计算机组成原理计算机发展及组成
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。
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理知识点汇总本文将计算机组成原理的知识点做了系统的整理，方便大家系统学习。
如果您正在学习计算机体系结构，可以按照本文的知识点进行扩展学习。
计算机体系结构一、发展历史1.1946 ENIAC2.冯诺依曼EDVAC1)计算机思想：二进制存储控制2)计算机组成控制器运算器存储器输入输出3)时间轴a)代际划分第一代计算机1946-1957 电子管第二代计算机1958-1964 晶体管第三代计算机1965-1972 中、小规模集成电路第四代计算机1972~至今超大规模集成电路b)我国计算机发展2009研发出天河一号2010天河一号A 成为最快计算机2017神威太湖一号位于榜首4)辅助技术：CADCAMCAECAICIMS二、相关计算1.容量单位1B=8 bit1KB = 2^10 B= 1024 BTB PB EB ZB YB BB NB DB2.进制转换1)二进制、八进制、十进制、十六进制2)换算方法：统一换算成十进制，在转换为其他进制十进制转换为二进制十进制除以2 保留余数倒数3)各个进制的小数点转换：当前位数的值*（1/(进制^位数)）3.二进制码表示1)原码：表示范围-2^(n-1)-1 ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-127~1272)反码：正数的反码等于补码负数的反码等于除符号位以外取反3)补码：正数的补码=反码负数的补码=反码+1表示范围-2^(n-1) ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-128~127 -128的补码是1000000 人为规定4)移码补码的符号位取反5)特性00的补码、移码相同6)运算原码运算反码运算补码运算4.校验码1)奇偶校验码：根据1的位数1位数为奇数则是奇数校验码2)循环冗余CRC：多项式模2除法只能检错不能纠错3)海明校验码：有纠错功能5.ASCII编码1)汉字编码6.浮点数表示三、中央处理器CPU1.组成结构1)运算器a)作用：完成算术和逻辑运算，实现数据加工与处理b)组成：i.算术与逻辑计算单元ALUii.累加器AC（为ALU提供工作区，暂存ALU的操作数或运算结果）iii.状态字寄存器PSW：表征当前运算的状态及程序的工作方式一个保存各种状态条件标志的寄存器保存中断和系统工作状态等信息iv.寄存器组v.多路转换器2)控制器a)作用：取指令分析指令执行指令b)指令的组成指令码操作码c)内部寄存器i.程序计数器PC保存下一条指令的地址ii.指令寄存器IR保存当前执行的指令地址iii.指令译码器对IR中的指令的操作码进行译码iv.关系从PC中取出指令地址，送入IR，由译码器译码以后执行3)寄存器组a)数据寄存器DRi.暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字ii.作用作为CPU与外部存储设备的中转站弥补CPU与外部存储设备的速度差异b)地址寄存器AR用来保存当前CPU访问的主存的地址，直到主存信息读取完毕4)内部总线2.指令系统1)周期a)时钟周期：振荡周期计算机中最小、最基本的时间单位，一个时钟周期内，CPU只完成一个基本动作b)机器周期：完成一项基本操作的时间c)指令周期：完成一条指令需要的时间2)周期关系一条指令周期包含若干机器周期，一个机器周期包含若干时钟周期指令周期>机器周期>时钟周期3)流水线技术Pipeline程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术4)指令集a)复杂指令集CISCi.指令系统复杂，指令数目多ii.设有专用寄存器iii.指令字长不固定，指令格式多，寻址方式多iv.可访存指令不受限制v.各种指令的执行时间差大vi.采用微程序控制器vii.难以用优化编译生成高效的目标代码b)精简指令集RISCi.选取使用频度较高的简单指令以及很有用但不复杂的指令ii.指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少iii.只有取数、存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器中完成iv.CPU 中有多个通用寄存器v.采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成vi.控制器采用组合逻辑控制为主vii.采用优化编译技术3.