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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。
计算机系统的组成与工作原理ppt课件
工作原理
参照人类大脑的工作方式，首先我们通过眼 睛、耳朵等感觉器官，将捕捉到的信息输送到 大脑并存储起来。然后经过思考，结合已掌握 的知识，按照一定的方法和步骤，对信息进行 加工处理，产生处理结果。然后在经过大脑的 控制，利用口、手等器官，把结果表达出来。 计算机的工作方式也是类似的：
计算机工作原理
它是计算机的核心部件，负责解释执行计算机的基 本指令，完成计算机对各种信息的加工处理工作。 它主要由运算器和控制器组成。
信息处理 的核心
信息处理的 指挥中心
现在市场上常用的是AMD处理器、英特尔处理器等。
AMD处理器
Intel处理器
主 机 板
二、存储器
（1）内存储器，简称内存，也叫主存储器。 用于存储计算机当前工作中正在运行的程序、 数据等，相当于计算机内部的存储中心。
操作系统有DOS、windows等，我们常用的 WINDOWS 是一个多任务、多窗口的操作系统 。
应用软件是为了解决一些实际问题的计算机程序。 我们在计算机上作画，需要作图软件如photoshop, 作动画需要动画软件flash，我们写文章要用文字 编辑软件，如microsoft word，老师做课件用ppt 等。
注意：在我们使用完USB移动存储器时，一定要在计算机上进行“安全 删除硬件”的操作。等WINDOWS通知可以移除设备时，才可以从USB接口 中拔出设备
内 存 条
U 盘
光驱
三、输入设备：用于计算机从外界获取信息
键
鼠
盘
标
摄 像 头 扫描仪
数码相机
四、输出设备：用于将信息传递给外界 打 印 机
显 示 器
数据输入 输入设备
运算器 存储器
输出 设备 输出 结果
第2章 计算机系统的结构组成与工作原理PPT课件
1. 计算机体系结构：是程序员所看到的计算机(机器语 言级)的属性，即概念性结构与功能特性。
2. 计算机组成：从硬件角度关注物理机器的各部件的功 能以及各部件的联系。对程序员是透明的。
3. 计算机实现：指的是计算机组成的物理实现，包括处 理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度；
1. 计算机体系结构是人眼看不见的东西，而计算机组成是人 眼可见的
2.3 微处理器体系结构的改进（理解）
✓ 冯·诺依曼结构的改进 ✓ 并行技术的发展 ✓ 流水线结构 ✓ 超标量与超长指令字结构 ✓ 多机与多核结构
2.4 计算机体系结构分类（理解） 2.5 计算机性能评测（掌握）
✓ 字长、存储容量、运算速度
第二章 计算机系统的结构组成与工作 原理
2.1 计算机系统的基本结构与组成
冯·诺依曼体系结构
一．硬件组成
五大部分
运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 以运算器为中心(现在以存储器为中心)
二．信息表示：二进制
计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并 存放在同一个存储器中。
三．工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
编制好的程序(包括指令和数据) 预先经由输入设备输入并 保存在辅助存储器中；程序开始运行时，计算机在不需要人工 干预的情况下由控制器自动、高速地依次从存储器中取出指令 并加以执行。
2.4 计算机体系结构分类 2.5 计算机性能评测PerformanFcelynn
字长、存储容量、运算速度
2.6 习题 3 / 50
2020/12/6
计算机系统的层次结构
应用软件 系统分析层（数学模型、算法） 用户程序层（语言编程）
应用语言虚拟机 高级语言虚拟机
语言系处统理层软（件解：释操、作编译系）统、编译器、数据库汇管编语理言系虚拟机 统操、作W系eb统浏层览器、设备驱动、中断服操务作程系序统虚拟机
2. 计算机组成：从硬件角度关注物理机器的各部件的功 能以及各部件的联系。对程序员是透明的。
3. 计算机实现：指的是计算机组成的物理实现，包括处 理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度；
1. 计算机体系结构是人眼看不见的东西，而计算机组成是人 眼可见的
