计算机组成原理(第五版)PPT课件
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陕西师范大学_计算机组成原理_课件ppt_白中英第5版_chp5
∙42/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
指令存储器
数据存储器
5.2.3 LAD指令执行过程详解
◊ 取指令过程与MOV指令相同 ◊ 下面讲解执行指令过程
∙43/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
∙44/210 ∙ , 陕西师范大学 计算机科学学院 ③ ④ ⑤ ⑥ ① 从 指令寄存器中的操作码（ CPU 程序计数器 程序计数器内容加 102 识别出是 号地址读出的 PC LAD 中的值为 指令，至此，取指周期即告结束。 1LAD ，变成 102 指令通过指令总线 OP 103 （八进制）； ）被译码； ，为取下一条指令做好准备； IBUS 装入指令寄存器 IR； ② PC 的内容被放到指令地址总线 ABUS(I) 上,对指存进行译码 并启动读命令；
5.2.2 MOV指令执行过程详解-执行指令 ◊ 执行指令过程详解
∙40/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
5.6 MOV指令执行过程详解-取指令
10
目标 源
① ③ ⑤ OC 送出控制信号，打开 OC）送出控制信号到通用寄存器，选择 DR ALU 中的数据 输出三态门，将 10 打入到目标寄存器 ALU输出送到数据总线 R1 R0 （ ， 10 R0 ）作源寄存器，选择 的内容由 DBUS 00 上。注意， 变为10。 R0 ② 操作控制器（ ④ OC送出控制信号，将 送出控制信号到 送出控制信号，将 ALU DBUS ，指定 上的数据打入到数据缓冲寄存器 ALU 做传送操作； DR （10 ）； ∙41/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院 任何时候 至此， 作目标寄存器； MOV DBUS 指令执行结束。 上只能有一个数据。
∙32/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
Eg.
指令存储器
数据存储器
5.2.3 LAD指令执行过程详解
◊ 取指令过程与MOV指令相同 ◊ 下面讲解执行指令过程
∙43/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
∙44/210 ∙ , 陕西师范大学 计算机科学学院 ③ ④ ⑤ ⑥ ① 从 指令寄存器中的操作码（ CPU 程序计数器 程序计数器内容加 102 识别出是 号地址读出的 PC LAD 中的值为 指令，至此，取指周期即告结束。 1LAD ，变成 102 指令通过指令总线 OP 103 （八进制）； ）被译码； ，为取下一条指令做好准备； IBUS 装入指令寄存器 IR； ② PC 的内容被放到指令地址总线 ABUS(I) 上,对指存进行译码 并启动读命令；
5.2.2 MOV指令执行过程详解-执行指令 ◊ 执行指令过程详解
∙40/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
5.6 MOV指令执行过程详解-取指令
10
目标 源
① ③ ⑤ OC 送出控制信号，打开 OC）送出控制信号到通用寄存器，选择 DR ALU 中的数据 输出三态门，将 10 打入到目标寄存器 ALU输出送到数据总线 R1 R0 （ ， 10 R0 ）作源寄存器，选择 的内容由 DBUS 00 上。注意， 变为10。 R0 ② 操作控制器（ ④ OC送出控制信号，将 送出控制信号到 送出控制信号，将 ALU DBUS ，指定 上的数据打入到数据缓冲寄存器 ALU 做传送操作； DR （10 ）； ∙41/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院 任何时候 至此， 作目标寄存器； MOV DBUS 指令执行结束。 上只能有一个数据。
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Eg.
计算机组成原理(本全)课件
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。
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。
计算机组成原理全套PPT课件
IC
计算机组成原理
2.运算速度
CPU执行时间：是指CPU计算某个任务所花费的 时间，不包括I/O访问时的等待时间等。
CPU执行时间=CPU时钟周期总数×时钟周期 =指令条数×CPI ×时钟周期
从上面的公式可以看出CPU的性能与计算机 体系的关系: ⑴时钟频率反映了计算机的实现技术和生产工艺. ⑵CPI反映了计算机的实现技术和指令集结构. ⑶IC反映了计算机指令系统的设计和编译技术.
lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2)
1000 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0000 1000 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0100 1010 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0000 1010 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0100
序→机器语言目标程序。 2.编译程序(Complier)：高级语言源程序
→汇编/机器语言目标程序 3.解释程序(Interpreter )：将高级语言
语句逐条翻译成机器指令并立即执行,不 生成目标文件。
计算机组成原理
2. 计算机的解题过程
计算机组成原理
软 件
硬 件
temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;
2.运算速度
时钟周期:又称为节拍周期或T周期,是时钟频率的 倒数。是处理器操作最基本的时间单位。例如，主 频为1GHz的CPU的时钟周期为1ns。
CPI：表示执行每条指令所需要的平均时钟周期数。
CPI=一个程序的CPU时钟周期数÷程序指令数量
计算机组成原理(本全PPT)
应用
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
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
白中英 第五版 计算机组成原理第1章PPT课件
(2) 指令的形式
操作码 地址码
指出指令所进行的 操作，如加、减、 乘、除、取数、存 数等
计算机组成原理
表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元 取；运算的结果应存 到哪个单元
3. 控制器
操作的编码
操作 加法 减法 乘法 除法 取数 存数 停机
编码 001 010 011 100 101 110 000
器 计算机的运算器长度：
• 8位、16位、32位或64位
计算机组成原理
2. 存储器
功能：保存或“记忆”数据和运算过程
存储的是0或1表示的二进制代码
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
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
存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用
1985 386DX 27.5万
1999
P--III
1989 486DX 120万
1999.10 P-III-COP
管数 310万 550万 450万 750万 750万 950万 2800万
27.11.202பைடு நூலகம் 2:35
计算机组成原理
1.2.4 计算机的性能指标
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，单位是字节/秒（B/S）。
•计算机的基本结构；
•采用二进制；
•数据和程序都放在内存中。
主
• 冯.诺伊曼结构
机
冯·诺依曼计算机硬件框图
存放数据 将信息和转程换序成机 器能识别的形式
存储器
算将术结运果算转换成 逻人辑们运熟算悉的形式
输入设备
运算器
输出设备
计算机组成原理
操作码 地址码
指出指令所进行的 操作，如加、减、 乘、除、取数、存 数等
计算机组成原理
表示参加运算的数据 从存储器的哪个单元 取；运算的结果应存 到哪个单元
3. 控制器
操作的编码
操作 加法 减法 乘法 除法 取数 存数 停机
编码 001 010 011 100 101 110 000
器 计算机的运算器长度：
• 8位、16位、32位或64位
计算机组成原理
2. 存储器
功能：保存或“记忆”数据和运算过程
存储的是0或1表示的二进制代码
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
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
存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用
1985 386DX 27.5万
1999
P--III
1989 486DX 120万
1999.10 P-III-COP
管数 310万 550万 450万 750万 750万 950万 2800万
27.11.202பைடு நூலகம் 2:35
计算机组成原理
1.2.4 计算机的性能指标
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，单位是字节/秒（B/S）。
•计算机的基本结构；
•采用二进制；
•数据和程序都放在内存中。
主
• 冯.诺伊曼结构
机
冯·诺依曼计算机硬件框图
存放数据 将信息和转程换序成机 器能识别的形式
存储器
算将术结运果算转换成 逻人辑们运熟算悉的形式
输入设备
运算器
输出设备
计算机组成原理
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。
《计算机组成原理》课件
指令结束
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
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(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