寻址方式1)数据寻址a)立即寻址：操作数包含在指令中b)直接寻址：操作数位于内存中，指令中直接给出操作数的内存地址c)间接寻址：操作数位于内存中，指令中给出操作数地址的地址d)寄存器寻址：操作数存放寄存器中，指令中给出存放操作数的寄存器名e)寄存器间接寻址：操作数存放在内存中，操作数的内存地址位于某个寄存器中f)变址寻址：指令给出的形式地址A 与编制寄存器Rx 的内容相加，形成操作数有效地址；应用广泛如一组连续存放在主存中的数据g)基址寻址基址寄存器Rb 的内容与形式地址A 相加，形成操作数有效地址；基址寻址和变址寻址在形成有效地址时所用的算法是相同的；变址寻址是面向用户的，用于访问字符串、向量和数组等成批数据；基址寻址用于逻辑地址和物理地址的变换，解决程序在主存中的再定位和扩大寻址空间h)相对寻址：基址寻址的一种变通，由程序计数器PC 提供基准地址i)隐含寻址：指令中不明显地给出操作数的地址，其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中j)堆栈寻址2)指令寻址a)顺序寻址：程序计数器PC +1b)跳跃寻址：程序转移执行时的指令寻址方式，它通过转移类指令实现4.性能指标1)主频a)计算机的时钟频率b)时钟周期=1/主频c)单位是GHzd)时钟频率为1GHz，时钟信号周期等于1ns 时钟频率为2GHz，时钟周期为0.5ns2)字长8位32位64位3)MIPS：每秒处理百万级的机器语言指令数4)MFLOPS：每秒百万个浮点操作，反映浮点运算情况5)CPI：每条指令的时钟周期数6)平均无故障时间MTBF：Mean Time Between Failure多次相继失效之间的平均时间该指标和故障率衡量系统的可靠性7)平均修复时间MTTR：多次故障发生到系统修复后的平均时间间隔。
计算机组成原理详解
计算机组成原理详解计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的重要基础学科，它研究计算机硬件系统的各个组成部分以及它们之间的相互关系。
本文将以问题-解决的方式，详细阐述计算机组成原理的各个方面。
一、计算机组成原理的基本概念计算机组成原理是指计算机硬件系统的组成和工作原理，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备和输出设备等。
其中，中央处理器负责执行各种计算和控制操作，存储器用于存储程序和数据，输入设备用于接收外部信号，输出设备用于显示计算结果或向外部发送信号。
二、计算机组成原理的关键技术1. 计算机指令系统计算机指令系统是计算机最基本的工作方式，它由指令集、寻址方式和指令执行流程等构成。
指令集是计算机能够执行的全部指令的集合，不同的计算机体系结构有不同的指令集。
寻址方式是指计算机执行指令时如何找到指令所需的操作数和结果存放的位置。
指令执行流程是指计算机按照指令顺序执行，逐条完成计算任务。
2. 计算机运算方法计算机运算方法包括算术运算和逻辑运算。
算术运算是对数据进行数字计算，包括加法、减法、乘法和除法等。
逻辑运算是对数据进行判断和比较，包括与、或、非和异或等。
计算机通过算术运算单元（ALU）和逻辑运算单元（ALU）来实现这些运算。
3. 计算机存储系统计算机存储系统用于存储程序和数据，包括主存储器和辅助存储器。
主存储器是计算机能够直接访问的存储空间，通常采用随机存储器（RAM）或只读存储器（ROM）。
辅助存储器是主存储器之外的存储设备，例如硬盘、光盘和磁带等。
4. 计算机输入输出系统计算机输入输出系统用于实现计算机与外部设备的数据交换，包括输入设备和输出设备。
输入设备用于将外部数据传输到计算机中，常见的有键盘、鼠标和扫描仪等。
输出设备用于将计算机处理的结果显示或输出到外部，常见的有显示器、打印机和音响等。
5. 计算机控制系统计算机控制系统用于协调和控制计算机系统的各个部件，包括指令控制、时序控制和数据传输控制等。
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
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 第1章 绪论
超级计算机——天河一号
运算速度 “天河一号”峰值运算速度为每秒4700 万亿次。做个换算对比：“天河一号”运 算1小时，相当于全国13亿人同时计算340 年以上的时间；“天河一号”运算1天， 相当于1台双核的高档桌面电脑运算620年 以上的时间。 存储容量 “天河一号”存储容量为两千万亿个字节。 做个换算对比：一个汉字平均为两个字节， “天河一号”可在线存储一千万亿个汉字， 相当于存储100万汉字的书籍10亿册。
电子数字计算机以离散量即数字量表示数据，应
用算术运算法则实现运算。 由于具有很强的逻辑判断功能、庞大的存储能力，以及 计算、模拟、分析问题、操作机器、处理事务等能力， 因而得到了极其广泛的应用。
电子计算机的诞生
• 第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美国诞生。 ① 每秒5000次加法运算； ② 每秒50次乘法运算；
1.1.1 更新换代的计算机硬件
（1） 电子管时代（1946年－1959年） （2） 晶体管时代（1959年－1964年） （3） 中、小规模集成电路时代（1964年－1975年）
（4） 超、大规模集成电路时代（1975年－1990年）
（5） 超级规模集成电路时代（1990年－现在）
