计算机组成原理第一章系统概述T
计算机组成原理第1章PPT课件
3.数据传输率与数据通路宽度 （1）数据通路宽度: 数据总线一次能并行 传输的数据位数。 （2）数据传输率（带宽）：数据总线每秒 传输的数据量。
总线位数×总线时钟频率
总线带宽 =
8
（B/S）
主存带宽 =？
4.存储容量
1）主存容量
K、M、G、T
1024
指存储单元个数 × 位数。
决定地址位数
存储体
控制线路
数据寄存器 读/写线路
译码器
…………
地址寄存器
…………
存储体: 存放信息的实体。 寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。 读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂 存读/写数据。 控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。 3）讨论 存储单元读/写原理、存储器逻辑设计
（3） 输入/输出设备 1）功能：转换信息。
换、逻辑控制等功能。
2.典型的硬件系统结构 （1）以总线为基础的系统结构 特点：结构简单、控制方便、扩展容易。
总线
部件 部件 部件
单总线结构 系统总线
CPU
M
接口
I/O
接口 I/O
（2）采用通道或IOP的系统结构 带通道的系统（图1-6）
主机
通道
I/O控制器
I/O
• 规模较小的系统可将通道部件设置在 CPU内部。
1.3.2 计算机的主要性能指标
1.基本字长 指操作数的基本位数。 和运算器、寄存器、总线有关，它影响
计算精度、指令功能。 8 — 16 — 32 — 64位
2. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间
（2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（Hz）
5M 100M 1G 2.0G 3.2G （4）典型程序执行时间 （5）每条指令平均执行周期.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序
计算机组成原理 之 计算机系统概论(一)
计算机组成原理之计算机系统概论（一）计算机系统概论思维导图下载链接一、计算机系统简介1. 计算机软硬件概念计算机系统：硬件:计算机实体，如主机和外围设备。
软件:由具有各种特殊功能的信息(程序)组成。
软件：系统软件:用于管理整个计算机系统。
语言处理器、操作系统、服务程序、数据库管理系统、网络软件。
应用软件:根据任务需要编写的各种程序。
2. 计算机系统的层次结构3. 计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构:程序员眼中的计算机系统的属性、概念结构和功能特征。
比如有没有乘法指令。
计算机构成:实现计算机架构中体现的属性。
如:如何实现乘法指令。
二、计算机的基本组成1. 冯·诺依曼计算机的特点1. 计算机由运算器、存储器、控制器、输人设备和输出设备五大部件组成。
2. 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。
3. 指令和数据均用二进制数表示。
4. 指令由操作码和地址码组成，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。
5. 指令在在储器内按顺序存放。
通常，指令是顺序执行的,在特定条件下,可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
6. 机器以运算器为中心，输人输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。
运算器：算术运算、逻辑运算；储存器：存放数据与程序；控制器：指挥程序的运行，语句的执行顺序；输入设备：将信息转换为机器能够识别的形式；输出设备：将结果转换为人们熟悉的形式；2. 计算机硬件框图2.1 以存储器为中心的计算机硬件框图2.2 现代计算机硬件框图主存储器可以直接与CPU交换信息；辅助存存储器又称辅存，又称外存； ALU: 算术逻辑单元，完成算术逻辑运算；CU: 控制单元，用来解释存储器的指令，并发出各种操作命令来执行指令；3. 计算机的工作步骤3.1 上机前的准备（1）建立数学模型（2）确定计算方法（3）编制解题程序指令 = 操作码 + 地址码实例：3.2 计算机的解题过程存储器基本组成：1个字节（Byte）被定义为由 8位（bit）二进制组成； MAR : 存储器地址寄存器，反应存储单元的个数； MDR ：存储器数据寄存器，反应存储字长；假如MAR=4位，MDR=8位，那么存储单元个数为2^4=16，存储字长8；运算器基本组成：运算器最少包括3个寄存器（ACC-累加器，MQ-乘商寄存器，X-操作数寄存器）和一个算术逻辑单元（ALU）；运算器的基本组成及操作过程：控制器的基本组成：。
第1章计算机系统概述(计算机组成原理课件)_图文.