陕西师范大学_计算机组成原理_课件ppt_白中英第5版_chp3
∙31/171∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
图(a)表示写1到存储 位元。此时输出缓 冲器关闭、刷新缓 冲器关闭，输入缓 冲器打开（R/W为 低），输入数据 DIN=1送到存储元位 读放 线上，而行选线为 高，打开MOS管， 于是位线上的高电 平给电容器充电， 表示存储了1。
播放I
MOS管
∙27/171∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
3.2 SRAM存储器
∙28/171∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
3.2 SRAM存储器
∙29/171∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
3.3 DRAM存储器
一、DRAM存储位元的记忆原理
› ›
SRAM存储器的存储位元是锁存器，它具 有两个稳定的状态。 DRAM存储器的存储位元是由一个MOS 晶体管和电容器组成的记忆电路，如图 3.6所示。
图(c)表示从存储位 元读出1。输入缓冲 器和刷新缓冲器关闭， 输出缓冲器/读放打 开（R/W为高）。行 选线为高，打开 MOS管，电容上所 存储的1送到位线上， 通过输出缓冲器读出 放大器发送到DOUT, 即DOUT=1。
∙34/171∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
图(d)表示(c)读出1后 存储位元重写1。由于 (c)中读出1是破坏性 读出，必须恢复存储 位元中原存的1。此时 输入缓冲器关闭，刷 新缓冲器打开，输出 缓冲器读放打开， DOUT=1经刷新缓冲器 送到位线上，再经 MOS管写到电容上。
∙14/171∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
3.2 SRAM存储器
主存（内部存储器）是半导体存储器。根
据信息存储的机理不同可以分为两类： 相对而言 › 静态读写存储器(SRAM)： 存取速度快，一般用作Cache › 动态读写存储器(DRAM)： 存储容量大，一般用作主存
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）
计算机组成原理PPTPPT课件可修改全文
地址码用来给出参加本次运算的操作数和 运算结果所在的地址，根据地址码个数， 指令格式分为零地址、一地址 、二地址、 三地址、四地址
11
第11页/共130页
(1) 零地址指令
格式： OP
OP：操作码
如：空操作指令，停机指令
(2) 一地址指令
格式： OP
A
OP：操作码
A：操作数地址，同时也是操 作结果的存储地址
➢第一代电子管时代(1946-1958)： 耗电高，体积 大，定点计算，机器语言，汇编语言 ➢第二代晶体管时代(1958-1965)：变集中处理为 分级处理，浮点运算、高级语言 ➢第三代中小规模集成电路时代(1965-1970)：存 储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 ➢第四代大规模集成电路时代(1971至今)：向大型 机和微型机两个方向发展 ➢现代计算机发展方向：巨型化，微型化，网络化， 智能化，多媒体化，多核，云计算。
• 本题中，由于指令总长度为32位，操作数地址为12 位，则：
• 对于双操作数指令，操作码长度为（32-122）=8 位
• 对于单操作数指令，操作码长度为（32-12）=2025位
第25页/共130页
• 由于双操作数指令有K条，单操作数指令有L条，则 它们可设计成如下形式：
• 双操作数指令操作码范围为：000~(K-1)二进制数表
22
第22页/共130页
作业
某计算机指令长度为32位，有3种指令：双操作数指 令、单操作数指令、无操作数指令。今采用扩展操作 码方式来设计指令，假设操作数地址为12位，已知有 双操作数指令K条，单操作数指令L条，问无操作数指 令有多少条？
23
第23页/共130页
说明 0 0 0 0 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
计算机组成原理ppt课件
常见输入输出接口类型和特点比较
要点一
常见输入输出接口类型
要点二
特点比较
常见的输入输出接口类型包括PS/2接口、USB接口、HDMI 接口、DisplayPort接口、SATA接口等。
不同的输入输出接口类型具有不同的特点，如传输速度、支 持热插拔、连接方式等。例如，USB接口支持热插拔和即插 即用，而SATA接口则主要用于连接硬盘和光驱等存储设备。
定点数表示与运算方法
定点数表示方法
阐述定点数的表示方法，包括符号位、 数值位等，并介绍定点数的范围及精 度。
定点数加减运算
详细讲解定点数的加减运算方法，包 括补码加减运算等。
定点数乘除运算
介绍定点数的乘除运算方法，包括原 码乘除、补码乘除等算法。
定点数运算器的设计
阐述定点数运算器的设计原理和实现 方法，包括加法器、减法器、乘法器 和除法器等。
当中断发生时，计算机首先保存当前程序的执行状态，然后转去执行中断处理程序。中断处理程序执行完毕 后，计算机再返回原程序继续执行。这个过程需要由计算机的操作系统来管理和控制。
THANK YOU
指令系统设计原则和优化策略
有效性原则
指令系统应能有效地支持高级 语言的实现，提高程序执行效 率。
兼容性原则
新设计的指令系统应尽可能与 已有的指令系统保持兼容。
完备性原则
指令系统应满足程序设计的各 种需求，具备完备性。
规整性原则
指令系统应尽可能规整，简化 硬件实现和软件编程。
优化策略
