系统中不同速度和容量的存储器层级，包括高速缓存、主存储器和辅助存储器等。
各级存储器通过读写控制线和数据线相连，实现数据的传输和存储。
总线结构是计算机内部各部件之间传输数据和控制信号的途径。
它包括数据总线、地址总线和控制总线等，用于在CPU、存储器和I/O设备之间传输数据和控制信息。
I/O系统是计算机与外部设备之间的接口，负责数据的输入输出和设备的管理。
它通过I/O控制器和外设接口等实现计算机与外部设备的通信。
CPU是计算机的核心部件，负责执行程序中的指令。
它由控制单元和算术逻辑单元组成，控制单元负责指令的控制和管理，算术逻辑单元负责进行数据的运算和逻辑判断。
寄存器是CPU内部用于存储数据和指令的临时存储器，包括通用寄存器、指令寄存器、程序计数器等。
逻辑门电路是计算机中最基本的构建单元，包括与门、或门、非门等。
通过逻辑门的组合和连接，可以实现各种逻辑运算和控制功能。
计算机组成原理涉及的其他概念还包括指令集体系结构、流水线技术、中断处理等。
总之，计算机组成原理是计算机科学与技术中的重要基础课程，它为我们理解计算机工作原理、设计高效的计算机系统提供了基础。
通过学习计算机组成原理，我们可以更好地理解计算机的内部结构和原理，为后续的计算机体系结构、操作系统、编译原理等课程奠定坚实的基础。
计算机组成原理
概论CPU ：中央处理器，是计算机的核心部件，由运算器和控制器构成。
运算器：计算机中完成运算功能的部件，由ALU 和寄存器构成。
总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合。
主机：由CPU 、存储器与IO 接口合在一起构成的处理系统称为主机。
接口：是主机与外设之间传递数据与控制信息的电路，是主机与外设的桥梁。
汇编语言：采用文字方式（助记符）表示的程序设计语言。
字长：一个数据字包含的位数，一般为8 位、16 位、32 位和64 位等。
运算器的功能：完成算术逻辑运算，由ALU 和若干寄存器组成。
其中ALU 负责执行各种数据运算操作，寄存器用于暂时存放参与运算的数据以及保存运算状态。
控制器的功能：从内存中取出指令，对其进行译码，产生相应的时序控制信号，控制其它器件工作。
数据编码和数据运算数据：定点数据、浮点数据、图形数据、文字数据。
原码：用一个符号位表示数据的正负，0 代表正号，1 代表负号，其余的代码表示数据的绝对值。
补码：用最高位表示符号，其余各位代码给出数值按2 取模的结果。
阶码：浮点数编码中，表示小数点的位置的代码。
海明距离：在信息编码中，两个合法代码对应位上编码不同的数据位。
冯诺依曼舍入法：浮点数据的一种舍入方法，在截去多余位时，将剩下数据的最低位置1 。
规格化数：浮点数编码中，为使浮点数具有唯一的表示方式所作的规定，规定尾数部分用纯小数形式给出，而且尾数的绝对值应大于1/R ，即小数点后的第一位不为零。
机器零：浮点数编码中，阶码和尾数为全0 时代表的0 值。
为什么用二进制：容易用数据电路表示，数据运算和存储方式简单，是高效的数据表示方式。
如何区分ASCII 代码和汉字编码：ASCII 代码是7 位的代码，在存储时可以在它前面增加一位形成8 位的代码，增加的位用0 表示是ASCII 码， 1表示是汉字编码。
存储系统SRAM ：静态半导体存储器，可随机读写，其存储的数据表示为晶体三极管构成的双稳态电路的电平，存储数据稳定，不需刷新。
计算机组成原理（期末篇）