代
一 二 三
1.1.2 日臻完善的计算机软件
汇编语言阶段（20世纪50年代）
程序批处理阶段（20世纪60年代）
分时多用户阶段（20世纪70年代）
分布式管理阶段（20世纪80年代）
软件重用阶段（20世纪90年代）
Web服务阶段（21世纪初期－现在）
第二章 计算机组成原理
时钟频率的发展：
400MHZ---533MHZ---800MHZ，即将达到1066MHZ [单选]用MHz来衡量计算机的性能，它指的是计算机__________。
ACM 图灵奖
1966年由ACM（美国计算机学会）创建，该奖有计 算机界的诺贝尔奖之称。
IEEE 计算机先驱奖
1980年由IEEE-CS(美国电气与电子工程师学会-计 算机学会)创建，是世界范围内计算机科学技术领域另 一个最重要的奖项，和图灵奖是互为补充的。
计算机的诞生与发展
对计算机的诞生发展做出重大贡献的两个人：
(a) NEC SX-6/64MB巨 型计算机外形
(b) 全球气温分布与 变化趋势图
计算机的分类
大型计算机（Mainframe）
运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安 全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机， CPU 通常有 4 、 8、16、32个甚至更多处理器。
功能： 为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作为主服务 器（企业级服务器），在信息系统中起着核心作用。
内存储器
控制器CU RAM
外部存储器－－硬盘 、软盘、光盘、磁带
外设
输入设备－－键盘、鼠标器、扫描仪 输出设备－－显示器、打印机、绘图仪 其他设备－－调制解调器
计算机的组成
台 式 机
PC机的物理组成
机箱、显示器、键盘、鼠标器等
机箱内包含:
主板、硬盘、软驱、光驱、
电源、风扇等
主板上安装
CPU、芯片组、内存条、
第二章
计算机组成原理
《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）。
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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
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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。
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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。
计算机组成原理目录
计算机组成原理目录目录如下：第1篇概论第1章计算机系统概论1.1 计算机系统简介1.1.1 计算机的软硬件概念1.1.2 计算机系统的层次结构1.1.3 计算机组成和计算机体系结构1.2 计算机的基本组成1.2.1 冯·诺依曼计算机的特点1.2.2 计算机的硬件框图1.2.3 计算机的工作步骤1.3 计算机硬件的主要技术指标1.3.1 机器字长1.3.2 存储容量1.3.3 运算速度1.4 本书结构思考题与习题第2章计算机的发展及应用2.1 计算机的发展史2.1.1 计算机的产生和发展2.1.2 微型计算机的出现和发展2.1.3 软件技术的兴起和发展2.2 计算机的应用2.2.1 科学计算和数据处理2.2.2 工业控制和实时控制2.2.3 网络技术的应用2.2.4 虚拟现实2.2.5 办公自动化和管理信息系统2.2.6 CAD/CAM/CIMS2.2.7 多媒体技术2.2.8 人工智能2.3 计算机的展望思考题与习题第2篇计算机系统的硬件结构第3章系统总线3.1 总线的基本概念3.2 总线的分类3.2.1 片内总线3.2.2 系统总线3.2.3 通信总线3.3 总线特性及性能指标3.3.1 总线特性3.3.2 总线性能指标3.3.3 总线标准3.4 总线结构3.4.1 单总线结构3.4.2 多总线结构3.4.3 总线结构举例3.5 总线控制3.5.1 总线判优控制3.5.2 总线通信控制思考题与习题第4章存储器4.1 概述4.1.2 存储器的层次结构4.2 主存储器4.2.1 概述4.2.2 半导体存储芯片简介4.2.3 随机存取存储器4.2.4 只读存储器4.2.5 存储器与CPU的连接4.2.6 存储器的校验4.2.7 提高访存速度的措施4.3 高速缓冲存储器4.3.1 概述4.3.2 Cache—主存地址映射4.3.3 替换策略4.4.1 概述4.4.2 磁记录原理和记录方式4.4.3 硬磁盘存储器4.4.4 软磁盘存储器4.4.5 磁带存储器4.4.6 循环冗余校验码4.4.7 光盘存储器思考题与习题附录4A 相联存储器第5章输入输出系统5.1 概述5.1.1 输入输出系统的发展概况5.1.2 