采用流水线技术、超标量技术、 乱序执行技术等优化策略，提 高指令执行速度和效率。
高速缓冲存储器（Cache）原理及应用
Cache原理
Cache是一种高速缓冲存储器，它位于CPU和内存之间，用于存储CPU最近访问过的数 据和指令。通过Cache技术，可以提高CPU访问内存的效率和速度。
陕西师范大学_计算机组成原理_课件ppt_白中英第5版_chp4
20/94·陕西师范大学 计算机科学学院
教材勘误： P116 最后一段 第一行： “对于一个机器的指令系统， 在指令字中，操作码字段和 地址码字段长度通常是固定 的。……
21/94·陕西师范大学 计算机科学学院
4.2 指令格式
一、操作码
◊ 设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规 定一个操作码。 ◊ 指令的操作码OP表示该指令应进行什么性质的 操作，如进行加法、减法、乘法、除法、取数、 存数等等。不同的指令用操作码字段的不同编码 来表示，每一种编码代表一种指令。
较长 短
少
17/94·陕西师范大学 计算机科学学院
编制程序所需时间 程序执行时间 编译过程中对计算机资 源的要求
4.2 指令格式 ◊ 指令中包含以下信息 ▫ 做什么操作 ▫ 如果需要操作数，从哪里取 ▫ 结果送哪里 ▫ 下一条指令从哪里取 ◊ 所以指令格式包括两个基本内容：
操作码字段 地址码字段
指令的操作特性与功能
《计算机组成原理》（第五版）白中英、戴志涛主编 – 课件PPT
第四章 指令系统
陕西师范大学 计算机科学学院
【相关说明：本课件以白中英老师教材及课件为蓝 本制作而成，特表感谢；网上文档会伴随教研过程 不定期更新版本；最后，恳请文档使用者批评、指 正文中出现的错误、疏漏；版本时间：2014.6】
第四章 指令系统
VLSI：Very Large Scale Integration
9/94·陕西师范大学 计算机科学学院
4.1 指令系统的发展与性能要求
▫ 精简指令系统计算机：简称RISC，对 复杂指令系统的精简，便于VLSI技术 实现。 reduced instruction set computer
10/94·陕西师范大学 计算机科学学院
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计算机组成原理
现代:IEEE标准
S:符号位，“0”为正;“1”为负 E:阶码,采用“移码”表示 M:尾数,原码规格化表示(1.M型）
.
计算机组成原理
x 例1 若浮点数 的754标准存储格式为
(41360000)16求其浮点数的十进制数值。
0100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000 符号位:S=0
.
计算机组成原理
1.2 计算机的硬件组成：
.
计算机组成原理
一、数字计算机的硬件组成 运算器：完成算术逻辑运算功能。 存储器：保存原始数据和程序。
位；字节；字；字长；存储单元；地址； 容量（B KB MB GB TB等）；分类（ 内存；外存） 控制器：计算机中发号施令的部件. 指令(操作码 地址码);计算程序;存储程 序;程序控制;取指周期;执行周期;中央 处理器;数据字;指令字;数据流;指令流 适配器与输入输出设备:
3 十进制数串的表示方法
字符串形式(非压缩BCD码)
十进制的一位数码和符号都用一个字节存储.
压缩的十进制数串形式(压缩的BCD码)
十进制的一位数码和符号都用半个字节存储.
例如:
1
2
3 0C 1
2
D
符号位 补0
.
计算机组成原理
4 自定义数据表示
传统的计算机是用操作码来区分数据类型(定 点数;浮点数;BCD数)
.
计算机组成原理
[+0]补=2n+00…..00=0 [-0]补=2n-00…..00=0
此时X和Y被称为真值. 则[X]原=01011100,
[Y]原=11011100 而[+0]原=00000000,
[-0]原=10000000
.
计算机组成原理
2 补码
举一实例:3点钟+5小时=8时
3点钟-7小时=8时
即:3-7=3+5
为什么?
答:时钟是以12为模,5和-7互为补码.
在计算机中采用补码主要原因有
.
计算机组成原理
第一章 计算机系统概论
1.1 计算机的分类和应用 1.2 计算机的硬件 1.3 计算机的软件 1.4 计算机系统的层次结构
.
计算机组成原理
1.1 计算机的分类和应用
一、计算机的分类 电子计算机: 电子模拟计算机 电子数字计算机（电脑） 区别：精度；数据存储量；逻辑判断
能力；控制方法。
解:
(20.59375)10=10100.10011=1.010010011×24 e=4 E=100+01111111=10000011
M=010010011
S=0
32位浮点数格式:
0100 0001 1010 0100 1100 0000 0000 0000
=(41A4C000)16
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计算机组成原理
广东石油化工学院计算机科学与技术系 刘晶
讲课人简介和联系方式
刘晶 信息学院计算机系 副教授 电话：2923841（宅） E-mail：liusr@ QQ：327693987
目录
第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 存储系统 第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统
硬件软件化----硬件可以完成的任务也 可以用软件来实现。
本章思考题：P15 4.5.6.7.9
.
计算机组成原理
第二章 运算方法和运算器
2.1 数据与文字的表示方法 2.2 定点加法、减法运算 2.3 定点乘法运算 2.4 定点除法运算 2.5 定点运算器的组成 2.6 浮点运算方法和浮点运算器
.
.
