CH2计算机组成原理
计算机组成原理第二版课后习题答案
计算机组成原理第二版课后习题答案第1章计算机系统概论1.什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
2.如何理解计算机的层次结构？答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。
（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。
（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。
（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。
通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。
各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。
言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。
高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。
4.如何理解计算机组成和计算机体系结构？答：计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O机理等。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。
5.冯诺依曼计算机的特点是什么？解：冯诺依曼计算机的特点是：P8计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；指令和数据均用二进制表示；指令由操作码、地址码两大部分组成，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；指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；机器以运算器为中心（原始冯诺依曼机）。
6.画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机系统的主要技术指标。
答：计算机硬件组成框图如下：控制器运算器CPU存储器接口接口输入设备主机外设输出设备各部件的作用如下：控制器：整机的指挥中心，它使计算机的各个部件自动协调工作。
计算机组成原理
计算机组成原理计算机组成原理是指计算机各个部件的功能、工作原理以及它们之间的相互连接和通信方式的理论体系。
通过对计算机组成原理的学习和理解，可以帮助我们更好地了解计算机的工作原理和设计方法，从而提升计算机系统的性能和可靠性。
1.指令系统：计算机是由指令和数据组成的，指令系统是规定计算机如何执行指令以及指令的格式和编码方式。
指令系统包括机器指令的格式、寻址方式、寄存器的功能和使用方法等。
不同的计算机系统有不同的指令系统，指令系统的设计直接影响到计算机硬件的设计和计算机性能的提高。
2.运算器：运算器是计算机的主要功能部件之一，用于进行算术和逻辑运算。
运算器一般包括算术逻辑单元(ALU)、寄存器等。
ALU是完成算术和逻辑运算的核心部件，它可以执行加、减、乘、除和逻辑运算等操作。
3.控制器：控制器是计算机的另一个重要组成部分，用于控制计算机的工作流程和指令的执行顺序。
控制器由控制电路和时序电路组成，它能够根据指令的要求来控制数据的流动和运算器的工作。
4.存储器：存储器是计算机的重要组成部分，用于存储各种数据和指令。
根据存储介质的不同，存储器可以分为主存储器(RAM)和辅助存储器(硬盘、光盘等)。
主存储器是计算机内部的存储介质，用于存储运行时的数据和指令，它具有读写速度快、容量较小的特点；而辅助存储器则具有容量大、价格低等特点，但读写速度较慢。
5.输入输出设备：输入输出设备是计算机与外部世界进行数据和信息交互的接口。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等；输出设备包括显示器、打印机、音频设备等。
输入输出设备通过与计算机系统的接口进行数据传递，使得计算机可以与用户进行交互和信息通信。
6.总线：总线是计算机内部各个组件之间进行数据传输和通信的方式。
它是计算机中各种功能部件的连接线路，用于传输地址、数据和控制信号等。