综合性能评价的方法 °可以用以下两种平均值来评价：• Arithmetic mean(算术平均：求和后除n • Geometric mean(几何平均：求积后开根号n °根据算术平均执行时间能得到总平均执行时间 °根据几何平均执行时间不能得到程序总的执行时间 °执行时间的规格化（测试机器相对于参考机器的性能）：• time on reference machine ÷ time on measured machine °平均规格化执行时间不能用算术平均来计算，而应该用几何平均• program A going from 2 seconds to 1 second as important as program B going from 2000 seconds to 1000 seconds. （算术平均值不能反映这一点！）综上所述，算术平均和几何平均各有长处，可灵活使用！ Chapter 1 .46 2010年12月28日星期二第二讲小结 °性能的定义：一般用程序的响应时间或系统的吞吐率表示机器或系统整体性能。
° CPU性能的测量（用户程序的CPU执行时间）：• 一般把程序的响应时间划分成CPU时间和等待时间，CPU时间又分成用户CPU 时间和系统CPU时间。
• 因为操作系统对自己所花费的时间进行测量时，不十分准确，所以，对CPU性能的测算一般通过测算用户CPU时间来进行。
°各种性能指标之间的关系：• CPU执行时间=CPU时钟周期数 x 时钟周期• 时钟周期和时钟频率互为倒数• CPU时钟周期数 = 程序指令数 x 每条指令的平均时钟周期数CPI ° MIPS数在有些情况下不能说明问题，不具有可比性！ °性能评价程序的选择：• 采用一组基准测试程序进行综合（算术（加权）平均/几何平均）评测。
最新计算机组成原理第1章-计算机系统概论教学讲义PPT课件
(3)控制器 *功能：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程
*程序执行过程： ①循环的指令执行过程(取指令及执行指令)； ②下条指令地址由当前指令产生(按程序逻辑顺序)
取指阶段 取指令
分析指令
执行阶段 执行指令
指令地址 寄存器PC
指令内容 指令译码
寄存器IR
器ID
存储器
10
功能部件
+“1”
寄存器 组(堆)
ALU
Func
累加器型运算器
*(AC)+[Y]→AC的运算过程：
(0) (AC)为被加数
寄存器型运算器 存储器
(1) 加数[Y]→TEMP
TEMP
(2) (AC)＋(TEMP) (3) ALU结果→AC
AC
ALU
Func
△约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容
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……
*组成：
地 址 地址 译 码 器 命令
数据
存储阵列
…… I/O电路
0 1 … w-1
0 1
…
…
n-1
…
存储字长W
0
…
1
…
存储字 n-1
*术语：存储元件(存储元)—可存储一个二进制位的元件；
存储单元—可同时存储一串二进制位的元件； 存储字—存储单元内存储的二进制编码；
存储阵列—所有存储单元的集合 存储单元地址—每个存储单元被赋予的惟一编号 存储容量—存储阵列可存储的二进制位数
指令内容
程序 逻辑顺序
A+0
int nCount=0； ⑴
A+1
int nSum=0； ⑵
A+2 LP: nSum+=nCount； ⑶ ⑹ ⑼
408计算机组成原理历年真题1-2章
知识点概括计算机系统层次结构1.计算机系统基本组成；2.计算机硬件基本组成；3.计算机系统的工作原理.计算机性能指标吞吐量、响应时间、CPI 、CPU 执行时间等.第一章计算机系统概述计算机系统层次结构由具有各类特殊功能的信息（程序）组成1. 计算机系统计算机系统计算机的实体，如主机、外设等硬件软件按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统系统软件应用软件高级语言虚拟机器M 3汇编语言虚拟机器M 2操作系统虚拟机器机器语言实际机器M 1微指令系统微程序机器M 0冯诺依曼机语言1. 计算机系统知识点：高级语言：需要经过编译程序编译为汇编程序后，经过汇编得到机器语言；或直接由高级语言程序直接翻译成机器语言。
汇编语言：用助记符代替二进制，必须要经过汇编才能在计算机硬件上执行。
机器语言：有二进制编码组成，是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。