输入输出系统的组成5.1.3 I/O设备与主机的联系方式5.1.4 I/O设备与主机信息传送的控制方式5.2 I/O设备5.2.1 概述5.2.2 输入设备5.2.3 输出设备5.2.4 其他I/O设备5.2.5 多媒体技术5.3 I/O接口5.3.1 概述5.3.2 接口的功能和组成5.3.3 接口类型5.4 程序查询方式5.4.1 程序查询流程5.4.2 程序查询方式的接口电路5.5 程序中断方式5.5.1 中断的概念5.5.2 I/O中断的产生5.5.3 程序中断方式的接口电路5.5.4 I/O中断处理过程5.5.5 中断服务程序的流程5.6 DMA方式5.6.1 DMA方式的特点5.6.2 DMA接口的功能和组成5.6.3 DMA的工作过程5.6.4 DMA接口的类型思考题与习题附录5A ASCⅡ码附录5B BCD码附录5C 奇偶校检码第3篇中央处理器第6章计算机的运算方法6.1 无符号数和有符号数6.1.1 无符号数6.1.2 有符号数6.2 数的定点表示和浮点表示6.2.1 定点表示6.2.2 浮点表示6.2.3 定点数和浮点数的比较6.2.4 举例6.2.5 IEEE754标准6.3 定点运算6.3.1 移位运算6.3.2 加法与减法运算6.3.3 乘法运算6.3.4 除法运算6.4 浮点四则运算6.4.1 浮点加减运算6.4.2 浮点乘除法运算6.4.3 浮点运算所需的硬件配置6.5 算术逻辑单元6.5.1 ALU电路6.5.2 快速进位链思考题与习题附录6A 各种进位制6A.1 各种进位制的对应关系6A.2 各种进位制的转换附录6B 阵列乘法器和阵列除法器附录6C 74181逻辑电路第7章指令系统7.1 机器指令7.1.1 指令的一般格式7.1.2 指令字长7.2 操作数类型和操作类型7.2.1 操作数类型7.2.2 数据在存储器中的存放方式7.2.3 操作类型7.3 寻址方式7.3.1 指令寻址7.3.2 数据寻址7.4 指令格式举例7.4.1 设计指令格式应考虑的各种因素7.4.2 指令格式举例7.4.3 指令格式设计举例7.5 RISC技术7.5.1 RISC的产生和发展7.5.2 RISC的主要特征7.5.3 RISC和CISC的比较思考题与习题第8章 CPU的结构和功能8.1 CPU的结构8.1.1 CPU的功能8.1.2 CPU结构框图8.1.3 CPU的寄存器8.1.4 控制单元和中断系统8.2 指令周期8.2.1 指令周期的基本概念8.2.2 指令周期的数据流8.3 指令流水8.3.1 指令流水原理8.3.2 影响流水线性能的因素8.3.3 流水线性能8.3.4 流水线中的多发技术8.3.5 流水线结构8.4 中断系统8.4.1 概述8.4.2 中断请求标记和中断判优逻辑8.4.3 中断服务程序入口地址的寻找8.4.4 中断响应8.4.5 保护现场和恢复现场8.4.6 中断屏蔽技术思考题与习题第4篇控制单元第9章控制单元的功能9.1 微操作命令的分析9.1.1 取指周期9.1.2 间址周期9.1.3 执行周期9.1.4 中断周期9.2 控制单元的功能9.2.1 控制单元的外特性9.2.2 控制信号举例9.2.3 多级时序系统9.2.4 控制方式9.2.5 多级时序系统实例分析思考题与习题第10章控制单元的设计10.1 组合逻辑设计10.1.1 组合逻辑控制单元框图10.1.2 微操作的节拍安排10.1.3 组合逻辑设计步骤10.2 微程序设计10.2.1 微程序设计思想的产生10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理10.2.3 微指令的编码方式10.2.4 微指令序列地址的形成10.2.5 微指令格式10.2.6 静态微程序设计和动态微程序程序设计10.2.7 毫微程序设计10.2.8 串行微程序控制和并行微程序控制10.2.9 微程序设计举例思考题与习题附录10A PC整机介绍10A.1 主板10A.1.1 主板的主要组成部件10A.1.2 CPU芯片及插座(插槽)10A.1.3 内存条插槽10A.1.4 扩展插10A.1.5 配套芯片和器件10A.1.6 主板结构的改进10A.2 芯片组10A.2.1 芯片组的功能10A.2.2 芯片组的组成《计算机组成原理》是2008年1月1日高等教育出版社出版的图书，作者是唐朔飞。
计算机组成原理
第二章 计算机组成原理2.1 计算机的组成与分类 2.1.1 计算机的发展与作用一、 计算机的发展过去很长时间人们都按照计算机主机所使用的元器件，为计算机划代。
