计算机组成原理 1 概述
大学计算机基础计算机组成原理概述
大学计算机基础计算机组成原理概述计算机组成原理是大学计算机基础领域中的重要课程之一。
它主要涉及计算机硬件和软件的结构、功能和运行原理。
通过学习计算机组成原理，能够深入了解计算机的内部构造，理解计算机的工作原理，为今后深入学习和应用计算机技术打下基础。
一、计算机组成原理概述计算机组成原理是指计算机硬件和软件的组成和运行原理。
硬件包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等各个部件，而软件则是指计算机应用程序和系统软件。
计算机组成原理的研究对象主要是计算机的组成和工作原理，包括计算机的层次结构、指令系统、数据表示和处理、I/O系统等方面。
二、计算机硬件的组成计算机的硬件主要包括中央处理器(CPU)、内存(RAM)、输入设备、输出设备和存储设备等。
其中，中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和控制计算机的运行；内存用于存储数据和程序；输入设备用于接收外部信息；输出设备用于展示计算结果；存储设备则用于长期保存数据和程序。
三、指令系统和数据表示指令系统是计算机硬件和软件的桥梁，它定义了计算机可以执行的操作和指令的格式。
数据表示则是计算机用来存储和处理数据的方式，常见的数据表示包括二进制、十进制和十六进制等。
四、中央处理器的工作原理中央处理器是计算机的核心组件，它由运算器和控制器两部分组成。
运算器用于执行算术和逻辑运算，而控制器负责指挥整个计算机系统的工作。
中央处理器通过指令周期来执行指令，包括取指、译码、执行和写回等阶段。
五、内存的层次结构和存储器技术内存是计算机用来存储数据和程序的地方，它具有不同的层次结构和存储器技术。
常见的内存层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等。
而存储器技术则包括静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)等。
六、输入输出系统和外围设备输入输出系统是计算机与外部设备之间的连接桥梁，它负责数据的输入和输出。
外围设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等各种设备，通过输入输出系统与计算机进行数据交换。
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1
、器件的设计、装配技术等属于计算机实现。
计算机组成原理 31
例:① 主存容量与编址方式(按位、按字节、
按字访问等)的确定属于计算机系统结构。
②为达到所定性能价格比，主存速度应多快 ，在逻辑结构上需采用什么措施(如多体交叉 存储等)属于计算机组成。 ③主存系统的物理实现，如存储器器件的选 定、逻辑电路的设计、微组装技术的选定属于 计算机实现。
计算机组成原理
16
计算机硬件系统的一种构成形式 存储器 系 统 总 线
运算器 控制器
适配器
输入设备 输出设备
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计算机组成原理
计算机硬件系统的一种构成形式
4 PC+4 I 25-21 I 20-16 PC 指令 存储器 IR I15-11 I31-28 I 25-0 x4 Target
控制器
x4
计算机组成原理 7
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
8
计算机系统的基本构成
计算机系统
计算机硬件
计算机软件
主机
外设
主存 I/O接口
CPU 系统总线
辅存
I/O设备
运算器
控制器
内部寄存器组
计算机组成原理
9
计算机系统的基本构成
计算机系统
课程简介
课程性质与地位： 专业基础必修课程,承上启下 课程目的与任务：
建立计算机硬件系统的完整概念，以单 机系统为研究对象，阐述计算机系统的硬 件组成以及各部件的工作原理
计算机组成原理
4
课程主要内容
1、计算机系统概论 2、逻辑电路设计基础 3、信息编码和数据表示 4、计算机算法和算法逻辑实现 5、存储器 6、计算机指令构成和寻址方式 7、处理机设计 8、流水线处理机 9、存储系统 10、输入输出设备 11、输入输出系统
北航 计算机组成原理 第一部分：概述
2.1 无符号数和有符号数
❖有符号数
➢ 数的实例：+ 0.1010110， - 0.1101001，+ 1001.001， -1101101
❖ 机器数表示
➢ 数的正负问题：设符号位，“0”表示“正”，“1”表示“负”， 固定为编码的最高位
➢ 真值0怎么办：正零，负零 ➢ 小数点怎么办：固定小数点 （即 定点数）
操作数地址
11010101 10000100 01010001 10100000
❖程序：在此特指一段机器指令序列。
➢完成一定的功能，采用某种算法，具备一定的流程； ➢计算机按照程序所规定的流程和指令顺序，一条一条地执行指令，达到
完成程序所规定的功能的目的。
➢计算机采用程序计算器（Program Counter）来决定指令执行的顺序。
➢数的符号：正数、负数、零 ➢数的形态：整数、小数、小数点的性质； ➢数的绝对值
字符：字母A（ASCII码）
01000001
整数：65 小数：0.253906
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2.1 无符号数和有符号数
❖无符号数