1. 计算机系统1.特点•存储程序•计算机由五大部件组成•指令和数据用二进制表示•指令由操作码和地址码组成•以运算器为中心•指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访知识点：冯·诺依曼计算机1.机器字长2.运算速度CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数有关主频每秒执行百万条指令MIPS每秒浮点运算次数FLOPS执行一条指令所需时钟周期数CPICPU时钟频率，时钟周期的倒数一条指令的耗时=CPI乘CPU时钟周期M G T P E Z221b=256KB213b=1KB 如3.存储容量主存容量辅存容量存储单元个数×存储字长字节数字节数80 GB如MAR MDR 容量10 816 32存放二进制信息的总位数1K = 2101K×8位64K×32位K M G T P E Z知识点概括数制与编码1.进位计数值及其数据之间的相互转换；2.定点数的编码表示.整数表示和运算1.无符号整数的表示和运算；2.有符号整数的表示和运算.浮点数表示和运算1.浮点数的表示；2.浮点数的加/减运算.C语言中的类型转换应用运算方法和运算电路1.基本运算部件；加/减运算器；3.乘/除运算的基本原理和电路第二章数据的表示和运算数制与编码补码可表示的范围：-2的n次方~2的n次方-1补码可表示的范围：-2的n 次方~2的n 次方-1000000000000000100000010 (011111111000000010000001111111011111111011111111)…128129-0-1-128-127-127-126二进制代码无符号数对应的真值原码对应的真值补码对应的真值反码对应的真值012127 (253254255)…-125-126-127…-3-2-1…-2-1-0…+0+1+2+127…+0+1+2+127…+0+1+2+127…对有符号数：算数移位：左移移位：乘2的倍数。
计算机组成原理第1章ppt课件
浮点数的表示与运算
浮点数的概念
浮点数是指小数点位置可以浮 动的数，用于表示更大范围、
更高精度的数值。
浮点数的表示方法
通常采用IEEE 754标准表示， 包括符号位、指数位和尾数位 。
浮点数的加减运算
需要进行对阶、尾数加减、规 格化等步骤，同时处理溢出和 舍入等问题。
浮点数的乘除运算
需要设计高效的算法和电路实 现，包括浮点乘法、浮点除法
地址译码器
将地址寄存器中的地址转换为对 应存储单元的选择信号。
存储体
由大量存储单元组成，每个存储 单元可存放一个字节或多个字节 的数据。
读写控制电路
根据CPU的命令控制存储器的读 写操作。
主存储器的性能指标与优化
存储容量
主存储器可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位进 行衡量。
存取时间
逻辑门电路
基本逻辑门电路
介绍与门、或门、非门等 基本逻辑门电路的工作原 理和实现方法。
复合逻辑门电路
讲解与非门、或非门、异 或门等复合逻辑门电路的 工作原理和实现方法。
逻辑门电路的应用
介绍逻辑门电路在数字电 路中的应用，如组合逻辑 电路的设计和实现等。
03
计算机中的数据表示
数值数据的表示
定点数表示法
计算机的发展
计算机经历了从机械式计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算 机到超大规模集成电路计算机的五个发展阶段。
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，是计算机的物理基
础。
软件系统
包括系统软件和应用软件，是计算 机的逻辑基础。
数据
是计算机处理的对象，包括数值数 据、非数值数据和多媒体数据等。
曹红根《计算机组成原理》第 1 章 计算机系统概论.ppt
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1.2.2 冯·诺依曼计算机
1. 存储程序概念
(1) 采用二进制形式表示数据和指令 (2) 采用存储程序方式 (3) 计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储
器和控制器五大部件组成。
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2. 早期的冯·诺依曼计算机
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3. 现代计算机组组织结构
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⑵ 总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。