2.3 微处理器体系结构的改进（理解）
✓ 冯·诺依曼结构的改进 ✓ 并行技术的发展 ✓ 流水线结构 ✓ 超标量与超长指令字结构 ✓ 多机与多核结构
2.4 计算机体系结构分类（理解） 2.5 计算机性能评测（掌握）
✓ 字长、存储容量、运算速度
第二章 计算机系统的结构组成与工作 原理
2.1 计算机系统的基本结构与组成
冯·诺依曼体系结构
一．硬件组成
五大部分
运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 以运算器为中心(现在以存储器为中心)
二．信息表示：二进制
计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并 存放在同一个存储器中。
三．工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
编制好的程序(包括指令和数据) 预先经由输入设备输入并 保存在辅助存储器中；程序开始运行时，计算机在不需要人工 干预的情况下由控制器自动、高速地依次从存储器中取出指令 并加以执行。
2.4 计算机体系结构分类 2.5 计算机性能评测PerformanFcelynn
字长、存储容量、运算速度
2.6 习题 3 / 50
2020/12/6
计算机系统的层次结构
应用软件 系统分析层（数学模型、算法） 用户程序层（语言编程）
应用语言虚拟机 高级语言虚拟机
语言系处统理层软（件解：释操、作编译系）统、编译器、数据库汇管编语理言系虚拟机 统操、作W系eb统浏层览器、设备驱动、中断服操务作程系序统虚拟机
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
计算机组成原理与体系结构结构分析ppt(共42页)
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
第二章
运算方法和运算部件
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）。
操作码 地址码
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。
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。
第五章
中央ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理部件（CPU）
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。
(3) 数据以二进制码表示。 (4) 指令由操作码和地址码组成。
(5) 指令在存储器中按执行顺序存放，由指 令计数器（即程序计数器PC）指明要执行的 指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可 按运算结果或外界条件而改变。
(6) 机器以运算器为中心，输入输出设备与 存储器间的数据传送都通过运算器。
4．计算题与设计（30%左右） 5.填图题（10%左右）
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
第二章
运算方法和运算部件
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）。
操作码 地址码
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。
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。
第五章
中央ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理部件（CPU）
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。
(3) 数据以二进制码表示。 (4) 指令由操作码和地址码组成。
(5) 指令在存储器中按执行顺序存放，由指 令计数器（即程序计数器PC）指明要执行的 指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可 按运算结果或外界条件而改变。
(6) 机器以运算器为中心，输入输出设备与 存储器间的数据传送都通过运算器。
4．计算题与设计（30%左右） 5.填图题（10%左右）