➢ 数的编码中所有位均为数值位 ➢ 只能表示 >=0 的正整数 ➢ 16为无符号数的表示范围： 0 ~ 65535
L2 Cache
MBus
L64852 MBus control
M-S Adapter
SBus
SBus
DMA
SCSI Ethernet
SBus Cards
DRAM Controller
STDIO
serial kbd mouse audio RTC Floppy
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第一部分：概述
一． 计算机组成与结构简介
秦磊华计算机组成原理
秦磊华计算机组成原理一、计算机组成原理概述计算机是由硬件和软件两个部分组成的，其中硬件是计算机的实体部分，包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等；而软件则是计算机的程序和数据。
计算机组成原理主要研究计算机的硬件部分，它涉及到计算机的结构、功能和性能等方面。
二、计算机组成结构计算机的组成结构可以分为五个层次：数字逻辑层、微程序层、指令层、微程序机器层和物理实现层。
其中，数字逻辑层是计算机的最底层，它由各种逻辑门和触发器组成，用于实现计算机的基本逻辑运算。
微程序层是指计算机中的微指令系统，用于实现计算机的指令执行过程。
指令层是计算机的指令集，用于定义计算机的操作指令。
微程序机器层是将指令层和微程序层结合起来的层次，它可以实现复杂的指令操作。
物理实现层是计算机的最高层，它包括了计算机的物理结构和电路设计。
三、计算机的工作原理计算机的工作原理可以分为指令执行和数据处理两个阶段。
在指令执行阶段，计算机根据指令集中的指令来执行相应的操作。
这个过程包括指令的取指、指令的译码、指令的执行和结果的写回等步骤。
在数据处理阶段，计算机根据指令操作对数据进行处理。
这个过程包括数据的输入、数据的运算和数据的输出等步骤。
计算机的工作原理是通过运算器、控制器和存储器等组件相互配合来完成的。
四、计算机组成原理的应用计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的重要基础课程，它对于计算机专业的学生来说具有重要的意义。
通过学习计算机组成原理，可以了解计算机的硬件组成和工作原理，掌握计算机系统的结构和功能，培养计算机系统设计和优化的能力。
同时，计算机组成原理还可以为后续的计算机体系结构、计算机网络和操作系统等课程打下坚实的基础。
秦磊华计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的重要研究方向。
通过对计算机的硬件组成和工作原理的研究，可以深入理解计算机系统的结构和功能，提高计算机系统设计和优化的能力。
计算机组成原理是计算机专业的重要基础课程，它对于计算机科学与技术领域的学生来说具有重要的意义。
24王道计算机组成原理pdf
24王道计算机组成原理pdf 24王道计算机组成原理pdf，这是一本经典的计算机教材，涵盖了计算机组成原理的重要知识点。
本文将从硬件和软件两个方面介绍计算机组成原理的基本概念和相关内容。
1、计算机组成原理的概述 计算机组成原理是研究计算机硬件系统和软件系统如何结合实现计算机功能的一门学科。
它包括计算机硬件的组成结构以及与之相关的软件系统的组成原理。
2、计算机硬件系统的组成结构 计算机硬件系统由中央处理器（CPU）、主存储器、输入输出设备（I/O）和总线等组成。
其中，CPU是计算机的核心，负责执行程序和进行数据处理。
主存储器用于存储程序和数据。
输入输出设备用于与外部设备进行信息交换。
总线是这些硬件组件之间传输数据和信号的通道。
3、计算机硬件系统的功能模块 计算机硬件系统包括运算器、控制器、存储器和输入输出设备等功能模块。
运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责控制计算机的运行，存储器用于存储数据和指令，输入输出设备用于与外部设备进行数据传输。
4、计算机软件系统的组成原理 计算机软件系统由系统软件和应用软件两部分组成。
系统软件是指计算机操作系统和系统工具软件，它们管理和控制计算机的硬件资源，提供基础的运行环境。
应用软件是指在计算机上运行的各种具体应用程序，如办公软件、娱乐软件等。
5、计算机指令的执行过程 计算机指令的执行过程包括取指令、译码、执行和访存等阶段。
取指令阶段是从主存储器中读取指令，并将其送入控制器。
译码阶段是将指令中的操作码转换为控制信号，控制器根据控制信号控制硬件模块的工作。
执行阶段是根据指令进行计算、逻辑运算等操作。
访存阶段是从主存储器中读取数据或向主存储器中写入数据。
6、计算机的层次结构 计算机的层次结构分为硬件层次和软件层次。
硬件层次包括门电路、组合逻辑电路、顺序逻辑电路、微程序控制器和指令系统等。
软件层次包括机器语言、汇编语言、高级语言、操作系统和系统工具等。
7、计算机性能的评价指标 计算机性能的评价指标包括执行时间、吞吐量和响应时间等。
计算机组成原理第一章总结
第一章计算机系统概述1.电子（电子线路）数字（电子线路是数学式）通用（计算机本身功能多样）计算机系统。
2.计算机系统由计算机硬件（构成计算机的所有实体部件的组合）和计算机软件（一系列按照待定顺序组织的计算机数据和指令的集合）组成。
3.硬件指由中央处理器，存储器以及外围设备等组成的实际装置，硬件的作用是完成每条指令规定的功能。
指令是计算机运行的最小的功能单位，指令是指示计算机硬件执行某种运算，处理功能的命令。