总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲
突，且总线上的各部件可以共享总线信息。
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3. 总线的分类
• 按总线所在位置分 (1) CPU内部总线 (2) 部件内总线 (3) 系统总线 (4) 外总线
采用总线结构的好处：
• 可以大大减少系统中的信息传输线数，减轻发送部 件的负载
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1.5 计算机的特点和性能指标
1.5.1 计算机的工作特点 (1) 能自动连续地工作 (2) 运算速度快 (3) 运算精度高 (4) 具有很强的存储能力和逻辑判断能力 (5) 通用性强
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1.5.2 计算机的性能指标
1. 基本字长 2. 主存容量 3. 运算速度 4. 所配置的外部设备及其性能指标 5. 系统软件的配置
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1.1.1 计算机硬件—更新换代
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）
• 可以简化硬件结构，灵活地修改与扩充系统。
计算机组成原理课后答案 中英主编第五版
计算机组成原理课后答案中英主编第五版计算机组成原理课后答案第一章：计算机系统概述1. 数据是计算机系统处理的基本对象，其形式包括数字、文本、图像、音频等多种类型。
2. 信息是对数据进行加工处理后得到的有用结果，例如计算、存储、传输等操作。
3. 计算机系统组成包括硬件和软件两个部分。
硬件包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备和输出设备等；软件包括系统软件和应用软件两部分。
4. 计算机系统的层次结构包括硬件层、指令系统层、操作系统层和应用层等，每一层都在上层的基础上提供更高级的功能，为上层提供服务。
第二章：数字系统1. 数制是一种用来表示数字的符号体系，常见的数制包括二进制、八进制、十进制和十六进制。
2. 在二进制系统中，每一位上的数值称为位权，位权的值是2的幂次方。
3. 二进制转换为十进制可以使用位置权重法，将二进制数每一位与对应的位权相乘，然后求和即可。
4. 十进制转换为二进制可以使用短除法，不断将十进制数除以2取余数，直到商为0为止，将余数按倒序排列即为二进制数。
第三章：汇编语言1. 汇编语言是一种与机器语言直接对应的低级语言，使用助记符来表示机器指令。
2. 汇编语言的指令包括数据传输指令、运算指令、逻辑指令、控制转移指令等，用于完成各种计算机操作。
3. 汇编程序是由一系列汇编语句组成的程序，需要经过汇编器的处理转换为机器语言程序，再由计算机执行。
4. 汇编语言相对于机器语言具有可读性强、编写方便的优点，但是移植性较差，需要根据不同的硬件平台进行适配。
第四章：总线1. 总线是计算机各部件之间传输数据和信号的通道，包括数据总线、地址总线和控制总线等。
2. 数据总线用于传输数据，地址总线用于指定操作的存储单元或者IO设备，控制总线用于传递控制信息。
3. 总线的性能指标包括宽度（数据位宽）、带宽（传输速率）和周期（传输时间）等。
第五章：存储器1. 存储器是计算机中用于存储指令和数据的设备，包括主存储器和辅助存储器两部分。
计算机组成原理第1章概述V1.2
输入输出控制
CPU通过与外部设备交互， 实现输入输出操作的控制和管
理。
CPU的内部结构
运算器
负责进行算术运算和逻辑运算，是CPU的核 心组成部分。
寄存器
用于存储数据和指令，是CPU内部的高速存 储单元。
控制器
负责控制指令的执行顺序，协调CPU各部分 的工作。
总线
用于连接CPU内部各部分，实现数据传输和 通信。
指令长度
指令的长度可以是固定长度的 ，也可以是可变长度的，这取 决于具体的指令系统设计。
格式类型
根据指令系统的不同，指令格 式可以分为单操作数格式、双 操作数格式和三操作数格式等
。
操作码的扩展技术
操作码位数可变
根据不同的指令系统设计，操作码的位数可以是固定的，也可以是可变的。如 果操作码位数可变，通常是通过增加一个或多个额外的位来表示操作码的长度。
操作系统
管理系统资源、控制程序 执行、提供用户界面等功 能的软件。
计算机系统的层次结构
硬件层
物理组件，如中央处理 器、内存、硬盘等。
操作系统层
管理硬件资源，提供系 统调用接口。
应用层
用户直接使用的应用程 序，如办公软件、浏览
器等。
用户层