二、计算机的巨大作用1开拓了人类认识自然、改造自然的新资源 2增添了人类发展科学技术的新手段 3提供了人类创造文化的新工具 4引起了人类的工作与生活方式的变化2.1.2 计算机系统的组成● 硬件：计算机系统中所有实际物理装置的总称● 软件：在计算机中运行的各种程序和相关的数据及文档 程序：用来向计算机指出应如何一步步地进行规定的操作 数据：程序处理的对象深入到各行各业，家庭和个人开始使用计算机软件工程、分布式计算、网络软件等开始广泛使用CPU ：LSI 、VLSI 内存：LSI 、VLSI 的半导体存储器20世纪70年代中期以来第4代在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用操作系统，数据库管理系统等开始使用CPU ：SSI ，MSI 内存：SSI ，MSI 半导体存储器60年代中期～70年代初期第3代开始广泛应用于数据处理领域使用FORTRAN 等高级程序设计语言CPU ：晶体管 内存：磁芯50年代中后期～60年代中期 第2代 科学计算和工程计算使用机器语言和汇编语言编写程序CPU ：电子管 内存：磁鼓20世纪40年代中期～50年代末期 第1代 主要应用 配置的软件 主要元器件 年 代 代 别文档：提供给用于使用的操作说明、技术资料等它们都是软件不可缺少的组成部分计算机硬件组成示意图一、输入设备●输入（input）指把信息（程序，数据，信息）送入计算机的过程（名词）向计算机输入的内容输入设备,用来向计算机输入信息的设备输入到计算机中的信息都使用二进制中的“0”和“1”两个符号来表示输入设备类别●按照输入信息的类型划分●数字和文字输入设备（键盘、写字板等）●位置和命令输入设备（鼠标器、触摸屏等）●图形输入设备（扫描仪，数码相机等）●声音输入设备（话筒，MIDI演奏器等）●视频输入设备（摄像机）●温度、压力输入设备（温度、压力传感器）二、中央处理器CPU●处理器能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●微处理器简称μP或MP，通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的处理器包含运算器和控制器。
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2
它采用了间接寻址技术.在这种技术中,间接寻址指令所 它采用了间接寻址技术.在这种技术中, 它采用了间接寻址技术 形成的地址,不是存放操作数的地址, 形成的地址,不是存放操作数的地址,而是用来形成操作 地址的地址.这种寻址技术在分类, 数地址的地址.这种寻址技术在分类,排序中是非常有用 的; 采用了专用的程序控制指令,这种指令对应于不同程序 采用了Байду номын сангаас用的程序控制指令 采用了专用的程序控制指令, LINK/TRA指令对 间的控制转移,如它的LINK/TRA指令对, 间的控制转移,如它的LINK/TRA指令对,即后来人们常 称的调用子程序/子程序返回指令对, 称的调用子程序/子程序返回指令对,对调用子过程等是 十分有效的; 十分有效的; I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制,并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制,并且在I/O处 I/O处理机与CPU间的通讯采用了中断控制 I/O 理机中采用字的拆,装技术以使得CPU I/O设备间的字 CPU和 理机中采用字的拆,装技术以使得CPU和I/O设备间的字 长能够匹配; 长能够匹配; 采用了DMA技术.即当I/O处理机请求访问主存储器时, 采用了DMA技术.即当I/O处理机请求访问主存储器时, 采用了DMA技术 I/O处理机请求访问主存储器时 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期, CPU的主存访问请求延迟一个存储周期 可能使CPU的主存访问请求延迟一个存储周期,但是并不 中断CPU的操作,只是使CPU操作推迟一个存储周期; CPU的操作 CPU操作推迟一个存储周期 中断CPU的操作,只是使CPU操作推迟一个存储周期;
计算机组成原理 12
特点: 特点: 它有一组变址寄存器以及能够处理定,浮点 它有一组变址寄存器以及能够处理定, 它有一组变址寄存器以及能够处理定 算术运算的硬件 硬件; 算术运算的硬件; 所有的I/O操作均由一台可对主存储器直接进 所有的I/O操作均由一台可对主存储器直接进 所有的I/O I/O处理机来控制; 行存取的I/O处理机来控制 行存取的I/O处理机来控制; 存储部分分成两个模块,一个模块只有偶地 存储部分分成两个模块, 存储部分分成两个模块 址单元,而另一模块则只有奇地址单元. 址单元,而另一模块则只有奇地址单元.这样 在一个存储周期内, 在一个存储周期内,可对独立的模块进行交叉 存取,从而为CPU提供两个连续的字; CPU提供两个连续的字 存取,从而为CPU提供两个连续的字; 它的指令中有三个特征位,用以指示是否需要 它的指令中有三个特征位, 它的指令中有三个特征位 变址,以及使用哪个变址寄存器; 变址,以及使用哪个变址寄存器;
计算机组成原理第2章
2.1 计算机的发展史 2.2 计算机的应用 2.3 计算机的展望
2017/11/30
1
2.1 计算机的发展史
一、计算机的产生和发展
1946年 美国 ENIAC
十进制运算
1955年退役
18 000
1 500 150 30 1 500 5 000
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多个电子管