4.软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序，程序由一个序列的计算机指令组成。
指令是用于设计的一种计算机语言。
5.计算机系统的层次结构：数字逻辑层，微体系结构层（这两层是硬件部分），指令系统层（处在硬件和软件系统），操作系统层，汇编语言层，高级语言层（这三层是软件部分）。
6.运算器（ALU，算术逻辑单元）（1）算术运算和逻辑运算（2）在计算机中参与运算的数是二进制的（3）运算器的长度一般是8，16，32或64位。
7.存储器（1）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。
（2）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。
（3）内存储器（ROM,RAM）8.信息单位（1）位（bit，简写b）数字计算机信息单位；包含1位二进制（0或1）（2）字节（Byte,简写B）由8位二进制信息组成（3）字（Word）计算机一次所能处理的二进制位数，至少一个字节，通常把组成一个字的二进制位数称为字长9.存储器的分类（1）按照在计算机中的作用（主存储器，寄存器，闪速存储器，高速缓冲存储器，辅助存储器等）10.主存储器（主存）通常采用半导体存储器（1）随机存取存储器（RAM）CPU可读写，断电时内容被消除（2）只读存储器（ROM）CPU只能读写，断电后可保留其数据，存储在ROM中的软件常被称为固件。
11.寄存器（CPU内部的一组特殊存储单元）（1）读写速度比主存快的多，通常被用于使用最为频繁的数据项，以避免多次访问主存，减少主存访问可大大加快计算机速度。
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
计算机组成原理目录
计算机组成原理目录
一、基本概念和术语
1.计算机组成原理概述
2.计算机硬件和软件的关系
3.信息的表示和处理
4.计算机的运行原理
二、数字逻辑电路基础
1.布尔代数和逻辑门
2.组合逻辑电路
3.时序逻辑电路
4.存储器和寄存器
三、计算机的指令系统和运算
1.指令的表示和执行
2.数据的表示和运算
3.控制逻辑和控制单元
四、存储器和存储器层次结构
1.存储器的分类和特性
2.主存储器和辅助存储器
3.存储器的层次结构和存取方法
4.存储器的高速缓存和虚拟存储器
五、输入和输出设备
1.输入和输出设备的分类和特性
2.输入设备的接口和数据采集
3.输出设备的接口和数据显示
4.输入输出设备的控制和通信
六、总线和通信
1.计算机系统中的总线
2.总线的分类和特性
3.总线的传输方式和速度
4.总线的控制和仲裁
七、处理器的结构和设计原理
1.处理器的功能和组成
2.数据通路和控制单元的设计
3.内部寄存器和处理器的运行状态
4.处理器的性能评价和优化技术
八、计算机体系结构和指令集
1.计算机的级别和体系结构
2.CISC和RISC的比较
3.指令集的设计和实现
4.多核处理器和并行计算
九、系统总线和I/O设备接口
1.系统总线的结构和功能
2.总线的控制和仲裁机制
3.I/O设备的接口和通信
4.DMA和中断处理机制
十、计算机性能评价和提高技术
1.计算机性能的度量和评价
2.程序的优化和并行化技术
3.存储器层次结构的优化
4.编译器的优化技术。
计算机组成原理清华1教材
第四代计算机—超大规模集成电路计算机 设计方法和设计工具的重视 第五代计算机—普适计算机 信息空间和信息空间的入口的矛盾严重限制 了人们获取信息和处理信息的能力 个人数字助理（ Personal Digital Assistant ， PDA）是这一代计算机的典型代表
普适计算特殊性主要有： （1）硬件和软件经常是协同设计的； （2）一种重要目标就是将物理世界和信息 世界相互关联； （3）网络基础设施尤其是无线网络技术的 发展为普适计算提供了物质基础； （4）设备实现小尺寸、微功耗和低成本。 人们周围将有大量功能多样和形态各异的 计算设备。
系列机具有以下特性： 1) 相同的或相似的指令集：多数情况下，系列中的所有成 员都其有完全相同的指令集。这样，能够在一台机器上执 行的指令同样也能在另一台机器上执行。某些情况下，系 列中低端产品的指令集是高端产品的一个子集。这意味着 程序可以向上而不能向下移植。 2) 相似或相同的操作系统：产品家族中的所有成员都有相 同的基本操作系统。有些情况下，高端成员会增添一些新 特性。 3) 更高的速度：成员机器从低端到高端，指令执行速度从 低到高。 4) 更多的I/O端口数：成员机器从低端到高端，I/O端口 数越来越多。 5) 更大的内存容量：成员机器从低端到高端，内存容量越 来越大。 6) 成本增加：成员机器从低端到高端，成本越来越高。
摩尔定律:单个芯片中的晶体管数目每年能够翻一番。 摩尔定律的影响: 1) 在芯片集成度快速增长的期间，单个芯片的成本几乎没 有变化，这意味着计算机逻辑电路和存储器电路的成本显 著下降。 2) 因为在集成度更高的芯片中逻辑和存储器单元的位置更 靠近，电路长度更短，所以提高了工作速度。 3) 计算机变得更小，更容易放置在各种环境中。 4) 减少了电能消耗及对冷却的要求。 5) 集成电路内部的连接比芯片间的连接更可靠，由干芯片 中的电路增加，芯片间的连接变得更少。
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。
知识点整理----计算机组成原理