用户与计算机交互的界 面，如命令行、图形界
面等。
计算机的工作过程
操作码字段合并
在某些指令系统中，操作码字段可能会与其他字段合并，以提高指令的编码效 率。例如，某些指令可以通过将操作码的一部分嵌入到地址码中来减少所需的 指令空间。
地址码的扩展技术
变长地址码
地址码的长度可以根据需要变化，以适应不同的地址空间大小。例如，某些指令 可能只包含一个地址码，而其他指令可能包含两个或更多的地址码。
计算机组成原理参考答案讲解
红色标记为找到了的参考答案，问答题比较全，绿色标记为个人做的，仅供参考！第一章计算机系统概述1. 目前的计算机中，代码形式是______。
A．指令以二进制形式存放，数据以十进制形式存放B．指令以十进制形式存放，数据以二进制形式存放C．指令和数据都以二进制形式存放D．指令和数据都以十进制形式存放2. 完整的计算机系统应包括______。
A. 运算器、存储器、控制器B. 外部设备和主机C. 主机和实用程序D. 配套的硬件设备和软件系统3. 目前我们所说的个人台式商用机属于______。
A.巨型机B.中型机C.小型机D.微型机4. Intel80486是32位微处理器，Pentium是______位微处理器。
Ａ．１６Ｂ．３２Ｃ．４８Ｄ．６４5. 下列______属于应用软件。
A. 操作系统B. 编译系统C. 连接程序D.文本处理6. 目前的计算机，从原理上讲______。
A.指令以二进制形式存放，数据以十进制形式存放B.指令以十进制形式存放，数据以二进制形式存放C.指令和数据都以二进制形式存放D.指令和数据都以十进制形式存放7. 计算机问世至今，新型机器不断推陈出新，不管怎样更新，依然保有“存储程序”的概念，最早提出这种概念的是______。
A.巴贝奇B.冯. 诺依曼C.帕斯卡D.贝尔8.通常划分计算机发展时代是以（）为标准A.所用的电子器件B.运算速度C.计算机结构D.所有语言9.到目前为止，计算机中所有的信息任以二进制方式表示的理由是（）A.节约原件B.运算速度快C.由物理器件的性能决定D.信息处理方便10.冯.诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，CPU区分它们的依据是（）A.指令操作码的译码结果B.指令和数据的寻址方式C.指令周期的不同阶段D.指令和数据所在的存储单元11.计算机系统层次结构通常分为微程序机器层、机器语言层、操作系统层、汇编语言机器层和高级语言机器层。
层次之间的依存关系为（）A.上下层都无关B.上一层实现对下一层的功能扩展，而下一层与上一层无关C.上一层实现对下一层的功能扩展，而下一层是实现上一层的基础D.上一层与下一层无关，而下一层是实现上一层的基础12.指令流通常是（）A.从主存流向控制器B.从控制器流向主存C.从控制器流向控制器D.从主存流向主存13.以下叙述中正确的是（）A.寄存器的设置对汇编语言程序是透明的B.实际应用程序的预测结果能够全面代表计算机的性能C.系列机的基本特征是指令系统向后兼容D.软件和硬件在逻辑功能上是等价的14.存储A.__程序____并按B.__地址____顺序执行,这是冯•诺依曼型计算机的工作原理。
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。
计算机组成原理计算机系统概论
1.2计算机发展简史
一、计算机的五代变化 • 第一代为1946—1957年，电子管计算机：数据
处理 • 第二代为1958—1964年，晶体管计算机：工业
控制 • 第三代为1965—1971年，中小规模集成电路计
算机：小型计算机 • 第四代为1972—1990年，大规模和超大规模集
成电路计算机：微型计算机 • 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算
1.4计算机的软件
一、软件的组成与分类
计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计 算机系统中不可少的无形部件。主要有两大类：
• 系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法， 提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功 能及用途。它包括以下四类：
①各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 ②语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等 ③操作系统 ④数据库管理系统
1.2计算机发展简史
三、微处理器的发展 • 1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所