总线可以分为数据总线、地址总线和控制总线，不同的总线具有不同的带宽和传输速度。
通过对计算机组成原理的学习，我们可以更好地了解计算机系统的工作原理、设计方法和各个组成部分的功能。
计算机组成原理-(完整版)
计算机组成原理-完整版前言计算机组成原理是计算机科学中最基础的课程之一，它主要研究计算机系统的各个组成部分的原理和关系。
它是计算机科学中最基础的课程之一，也是理解其他计算机科学领域的必备基础。
本文将介绍计算机组成原理中涉及的各个方面，从处理器到内存，再到输入输出系统，以及操作系统和应用层，详细解释它们的工作原理和相互关系。
此外，我们还将介绍一些实际的例子，以帮助读者更好地理解这些概念。
计算机硬件组成处理器处理器是计算机的大脑，它是计算机中最为关键的部分之一。
处理器的任务是执行指令，它通过解码指令，再根据指令来执行相应的操作。
处理器包括控制单元和算术逻辑单元两部分。
控制单元是处理器的主控制中心，它决定了处理器要执行的操作，以及操作的顺序。
由于处理器的速度非常快，因此它能够在一个时钟周期内执行多个操作。
算术逻辑单元（ALU）则用于执行运算操作，例如加减乘除、位移等。
ALU从寄存器中读取数据，并根据指令进行相应的计算和操作。
存储器存储器用于存储计算机中的数据和指令。
存储器被分为两种类型：内存和外存。
内存是指计算机中直接可访问的存储，例如DRAM。
它是用于临时存储程序和数据的地方。
内存的访问速度非常快，但只能存储有限的数据量。
外存则是指计算机中不直接可访问的存储，例如硬盘。
它用于长期存储数据和程序。
虽然外存的访问速度相对较慢，但它能够存储大量的数据和程序。
输入输出设备输入输出设备是与计算机交互的途径，例如键盘、鼠标和显示器等。
输入设备用于将数据输入到计算机中，输出设备则用于从计算机中输出数据。
计算机系统架构冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是计算机系统的经典架构，它由储存器、算术逻辑单元、控制单元和输入输出设备组成。
程序存储在内存中，并通过控制单元来控制执行。
该体系结构具有良好的扩展性和通用性，适用于大多数计算机系统。
哈佛体系结构哈佛体系结构是一种采用不同存储器分别用于程序和数据存储的计算机系统。
《计算机组成原理》ppt课件
输入输出系统
输入设备
将人类可读的信息转换为计算机 可识别的二进制代码，如键盘、 鼠标等。
I/O控制方式
程序查询方式、中断方式、DMA 方式和通道方式等，用于管理输 入输出操作。
输出设备
将计算机处理后的结果转换为人 类可读的形式，如显示器、打印 机等。
I/O接口
连接输入输出设备与主机，实现 数据缓冲、电平转换和信号匹配 等功能。
括通用寄存器、专用寄存 器等。
指令的执行过程
取指
从内存中读取指令，并将其放入指令寄存器 中。
执行
根据微操作命令序列，控制运算器、寄存器 等部件执行相应的操作。
译码
将指令寄存器中的指令翻译成微操作命令序 列。
写回
将执行结果写回到寄存器或内存中。
CPU的性能指标
主频
CPU的时钟频率，通常以MHz或 GHz表示，主频越高，CPU处理
运算器
执行算术运算和逻辑运算， 处理数据。
寄存器
暂存指令、数据和地址， 提高CPU的运算速度。
存储器
01
主存储器
存放程序和数据的主要区域，直接和CPU交换信息。
02
辅助存储器
长期保存信息，容量大、价格低、速度慢，需通过主存与CPU交换信息。
03
高速缓冲存储器（Cache）
位于CPU和主存之间，存取速度接近CPU，用于缓解主存速度瓶颈问题。
云计算和大数据的融合是未来发展的趋 势，通过云计算平台提供的大数据服务， 可以实现海量数据的存储、处理和分析。 计算机组成原理在云计算和大数据融合 中发挥着重要作用，为构建高效、稳定 的云计算和大数据平台提供了理论支持。
计算机组成原理的发展趋势和挑战
发展趋势
计算机组成原理概述
计算机组成原理概述计算机组成原理是指计算机硬件系统中各个组成部分的结构、功能及其相互关系的理论和原则。
它是我们理解计算机运行原理、设计和优化计算机系统的基础。
本文将从计算机的五大基本部件、计算机的运行原理以及计算机体系结构等方面对计算机组成原理进行概述。
一、计算机的五大基本部件计算机是由五大基本部件构成的，分别是输入设备、输出设备、运算器、控制器和存储器。
输入设备用于将人类的指令、数据等输入到计算机系统中，如键盘、鼠标等；输出设备将计算机处理好的数据和结果输出给人类用户，如显示器、打印机等；运算器是计算机的核心部件，负责进行运算和逻辑判断；控制器负责控制和协调计算机系统中各个组件的工作；存储器用于存储指令、数据等信息。