2.1
2.9 万个晶体管 13.4 万个晶体管 27.5 万个晶体管 120.0 万个晶体管 310.0 万个晶体管 550.0 万个晶体管 750.0 万个晶体管 950.0 万个晶体管 4 200.0 万个晶体管 30 亿 个晶体管
14
目前
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芯片上可集成 超过
Moore 定律
2.1
40 000
速度 /（次/秒）
200 000 1 000 000
四
五
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10 000 000 100 000 000
4
1978－现在
2.1 第一台von Neumann 系统结构的计算机
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5
IBM System／360
2.1
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6
跑得最快的计算机（截止2015年11月）
13
Intel 公司的典型微处理器产品
8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium Ⅳ 8位 16位 16位 32位 32位 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位 1974年 1979年 1982年 1985年 1989年 1993年 1995年 1997年 1999年 2000年
计算机组成原理_ 计算机系统概述
计算机系统概述
相关知识点：
• 计算机处理的对象是数字化信息，计算机具有数据处理、数据存储、数据 传送三种基本功能，这些功能通过计算机硬件自动执行程序的指令完成的
• 计算机由硬件和软件组成，硬件是物理装置的总称，如各种芯片、板卡、 外设、电缆等。软件包括运行在硬件上的程序和相关的文档
• 总线(bus)是传输信息的通路，用于在部件之间传输信息，CPU、主存和I/O模 块通过总线互连。
1.1.2 现代计算机的基本组成
• 从外部来看，普通台式个人计算机(PC)是用各种电缆将显示器、键盘、 鼠标和机箱等连接而成的一个装置。机箱内是一组电路板、芯片和连线， 有主板、电源、风扇和硬盘驱动器等。
• 程序是指挥计算机如何操作的一个指令序列，即程序由指令组成，而指令 则是计算机硬件能够理解并执行的最基本操作，数据是指令操作的对象。
1.1 计算机硬件的基本组成
• 1945年3月，冯·诺依曼领导的小组发表了"存储程序(stored-program)”方式的电 子数字计算机方案EDVAC,宣告了现代计算机结构思想的诞生。
第一阶段（1946-1956年）
第一台计算机上的 第一个机器代码程 序出现到实用的高 级语言
从实用的高级程序 设计语言出现到软 件工程概念出现以 前这段时间为
“软件工程”概念 和方法的出现
1.2 计算机软件概述
• 根据软件的用途，将软件分为系统软件和应用软件两大类 • 系统软件(system software):包括为有效、安全地使用和管理计算机以及为开
1.1.1冯·诺依曼结构基本思想
1. 采用"存储程序”工作方式。 2. 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成 3. 存储器不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上数据和指令没有区别，但
计算机组成原理知识点
计算机组成原理知识点第一章：概论1、电子计算机：电子模拟计算机（连续变化的物理量）和电子数字计算机（离散的数字量）。
2、计算机的发展历史：根据电子元器件的不同，分为若干个代：电子管，晶体管，小、中规模的集成电路，大、超大规模的集成电路，甚大规模的集成电路，极大规模的集成电路。
3、冯诺伊曼存储程序的概念：5大组成部分，二进制，存储与程序控制4、计算机的组成框图：5、计算机的主要部件：输入设备，输出设备，存储器，运算器，控制器6、计算机总线结构：单总线和双总线7、计算机系统：硬件和软件8、计算机的主要性能指标：机器字长、数据通路宽度、主存容量、运算速度第二章：数据的机器层次表示1、无符号数和有符号数：2、原码表示法：[X]=X/2n-X；补码表示法：[X]=X/M+X；反码表示法：[X]=X/(2-2-n)+X3、模和同余的概念：4、三种码制之间的相互转换：5、机器数的定点表示法：定点整数和定点小数：6、浮点表示法：N=M×r E；浮点数的表示范围，规格化浮点数。
7、ASCII字符编码，汉字国标码，汉字区位码，汉字机内码8、十进制数的编码：8421码，2421码，余3码9、数据校验码：奇偶校验码，海明校验码，第三章：指令系统1、指令的基本格式：操作码字段+地址码字段（一、二、三、四和零）地址2、指令操作码的定长编码和变长编码：3、编址方式：编址单位：字、字节、位；指令中地址码的位数与主存容量和最小寻址单位有关。
