计算机组成原理
计算机组成原理
习题1.11.1.1 超级计算机是用于运行大规模问题，并通常通过网络访问的计算机。
1.1.2 petabyte 是1510或502字节。
1.1.3 服务器是由成百上千处理器和若干terabyte 级内存组成的计算机。
1.1.4 虚拟世界是目前尚为科学幻想的应用，但是很有可能即将成为现实。
1.1.5 RAM 是一种称为随机访问内存的内存。
1.1.6 CPU 是一种称为中央处理器的计算机部件。
1.1.7 数据中心是上千个处理器形成的大集群。
1.1.8 多核处理器是在同一个芯片中含有几个处理器的微处理器。
1.1.9 低端服务器是没有显示器和键盘的桌面计算机，通常通过网络访问。
1.1.10 嵌入式计算机是当季最大的一类计算机，运行一个应用或一组相关的应用。
1.1.11 VHDL 是用于描述硬件部件的特殊语言。
1.1.12 桌面计算机是对单用户以低成本提供高性能的个人计算机。
1.1.13 编译程序讲高级语言语句翻译成汇编程序的程序。
1.1.14 汇编程序将符号指令翻译成二进制指令的程序。
1.1.15 Cobol 是商业数据处理用的高级语言。
1.1.16 机器语言是处理器能够理解的二进制语言。
1.1.17 指令是处理器能够理解的命令。
1.1.18 Fortran 是科学计算用的高级语言。
1.1.19 汇编语言是机器指令的符号语言。
1.1.20 操作系统是用户程序和硬件之间的接口，能提供许多服务和监视功能。
1.1.21 应用软件是用户开发的软件/程序。
1.1.22 位是二进制位（值为0或1）。
1.1.23 系统软件是应用软件和硬件之间的软件层，包括操作系统和编译程序。
1.1.24 C 语言是用于编写应用程序和系统软件的高级语言。
1.1.25 高级语言是由字和代数符号组成的可移值语言，在计算机中运行前必须翻译成汇编语言。
1.1.26 terabyte 是1210或402字节。
习题1.21.2.1一个彩色显示器中的每个像素由三种基本（红、绿、蓝）构成，每种基色用8位表示，分辨率为1280×800像素。
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(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
第一章：1、存储程序概念（1946.6）：计算机应由运算器、存储器控制器输入设备和输出设备组成；计算机内部采用二进制来表示指令和数据；存储的基本定义：将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。
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。
，2，计算机的各大基本部件之间是用总线（Bas）连接起来的。
3总线电路由三态门组成。
逻辑“0”，逻辑“1”和浮空状态。
地址总线是单向总线，数据总线是双向总线。
4、一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。
二进制（B）、八进制（Q）、十进制（D）、十六进制（H）4、将十进制数100.25转换成段浮点数格式解；1，把十进制数转换成为二进制数（100.25）10 = （11001100.01）22，规格化二进制数1100100.01= 11001100.01 * 2^63，计算出阶码的移码（偏置值+阶码真值）111111+110=100001014，以段浮点数格式存储该数以为，符号位=0阶码=10000101尾数=100100010000 0000 0000 0000所以段浮点数的代码为：0；10000101；100100010000 0000 0000 0000表示为十六进制的代码：42C88000H。
5、把段浮点数C1C90000H转换成为十六进制数解；1，将十六进制代码写成二进制形式，并分离出符号位阶码和尾数。
C1C90000H=1100001110010000 0000 0000 0000所以，符号位=1阶码 = 10000011尾数=10010010000 0000 0000 00002，计算出阶码真值（移码减去偏置值）10000011-1111111=1003，以规格化二进制数形式写出此数1.1001001 X 2的4次方4，写成非规格化二进制数形式。
1001.0015，转换成十进制数，并加上符号位（11001.001）底2 ==（25.125）底10所以，该浮点数=-25.1256、字符串的存放：字符串是指一串连续的字符。
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
计算机组成原理一、选择1、数的大小2、存储单元存储单元一般应具有存储数据和读写数据的功能，一般以8位二进制作为一个存储单元，也就是一个字节。
每个单元有一个地址，是一个整数编码可以表示为二进制整数。
程序中的变量与主存储器的存储单元相对应。
变量的名字对应存储单元的地址，变量的内容对应单元所存储的数据。
3、冯.诺依曼体系结构以二进制的形式将程序存放到存储器中，控制器依据存储器的程序来控制全机协调地完成计算任务。
存储程序并按地址顺序执行，这就是冯诺依曼型计算机的体系结构，该结构由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成。