一、系统概述（一）计算机发展历程（二）计算机系统层次结构1.计算机硬件的基本组成2.计算机软件的分类3.计算机的工作过程（三）性能指标1.吞吐量对网络、设备、端口、虚电路或其他设施，单位时间内成功地传送数据的数量(以比特、字节、分组等测量)。
2.响应时间3.CPU时钟周期（Clock Cycle）：又称节拍没冲或T周期，是处理操作的最基本单位，是计算机中最基本的、最小的时间单位。
主频的倒数4.主频: 即CPU内核工作的时钟频率（CPU ClockSpeed）。
CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接关系。
5.CPI （Clock cycle Per Instruction）表示每条计算机指令执行所需的时钟周期。
6.CPU执行时间7.MIPS(Million Instruction per second)每秒执行百万条指令某机器每秒执行300万条指令，则记作3 MIPS8.MFLOPS (Million Floationg-point Operations perSecond，每秒百万个浮点操作)衡量计算机系统的主要技术指标之一。
对于一给定的程序，MFLOPS的定义为：MFLOPS=操作浮点数/（执行时间*10E6）（10E6位10的6次方）。
1.指令周期：执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成，是从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。
2.机器周期：（又称cpu周期）在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。
例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。
完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。
通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定因而又称总线周期3.在电子技术中，脉冲信号是一个按一定电压幅度，一定时间间隔连续发出的脉冲信号。
脉冲信号之间的时间间隔称为周期；而将在单位时间（如1秒）内所产生的脉冲个数称为频率。
计算机组成原理知识点
计算机组成原理知识点计算机组成原理知识点概述1. 引言计算机组成原理是计算机科学和工程领域的基础学科，它研究计算机系统的基本结构和工作原理。
本文档旨在概述计算机组成原理的核心知识点，为学习和理解计算机硬件提供指导。
2. 计算机系统概述2.1 计算机的定义与分类2.2 计算机的发展历程2.3 计算机系统的基本组成3. 数据的表示与处理3.1 数制与编码3.2 浮点数与定点数表示3.3 逻辑运算与逻辑电路3.4 算术运算的硬件实现4. 指令系统4.1 指令格式与指令类型4.2 指令的编码与解码4.3 控制单元的功能与设计4.4 指令流水线5. 存储系统5.1 存储器的层次结构5.2 随机存取存储器(RAM)5.3 只读存储器(ROM)5.4 缓存存储器(Cache)5.5 虚拟存储器6. 中央处理器(CPU)6.1 CPU的结构与功能6.2 时钟与同步6.3 寄存器与寄存器组6.4 算术逻辑单元(ALU)6.5 指令执行过程7. 输入/输出系统7.1 I/O接口的作用与分类7.2 轮询与中断7.3 直接内存访问(DMA)7.4 I/O设备的控制8. 总线与互连网络8.1 总线的概念与分类8.2 总线协议与通信8.3 互连网络的设计与优化9. 并行组织与高性能计算9.1 并行处理的基本概念9.2 多处理器系统9.3 向量处理器与流水线处理器9.4 高性能计算架构10. 结论本文档提供了计算机组成原理的关键知识点，为深入理解计算机硬件打下了坚实的基础。
通过掌握这些知识点，读者将能够更好地理解计算机系统的工作原理，并为进一步的学习和发展奠定基础。
请注意，本文档仅为计算机组成原理知识点的概述，每个部分都需要更深入的研究和学习才能完全理解。
此外，随着技术的发展，新的知识点和概念可能会被引入，因此持续学习是必要的。
计算机组成原理 1概述
1.3 计算机系统
机器档次 向上 兼容 向下 兼容 当前机器
向前 向后 兼容 兼容 时间
1.3 计算机系统
1.3.3 计算机系统的 多层次结构 现代计算机 系统是一个硬件 与软件组成的综 合体，我们可以 把它看成是按功 能划分的多级层 次结构。
第6级 应用语言级（虚拟机器） 应用语言级（虚拟机器） 应用程序
1.2 计算机的硬件组成
第一级
第二级
主机
第三级 设备 控制器 设备 控制器
第四级
CPU
通道
…
外设
… … … …
外设
…
外设 设备 控制器 设备 控制器 外设
外设
主存
通道
…
外设
外设
外设
1.2 计算机的硬件组成
1.2.4 不同对象观察到的计算机硬件系统
一般用 户观察到的 计算机硬件 系统
1.2 计算机的硬件组成
本课程的任务
讨论单机系统范围内计算机各 部件和系统的组成以及内部工作 机制。通过学习，掌握计算机各 大部件的组成原理、逻辑实现、 设计方法及其互连构成整机系统 的技术，并为后继课程的学习打 好基础。
学习指南
本课程的重点：五大基本部件的原 理及实现。 本课程的难点：各部件互连构成整 机系统，即整机概念的建立。 本课程的深广度：主要讨论计算机 组成中具有共性的问题，要处理好 抽象概念与具体实例的关系。
专业用 户观察到的 计算机硬件 系统
1.2 计算机的硬件组成
计算机
计算机 设计者观察 到的计算机 硬件系统
控制器
ALU
存储器
外设
系统级
寄存器1 寄存器2
. . .