二、计算机的运行原理计算机的运行原理主要包括指令的执行和数据的处理。
计算机通过控制器从存储器中获取指令，并根据指令的要求进行运算和处理。
计算机采用时钟信号来同步各个部件的工作，保证计算机系统的稳定和正常运行。
三、计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件与软件之间的接口，它规定了计算机硬件所提供的功能和性能，以及软件如何利用硬件资源进行运算和处理。
常见的计算机体系结构包括冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构。
冯·诺依曼体系结构将指令和数据存储在同一个存储器中，由一个运算器对其进行读写操作；而哈佛体系结构则将指令和数据存储在不同的存储器中，由分别对应的运算器进行读写操作。
四、计算机的运算方式计算机的运算方式包括时序逻辑运算和并行逻辑运算。
时序逻辑运算是指计算机按照指令的顺序逐个执行，并根据指令的要求进行相应的运算和处理。
而并行逻辑运算则是指计算机同时执行多个指令，加快计算机的运算速度。
并行逻辑运算可分为指令级并行、数据级并行和线程级并行等。
五、计算机的发展趋势随着科技的不断进步，计算机的发展也呈现出许多新的趋势。
首先是计算机的小型化和高集成度，使得计算机系统越来越轻巧和便携；其次是计算机的高性能和高效能，使得计算机在处理大数据和复杂计算方面具备更强的能力；还有就是计算机的智能化和人机交互性的提升，使得计算机能够更好地理解和响应人类的需求。
计算机组成原理课件
计算机组成原理课件
计算机组成原理课件通常包括以下几个部分：1.计算机系统概述
计算机的发展历史
计算机的基本组成
计算机的工作原理
2.数据表示与运算
二进制数系统
数据的表示方法：原码、反码、补码
基本运算：加法、减法、乘法、除法、逻辑运算3.计算机硬件组成
中央处理器(CPU)
指令系统
控制器
运算器
存储器
内存
外存
输入/输出设备
输入设备
输出设备
4.计算机指令系统
指令格式
指令分类：数据传输指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等
指令执行过程
5.存储系统
存储器层次结构
高速缓冲存储器（CaChe）
主存储器（内存）
辅助存储器（外存）
虚拟存储器
6.I/O系统
I/O设备的分类
I/O接口与总线
I/O控制方式：轮询、中断、直接内存访问（DMA）等
I/O设备管理
7.计算机性能评价与优化
计算机性能指标
影响计算机性能的因素
计算机性能优化方法
8.计算机体系结构
冯•诺依曼体系结构
哈佛体系结构
VonNeumann和Harvard体系结构的比较与优缺点9.多处理器系统与并行计算
多处理器系统的基本概念
多处理器系统的分类与特点
并行计算的基本概念与技术
多处理器与并行计算的应用实例。
计算机组成原理内容
计算机组成原理内容计算机组成原理是指计算机系统的基本组成部分及其相互关系的理论和方法。
它主要包括以下几个方面的内容：1. 计算机的基本构成：计算机由中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备和外部存储器等组成。
其中，中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令、进行算术逻辑运算等操作；内存用于存储程序指令和数据；输入输出设备用于与外部世界进行数据交互；外部存储器用于长期存储大量数据。
2. 计算机的运行原理：计算机系统通过指令的执行来完成各种任务。
指令由操作码和操作数组成，操作码指定执行的操作类型，操作数是指令操作的对象。
计算机通过指令周期来执行指令，包括取指令、分析指令、执行指令和访问存储器等步骤。
3. 计算机的数据表示：计算机内部使用二进制来表示和处理数据。
二进制是一种只有两种状态（0和1）的数字系统，计算机系统通过将数据转换为二进制的形式，来进行存储和运算。
4. 计算机的层次结构：为了提高计算机系统的可靠性和可扩展性，计算机的功能被分为多个层次。
每个层次负责不同的任务，上层通过调用下层的功能来进行操作。
常见的计算机层次包括硬件层、操作系统层、应用程序层等。
5. 计算机的性能指标：计算机的性能可以通过多个指标来衡量，包括运行速度、存储容量、吞吐量和响应时间等。
这些指标的提高可以通过优化硬件设计、改进算法和提高系统资源利用率等方式来实现。