计算机组成原理（期末篇）1、计算机系统的组成计算机系统由硬件和软件两部分组成硬件，是指计算机的实体部分，由看得见摸得着的各种电⼦元器件组成，如主机、外设软件，是指具有各类特殊功能的程序，通常放在计算机的主存或辅存中软件分为系统软件和操作软件系统软件（程序软件），⽤来管理整个计算机系统，监听服务，调度系统资源，包括：标准程序库、语⾔处理程序、操作系统、服务程序、数据库管理系统、⽹路软件等应⽤软件（应⽤程序），⽤户根据任务需要所编制的各种程序2、冯诺依曼机器的主要特点？1）计算机由运算器、存储器、控制器、输⼊设备和输出设备五⼤部分组成；2）指令和数据存储在存储器中，并可以按地址访问；3）指令和数据均以⼆进制表⽰；4）指令由操作码和地址码构成，操作码指明操作的性质，地址码表⽰操作数在存储器中的位置；5）指令在存储器内按顺序存放，通常按⾃动的顺序取出执⾏；6）机器以运算器为中⼼，I/O设备与存储器交换数据也要通过运算器。
（后来以存储器为中⼼）3、区分存储单元、存储字、存储字长、存储体、机器字长、存储字长存储单元：存储⼀个存储字并具有特定存储地址的存储单位；存储字：⼀个存储单元中存放的所有的⼆进制数据，按照某个地址访问某个存储单元获取的⼆进制数据。
存储字长：存储字中⼆进制数据的位数，即按照某个地址访问某个存储单元获取的⼆进制数据的位数；存储体：由多个存储单元构成的存储器件。
机器字长：CPU⼀次能够处理的⼆进制数据的位数。
存储字长：按照某个地址访问某个存储单元获取的⼆进制数据的位数。
4、区分MAR，MDR1）MAR：存储地址寄存器，保存需要访问的存储单元地址。
反映存储单元的个数。
2）MDR：存储数据寄存器，缓存读出/写⼊存储单元的数据。
反映存储字长。
3）存储器的最⼤容量由MAR寄存器的位数和MDR寄存器的位数决定5、MAR与MDR的计算假设MAR寄存器的位数为16位，MDR寄存器的位数为16位，存储器的最⼤容量是多少？1）MAR寄存器的位数为16位，能表⽰的地址个数为2的16次⽅，为64K；2）MDR寄存器的位数为16位，说明存储字长为16位，也即2个字节；3）存储器的最⼤容量为64K * 2B = 128K Byte6、总线的基本概念总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质{总线实际上是由许多传输线或通路组成，每条线可⼀位⼀位地传输⼆进制代码，⼀串⼆进制代码可在⼀段时间内逐⼀完成。
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图2.15 四位ALU功能表
图2.15 四位ALU逻辑图
第2章 计算机的逻辑部件(ALU)
以S3S2S1S0=HLLH时为例，当M=L：
SN74181
门1—4输出为：AiBi,门5—8输出为：Ai+Bi. 根据进位和传递函数的定义，门1—4，门5—8即Ai、 Bi为输 入的Pi、Gi. 异或门21，23，25，27为半加和。 门13、14、15、16、19为超前进位的Cn,C0,C1,C2,C3。 F3~0是以(A3、A2、A1、A0)、(B3、B2、B1、B0)及Cn全加和 的反码。 当Cn=1时，F=A加B 当Cn=0时，F=A加B加1
当全加器的输入均取反码时，它的输出也均取反码。 （应用反演律采用与非、或非、与或非表示）将 上式改写成如下： (2.24) C1=P1+G1C0 (2.25) C2=P2+G2P1+G2G1C0 C3=P3+G3 G2+ G3G2P1+G3G2G1C0 C4=P4+G4P3+G4G3P2+G4G3G2P1+ G4G3G2G1C0
1. 假设全加器进位延迟时间为20ns,求和延迟时间为30ns.