计算机组成原理
数字电子计算机：
专用计算机: 高效；高速；经济；不通用。
通用计算机: 适应性好；相对不高效、高速、经济。
通用计算机： 巨型机；大型机；中型机；小型机； 微型机；单片机。
（体积；功耗；性能；数据存储量； 指令系统；价格成递减）
.
计算机组成原理
二、计算机的应用
科学计算 测量和测试 教育和卫生 自动控制 信息处理 家用电器 人工智能
阶码:E=10000010(移码) 指数:e=E-01111111=00000011=(3)10 尾数:M=1.011011
故: x =+(1.011011)×23=1011.011=(11.375)10
.
计算机组成原理
例2 将数(20.59375)10转换成754标准的32位浮点 数的二进制存储格式.
目的程序；
汇编语言；
汇编源程序；
汇编程序；
算法语言；
源程序；
编译程序；
解释程序；
操作系统；
数据库；
数据库管理软件；
数据库管理系统。
.
计算机组成原理
1.4 计算机系统的层次结构
各级都得到它 下一级的支持，同 时也受到运行在下 面各级上的程序的 支持。
.
计算机组成原理
软件与硬件的逻辑等价性
软件硬件化----固件（固化）
计算机组成原理
2.1 数据与文字的表示方法
一、数据格式 （类型 精度 范围 硬件代价） 1 定点数的表示方法
纯小数：0≤|X|≤1-2-n 纯整数：0≤|X|≤2n-1
.
计算机组成原理
2 浮点数的表示方法
任何 一个十进制数N都可以写成： N=10E·M
任意进制数N可以写成: N=Re·M
基数:R 指数(阶码):e 尾数:M 早期:
二,一是可以将减法变成加法来运算. 二是补码的符号位可以参加运算.
计算机中是用2n为模—2补码.
.
计算机组成原理
3 反码:若以2n-1为模的补码称1补码
结论: X为正时: [X]反=[X]补=[X]原 X为负时:
求[X]补是将[X]原的符号位不变,其余各位变反 加1.
求[X]反是将[X]原的符号位不变,其余各位变反.
自定义数据是用数据本身来区分数据类型 1)标志符数据表示:
标志符
数据
2)描述符数据表示:
描述符标志位
特征标记
数据块长度
数据块起始地址ห้องสมุดไป่ตู้
.
计算机组成原理
二、数的机器码表示
真值:带有符号的各种进制数的表示法. 如:12.3 -32 +101.11 5B.6 -7
机器码(机器数):计算机内部数值编码.
1 原码 设X=+1011100B,Y=-1011100B
.
计算机组成原理
1.3 计算机的软件
一、软件的组成与分类 系统程序：用来简化程序设计，简化 使用方
法，提高计算机使用效率的程序。 各种服务程序；语言程序；操作系统；数据
库管理系统。 应用程序：用户利用计算机来解决某些问题
而编制的程序。
.
计算机组成原理
二、软件的发展和演变
机器指令；
机器语言
手工程序；
计算机组成原理
现代:IEEE标准
S:符号位，“0”为正;“1”为负 E:阶码,采用“移码”表示 M:尾数,原码规格化表示(1.M型）
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计算机组成原理
x 例1 若浮点数 的754标准存储格式为
(41360000)16求其浮点数的十进制数值。
0100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000 符号位:S=0
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计算机组成原理
1.2 计算机的硬件组成：
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计算机组成原理
一、数字计算机的硬件组成 运算器：完成算术逻辑运算功能。 存储器：保存原始数据和程序。
位；字节；字；字长；存储单元；地址； 容量（B KB MB GB TB等）；分类（ 内存；外存） 控制器：计算机中发号施令的部件. 指令(操作码 地址码);计算程序;存储程 序;程序控制;取指周期;执行周期;中央 处理器;数据字;指令字;数据流;指令流 适配器与输入输出设备:
3 十进制数串的表示方法
字符串形式(非压缩BCD码)
十进制的一位数码和符号都用一个字节存储.
压缩的十进制数串形式(压缩的BCD码)
十进制的一位数码和符号都用半个字节存储.
例如:
1
2
3 0C 1
2
D
符号位 补0
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计算机组成原理
4 自定义数据表示
传统的计算机是用操作码来区分数据类型(定 点数;浮点数;BCD数)
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计算机组成原理
[+0]补=2n+00…..00=0 [-0]补=2n-00…..00=0
此时X和Y被称为真值. 则[X]原=01011100,
[Y]原=11011100 而[+0]原=00000000,
[-0]原=10000000
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计算机组成原理
2 补码
举一实例:3点钟+5小时=8时
3点钟-7小时=8时
即:3-7=3+5
为什么?