6. 计算机的指令系统：计算机的指令系统是指计算机硬件支持的操作类型和操作对象的集合。
指令系统的设计直接影响计算机的功能和性能。
常见的指令系统包括精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）等。
7. 计算机的存储结构：计算机的存储结构包括内存和外部存储器。
内存按照存储速度和成本的不同，分为高速缓存、主存储器和辅助存储器等层次。
外部存储器用于长期存储大量数据，如硬盘、光盘和磁带等。
以上就是计算机组成原理的主要内容，通过学习这些内容可以更好地理解计算机系统的工作原理，为后续的计算机系统设计和应用提供基础知识。
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
计算机组成原理计算机是一种智能化的现代科技设备，它可以处理信息，存储数据，且速度快，效率高，广泛应用于各个领域，且随着科技的进步与发展，计算机也日益成为了人们生活中不可或缺的一部分。
那么，什么是计算机组成原理呢？计算机组成原理是指计算机系统的各个部分的组合、结构、性能特点及其互相间的连接关系的理论与实践研究。
它是计算机的核心领域，包括计算机硬件的设计、电路的构成及连接方式，计算机系统整体的构成、功能特征、运行机制等方面。
计算机组成原理早在计算机发明之初就已经开始研究，是计算机科学的重要分支之一，具有重要的理论价值与实践意义。
计算机组成原理包括以下几个方面：一、计算机系统结构计算机系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是指各种设备，如处理器、存储器、输入输出设备等，而软件则是指各种程序和数据。
计算机系统结构是指计算机硬件部分的组成，通常包括处理器、存储器、输入输出设备、系统总线等。
计算机系统结构的研究目的是为了优化计算机的性能，并提出各种实用的计算机结构方案。
二、计算机的数据表示与运算在计算机中，所有的数据都必须以二进制的形式进行处理。
数据在计算机内部的存储是通过一种称为二进制编码的方式进行的。
二进制编码，是一种用0和1表示数字的计算机语言。
在计算机的运算过程中，二进制数的加减乘除是主要的运算。
计算机的运算速度依靠的就是其二进制位运算的速度。
三、处理器处理器是计算机最重要的组成部分，它像计算机的大脑一样，控制和处理计算机的各种操作。
处理器由控制单元和运算单元组成，在控制单元中，有指令寄存器、程序计数器、存储器地址寄存器等组成。
在运算单元中，有算术逻辑部件、寄存器、数据通路等组成。
处理器的性能也是衡量计算机性能的重要指标之一。
四、存储器计算机中的存储器是指存放数据和程序的设备。
根据数据访问的速度及其与处理器的接口方式的不同，计算机的存储器可以分为多种类型，如内存、缓存等。
存储器的访问速度对计算机的运算速度有极大的影响，因此存储器的技术发展也是计算机性能提高的重要方面。
《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）。
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
定点数的加减法实现
通过硬件电路实现定点数的加减法，包括加 法器、减法器等。
浮点数的加减运算
浮点数的表示方法
包括IEEE 754标准中浮点数的表示方法、规格化表示 和精度。
浮点数的加减法规则
包括阶码和尾数的运算规则、对阶操作、尾数加减运 算和结果规格化等。
浮点数的加减法实现
通过硬件电路实现浮点数的加减法，包括浮点加法器 、浮点减法器等。
指令的执行过程与周期
指令执行过程
取指、译码、执行、访存、写回等阶段 。
VS
指令周期
完成一条指令所需的时间，包括取指周期 、间址周期、执行周期等。
07
中央处理器（CPU）
CPU的功能与组成
控制器
负责指令的取指、译码和执行，控制 数据和指令在CPU内部的流动。
运算器
执行算术和逻辑运算，包括加、减、 乘、除、与、或、非等操作。
多核处理器与并行计算
多核处理器
将多个处理器核心集成在一个芯片上，每个核心可以独立执行指令，提高处理器的并行 处理能力。
并行计算
利用多核处理器或多个处理器同时处理多个任务或数据，加速计算过程，提高计算效率 。
08
输入输出系统
I/O接口与I/O设备
I/O接口的功能
实现主机与外设之间的信息交换，包括数据 缓冲、信号转换、设备选择等。
乘法与除法运算
浮点数的乘除法运算
包括浮点数的乘法、除法和平方根运算等。