F3 C4 F2 C3 F1 C2
F0
C1
第3位
Y3 X3
第2位
Y2 X2
第1位
Y1 X1
第0位
Y0 X0
C0
20*3+30
第3位
求和延迟30ns
第2位 第1位
30
30
进位延迟20ns
第0位
30
30
0
20
40
60
80
第2章 计算机的逻辑部件(加法器)
由Pi、Gi定义，也可把半加和改写成以下形式： Hi=PiGi (2.28)
图2.14 四位超前进位加法器
第2章 计算机的逻辑部件(加法器)
思考题
1.设有n位数据相加，采用串行进位方法，设低位向高位的进位 延迟时间为t1，1个全加器完成加法的时间为t2，那么一次加法 运算需要的时间为————。（(n-1)t1+t2） 2.某计算机字长64位，加法器每4位构成1个小组，每4个小组构 成1个大组，全加器进位延迟时间为20ns，求和延迟时间为30ns ，小组内并行进位的延迟时间，大组内和大组间的并行进位的延 迟时间均为20ns，请回答完成一次加法运算的时间： (1)采用串行进位 (2)小组内采用并行进位，小组间串行进位 (3)采用两级分组，小组内并行进位，大组内也并行进位，大 组间串行进位 (4)采用两级分组，小组内、大组内和大组间均采用并行进位
当M=H：Fi=Ai⊕Bi= Ai⊕Bi
用四片74181电路可组成16位ALU。如下图 片内进位是快速的，但片间进位是逐片传 递的，因此总的形成时间还是是比较长的。
如果把16位ALU中的每四位作为一组，用类似位间快 速进位的方法来实现16位ALU（四片ALU组成），那 么就能得到16位快速ALU。推导过程: 图 2.10
2. 半加器
3. 数码比较器 4. 奇偶检测电路
第2章 计算机的逻辑部件(2.1.3 加法器)
加法器是计算机基本运算部件之一.
不考虑进位输入时，两数码Xn、Yn相加称为 半加.
Hn=Xn· Yn+Xn· Yn=Xn⊕Yn
(2.10)
图2.11 半加器的功能表和逻辑图
若考虑低位进位输入Cn-1相加，则称为全加器。 • 全加和Fn和进位输出Cn的表示式分别为： Fn=XnYnCn-1+ XnYnCn-1+ XnYnCn-1+ XnYnCn-1 Cn= XnYnCn-1+ XnYnCn-1+ XnYnCn-1+ XnYnCn-1
(2.14)
形成C2的条件: 1.X2,Y2均为1; 2. X2,Y2任意为1且X1,Y1均为1 3. X2,Y2任意为1同时X1,Y1任意为1且C0为1 即: C2=X2Y2+(X2+Y2) X1Y1+ (X2+Y2) ( X1+Y1)C0
C3=X3Y3+(X3+Y3) X2Y3+ ….. ( X1+Y1)C0 (2.16) C4=X4Y4+(X4+Y4) X3Y3+ ….. ( X1+Y1)C0 (2.17) 下面引入进位传递函数Pi, (pass) 进位产生函数Gi的概念 (generate) 定义: Pi=Xi+Yi 称为进位传递函数
计算机硬件系统组成(章节分配)
第二部分 (5,6章)
控 制 器
运 算 器
第一部分(2,3章)
第 三
部 分 4 7 8 章 ( , , )
高速缓存
主存储器 虚拟存储器 (磁盘设备) 总 线 和 接 口
第四部分(9,10章)
I/O
输入设备 输出设备
第2章 计算机的逻辑部件(目录部分)
2.1 2.2 2.3 2.4 计算机中常用的组合逻辑电路 时序逻辑电路 阵列逻辑电路 习题与作业
第2章 计算机的逻辑部件(常用组合逻辑电路)
组合电路：输出仅由输入决定，与电路当前状 态无关；电路结构中无反馈环路（无记忆）
I0 输 入 I1 Y0
…
In-1
… …
组合逻辑电路
… …
Y1
输 出
…
Ym-1
Y0 f 0 ( I 0 , I1 ,..., I n1 ) Y f ( I , I ,..., I ) 1 1 0 1 n 1 ... Ym1 f m1 ( I 0 , I1 ,..., I n1 )
(2.18)
Gi=Xi· Yi 称为进位产生函数 (2.19) Gi的意义是：当 XiYi 均为“1”时定会产生向高位 的 进位. Pi的意义是：当Xi和Yi中有一个为“1”时，若同时 低位有进位输入，则本位也将向高位传送进位.