寄存器N
408计算机组成原理笔记(超全)
408计算机组成原理笔记（超全）(一)第一章计算机系统概述●考纲内容●一、计算机系统层次结构1.计算机系统的基本组成●一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的。
在计算机系统中，硬件和软件在逻辑上是等效的。
2.计算机硬件的基本组成●五大部件●输入设备：将信息转换成为机器能识别的形式●输出设备：将结果转换成人们熟悉的形式●存储器：存放数据和程序，分为主存储器（内存储器）和辅助存储器（外存储器），主存储器包括地址寄存器MAR、数据寄存器MDR、时序控制逻辑。
其中地址寄存器的位数对应着存储单元的个数，数据寄存器的位数和存储字长相等●运算器（核心是算术逻辑单元ALU）：进行算数运算和逻辑运算●控制器：指挥程序运行，由程序计数器PC、指令寄存器IR和控制单元CU组成●早期冯诺依曼架构首次提出了“存储程序”的概念，以运算器为中心，指令和数据以同等地位存在存储器中并且按地址寻访，指令和数据都用二进制表示，指令由操作码和地址码组成●现代计算机结构以存储器为中心，将运算器和控制器合起来称为CPU3.计算机软件和硬件的关系●软件按功能分为系统软件和应用软件●机器语言：二进制代码语言，是计算机唯一可以识别和执行的语言●汇编语言：用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，方便记忆和理解●高级语言：是为方便程序设计人员写出解决问题的代理方案和解题过程的程序●翻译程序●汇编程序：将汇编语言程序翻译成机器语言程序●解释程序：将高级语言翻译成机器语言（翻译一句执行一句）●编译程序：将高级语言程序翻译成汇编语言或者机器语言4.计算机系统的工作原理●“存储程序”方式●在程序执行前就把所含的所有指令和数据送入内存，一旦程序开始执行就无须人为干预，计算机可以自动取指并完成任务●高级语言程序与机器语言程序的转换●预处理阶段：预处理‘#’开头的命令，如头文件●编译阶段：编译器将预处理后的源程序编译成汇编语言程序●汇编阶段：汇编器将汇编语言程序翻译成机器语言程序（可重定位）●链接阶段：链接器将多个可重定位文件和标准库函数合并为一个可执行目标文件●●程序和指令的执行过程●程序执行过程：程序的执行过程就是数据在CPU、存储器和I/O设备之间流动的过程，所有数据的流动都是通过总线、I/O接口等实现的●指令执行的过程（以取数指令为例，完成将数据送至运算器的累加器ACC中）：先取指，即先将PC中记录的指令的存储地址送到MAR，主存根据MAR中的地址取出存放在该地址的指令放入MDR，MDR将指令送到IR【PC—>MAR—>M—>MDR—>IR】;再分析指令，即控制器根据IR中指令的操作码，生成取数指令相对应的控制信号，这里会将读控制信号发送到总线的控制线上【OP(IR)—>CU】；最后执行指令，即先将IR中取数指令的地址码送到MAR中，然后主存根据读控制信号和MAR中的地址取出存放在该地址的数据并送入MDR，再送到ACC中【Ad(IR)—>MAR—>M—>MDR—>ACC】●二、计算机性能指标1.机器字长，也叫字长，是CPU内部用于整数运算的运算器位数和通用寄存器的宽度2.指令字长和存储字长，指令字长一般是存储字长的整数倍，若指令字长等于存储字长则取指周期等于机器周期3.数据通路带宽（数据字长）是指数据总线一次能并行传送信息的位数4.主存容量5.运算速度●吞吐量是指系统在单位时间内处理请求的数量，主要取决于主存的存取周期●响应时间是指用户向计算机发送请求到操作系统做出响应并得到结果的等待时间●CPU时钟周期：CPU中的最小时间单位，执行指令的每个动作都至少需要一个时钟周期●主频：CPU时钟周期的倒数，单位是HZ●CPI：执行一条指令所需的时钟周期数●IPS：每秒执行多少条指令●MIPS：每秒执行多少百万条指令●FLOPS：每秒执行多少次浮点数运算6.基准程序：可以理解为跑分软件，但是也存在一定缺陷●小知识点●冯诺依曼机器的基本工作方式是控制流驱动方式●地址译码器一般是主存而不是CPU的构成部分●解释程序的速度一般比编译程序慢●相联存储器既可以按地址寻址也可以按内容寻址●在cpu中，IR、MAR、MDR对各类程序员都是透明的，即看不见的；通用寄存器都是可见的（mov指令会用到）(二)第二章数据的表示与运算●考纲内容●一、数制与编码1.进位计数制及其相互转换●十进制数转换为任意进制数●整数部分采用除基取余法，先余为低，后余为高●小数部分采用乘基取整法，先整为高，后整为为低2.定点数的编码表示●通常用定点补码整数表示整数，用定点原码小数表示浮点数的尾数部分，用移码表示浮点数的阶码部分●原码：基本概念略，真值零的原码表示有正零和负零两种形式●补码：基本概念略，零的补码是唯一的，小数补码比原码多表示一个-1，整数补码比原码多表示一个-2。
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
计算机组成原理第一章
计算机组成原理第一章计算机组成原理第一章主要涉及计算机发展的历史背景及计算机的基本概念。
在计算机产生之前，人们使用机械计算器进行数学计算，并且需要手动操作进行算术运算。
而计算机的诞生改变了这种情况，计算机可以自动执行计算任务，大大提高了计算速度和精确度。
计算机系统由硬件和软件两部分组成。
硬件包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等。