定点数的乘除法运算
包括原码一位乘法、补码一位乘法、原码除 法和补码除法等。
乘除法运算的实现
通过硬件组成与设计
运算器的基本组成
包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、数据总线等。
运算器的设计原则
《计算机组成原理》
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专业的一门核心课程，旨在深入理解计算机系统的结构、功能和工作原理。
本文将介绍计算机组成原理的基本概念、主要内容和学习方法，帮助读者更好地理解和应用该课程的知识。
一、基本概念计算机组成原理是研究计算机硬件系统的科学，它从计算机系统的三个主要组成部分出发，即中央处理器（CPU）、存储器和输入输出设备，深入剖析它们的结构、功能和相互关系。
1.中央处理器（CPU）：是计算机系统的核心，负责执行计算机指令、控制计算机各个部件的协调工作。
它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器等组成部分。
2.存储器：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CPU直接访问的存储设备，而辅助存储器则用于长期存储大量数据。
3.输入输出设备：用于与计算机进行信息的输入和输出。
例如键盘、鼠标、打印机等。
二、主要内容《计算机组成原理》课程的主要内容包括以下几个方面：1.计算机系统结构：介绍计算机系统的层次结构、组织方式和功能划分，以及计算机指令集的设计和指令的表示方式。
2.数据的表示和运算：介绍计算机中的各种数据类型及其表示方式，包括整数、浮点数、字符等。
并讲解数据的运算原理、运算器的设计和实现。
3.存储器系统：介绍计算机的存储器层次结构和存储器的组成，讨论存储器的层次化、块与连续性存储、缓存和虚拟存储器等相关内容。
4.中央处理器（CPU）：深入剖析CPU的功能和组成，包括指令周期、流水线设计、指令级并行和超标量处理等内容。
5.输入输出系统：讲解输入输出设备与计算机的数据交互方式，包括程序控制方式和直接存储器访问方式。
6.总线系统：介绍计算机中的总线结构和总线控制技术，讨论总线的工作原理、时序和传输方式。
7.外部设备和接口：讲解计算机系统与外部设备的连接与通信方式，以及I/O接口的设计和实现。
三、学习方法学习《计算机组成原理》的关键在于理解基本概念和把握核心原理，下面给出几点学习方法供参考：1.坚持理论联系实际：理论知识需要与实际应用相结合，通过与真实的计算机系统相对照，可以更好地理解和应用所学的知识。
2024版计算机组成原理全ppt课件
实验步骤
确定总线仲裁方案、设计仲裁电路、连接并测试总线系统。
THANKS
感谢观看
ABCD
PCI总线
一种高性能的局部总线标准，广泛应用于计算机 内部设备连接。
IEEE 1394总线
一种高速串行总线标准，主要用于音视频设备的 连接和数据传输。
07
输入输出（I/O）系统组织结 构和设备接口技术
I/O系统基本概念和组成要素
I/O系统的定义
I/O系统是指计算机与外部设备之间进行数据传输和控制的系统， 它是计算机系统的重要组成部分。
ARM指令系统
ARM是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令集 和较少的寻址方式，广泛应用于嵌入式系统和移动设备。
MIPS指令系统
MIPS也是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令 集和较少的寻址方式，被用作许多大学计算机组成原理课 程的教材。
05
中央处理器（CPU）组成与功 能实现
08
计算机组成原理实验项目指导
实验项目一：简单组合逻辑电路设计
实验目的
掌握组合逻辑电路的基本原理和 设计方法。
实验要求
使用逻辑门电路搭建，测试并验 证电路功能。
实验内容
设计并实现一个简单的组合逻辑 电路，如加法器、比较器等。
实验步骤
确定设计目标、列出真值表、化 简逻辑表达式、选择器件并搭建
电路、测试与调试。
请求分段存储管理
在分段系统的基础上，增加了请求调段和分段置换功能。当 要访问的段不在内存时，产生缺段中断，系统将外存中的段 调入内存
04
指令系统设计与寻址方式选择
指令格式及操作码编码方法
指令格式
计算机组成原理
计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的重要内容之一，它是对计算机系统内部结构及其相互关系的深入研究。