有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生 了。 • 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。 • 1974年出现了Intel 8080。这是第一个通用微处理器，而 4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而 设计的中央处理器。 • 20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便 是其中之一。 • 这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP 公司开发出了32位单片微处理器。 • Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 • 到现在的64
• 输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他 机器设备所能接收和识别的信息形式
计算机组成原理第四版第一章解析
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系统程序:
用来简化程序设计, 简化使用 方法, 提高计算机的使用效率, 发 挥和扩大计算机的功能及用途。它 包括各种服务性程序、语言程序、 操作的64位处理器和多核处理器。
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1.2.4计算机的性能指标 计算机体系结构的变化
➢ 计算机的性能指标: P5 ➢ 是在冯.诺依曼结构的基础上，从提高速度、
加大字长、扩大容量、降低成本、提高系 ➢ 统可靠性和方便用户使用方面快速发展. ➢ 发展趋势:
➢ Back
1.3 计算机的硬件
反馈 信息
示
一般机器级
微程序
微程序设计级
微程序直接由硬件执行
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1.5.2软件与硬件的逻辑等价性
➢ 理论上, 任何操作可以由软件来实现, 也可以由硬件来实现；任何 指令的执行可以由硬件完成, 也可以由软件来完成 。
➢ 对于某一功能采用硬件方案还是软件方案, 取决于器件价格、速 度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。
控制整机各部件步调一致的自动工作。
基本概念的理解: 指令 指令格式
程序指令 周期 指令流 数据
流
指令系统……
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存储器:
功能是保存或“记忆”解 题的原始数据和解题步骤。
冯 .诺依曼机器 的设计思 想: 存储程序并按地址顺序执 行。
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输入设备:
输入设备的作用是把人们所熟悉 的某种信息形式变换为机器内部所能 接收、识别的二进信息形式。常见的 有: 键盘、鼠标、光笔等。
1.2.2 半导体存储器的发展
➢ 20世纪50～60年代，所有计算机存储器都是由微小的磁芯构成。 ➢ 1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器 ➢ 从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB.
计算机组成原理课件第一章概述1.3
– 应用软件：各类用户为满足各自的需要所开发的各类应用程序
人生在勤，不索何获
1.3.1计算机系统的基本组成
• 不论系统软件程序还是应用软件程序，都是采用程序设计 语言编写的。程序设计语言是编写各种计算机软件的手段 或规范，又称为编程环境。用程序设计语言编写的程序称 为源程序，在计算机上运行的程序称为可执行程序。
人生在勤，不索何获
计算机系统层次结构模型图
图1-4计算机系统层次结构模型图
人生在勤，不索何获
1.3.2计算机系统的层次结构
• 第0层是硬件内核。
– 该层包括计算机各部件的逻辑线路硬件，又称为裸机。硬件内控制信号引导数 据的流动，实现用户设计的功能。这一层次是计算机硬件设计人员所熟悉的。
• 第1层是机器语言
– 一般采用大规模集成电路技术，将运算器和控制器集成在一片半导体芯 片上，叫做中央处理器（Central Processing Unit，CPU），在微型计算 机中称为微处理器