《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
计算机组成和工作原理ppt课件
计算机硬件
计算机硬件
主机CPU 存储器输源自设备主板内存 外存
输出设备
展现一台计算机主机内部
计算机软件
操作系统
▪ 计算机软件
运用软件
计算机软件
▪ 操作系统〔Operating System简称OS〕，专门担 任管理计算机的各种资源，并提供操作电脑所需的 任务界面。其中最为常用的有五种：Dos、 Windows、 Linux、Unix/Xenix、OS/2。
计算机组成和任务原理
By zhang
计算机任务原理
▪ 我们如今运用的计算机是基于美籍 匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年 提出来的“存储程序计算机 〔Stored Program Computer〕 〞，又称冯·诺依曼构造。
▪ 冯·诺依曼构造具有两个特点：1.运 用二进制；2.全部指令和数据存放 在存储器中，数据处置单元到存储 器中读取指令并顺序执行。
计算机任务原理图
▪
▪ 如上图所示的计算机任务原理，计算机中心部件是运算器和控制器，我们想要处 置的信息指令经过输入设备进入存储器，再由存储器进入运算器，运算结果从输 出设备反响给我们，当然这一切都是在控制器的指挥下完成的。
▪ 在实践运用中，控制器和运算器构成了我们通常所说的CPU， ▪ 存储器就是内存、硬盘、光盘、U盘，当然还有一些老掉牙
②字节〔B、Byte〕：是计算机中最常用、最根本的存在单 位。一个字节等于8个比特，即1 Byte＝8bit。
③千字节〔KB、Kilo Byte〕：电脑的内存容量都很大，普通 都是以千字节作单位来表示。1KB＝1024Byte。
④兆字节〔MB Mega Byte〕：90年代流行微机的硬盘和内 存等普通都是以兆字节〔MB〕为单位。 1 MB＝1024KB。
计算机系统组成工作原理 ppt课件
RISC：等长精简指令集，执行速度快且性能稳定。可 同时执行多条指令，可将一条指令分割成若干个进程 或线程，交由多个处理器同时执行，并行处理方面 RISC明显优于CISC
软件
CISC：DOS、Windows RISC：成熟的操作系统少，Windows需要翻译过程
，速度慢
RISC,CISC看法的误区
组织角度的多层结构
体系结构、组成与实现
体系结构Architecture
程序员关心的计算机概念结构与功能特性 如：确定指令集中是否有乘法指令；
计算机组成Organization
系列机
从硬件角度关注物理机器的组织
如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现
计算机实现Realization
底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术
STR
寄存器访问 MOV
无条件跳转 JMP
跳转类
条件跳转 过程调用
JX/JNX CALL
操作数示例
Rs1, Rs2, Rd① Rs, Imm②, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd
RISC指令都是简单指令
LDREQ R0,[R1,R2,LSR #16]!指令的强大，一般的CISC处理器 望尘莫及。RISC的“简单”是指指令集的执行时间、指令长度、指 令格式整齐划一
CISC的复杂指令速度慢、执行效率很低
现代CISC处理器具有非常长的流水线（PIII采用了25级的流水线 ），执行速度快。但老的CPU执行速度可能较慢
演进
1. CPU指令集
ห้องสมุดไป่ตู้
软件
CISC：DOS、Windows RISC：成熟的操作系统少，Windows需要翻译过程
，速度慢
RISC,CISC看法的误区
组织角度的多层结构
体系结构、组成与实现
体系结构Architecture
程序员关心的计算机概念结构与功能特性 如：确定指令集中是否有乘法指令；
计算机组成Organization
系列机
从硬件角度关注物理机器的组织
如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现
计算机实现Realization
底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术
STR
寄存器访问 MOV
无条件跳转 JMP