计算机组成原理作为计算机科学与技术的基础课程，具有非常重要的意义。
下面将从计算机组成原理的概念、结构、指令系统、中央处理器、存储器、输入输出子系统等多个方面进行阐述。
一、计算机组成原理的概念计算机组成原理是指计算机实现各种功能的基本原理，其中包括计算机硬件系统、软件系统以及两者之间的相互关系。
计算机组成原理的研究内容主要包括计算机的硬件结构、指令系统、中央处理器、存储器、输入输出子系统等。
二、计算机硬件结构计算机硬件结构是计算机组成原理的基础，计算机硬件系统的组成包括中央处理器、存储器、输入输出子系统、通信子系统等几个部分。
其中，中央处理器是计算机硬件系统的核心部分，它由运算器、控制器和寄存器三部分组成，运算器和控制器这两个部分分别对数据进行计算和控制存储器等硬件的工作，而寄存器则用于临时存放指令和数据等。
存储器是用于存储数据的关键部件，它包括主存储器和辅助存储器两部分。
主存储器通常指的是内存，使用频率较高且容量较小，而辅助存储器则包括硬盘、光盘等，使用频率较低但容量较大，主要用于存储大量的数据和程序。
输入输出子系统用于连接计算机与外部设备，如键盘、鼠标、打印机、显示器等，让计算机能够与外部设备进行数据交换。
通信子系统则用于将计算机连接到互联网或其他计算机中，以进行网络通信和数据传输。
三、指令系统指令系统是计算机组成原理的重要组成部分，它由一条或多条指令组成，用于控制中央处理器执行各种操作。
指令系统可以分为机器指令和汇编指令两种形式。
机器指令是计算机硬件能够直接识别执行的指令，通常使用二进制编码表示。
而汇编指令则是机器指令的易于理解的文本形式，通常使用助记符等易于理解的符号表示。
指令系统的设计需要考虑到多种因素，如效率、简洁性、可扩展性、易于实现等。
具体来说，指令系统应该是能够快速执行的，同时也应该易于理解和学习，一方面需要减少指令的数量和长度，另一方面需要增加指令的功能和灵活性。
计算机组成原理
计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与技术领域的一门重要的核心课程，它是计算机科学和计算机工程领域中的基础课程之一。
计算机组成原理涉及到计算机内部的各种硬件组件，如CPU、存储器、输入输出设备等，并研究它们之间的相互作用和工作原理。
本文将从计算机组成原理的基本概念、硬件体系结构、CPU原理、存储器、输入输出设备等方面进行介绍和分析。
一、计算机组成原理的基本概念计算机组成原理是研究计算机内部各种硬件组件的原理和相互作用的一个分支学科，它包括处理器、存储器、输入输出设备、总线等组件的研究，并强调它们之间的紧密关系和协作。
计算机组成原理的主要任务是设计并实现计算机硬件体系结构，以满足计算机在运算速度、存储容量、输入输出速度、可靠性和可扩展性方面的要求。
二、计算机硬件体系结构计算机硬件体系结构，即通常所说的计算机体系结构，包括各种硬件组件及其之间的联系和协作。
计算机硬件体系结构的设计需要技术人员根据应用需求确定各种硬件组件的配置和关系，并编写支持计算机运行的软件程序。
计算机硬件体系结构主要包括以下几个方面：1、CPU结构计算机中的CPU是控制操作存储器和IO设备的中央处理单元，它由运算器、控制器和寄存器组成。
其中，运算器用于计算数据，控制器用于控制和管理计算机的操作，寄存器用于存储中间数据和CPU状态信息。
2、存储器存储器是计算机中用于存储和读取数据的硬件设备，包括主存储器和辅助存储器。
主存储器用于存储计算机程序和数据，辅助存储器用于存储大量数据和程序。
3、输入输出设备输入输出设备是计算机与外部环境交互的大门，包括键盘、鼠标、打印机、扫描仪、摄像头等。
4、总线总线是连接各种硬件组件的物理通道，它允许这些组件之间传输数据和信号。
计算机中常用的总线包括数据总线、地址总线和控制总线。
计算机的硬件体系结构是多种硬件组件之间的复杂关系和功能协作，其中哪个部分的性能和设计都会直接影响计算机工作的效率和功能。
三、CPU原理CPU是计算机中最核心的硬件组件之一，它的设计和性能直接影响着计算机的运行速度和效率。
陈伟婷《计算机组成原理》ch2 运算方法和运算器
2019/2/3
22
3、十进制数表示
二-十进制码(BCD-Binary Coded Decmal)
又称二进制编码的十进制.用于二-十进制转换. (1)定义:用4位二进制码表示一位十进制码.最简单的是8-4-2-1码.也叫压缩 (或组合)的BCD码.