4、指令寻址和数据寻址：分为：顺序寻址和跳跃寻址（直接、相对和间接）。
5、数据寻址的方式：立即寻址（立即数）、寄存器寻址（寄存器地址）、直接寻址（主存中有效地址）、间接寻址（又分一级和多级，需要多次访问主存）、寄存器间接寻址（主存地址放在寄存器中）、变址寻址（变址寄存器与指令给出的形式地址A相加）、基址寻址（基址寄存器的内容与指令给出的位移量D相加）、相对寻址（程序计数器的基准地址与指令给出的位移量D相加）、页面寻址（分为基页寻址：0与给出地址拼接和当前页寻址，PC的高位地址与给出的地址拼接）、自增型寄存器简址和自减型寄存器简址（寄存器内容自动增量修改，指向下一个地址和自动减量修改）、扩展变址方式（变址和间址相结合：一种先进行变址运算，其结果作为间接寻址；先进行间接寻址，然后再与变址值进行运算）、基址变址寻址（基址寄存器中的值、变址寄存器中的值和位移量三者相加得到）6、堆栈分为：硬堆栈和软堆栈7、指令类型：数据传送类指令、运算类指令：算术运算、逻辑运算、移位；程序控制类指令（转移指令、子程序调用指令、返回指令）、输入输出类指令（独立编址、统一编址）第四章：数值的机器运算1、加法器：全加器、进位的产生和传递。
《计算机组成原理》(周建敏)414-9课件 第一章
（4）指令由操作码和地址码组成， （5）指令在存储器内按顺序存放。 （6）早期的冯·诺依曼机以运算器
操作码用来表示操作的性质，地 通常是顺序执行，特定条件下，可 为中心，输入/输出设备通过运算
址码用来表示操作数在存储器中 根据运算结果或根据设定的条件改 器与存储器传送数据。
的位置。
变执行顺序。
计算机硬件的基本构成
学习目标
计算机硬件的基本知识，要
求达到“领会”层次
02
04 计算机系统层次结构，要
求达到“领会”层次
第3页
01 计算机的发展历程，要求达到 “领会”层次
03 计算机软件的概念，要求 达到“识记”层次
05 计算机的性能指标，要求达 到“简单应用”层次
目录
1.1 计算机的发展历程 1.2 计算机硬件的基本构成 1.3 计算机软件
典型的冯·诺依曼机结构如图所示。 控制信号
输入 设备
第16页
控制器
运算器 数据Βιβλιοθήκη 存储器指令输出 设备
计算机硬件的基本构成
1.2.2 现代计算机的组织结构
现代计算机已经发展为 以存储器为中心，使输入/输 出操作尽可能绕过CPU，直接 在输入/输出设备和存储器之 间完成，以提高系统的整体运 行效率，其结构如图所示。
计算机组成原理
Principles of Computer Organization
本章导读
计算机系统由硬件和软件两部分组成。其中，硬件部分包括运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备5大功能部件，它们通过总线相互连 接成一个完整的硬件系统；软件部分包括系统软件和应用软件。本章将 介绍计算机系统中的一些基本概念，目的在于为读者学习后续章节打下 坚实的基础。
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• Gen-1: Vacuum Tubes (1943-1959)
• Gen-2: Transistors (1960-1968)
– John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley
• Gen-3: Integrated Circuits (1969-1977)
运算速度：5000次加法/秒
使用十进制数 20个寄存器，每个存放10位的十进制数 通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程
Von Neumann机IAS
现代计算机结构的鼻祖：五大功能部件
将程序和数据统一表示：存储器有4096个字，每个字40位。
采用二进制数据：简化了存储器 只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住 小数点的位置。
– Jack Kilby (1958)
• Gen-4: VLSI (1978-present)
• Gen-5: Optical? Quantum? 生物？
古代及近代计算技术
公元前500年，中国出现算盘
1642年，法国数学家帕斯卡（Blaise Pascal）发明自 动进位的加法机器，齿轮驱动拨盘，在窗口显示结果
现代计算机的里程碑