– 存储器产品包括内存储器（如内存条）和外存储器（如硬盘、光盘等）。 – 中央处理器加上主存储器称为主机。 – 常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。 – 常用的输出设备有显示器、打印机等。将输入输出设备、外存储器称为
• 冯•诺依曼设计思想的特征是存储程序并自动运行。
– 在运行程序之前，程序指令和数据一起存放在存储器中，然后逐 条取出指令执行。按照这个思想，要想解决一个问题，只要编制 有效的程序，该问题就可以在计算机中求解。
1.3.1计算机系统的基本组成
• 冯•诺依曼结构奠定了现代计算机的结构。但是，在现代 计算机产品中，这5部分并不是独立存在的。
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1.2 计算机系统层次结构 三、计算机系统层次结构
• 计算机系统是一个非常复杂的系统．它由硬件和 软件两大部分组成。读者必颁清楚地认识到硬件和软 件各自在计算机系统中的地位和作用以及它们相互之 间的依存关系。 • 硬件是指计算机的实体部分。它由看得见摸得着 的各种电子元器件及各类光、电、机设备的实物组成， 包括主机、外设等。 • 软件是看不见摸不着的，由人们事先编制成的具 有各类特殊功能的信息组成。通常把这些信息，诸如 各类程序存储于各类媒体中，如RAM、ROM、磁盘、光 盘、磁带甚至纸带等。
5
1.2 计算机系统层次结构
(3)指令和数据均用二进制代码表示。 (4)指令由操作码和地址码组成，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。 (5)指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执 行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的 条件改变执行顺序。 (6)早期的冯.诺依曼机以运算器为中心，输入输出设备 通过运算器与存储器传送数据。
(1)运算器的基本组成及操作过程
ACC MQ X 加数 减数
ACC
ALU
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
X
运算器
被乘数
除数
1.2 计算机系统层次结构
① 加法操作过程
ACC ALU X
运算器
MQ
指令
初态
加 ACC [M] X
M 被加数
[ACC]+[X]
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 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 8
二、
1.2 计算机系统层次结构 计算机软件的组成
没有配备任何软件的“裸机”无法投入使用，没有 配备足够的软件，其功能就不能很好的发挥。计算机软 操作系统或管理软件 件的分类如下： 汇编程序 系统软件 高级语言的编译或解释程序 故障诊断或检验程序 系统调试程序 软件组成 数据库管理程序 使用者根据需要采用各类语言 编写的各种应用程序，包括各 类应用软件包 9
1.2 计算机系统层次结构
(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
• 程序首地址
• 启动程序运行
PC
• 取指令 PC MAR M MDR IR ,(PC )+1 PC
• 分析指令 OP(IR) CU
• 执行指令 Ad(IR)
• 打印结果 • 停机 …
MAR M MDR ACC
第 一章计算机系统概论
一、考试范围：
（一）计算机发展历程 （二）计算机层次结构 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）计算机性能指标 吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、 CPU执行时间；MIPS、MFLOPS。
1
二、复习要点
1. 了解计算机发展历程
1.2 计算机系统层次结构
计算机的工作过程是本章的重点。人们需将事先编 好的程序(指令序列)送至计算机的存储器内，然后计算 机按此指令序列逐条完成全部指令的功能，直至程序结 束。因此，要了解计算机的工作过程，必须首先了解计 算机完成一条指令的信息流程。 • 1）完成一条指令的信息流程 • 以取数指令(即将指令地址码指示的存储单元中的操作 数取出后送至运算器的ACC中)为例,其信息流程是： • 取指令 PC MAR M MDR IR • 分析指令 OP(IR) CU • 执行指令 Ad(IR) MAR M MDR ACC • 此外，每完成一条指令，还必须为取下条指令作准备， 形成下一条指令的地址，即(PC)+1 PC。
6