2019/2/3 27
1、原码表示法
定点小数
x [x]原= 1>x≥0 符号 0，正
1-x
0≥x >-1
1，负
有正0和负0之分 范围2-n-1~1- 2-n
2019/2/3
28
1、原码表示法
定点整数
x [x]原= 2n>x≥0 符号 0，正数
2n-x
0≥x >-2n
1，负数
说明：
M0
阶符
2019/2/3
阶码
数符
尾数
17
2、浮点数标准 IEEE754
规定了浮点数的表示格式，运算规则等 规定了单精度(32)和双精度(64)的基本格式 尾数用原码，指数用移码(便于对阶和比较)
S(1bit) S(1bit) E(23~30共8bit) E(52~62共11bit) M(0~22共23bit) M(0~51共52bit)
2019/2/3
3
2.1 数据与文字的表示方法
2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 数据格式 数的机器码表示9/2/3
4
一、数位进制
N＝ Di * r
i k m i
基数：数制中所用到的代码的个数 权：不同数位的固定常数 十进制数：1999 二进制：1011 9×1（100 ） 9×100（102 ）
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江苏省一级B
什么是嵌入式计算机？
把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路 全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为 “单片计算机”或“嵌入式计算机”
用途举例：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置， 例如数码相机、MP3播放器、手机、计算机外围设备、汽 车、机顶盒等
特点： 功能固定、专用，软件固化在芯片上，通常不能改变 大多应满足实时信息处理的要求 以最低成本满足应用要求 能适应恶劣工作环境
存取速度 很快
较慢
存储容量 较小(因单位成本较高)
性质
断电后信息消失
用途
存放已经启动运行的程序 和需要立即处理的数据
很大(因单位成本较低) 断电后信息保持
长期存放计算机系统中几乎所 有的信息
与CPU关 CPU所处理的指令及数据 程序及相关数据必须先送入内
系
直接从内存中取出
存后才能被CPU使用
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第1代 1982 CD光盘存储器
第2代 2019
DVD光Байду номын сангаас存储 器
红外光 红光
650MB 4.7GB
第3代 2019 BD光盘存储器 蓝光 25GB
（注：DVD和BD的容量均为单面单层的容量）
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光盘片的类型
按存储容量与读写特性分：
只读盘片（CD-ROM）
CD盘片
一次性可写盘片（CD-R） 可擦写盘片（CD-RW） 只读盘片（DVD）
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2.2 CPU的结构与原理
指令 指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令 是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的 指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部 分组成： 操作码、操作数地址 CPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作
指令系统 CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，即它 的机器语言 同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性 不同公司生产的CPU各有自己的指令系统，他们未必互 相兼容。例如，现在大部分使用INTEL公司的微处理器 作为CPU，而美国苹果公司生产的MACINTOSH个人计算 机，其CPU使用的是IBM公司的POWER PC微处理器，它 们的指令系统有很大的差别。
总线带宽（MB/s）＝（数据线宽度/8）*总线工作频率（MHz）*每个总线周 期的传输次数
PCI-E
USB接口 IEEE－1394接口：主要用于连接需要高速传输大量数据的音频和视频设备。
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常用的I/O接口及其性能参数
名称
串行口
并行口 (增强式) USB(1.0) USB(1.1) USB(2.0)
IEEE 1394a IEEE 1394b IDE
SATA
显示器输出 接口 PS/2接口
红外线接口 (IrDA)
数据传 输方式
串行, 双向
并行, 双向
串行, 双向
串行, 双向
串行, 双向
并行, 双向
串行, 双向
并行, 单向
串行, 双向
串行, 双向
数据传输速率
50～19200 b/s
1.5MB/s
1.5Mb/s(慢速) 1.5MB/s(全速) 60MB/s(高速)
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PC机的启动工作过程
1. 接通电源时CPU自动执行BIOS中的加电自检程序 1.1 按CMOS中的内容来识别硬件的配置, 测试各部件的工作 状态 (发现错误则报错，系统将不能继续启动或不能正常 工作。) 1.2 初始化CPU、内存、ROM、主板、CMOS、显示卡、键 盘、软驱和硬盘等设备
数码相机（简称DC）是一种图象输入设备。 性能指标：CCD 像素数目，存储器容量
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2.5 常用输出设备——打印机
针式打印机 击打式打印机。 缺点：打印质量不高，工作噪声很大，速度慢，现已被淘汰出 办公、家用打印机市场。 其独特的平推式进纸技术，在打印存折和票据方面，具有其他 种类打印机所不具有的优势。
作用：