年代 1834 1936 1943 1944 1946 1949 1951 1952 1960 1961 1962 1963 1964 1964 1965 1970 1974 1974 1978 1981 1985 1987 1990 机器名称 A nalytical E ngine Z1 C O LO SSU S M ark I E N IA C I E D SA C W hirlw ind I IA S PD P -1 1401 7094 B 5000 360 6600 PD P -8 PD P -11 8080 C R AY -1 VA X IB M PC M IP S SPA R C R S6000 制造者 B abbage Zuse 英国政府 A iken E ckert/M auchley W ilkes M .I.T. Von N eum ann D EC IB M IB M B urroughs IB M CDC D EC D EC Intel C ray D EC IB M M IP S Sun IB M 说明 建造数字计算机的第一次尝试 第一台使用继电器的计算机器 第一台电子计算机 第一台美国通用计算机 现代计算机历史从它开始 第一台存储程序的计算机 第一台实时计算机 大多数现代计算机还用的设计 第 一 台 小 型 机 （ 销 售 50 台 ） 非常流行的小型商用机 60 年 代 早 期 的 主 流 科 学 计 算 用 机 面向高级语言设计的第一台计算机 系列机的第一个产品 第一台用于科学计算的超级计算机 第 一 台 占 领 市 场 的 小 型 机（ 销 售 50，000 台 ） 70 年 代 的 主 导 小 型 机 第一台在一个芯片上的 8 位计算机 第一台向量超级计算机 第 一 台 32 位 超 级 小 型 计 算 机 开创现代个人计算机新纪元 第 一 台 商 用 R ISC 机 第 一 台 基 于 SPA R C 的 R ISC 工 作 站 第一台超标量体系结构计算机
Control
Datapath
Memory
Computer
计算机剖析
计算机系统 计算机结构 计算机处理器
设备制造
逻辑设计 电路（VLSI）设计
计算机剖析（续）
计算机系统 计算机结构 计算机处理器
高级语言
汇编语言
机器语言
计算机组成原理
Computer Generations
• Gen-0: Mechanical computers (BC to early 1940s)
1822年，巴贝奇（Charles Babbage）设计了差分机 （Difference Engine）。使用了“差分方法”的计算技术， 用来对多项式函数进行机械式求解 1833年，巴贝奇（Charles Babbage）设计了分析机 （Analytical Engine），比差分机更加通用，具备了执行 任意类型数学运算的能力，并且包括了现代计算机的许 多部件（maill，store，i/o设备）
第一台通用电子计算机ENIAC
Electronic Numerical and Integrate Calculator（电子数字积分器）
Mauchly and Eckert 设计 1946年2月14日 第一台通用电子计算机，设计用 于计算火炮的弹道 重30吨，占地15000平方英尺， 18000个电子管，耗电 140KW
– Memory – I/O
Intel Pentium
什么是计算机？
• Datapath: 完成算术和逻辑 运算，通常包括其中的寄 存器。 • Control: CPU的组成部分， 它根据程序指令来指挥 Input datapath， memory以及I/O 运行，共同完成程序功能。 • Memory: 存放运行时程序 及其所需要的数据的场所。 Output • Input: 信息进入计算机的 设备，如键盘、鼠标等。 • Output: 将计算结构展示给 用户的设备，如显示器、 磁盘、打印机、喇叭等。
Turing机
1937年，Alan Turing提出一 种“通用”计算机的概念，它可 以执行任何一个描述好的程序 （算法），实现需要的功能，形 成了“可计算性”概念的基础。
存储程序的思想，使计算机 从专用走向通用。正是这一创新， 开创了计算机的新时代。
Turing机特点
• 通用计算机：并不是保存所有问题的结 果。 • 存储程序计算机：问题的求解由程序或 过程给出，程序和过程可以通过语言描 述。 • 有限速度：计算机执行程序的时间是有 限的。 • 是现代计算机的鼻祖。
计算机里有什么？
什么是计算机？
• 构成计算机的基 础理论大部分已 经有50年了。 • 目前，计算机的 关键部件也没有 大的改变
– CPU
• Data Path • Controller
– Memory – I/O
什么是计算机？
• 功能部件
– CPU
• Data Path • Controller
第一台小型计算机：PDP-1
• • • • 1957年由DEC公司生产 第二代计算机（晶体管） 18位字长，4K内存，机器周期为5微秒 售价120000美元。售出50台。
• 开创了计算机产业！
第一个系列计算机：IBM 360
• 第三代计算机 • 计算机应用：科学计算和 商务处理 • 如何在不同的硬件平台上 运行相同的软件？ • 系列计算机：IBM 360 • 计算机系统结构：程序员 眼中的计算机。具有相同 系统结构的计算机可以运 行相同的程序。 • 微程序控制器
应用的普及：IBM PC机
RISC计算机
精简指令系统计算机 指令系统尽量简单，复杂指令通过简单指令的组合来完成 提高计算机的运行速度
下一代计算机
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Байду номын сангаас