答:时钟是以12为模,5和-7互为补码.
在计算机中采用补码主要原因有
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计算机组成原理
第一章 计算机系统概论
1.1 计算机的分类和应用 1.2 计算机的硬件 1.3 计算机的软件 1.4 计算机系统的层次结构
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计算机组成原理
1.1 计算机的分类和应用
一、计算机的分类 电子计算机: 电子模拟计算机 电子数字计算机（电脑） 区别：精度；数据存储量；逻辑判断
能力；控制方法。
解:
(20.59375)10=10100.10011=1.010010011×24 e=4 E=100+01111111=10000011
M=010010011
S=0
32位浮点数格式:
0100 0001 1010 0100 1100 0000 0000 0000
=(41A4C000)16
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计算机组成原理
广东石油化工学院计算机科学与技术系 刘晶
讲课人简介和联系方式
刘晶 信息学院计算机系 副教授 电话：2923841（宅） E-mail：liusr@ QQ：327693987
目录
第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 存储系统 第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统
硬件软件化----硬件可以完成的任务也 可以用软件来实现。
本章思考题：P15 4.5.6.7.9
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计算机组成原理
第二章 运算方法和运算器
2.1 数据与文字的表示方法 2.2 定点加法、减法运算 2.3 定点乘法运算 2.4 定点除法运算 2.5 定点运算器的组成 2.6 浮点运算方法和浮点运算器
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计算机组成原理
数字电子计算机：
专用计算机: 高效；高速；经济；不通用。
通用计算机: 适应性好；相对不高效、高速、经济。
通用计算机： 巨型机；大型机；中型机；小型机； 微型机；单片机。
（体积；功耗；性能；数据存储量； 指令系统；价格成递减）
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计算机组成原理
二、计算机的应用
科学计算 测量和测试 教育和卫生 自动控制 信息处理 家用电器 人工智能
阶码:E=10000010(移码) 指数:e=E-01111111=00000011=(3)10 尾数:M=1.011011
故: x =+(1.011011)×23=1011.011=(11.375)10
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计算机组成原理
例2 将数(20.59375)10转换成754标准的32位浮点 数的二进制存储格式.
目的程序；
汇编语言；
汇编源程序；
汇编程序；
算法语言；
源程序；
编译程序；
解释程序；
操作系统；
数据库；
数据库管理软件；
数据库管理系统。
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计算机组成原理
1.4 计算机系统的层次结构
各级都得到它 下一级的支持，同 时也受到运行在下 面各级上的程序的 支持。
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计算机组成原理
软件与硬件的逻辑等价性
软件硬件化----固件（固化）
计算机组成原理
2.1 数据与文字的表示方法
一、数据格式 （类型 精度 范围 硬件代价） 1 定点数的表示方法
纯小数：0≤|X|≤1-2-n 纯整数：0≤|X|≤2n-1
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计算机组成原理
2 浮点数的表示方法
任何 一个十进制数N都可以写成： N=10E·M
任意进制数N可以写成: N=Re·M
基数:R 指数(阶码):e 尾数:M 早期:
二,一是可以将减法变成加法来运算. 二是补码的符号位可以参加运算.
计算机中是用2n为模—2补码.
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计算机组成原理
3 反码:若以2n-1为模的补码称1补码
结论: X为正时: [X]反=[X]补=[X]原 X为负时:
求[X]补是将[X]原的符号位不变,其余各位变反 加1.
求[X]反是将[X]原的符号位不变,其余各位变反.
自定义数据是用数据本身来区分数据类型 1)标志符数据表示:
标志符
数据
2)描述符数据表示:
描述符标志位
特征标记
数据块长度
数据块起始地址ห้องสมุดไป่ตู้
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计算机组成原理
二、数的机器码表示
真值:带有符号的各种进制数的表示法. 如:12.3 -32 +101.11 5B.6 -7
机器码(机器数):计算机内部数值编码.
1 原码 设X=+1011100B,Y=-1011100B
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计算机组成原理
1.3 计算机的软件
一、软件的组成与分类 系统程序：用来简化程序设计，简化 使用方
法，提高计算机使用效率的程序。 各种服务程序；语言程序；操作系统；数据
库管理系统。 应用程序：用户利用计算机来解决某些问题
而编制的程序。
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计算机组成原理
二、软件的发展和演变
机器指令；
机器语言
手工程序；