存放计算机硬件的参数（称为“配置信息”），包括日 期和时间、口令、软盘/硬盘/光盘驱动器的数目、类型 及参数、显卡类型、cache使用状况、启动机器时访问 外存的顺序等，供BIOS程序使用
设置和修改CMOS参数的方法：
在开机启动BIOS工作时，按下Del键(或F2或F8健)，即 可进入BIOS中的CMOS设置程序
2.6 外存储器
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硬盘
硬盘上一块数据要用三个参数来定位：柱面号， 扇区号，磁道号
光盘 移动存储器
U盘 移动硬盘
硬盘存储器的性能指标
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（1）容量：以GB为单位，目前硬盘单碟容量约为40～100GB （2）平均存取时间：在几ms～几十ms之间，由硬盘的旋转速度、
磁头寻道时间和数据传输速率所决定 （3）缓存容量：原则上越大越好，通常为2MB～8MB （4）数据传输速率
最多63
键盘，鼠标器，数码 相机，移动盘等
外接硬盘，数字视频 设备，扫描仪等
数字视频设备
(E-IDE)
1~4
硬盘，光驱，软驱
7针插头/插 1 座
HDB15
1
1
不需要
1
硬盘
显示器
键盘或鼠标器
键盘，鼠标器，打印 机等
I/O设备接口 以太网
键盘接口
并行口
双绞线接口
鼠标器 串行口 显示器
接口
接口
接US口B
2、主板上有两块特别有用的集成电路：
一块是闪烁存储器（FLASH MEMORY），其中从放的是基本输入 /输出系统（BIOS），它是PC机软件中最基础的部分，没有它 机器就无法启动；
另一个集成电路芯片是CMOS存储器，其中存放着与计算机硬件 相关的一些参数（称为“配置信息”）。由于CMOS芯片是一种 易失性存储器，必须使用电池供电，才能使计算机关机后，也 不会丢失所有存储信息。
外部传输速率指主机从（向）硬盘缓存读出（写入）数据的速度， 与采用的接口类型有关
内部传输速率指硬盘在盘片上读写数据的速度，转速越高内部传输 速率越快
（5）与主机的接口：
前些年使用：并行ATA（IDE）接口 当前流行： 串行ATA（SATA）接口
光盘存储器的发展
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分代 年代
名称
激光类型 存储容量
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2.4 常用输入设备
键盘与主机的接口
PS/2接口，USB接口，无线接口（红外线或无线电波） 鼠标与主机的接口
RS－232 串行口（ D形9针），PS/2（圆形6针），USB， 无线鼠标
笔输入设备与主机的接口类型 串行口 ，USB
扫描仪 性能指标：分辨率（dpi），色彩位数（色彩深度），扫 描幅面，与主机的接口类型（SCSI， USB，1394接口等）
2. CPU自动执行自举程序 按照CMOS中预先设定的启动顺序，搜寻外存储器（软、 硬盘或光盘），将OS主引导程序读出并装入内存。
3. 然后由引导程序继续装入操作系统 4. 最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系统所
控制
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(3) 存储器分类
内存储器
(简称内存或主存)
外存储器
(简称外存或辅存)
计算机中存储器的层次结构
典型存取时间
1 ns
寄存器
典型容量
<1KB
2 ns 10 ns
cache存储器 主存储器(RAM和ROM)
内存储器
1MB 256MB-1GB
10 ms
外存储器（软盘、硬盘、光盘）
外存储器 40GB-200GB
10 s
后备存储器（磁带库、光盘库）
10TB-100TB
• 分析：速度越快，成本较高。 为了获得好的性能/价格比，计算机中各 种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作
系统自举程序（Boot）
启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态
CMOS设置程序
设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等
常用外部设备的驱动程序（Driver）
实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设 备输入输出操作的控制
关于CMOS 芯片
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这是一个容量很小的RAM存储器，由电池供电， 即使计算机关机后也不会丢失所存储的信息
50MB/s,100MB/s, 200MB/s 66MB/s 100MB/s 133MB/s 150MB/s 300MB/s 200～500MB/s
低速
115,000 bps 或 4 Mbps
标准
EIA-232 或EIA-422 IEEE 1284
USB-IF
USB-IF
FireWire(i.Link)
Ultra ATA/66 Ultra ATA/100 Ultra ATA/133 SATA1.0 SATA2.0 VGA
IBM
红外线数据协会
插头/插座 形式
DB25F或 DB9F
DB25M
可连接的 设备数目
1
1
通常连接的设备
鼠标器，MODEM 打印机，扫描仪
A型，B型 最多127
A型，B型， 最多127 Mini型
麦克风 音箱
(安装在主板上的I/O设备接口)
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串行口 9针 VGA
视频口 串行口 25针 并行口 键盘接口 双绞线接口 同轴电缆网 络接口 PS/2接口
台式PC机箱背板照片
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键盘接口 串行接口 显示器接口 扬声器接口 麦克风接口
电话线/MODEM接口
鼠标接口 电源接口
打印机(并行)接口 (游戏)操纵杆接口
3、主板的物理尺寸标准：现使用主板，主要是ATX和BTX规格主板。
4、芯片组是PC机组成部分相互连接和通信的枢纽，它一般由2块 超大规模集成电路组成：北桥芯片（存储控制）和南桥芯片（I/O 控制）。