跳转类
条件跳转 过程调用
JX/JNX CALL
操作数示例
Rs1, Rs2, Rd① Rs, Imm②, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd
RISC指令都是简单指令
LDREQ R0,[R1,R2,LSR #16]!指令的强大，一般的CISC处理器 望尘莫及。RISC的“简单”是指指令集的执行时间、指令长度、指 令格式整齐划一
CISC的复杂指令速度慢、执行效率很低
现代CISC处理器具有非常长的流水线（PIII采用了25级的流水线 ），执行速度快。但老的CPU执行速度可能较慢
演进
1. CPU指令集
ห้องสมุดไป่ตู้
计算机系统及其工作原理ppt课件
存储器
外存储器
输
入
设
内存储器
备
运算器
控制器
指令流
数据流
输 出 设 备
输入设备
手写板 键盘
扫描仪
输出设备
通过输出设备可以把计算机的处理结果转换成人们能够识别的信 息。
输出设备
显示器
南甲机
硬件系统
主机
中央处理器
(CPU)
运算器 控制器
存储器
内存 外存
外部设备
输入设备 输出设备
计算机软件
软件是在硬件系统上运行的各种程序和文档的 总称。由系统软件和应用软件两部分组成。它 们之间的关系密不可分，应用软件必须在系统 软件的支持下才能运行。没有系统软件计算机 硬件无法工作，而没有应用软件则计算机无法 解决具体的实际应用问题。
运算器： 是进行运算的部件，完成计算机中所有的算术运算和逻 辑运算。 · 控制器： 是计算机的神经中枢，指挥整个计算机的工作。 · 中央处理器(CPU): 把运算器和控制器放到一个芯片上构成的器件
cpu
·存储器用来存储程序和数据信息。 ·存储器分为主存储器和辅助存储器。
内存
外存
内存
· 内存通常用于存储计算机要执行的程序和数据。 · 内存容量较小，但存取速度较快。 · 内存的大小直接影响计算机的运行速度。
内存
只读存储器
Read Only Memory, ROM
随机存储器 Random Access Memory, RAM
外存用来存放当前暂时不执行的程序和数据。 常用的外存有软盘、硬盘、光盘、 U 盘。
外存的特点是断电后仍然能够保存信息，与内存相比存取速 度较慢。
外存储器 光盘
硬磁盘
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
计算机软硬件体系结构和原理.ppt
软件与软件设计
（4）设计程序结构。 （5）编写源代码。 （6）静态检查。 （7）测试目标系统。 （8）修改源代码，并最后确定目标系统。
操作系统
是计算机系统软件的核心部分。 控制、管理计算机系统全部资源。
语言处理系统
包括汇编程序、解释程序、编译程序。 汇编程序是将汇编语言源程序翻译为目标程序。 编译程序是将高级语言源程序翻译成目标程序。
进制形式表示。是一种低级语言。 （2）每一个语句称为指令。 （3）是目前计算机唯一能直接识别和执行的语
言。
计算机语言
二、汇编语言： （1）是将机器语言指令符号化。 （2）源程序须用汇编程序翻译成目标程序。 （3）仍是一种低级语言。 三、高级语言： （1）比较接近人类自然语言。 （2）工作效率比用机器语言或汇编语言编写的 程序要低。
输入输出设备
实现计算机和用户之间信息传递。 常用的输入设备主要有：
键盘、鼠标器、扫描仪、数字化仪。 常用的输出设备主要有：
显示器、打印机、绘图仪。
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计算机的基本工作原理
冯·诺依曼型计算机的两大特征： （1）程序存储：实现机器的自动计算。 （2）采用二进制：表示计算程序及数据。 现代计算机的基本工作原理是：
计算机软硬件体系结构和原理
计算机系统的基本组成 计算机的硬件体系结构 计算机的基本工作原理 计算机系统是由硬件系统和软件系 统两大部分组成。
大多数计算机在硬件结构上都是采用总线结构。 总线是连接系统各部件间信息传送的公共通道 （包括数据总线、控制总线和地址总线和）。 其优点是可以对系统进行“模块化设计”，便 于系统的扩充和组合。
检测、系统初始化等程序。 随机存储器（RAM）：
可以读出，也能写入。一旦停电，信 息将丢失。 说明：直接与CPU打交道。
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。