而软件则是安装在计算机硬件上的程序和数据。
计算机通过执行软件中的指令来完成各种任务。
计算机的基本运算包括加法、减法、乘法和除法。
在计算机中，数值以二进制形式表示，并且利用电子开关来表示0和1。
这种二进制形式的计算和存储使得计算机系统更加高效和可靠。
在计算机系统中，信息的传输是通过电路连接实现的。
信息可以通过数据总线、控制总线和地址总线进行传输。
数据总线负责传输数据，控制总线负责控制和协调计算机内部各个部件的工作，地址总线用于指定存储器或者设备的地址。
计算机也需要进行数据的存储和检索。
内存是计算机存储数据和程序的地方，它被划分为多个存储单元，每个存储单元可以存储一个数据或者指令。
计算机还需要外部存储器来存储大量的数据，例如硬盘和光盘等。
计算机的指令集架构是计算机体系结构的重要组成部分。
指令集架构定义了计算机系统中处理器的指令和寄存器，以及指令的执行方式。
目前常用的指令集架构包括x86、ARM和MIPS 等。
计算机的工作方式可以分为单指令周期工作方式和多指令周期工作方式。
单指令周期工作方式意味着计算机每个指令在一个时钟周期内完成执行。
而多指令周期工作方式则允许计算机在一个时钟周期内执行多个指令。
总之，计算机组成原理第一章主要介绍了计算机的基本概念和发展历史，以及计算机系统的组成和工作方式。
了解这些基本知识对于理解计算机的工作原理和设计原则非常重要。
计算机组成原理ieee754
计算机组成原理ieee754（原创实用版）目录一、计算机组成原理概述1.计算机硬件的基本组成2.计算机的功能部件及层次结构3.计算机性能指标4.数制与编码（进制转换）5.定点数的表示和运算6.浮点数的表示与运算7.算术逻辑单元 ALU8.存储系统9.高速缓冲存储器10.指令系统（指令、操作码、地址码、指令寻址、数据寻址）11.RISC 技术12.中断系统13.数值表示与运算正文一、计算机组成原理概述计算机组成原理是计算机科学的基础知识，涉及计算机硬件的基本组成、功能部件及层次结构、性能指标等诸多方面。
计算机组成原理主要研究如何构建一个高效、可靠、易于扩展的计算机系统。
1.计算机硬件的基本组成计算机硬件主要包括输入设备、输出设备、存储器、处理器等。
其中，输入设备负责将外部数据和指令输入计算机，输出设备负责将计算机处理后的数据或信息输出，存储器用于存储数据和指令，处理器负责执行指令和处理数据。
2.计算机的功能部件及层次结构计算机的功能部件包括运算器、控制器、存储器和输入/输出设备。
这些部件按照一定的层次结构组织起来，形成了计算机的硬件系统。
3.计算机性能指标计算机性能指标主要包括运算速度、存储容量、输入/输出速度等。
这些指标决定了计算机的处理能力和效率。
二、数制与编码（进制转换）数制是指用来表示数值的方法，常见的数制有十进制、二进制、八进制、十六进制等。
计算机内部采用二进制表示数据，因此需要将外部输入的其它进制数据转换为二进制。
1.定点数的表示和运算定点数是指数值的位数固定的数，如二进制数 10101010。
定点数的表示和运算相对简单，一般采用补码表示法。
2.浮点数的表示与运算浮点数是指数值的小数点位置可变的数，如二进制数 1.10101。
浮点数的表示和运算较为复杂，通常采用 IEEE 754 标准。
三、算术逻辑单元 ALU算术逻辑单元（ALU）是计算机中负责执行各种算术和逻辑运算的部件，如加减乘除、与或非等。
计算机组成原理附标准答案白中英3篇
计算机组成原理附标准答案白中英第一篇：计算机组成原理概述计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的一门基础课程，主要涉及计算机硬件系统的组成、功能及其相互关系。
它研究计算机系统是如何通过使用各种硬件和软件资源来执行指令，并最终完成各种任务的。
计算机组成原理的学习内容包括：计算机硬件系统组成与功能、数据的表示与存储、指令系统与指令执行、中央处理器(CPU)、存储器、输入输出(I/O)系统、系统总线、计算机系统性能指标等。
在计算机系统中，CPU是整个系统的“大脑”，它负责执行指令，控制计算机系统的运行和协调各个部件的工作。
存储器用于存储程序和数据，包括主存储器和辅助存储器两种。
I/O系统则用于计算机与外部设备的信息交互。
而系统总线则用于连接CPU、存储器和I/O系统等各个部件，是系统中起连接作用的硬件。
指令系统是计算机硬件系统的重要组成部分，它定义了计算机系统可以执行的指令，包括指令格式、寻址方式、操作码等。
指令执行则是指计算机根据指令系统中规定的指令进行计算和处理，从而完成用户所需的功能。
指令执行包括取指令、指令译码和指令执行三个步骤。
计算机系统性能指标包括：处理器时钟频率、指令执行时间、吞吐量、响应时间等。
处理器时钟频率是指处理器每秒钟发生的时钟脉冲数，通常以GHz为单位。
指令执行时间是指一条指令完成所需的时间，吞吐量是指单位时间内系统完成的任务数，响应时间是指系统对任务请求的响应时间。
总之，计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的一门重要课程，掌握它可以帮助我们深入了解计算机硬件系统的组成与功能，更好地理解计算机系统的工作原理，从而进一步提高计算机系统设计与开发的水平。
第二篇：CPU与指令执行CPU是计算机系统中最重要的部件之一，它负责执行计算机系统中的指令。
CPU由控制器和运算器两部分组成。
控制器用于控制CPU的工作，它根据指令系统中的规定执行指令，包括取指令、指令译码、指令执行等几个步骤。