4、寻址范围存储器的容量=存储字长*存储单位5、CPU模型中各器件的功能控制器：（1）从指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache中的位置。
（2）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作和控制信号，以便启动规定的动作。
（3）指挥并控制CPU、数据cache和输入/输出设备之间数据流动的方向。
运算器：（1）执行所有的算术运算。
（2）执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。
存储器：（1）数据缓冲寄存器（DR）①作为ALU运算结果和通用存储器之间信息传送中时间上的缓冲。
②补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。
（2）指令寄存器（IR）用来保存当前正在执行的一条指令。
（3）程序计数器（PC）保证程序能够连续地执行下去。
（4）数据地址寄存器（AR）用来保存当前CPU所访问的数据cache存储器中（简称数存）单元的地址。
（5）通用寄存器(R0__R3)通用寄存器共4个，当算术逻辑单元（ALU）执行算数或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。
（6）状态字寄存器（PSW）保存由算数指令和逻辑指令运算或测试结果建立的各种条件代码。
6、指令的分类数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令、输入输出指令、字符串处理指令、特权指令、其他指令7、指令周期的含义指令周期是指取出一条指令并执行这条指令的时间。
《计算机组成原理》
Intel 8086: 16位
Intel 80386,80486, pentium：32位
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13
1计算机的组成
1.1中央处理器 1.2存储体系 1.3主板主要部件 1.4系统总线 1.5输入设备 1.6输出设备
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14
中央处理器（ CPU ）
包含运算器和控制器
能够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的部件 一台计算机中有多个处理器，它们各有其不
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25
指令和指令系统基本概念
计算机指令系统的“兼容性”问题
由于每种类型的CPU都有自己的指令系统， 因此，某一类计算机的可执行程序代码未必 能在其他计算机上运行。
同一公司的CPU产品通常“向下兼容”—— 新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基 础上进行扩充。
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26
指令执行过程
（1）CPU的控制器从存储器读取一条指令并放 入指令寄存器。
（2）指令寄存器中的指令经过译码，决定该 指令应该进行何种操作、操作数在哪里。
（3）根据操作数的位置从存储器取得操作数。
……→
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27
指令执行过程
（4）运算器按照指令操作码的要求，对 操作数完成规定的运算处理，并根据运 算结果修改或设置处理器的一些状态标 志。
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18
中央处理器（ CPU ）
超标量结构
为了加快CPU中指令的处理速度，CPU在执 行当前指令的同时，可以使用指令预取部件 提前向主存或快存去取出一些准备要执行的 指令。CPU采取“流水线”式的工作方式和 结构，实现了“超标量结构”。
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19
中央处理器
并行处理和多处理器系统
计算机组成原理
计算机组成原理CPU【内部】链接各及运算部件之间的总线称为【】CPU 同计算机系统的其他【⾼速】功能部件，如存储器.通道等互相连接的总线称之为【】【中/低速 I/O设备】之间相互连接的总线称为【I/O总线】总线特性：物理特性总线根数，总线插头插座形状，引脚排列⽅式等功能特性每根线的功能，地址总线，数据总线，控制总线电⽓特性每根线的传递⽅向 IN/OUT 电平范围⾼低电平有效特性信号有效的时序关系衡量总线性能的重要指标是设总线 f , 总线数据宽度 D (B)则 Dr=D*f例：某总线在⼀个总线周期并⾏传送4个的数据，假设总线周期等于⼀个总线，总线为33MHz ， Dr=D*f=4B*33*10^6/s=132MB/s如果⼀个总线周期中并⾏传送64位(b)=8B数据，总线升为66MHz ，则是Dr=D*f=8B*66*10^6/s=528MB/s适配器通常简称为接⼝适配器可以实现⾼速CPU 和【低速外设（I/O设备）】之间⼯作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制⼀、总线结构基本类型：①单总线结构容易扩展成多个CPU 系统②多总线结构体现了⾼速.中速.低速设备连接到不同总线上同时⼯作，提⾼总线⼩笼包和，⽽且处理器结构的变化不影响⾼速总线CPU总线（CPU.cache），系统总线(主存)和⾼速总线 (LAN,视频接⼝.图形借⼝。