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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。
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
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计算机原理及系统结构整 理ppt
第3章
数据表示、数据运算算法 和逻辑电路实现
计算机原理及系统结构
第七讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
二进制数据算术运算规则
(1) 加法运算规则
0+0=0
例如： 0101
0+1=1
+) 0001
1+0=1
0110
1+1=0 并产生进位
(2) 减法运算规则
0-0=0
00101001 1101 1000001
例如： 1110101/1001
二进制数据逻辑运算规则
（5）逻辑或运算规则
0∨0=0 0∨1=1
1∨0=1 1∨1=1
（6）逻辑与运算规则
0∧0=0 0∧1=0
1∧0=0 1∧1=1
（7）逻辑非运算规则
/0=1 /1=0
0000
（8）逻辑异或运算规则
0⊕0=0 0⊕1=1 1⊕0=1 1⊕1=0
要发现并改正一位错， 须满足如下关系：
2r > = k + r +1 ； 要发现并改正一位错，也能发现两位错,则应：
2r-1 >= k + r , 此时码距为 4。
(5) 若最小码距为 d (d>=2),
能发现 d-1 位错，或改正 (d-2)/2 (取整) 位错, 要发现 l 位错,并改正 t 位错，应满足如下条件: d >= l + t + 1 ( l >= t )
计算机原理及系统结构
第九讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
本章主要内容
信息编码、码制转换与检错纠错码 数据表示——常用的信息编码 二进制数值数据的编码与运算算法
基二码应用实例：数据表示
逻辑型数据
字符型数据
ASCII 码 字符串
EBCDIC 码 汉字
检错纠错码
奇偶校验 海明校验 循环冗余校验
数值型数据
定点小数 整数
浮点数
二—十进制数（BCD码）
逻辑型数据
逻辑型数据只有两个值：真 和 假，
正好可以用二进制码的两个符号分别表示， 例如 1 表示 真
则 0 表示 假 不必使用另外的编码规则。
对逻辑型数据可以执行逻辑的 与 或 非等基 本逻辑运算。其规则如下：
逻辑型数据基本运算规则
XY 00 01 10 11
编码方案
P4 = P3 + P2 + P1 + D3 + D2 + D1
译码方案
P72
S1 =
P1 +
D2 + D1
S2 =
P2 + D3 + D1
S3 =
P3 + D3 + D2
S4 = P4 + P3 + P2 + P1 + D3 + D2 + D1
检错纠错码小结
(1) K位码有2K 个编码状态，全用于表示合法 码，则任何一位出错, 均会变成另一个合法 码，不具有检错能力。
有时两位错与某种情况的一位错对校验位组 合的影响相同，必须加以区分与解决。
海明码的实现方案 例如： k =3, r =4
D3 D2 D1 P4 P3 P2 P1
11 1 11 11 11 0 01 00 10 1 00 10 01 1 00 01
+ ：异或
P1 = D2 + D1 P2 = D3 + D1 P3 = D3 + D2
P70
纠错码
纠错码分类
非线性码
线性码
校验位与信息位 的形成关系
卷积码
分组码
信息位与校验位 的约束条件
非循环码
随机 错误
P70
突发 错误
循环码
码字本身的 结构特点
信息位与校验位排列位置关系
非系统码 系统码
几种常用的检错纠错码
我们只介绍三种常用的检错纠错码：
奇偶检错码，
用于并行数据传送中
海明检错与纠错码，用于并行数据传送中
例如： 1011
0-1=1 并产生借位
-) 0101
1-0=1
0110
1-1=0
二进制数据算术运算规则
(3) 乘法运算规则
0X0=0 0X1=0
例如：
1X0=0
1X1=1
(4) 除法运算规则
(5)
1101
1001 1110101
1001
1011
1001
01001
1001
0
P68
1101 X) 0101
(2) 从一个合法码变成另一个合法码，只少要 改变几位码的值，称为最小码距(码距)。