取指令是指控制器从指令存储器中读取指令，指令译码是指控制器将指令中的操作码、寻址方式等信息进行解析和分析，指令执行则是指控制器根据指令中的操作码及其操作数完成运算或处理。
计算机组成原理基础概述
计算机组成原理基础概述计算机组成原理是计算机科学与技术中的一门重要课程，它主要研究计算机硬件与软件之间的关系以及计算机系统的工作原理。
它是计算机科学与技术领域的基础课程之一，对于深入理解计算机的工作原理和提高计算机系统设计与性能优化的能力具有重要意义。
本文将对计算机组成原理的基本概念、主要组成部件以及工作原理进行概述。
一、计算机组成原理概述计算机组成原理是一门研究计算机系统结构、设计思想和工作原理的基础课程。
它主要包括计算机系统的层次结构、指令系统、CPU结构与功能、存储器的层次结构与功能、输入输出系统以及计算机系统的总线结构等内容。
通过学习计算机组成原理，我们可以深入了解计算机的内部结构与工作原理，从而为计算机系统的设计与优化提供理论基础。
二、计算机组成原理的基本概念1. 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构按照功能和性能从高到低可以分为应用层、系统软件层、操作系统层、转译软件层、指令系统层、微程序层、硬件逻辑层和数字电路层等。
每一层都与上一层和下一层有着紧密的联系和交互作用。
2. 指令系统指令系统是计算机系统中的一个重要组成部分，它定义了计算机的指令集和指令的格式。
指令系统的设计与选择直接影响到计算机的操作和运行效率。
常见的指令系统有复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。
3. CPU结构与功能CPU是计算机系统的核心部件，它主要由控制器和运算器组成。
控制器负责解释和执行指令，控制计算机系统的工作流程；运算器负责进行数据运算和逻辑判断。
CPU的性能取决于其时钟频率、指令级并行度和微结构设计等因素。
4. 存储器的层次结构与功能存储器是计算机系统中用于存储数据和程序的设备。
存储器的层次结构按照访问速度从快到慢可以分为高速缓存、内存和外存等。
存储器的功能主要有存储数据、读写数据和传输数据等。
5. 输入输出系统输入输出系统是计算机系统与外部设备之间的接口，它负责实现计算机与外设之间的数据交换和传输。
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存储器
I/O
第２篇 计算机系统的硬件结构
系统总线
CPU
32
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
第３篇 CPU
系统总线
CPU
中央处理器
ALU
CU
CPU 内部互连
寄存器
33
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
第４篇 CU
系统总线
CPU
中央处理器 控制单元
ALU
CU
CPU 内部互连
排队 逻辑
寄存器 和解码器
程序 —— 运算的 全部步骤 指令 —— 每 一个步骤
1.2
14
编程举例
计算
取x
1.2
ax2 + bx + c = (ax + b)x + c
至运算器中 取x
加b 加c
至运算器中
在运算器中 在运算器中
乘以x 在运算器中 乘以a 在运算器中 存ax2 在存储器中 取b 至运算器中 乘以x 在运算器中 加ax2 在运算器中 加c 在运算器中
第１章 计算机系统概论
第２章 计算机的发展及应用
第３章 系统总线 第４章 存储器
第５章 输入输出系统
第６章 计算机的运算方法 第７章 指令系统 第８章 CPU 的结构和功能
第９章 控制单元的功能
第10章 控制单元的设计
1
第１章 计算机系统概论
1.1 计算机系统简介 1.2 计算机的基本组成
1.3 计算机硬件的主要技术指标
运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备
主机
CPU
1.2
ALU
CU 主存 辅存
CPU
主机
硬件 I/O设备
主 存
ALU CU
I/O
设备
13
三、计算机的工作步骤
1.上机前的准备
• 建立数学模型
• 确定计算方法 x3 x5 x7 x9 … sin x = x + + 3! 5! 7! 9! 1 ( y x ) ( n = 0, 1, 2, … ) x √ = 2 n + yn • 编制解题程序
用机器语言解释操作系统
虚拟机器 M2 实际机器 M1
硬 件
用微指令解释机器指令
微程序机器 M0
由硬件直接执行微指令
7
三、计算机体系结构和计算机组成 1.1
有无乘法指令
计算机 程序员所见到的计算机系统的属性 体系结构 概念性的结构与功能特性
（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）
计算机 组成
实现计算机体系结构所体现的属性
ACC
[M]
被除数
X MQ
X
运算器
[ACC]÷[X]
余数在ACC中
24
(3)控制器的基本组成
1.2
PC
IR
CU
完成 一条 指令
PC
取指令
分析指令
取指 访存
执行指令
CU
执行 访存
IR
PC 存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（PC）+ 1 PC IR 存放当前欲执行的指令
25
(4)主机完成一条指令的过程
MAR
X
运算器