接⼝,⼤容量I/O设备)通过桥彼此相连（桥：具有缓冲.转换.控制的逻辑电路）通过扩充⾼速总线与扩充总线(串⾏⽅式⼯作的I/O设备.Modem借⼝FAX接⼝) 相连⼆、按总线功能分类①地址线单向传送主存和设备地址②数据线双向传送数据③控制线每根先来讲单向(所有的线，⽅向可不唯⼀，如CPU发向接⼝或接⼝发向CPU)⽤来指明数据的传送⽅向，中断控制，定时控制等当代总线内部数据传送总线（地址数据控制线）仲裁总线（总线请求线，总线授权线）终端和同步总线（(处理优先级的中断操作)中断请求线，中断认可线）公⽤线（线，电源线，地线，系统复位线，加电或断电的时序信号线等）Pentium 三层次多总线结构CPU总线 64位数据线 32位地址线的同步总线，总线时钟频率为66.6(60)MHz北桥PCI总线连接⾼速I/O设备模块（显⽰器适配器，⽹络接⼝控制器，硬盘控制器等）32/64 位同步总线，总时钟频率为33.3MHz，总线宽带132MB/s 采⽤集中式仲裁⽅式南桥ISA总线连接低速I/O设备（键盘。
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0.6D = 1001B
数制之间转换方法
提示：除到二进制小数点后4 提示：除到二进制小数点后4 位并未除尽(余数仍未为0)。 位并未除尽(余数仍未为0)。 0)
计算机中常用数制
结束
注意： 注意：
有些十进制小数在转换为非十进制数的时候,用 乘基取整法” 有些十进制小数在转换为非十进制数的时候 用“乘基取整法” 无法得到精确值。 无法得到精确值。
首页
三位分组 四位分组
八进制
数制之间转换方法
二进制
十六进制
不能直接转换， 不能直接转换，需要通过转换成二进制来完成
计算机中常用数制
53.61O转换为十六进制数 例1：将 53.61O转换为十六进制数
结束
53.61O = 2B.C4H
首页
数制之间转换方法
C4.28H转换为八进制数 例2：将 C4.28H转换为八进制数
计算机组成原理
计算机中常用数制
常用数制之间的转换方法
1
首页 数制之间转换方法
计算机中常用数制
基本概念
进制， 进制，即进位制 基数 权值
计算机中常用数制
结束
首页
进制
基数
规则 逢10进1， 10进 借1当10
标志
表示方法 234.57D (234.57)10 1011010B (1011010)2 257.43O (257.43)8 BF23.5AH (BF23.5A)16
计算机中常用数制
结束
首页
整数部分：除基取余（倒排） 整数部分：除基取余（倒排） 小数部分：乘基取整 小数部分：
数制之间转换方法
十进制
计算机中常用数制
非十进制
例1：将 27.75D 转换为二进制数 D
结束
27.75D = 11011.11B D B
首页
例2：将 1725.6875D 转换为八进制数
1725.6875D 3275.54O 1725.6875D = 3275.54O
数制之间转换方法
计算机中常用数制
结束
例3：将 175.685D 转换为十六进制数
3039.ACH 175.685D = 3039.ACH
首页
将十进制小数0.6D转换成二进制数。 0.6D转换成二进制数 例4 ：将十进制小数0.6D转换成二进制数。
C4.28H 304.126O C4.28H = 304.126O
计算机中常用数制
结束
首页
数制之间转换方法
计算机中常用数制
结束
H
2
首页 数制之间转换方中常用数制
结束
按权展开求和
首页
非十进制
数制之间转换方法
十进制
例1：将 1011.01B 转换为十进制数 1011.01B 1× 0× 1× 1× 0× 1× 1011.01B = 1×23 + 0×22 + 1×21 + 1×20 + 0×2-1 + 1×2-2 11.25D = 8 + 2 + 1 + 0.25 = 11.25D 例2：将 B7.FH 转换为十进制数 B7.FH 11× 7× 15× B7.FH = 11×161 + 7×160 + 15×16-1 183.9375D = 176 + 7 + 0.975 = 183.9375D 例3：将 372.6O 转换为十进制数 372.6O 3× 7× 2× 6× 372.6O = 3×82 + 7×81 + 2×80 + 6×8-1 = 192 + 56 + 2 + 0.75 = 250.75D 250.75D
首页
三位分组
二进制
数制之间转换方法
八进制
一位八进制数需要三位 进制数来表示。 进制数来表示。
三位分组
8 = 23
计算机中常用数制
结束
例1：将 1101.01101B 转换为八进制数
首尾组不足三位时， 首尾组不足三位时，首 尾用“0”补足 尾用“0”补足
1101.01101B 15.32O 1101.01101B = 15.32O
数制之间转换方法
十进制 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 (Decimal) 二进制 (Binary) 八进制 (Octal) 十六进 制 (Hex)
D
计算机中常用数制
0,1
逢2进1， 借1当2
B
结束
0,1,2,3,4,5,6,7
逢8进1， 借1当8
O
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B, 逢16进1， 16进 C,D,E,F 借1当16