1.2 计算机系统层次结构 2、 计算机硬件的组成
• CPU（包括运算器和控制器） • 存储器
• ROM • RAM 运算器 • 输入/输出设备(I/O设备) 和控制 • 总线 器 • D—BUS CPU • A—BUS • C—BUS
控制总线
7
地址总线
存储器
输入输 出设备
数据总线
1.2 计算机系统层次结构 冯· 诺依曼计算机硬件框图
1.2 计算机系统层次结构
(3)控制器的基本组成
完成 一条 指令 取指令
分析指令
PC
IR
取指 访存
CU
执行指令
IR PC
CU
执行 访存
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
1.2 计算机系统层次结构
(4)主机完成一条指令的过程
以取数指令为例 CPU
（具体指令的实现）
如何实现乘法指令
15
1.2 计算机系统层次结构 四、计算机的工作过程
• 本节要求读者掌握一个较细化的计算机组成框图，如 下图所示。而且要求根据此图描述计算机内部的控制 流和数据流的变化，从而初步认识计算机内部的工作 过程。 • 图中主存储器由存储体M、MAR和MDR组成。存储 体由很多存储单元组成，用来存放指令或数据，MAR 存放欲访问的存储单元的地址，MDR存放从存储单元 读出的信息或即将存入某存储单元的信息。运算器由 累加器Acc、操作数寄存器x和算术逻辑部件ALU组成， 用来完成算术运算和逻辑运算。控制器由PC、IR、CU 组成，PC存放欲执行指令的地址，IR存放欲执行的指 令，CU用来发出各种操作命令。
…
ACC MQ
5
存储体
6
IR 27 3 8
MDR
I/O
CU
ALU
控制 单元
PC
1
4
MAR
X
运算器
控制器
9
主存储器
1.2 计算机系统层次结构
(4)主机完成一条指令的过程
以存数指令为例
CPU
…
ACC MQ
5
存储体
6
IR 27 3 9
MDR
I/O
CU
ALU
控制 单元
PC
1
4
MAR
X
运算器
控制器
8
主存储器
3
4 5
000100 0000001000 乘x得（ax+b)x,存于ACC中
000010 0000001100
6
7 8 9 10 11
000101 0000001100
000110 x a b c
打印
停机 原始数据x 原始数据a 原始数据b 原始数据c
1.2 计算机系统层次结构
2.计算机的解题过程
ACC
1.2 计算机系统层次结构
② 减法操作过程
指令
ACC ALU X
运算器
MQ
减 ACC [M] X
M 被减数
初态
[ACC]-[X]
ACC
1.2 计算机系统层次结构
③ 乘法操作过程
0 ACC ALU ALU X
运算器
指令
MQ
乘 ACC [M] [ACC]
M 被乘数 MQ X
初态
0
[X]×[MQ]
12
1.2 计算机系统层次结构
高级语言
汇编语言 操作系统 机器语言
虚拟机器 M3
虚拟机器 M2 虚拟机器 实际机器 M1
微指令系统
微程序机器 M0
13
1.2 计算机系统层次结构
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
用编译程序翻译 成汇编语言程序
软 件
用汇编程序翻译 成机器语言程序
虚拟机器 M2 实际机器 M1
•
• •
•
3
1.1计算机的发展历程
二、计算机的分类 • 信号类型分类：模拟计算机和数字计算机。 • 规模分类：嵌入式、单片机、微型机、小型机、中型 机、大型机和巨型机。
• 发展历程分：电子管、晶体管、集成电路、大规模集 成电路和超大规模集成电路计算机。 • 指令流和数据流： 1）单指令流和单数据流SISD（冯· 诺依曼体系结构）； 2）单指令流和多数据流SIMD（向量处理机）； 3）多指令流和单数据流MISD（实际不存在）； 4）多指令流和多数据流MIMD（多处理机和多计算机 系统）。
程序 — 运算的 全部步骤 指令 — 每 一个步骤
编程举例
计算
取x 至运算器中
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
1.2 计算机系统层次结构 ax2 + bx + c = (ax + b)x + c
2
1.1计算机的发展历程
一、硬件的发展
• 第一代 电子管时代(1946-1957) 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(1958-1964) 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(1965-1971) 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。
11
1.2 计算机系统层次结构