控制器
8
主存储器
27
(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程
• 将程序通过输入设备送至计算机
1.2
• 程序首地址
• 启动程序运行
PC MAR M
CU
• 取指令 PC
MDR M
IR ,(PC )+ 1 MDR ACC
PC
• 分析指令 OP(IR)
• 执行指令 Ad(IR)
• 打印结果 • 停机 …
ACC MQ
1.2
X 加数 减数
ACC
MQ
加法 被加数 和 被减数 减法 差 乘数 乘法 乘积高位 乘积低位 被除数 除法 余数 商
ALU
被乘数
除数
20
X
运算器
① 加法操作过程
指令
ACC MQ
1.2
加 M
初态 ACC
ALU
被加数
X ACC
[M] [ACC]+[X]
X
运算器
21
② 减法操作过程
指令
（具体指令的实现）
如何实现乘法指令
8
1.2 计算机的基本组成
一、冯· 诺依曼计算机的特点
1. 计算机由五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，
可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示 4. 指令由操作码和地址码组成 5. 存储程序 6. 以运算器为中心
9
冯· 诺依曼计算机硬件框图
存放数据 将信息转换成机 和程序 器能识别的形式 输入设备
MAR
28
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长 CPU 一次能处理数据的位数
主频 吉普森法 TM = fi ti
i =1
与 CPU 中的 寄存器位数 有关
n
2.运算速度
MIPS CPI
每秒执行百万条指令
执行一条指令所需时钟周期数
FLOPS 每秒浮点运算次数
29
3.存储容量
存放二进制信息的总位数 存储单元个数 ×存储字长 如
寄存器
控制 存储器
34
本章作业
第19页 5 7 8 11 12 交作业时间:第四周第一次课
35
本章作业
5. 冯.诺依慢计算机的特点是什么? 7. 概念解释: 主机，CPU，主存，存储单 元，存储元件，存储字，存储字长，存 储容量，机器字长，指令字长。 8. 解释英文代号：CPU，PC，IR，CU，ALU， ACC，MQ，X，MAR，MDR，I/O，MIPS， CPI，FLOPS 11. 指令和数据都存于存储器中，计算机 如何区分它们？ 12. 什么是指令？什么是程序？
以取数指令为例 CPU
…
ACC MQ
1.2
5
存储体
6
IR 27 3 8
MDR
I/O 设 备
CU
ALU
控制 单元
PC
1
4
MAR
X
运算器
控制器
9
主存储器
26
(4)主机完成一条指令的过程
以存数指令为例 CPU
…
ACC MQ
1.2
5
存储体
6
IR 27 3 9
MDR
I/O 设 备
CU
ALU
控制 单元
PC
1
4
1.2
算术运算 将结果转换成 逻辑运算 人们熟悉的形式
存储器
运算器
输出设备
控制器
指挥程序 运行
10
冯· 诺依曼计算机硬件框图
1.2
存储器
输入设备
运算器
输出设备
控制器
11
二、计算机硬件框图
1. 以存储器为中心的计算机硬件框图
控制器
数据 输入设备 程序 运算器
1.2
计算
存储器
输出设备 结果
12
2.现代计算机硬件框图
乘以a 在运算器中 乘以x 在运算器中
15
指令格式举例
操作码 取数 000001 存数 加 α 0000001000 β γ [ACC] [ACC]+[γ] β 地址码 [α]
1.2
ACC
ACC
乘
打印
δ
[ACC]×[δ]
[ ]
ACC
打印机
16
停机
计算 ax2 + bx + c 程序清单
指令和数据 存于主存单 操作码 元的地址 0 1 指令 地址码 0000001000 取数x至ACC 0000001001 乘a得ax ,存于ACC中 注释 000001 000100
1.4 本书结构
2
1.1 计算机系统简介
一、 计算机的软硬件概念
1. 计算机系统
计 算 机 系 统
硬件 计算机的实体， 如主机、外设等 软件 由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成
3
1.1
系统软件 用来管理整个计算机系统
语言处理程序
操作系统 服务性程序
软 件
数据库管理系统
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序
9
10 11 12
x a b c
原始数据x
原始数据a
原始数据b 原始数据c 存放结果
17
2.计算机的解题过程
(1)存储器的基本组成
1.2
存储体 – 存储单元 – 存储元件 （0/1）
存储体
大楼 –
房间
– 床位 （无人/ 有人）
存储单元 存放一串二进制代码 存储字
存储单元中二进制代码的组合
MAR MDR
36
主存储器
存储字长 存储单元中二进制代码的位数
每个存储单元赋予一个地址号
按地址寻访
18
(1)存储器的基本组成
1.2
反映存储单元的个数
MAR 存储器地址寄存器
存储体
MDR 存储器数据寄存器
反映存储字长
MAR MDR
主存储器
设 MAR = 4 位
MDR = 8 位 存储单元个数 16 存储字长 8
19
(2)运算器的基本组成及操作过程
4
2. 计算机的解题过程
1.1
高级语 言程序
翻译
目标
程序
运行
结果
计算机