(3) K+1 位码，只用其 2K 个状态，可使码距 为 2 , 如果一个合法码中的一位错了，就成 为非法码，通过检查码字的合法性，就得到 检错能力，这就是奇偶校验码。
检错纠错能力
(4) 对 k 位数据位，当给出 r 位校验位时，
X与Y 0 0 0 1
X或Y 0 1 1 1
X的非 1 1 0 0
字符型数据的表示
字符作为人—机联系的媒介，是最重 要的数据类型之一，当前的西文字符集由 128 个符号组成，通常用 8 位二进制编码, 即用一个字节来表示每一个符号，当前通用 的两个标准字符集是：
实现：为 k 个数据位设立 r 个校验位， 使 k+r 位的码字同时具有这样两个特性：
① 能发现并改正 k+r 位中任何一位出错， ② 能 发 现 k+r 位中任何二位同时出错，但已
无法改正。
海明码的编码方法
合理地用 k 位数据位形成 r 个校验位的值， 即保证用 k 个数据位中不同的数据位组合 来形成每个校验位的值，使任何一个数据 位出错时，将影响 r 个校验位中不同的校 验位组合起变化。换言之，通过检查是哪 种校验位组合起了变化，就能确定是哪个 数据位错，对该位求反则实现纠错。
偶校验
奇校验
0001 10001 00001
校验位
0101 00101 10101
原有数字位
两个新的码字
P71
奇偶校验码的实现电路
奇较验 偶校验
p 编码电路
出错指示
译码电路 +
+
八
+
+
位
数
据 ++
++
位
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
同 左 侧 电 路
P (校验位)
海明校验码
用于多位并行数据检错纠错讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
检错纠错码
为了提高计算机的可靠性，除了采 取选用更高可靠性的器件，更好的生产 工艺等措施之外，还可以从数据编码上 想一些办法，即采用一点冗余的线路， 在原有数据位之外再增加一到几位校验 位，使新得到的码字带上某种特性，之 后则通过检查该码字是否仍保持有这一 特性，来发现是否出现了错误，甚至于 定位错误后，自动改正这一错误，这就 是我们这里说的检错纠错编码技术。
循环冗余码，
用于串行数据传送中
原始数据 编码过程
形成校验位的值， 加进特征
码字 传 送
结果数据 译码过程
检查接送的码字， 发现 / 改正错误
奇偶校验码
用于并行码检错
原理：在 k 位数据码之外增加 1 位校验位，
使 K+1 位码字中取值为 1 的位数总保持
为 偶数（偶校验）或 奇数（奇校验）。
例如：
第3章
数据表示、数据运算算法 和逻辑电路实现
计算机原理及系统结构
第七讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
二进制数据算术运算规则
(1) 加法运算规则
0+0=0
例如： 0101
0+1=1
+) 0001
1+0=1
0110
1+1=0 并产生进位
(2) 减法运算规则
0-0=0
00101001 1101 1000001
例如： 1110101/1001
二进制数据逻辑运算规则
（5）逻辑或运算规则
0∨0=0 0∨1=1
1∨0=1 1∨1=1
（6）逻辑与运算规则
0∧0=0 0∧1=0
1∧0=0 1∧1=1
（7）逻辑非运算规则
/0=1 /1=0
0000
（8）逻辑异或运算规则
0⊕0=0 0⊕1=1 1⊕0=1 1⊕1=0
要发现并改正一位错， 须满足如下关系：
2r > = k + r +1 ； 要发现并改正一位错，也能发现两位错,则应：
2r-1 >= k + r , 此时码距为 4。
(5) 若最小码距为 d (d>=2),
能发现 d-1 位错，或改正 (d-2)/2 (取整) 位错, 要发现 l 位错,并改正 t 位错，应满足如下条件: d >= l + t + 1 ( l >= t )
计算机原理及系统结构
第九讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
本章主要内容
信息编码、码制转换与检错纠错码 数据表示——常用的信息编码 二进制数值数据的编码与运算算法
基二码应用实例：数据表示
逻辑型数据
字符型数据
ASCII 码 字符串
EBCDIC 码 汉字
检错纠错码
奇偶校验 海明校验 循环冗余校验
数值型数据
定点小数 整数
浮点数
二—十进制数（BCD码）
逻辑型数据
逻辑型数据只有两个值：真 和 假，
正好可以用二进制码的两个符号分别表示， 例如 1 表示 真