将Pi ,Gi代入Ci得到：
C1=G1+P1C0 (2.20) C2=G2+P2C1= G2+P2(G1+P1C0)= G2+P2G1+P2P1C0 C3=G3+P3 G2+ P3 P2G1+ P3 P2P1C0 C4=G4+P4 G3+ P4 P3 G2+ P4 P3 P2G1+ P4 P3 P2P1C0
异或门
真值表： 0 0 1 0 1 0
A B=AB+AB
A B Y 0 1 1
1
1
0
相同为０ 不同为１
真值表： A B Y
同或门 A B=AB+A B
0
0 1 相同为1 不同为0 1
0
1 0 1
1
0 0 1
第2章 计算机的逻辑部件(2.1.2 异或门及其应用)
异或门的应用 1. 可控原/反码输出电路
=小组形成P· G时间+大组间串行进位+加法时间
=20+4*20+30=130ns (4)采用两级分组，小组内、大组内和大组间均采用并行进位 = 产生P· G时间+大组间进位+第4大组进位延迟时间+加法时间 = 20+20+20+30=90ns
2.1.4 算术逻辑单元（简称ALU） ALU是一种功能较强的组合逻辑电路。它能进行多 种算术运算和逻辑运算。ALU的基本逻辑结构是超 前进位加法器，它通过改变加法器的进位产生函数G 和进位传递函数P来获得多种运算能力。下面通过介 绍SN74181型四位ALU中规模集成电路了介绍ALU的 原理。 在图2.15中功能表中，“加”表示算术加，“+”表示 逻辑加。它能执行16种算术运算和16种逻辑运算，M 是状态控制端，M=H,执行逻辑运算；M=L执行算术 运算。S0 ~S3是运算选择端，它决定电路执行哪种算 术运算或逻辑运算。
只要把式(2.20)、(2.21)、(2.22)中的G1，G2，G3分 别换以GN0，GN1，GＮ2，把P1，P2，P3分别换以PN0 ，PN1，PＮ2，把C0换以Cn，即可得Cn+X，Cn+Y、Cn+Z 的表达式如下：
图2.17 与74181型ALU连用的超前进位产生电路
四位一组的组进位传递函数PN为“1”的条件为：X3， Y3中有一个为“1”，同时X2，Y2中有一个为“1”， 同时X1，Y1中有一个为“1”，同时X0，Y0中有一个 为“1”。依此，可得PN的表达式为 PN=P3P2P1P0 (2.30) 把图2.10所示的第0片ALU向第Ⅰ片、第Ⅰ片向第 Ⅱ片、第Ⅱ片向第Ⅲ片传送的进位分别命名为Cn+X、 Cn+Y、Cn+Z
三态门在工作状态下，输出可为逻辑“1”和逻辑 “0”。在禁止态下，输出高阻抗(Z状态)表示输出端 悬浮，此时该门电路与其它门电路无关。
第2章 计算机的逻辑部件(2.1.1 三态电路)
三态反相门
+VCC(+5V) R1 3kΩ A T1 D EN T2 R3 360Ω R5 3kΩ R2 750Ω T3 T4 T5 R4 100Ω A 1 Y EN 国标符号
和前面讲过的一位的进位产生函数Gi的定义相似， 四位一组的进位产生函数GN为“1”的条件有以下四 个中的任一个： (1) X3，Y3均为“1”，即G3=1； (2) X3，Y3中有一个为“1”，同时X2，Y2均为“1”， 即P3G2=1； (3) X3，Y3中有一个为“1”，同时X2，Y2中有一个为 “1”，同时X1，Y1均为“1”，即P3P2G1=1； (4) X3，Y3中有一个为“1”，同时X2，Y2中有一个为 “1”，同时X1，Y1中有一个为“1”，同时X0，Y0均 为“1”，即P3P2P1G0=1。依此，可得GN的表达式为： GN=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0 (2.29)