则 0 表示 假 不必使用另外的编码规则。
对逻辑型数据可以执行逻辑的 与 或 非等基 本逻辑运算。其规则如下：
逻辑型数据基本运算规则
XY 00 01 10 11
编码方案
P4 = P3 + P2 + P1 + D3 + D2 + D1
译码方案
P72
S1 =
P1 +
D2 + D1
S2 =
P2 + D3 + D1
S3 =
P3 + D3 + D2
S4 = P4 + P3 + P2 + P1 + D3 + D2 + D1
检错纠错码小结
(1) K位码有2K 个编码状态，全用于表示合法 码，则任何一位出错, 均会变成另一个合法 码，不具有检错能力。
有时两位错与某种情况的一位错对校验位组 合的影响相同，必须加以区分与解决。
海明码的实现方案 例如： k =3, r =4
D3 D2 D1 P4 P3 P2 P1
11 1 11 11 11 0 01 00 10 1 00 10 01 1 00 01
+ ：异或
P1 = D2 + D1 P2 = D3 + D1 P3 = D3 + D2
P70
纠错码
纠错码分类
非线性码
线性码
校验位与信息位 的形成关系
卷积码
分组码
信息位与校验位 的约束条件
非循环码
随机 错误
P70
突发 错误
循环码
码字本身的 结构特点
信息位与校验位排列位置关系
非系统码 系统码
几种常用的检错纠错码
我们只介绍三种常用的检错纠错码：
奇偶检错码，
用于并行数据传送中
海明检错与纠错码，用于并行数据传送中
例如： 1011
0-1=1 并产生借位
-) 0101
1-0=1
0110
1-1=0
二进制数据算术运算规则
(3) 乘法运算规则
0X0=0 0X1=0
例如：
1X0=0
1X1=1
(4) 除法运算规则
(5)
1101
1001 1110101
1001
1011
1001
01001
1001
0
P68
1101 X) 0101
(2) 从一个合法码变成另一个合法码，只少要 改变几位码的值，称为最小码距(码距)。
(3) K+1 位码，只用其 2K 个状态，可使码距 为 2 , 如果一个合法码中的一位错了，就成 为非法码，通过检查码字的合法性，就得到 检错能力，这就是奇偶校验码。
检错纠错能力
(4) 对 k 位数据位，当给出 r 位校验位时，
X与Y 0 0 0 1
X或Y 0 1 1 1
X的非 1 1 0 0
字符型数据的表示
字符作为人—机联系的媒介，是最重 要的数据类型之一，当前的西文字符集由 128 个符号组成，通常用 8 位二进制编码, 即用一个字节来表示每一个符号，当前通用 的两个标准字符集是：
实现：为 k 个数据位设立 r 个校验位， 使 k+r 位的码字同时具有这样两个特性：
① 能发现并改正 k+r 位中任何一位出错， ② 能 发 现 k+r 位中任何二位同时出错，但已
无法改正。
海明码的编码方法
合理地用 k 位数据位形成 r 个校验位的值， 即保证用 k 个数据位中不同的数据位组合 来形成每个校验位的值，使任何一个数据 位出错时，将影响 r 个校验位中不同的校 验位组合起变化。换言之，通过检查是哪 种校验位组合起了变化，就能确定是哪个 数据位错，对该位求反则实现纠错。
偶校验
奇校验
0001 10001 00001
校验位
0101 00101 10101
原有数字位
两个新的码字
P71
奇偶校验码的实现电路
奇较验 偶校验
p 编码电路
出错指示
译码电路 +
+
八
+
+
位
数
据 ++
++
位
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
同 左 侧 电 路
P (校验位)
海明校验码
用于多位并行数据检错纠错讲
主讲教师：赵宏伟
学时：64
检错纠错码
为了提高计算机的可靠性，除了采 取选用更高可靠性的器件，更好的生产 工艺等措施之外，还可以从数据编码上 想一些办法，即采用一点冗余的线路， 在原有数据位之外再增加一到几位校验 位，使新得到的码字带上某种特性，之 后则通过检查该码字是否仍保持有这一 特性，来发现是否出现了错误，甚至于 定位错误后，自动改正这一错误，这就 是我们这里说的检错纠错编码技术。
循环冗余码，
用于串行数据传送中
原始数据 编码过程
形成校验位的值， 加进特征
码字 传 送
结果数据 译码过程
检查接送的码字， 发现 / 改正错误
奇偶校验码
用于并行码检错
原理：在 k 位数据码之外增加 1 位校验位，
使 K+1 位码字中取值为 1 的位数总保持
为 偶数（偶校验）或 奇数（奇校验）。
例如：