组成原理
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
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理是一门计算机科学基础课程，它主要涉及计算机硬件结构和系统软件两个方面。
以下是一些知识点的汇总：
1. 计算机的基本组成：包括运算器、控制器、存储器和输入输出设备。
2. 计算机的存储器层次结构：主要包括寄存器、高速缓存、内存和外存，每一级存储器速度和价格都有所不同。
3. CPU的工作原理：CPU主要由控制器和ALU两部分组成，通过不同的指令和数据进行运算和控制，实现程序的执行。
4. 指令系统和编程：计算机执行的所有程序都是由一系列指令组成的，不同的指令可以执行不同的操作。
5. 总线和I/O系统：总线是连接不同部件的主要通道，而I/O系统则负责计算机与外部设备的数据传输和控制。
6. 中断和异常：计算机系统在执行程序时可能会遇到不正常的情况，这时就需要通过中断和异常机制来处理。
7. 计算机系统的性能分析与优化：通过各种性能指标和分析方法，可以对计算
机系统的性能进行评估和优化，以实现更高效的计算。
以上是计算机组成原理中的一些重要知识点，掌握它们对于理解计算机硬件和系统软件的设计和优化有重要的作用。
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》教案
《计算机组成原理》教案一、课程简介1.1 课程背景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，旨在帮助学生了解和掌握计算机的基本组成、工作原理和性能优化方法。
通过本课程的学习，学生将能够理解计算机硬件系统的整体结构，掌握各种计算机组件的功能和工作原理，为后续学习操作系统、计算机网络等课程打下基础。
1.2 课程目标（1）了解计算机系统的基本组成和各部分功能；（2）掌握计算机指令系统、中央处理器（CPU）的工作原理；（3）熟悉存储器层次结构、输入输出系统及总线系统；（4）学会分析计算机系统的性能和优化方法。
二、教学内容2.1 计算机系统概述（1）计算机的发展历程；（2）计算机系统的层次结构；（3）计算机系统的硬件和软件组成。
2.2 计算机指令系统（1）指令的分类和格式；（2）寻址方式；（3）指令的执行过程。
2.3 中央处理器（CPU）（1）CPU的结构和功能；（2）流水线技术；（3）多核处理器。
2.4 存储器层次结构（1）存储器概述；（2）随机存取存储器（RAM）；（3）只读存储器（ROM）；（4）缓存（Cache）和虚拟存储器。
2.5 输入输出系统（1）输入输出设备；（2）中断和DMA方式；（3）总线系统。
三、教学方法3.1 讲授法通过讲解、举例、分析等方式，使学生掌握计算机组成原理的基本概念、原理和应用。
3.2 实验法安排实验课程，使学生在实践中了解和验证计算机组成原理的相关知识。
3.3 案例分析法分析实际案例，使学生了解计算机组成原理在实际应用中的作用和意义。
四、教学评价4.1 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况、实验报告等。
4.2 期末考试采用闭卷考试方式，测试学生对计算机组成原理知识的掌握程度。
五、教学资源5.1 教材《计算机组成原理》（唐朔飞著，高等教育出版社）。
5.2 辅助资料包括课件、实验指导书、案例分析资料等。
5.3 网络资源推荐学生访问相关学术网站、论坛，了解计算机组成原理的最新研究动态和应用成果。
计算机的组成原理
计算机的组成原理计算机是现代社会不可或缺的工具，它的功能强大、处理速度快，背后的核心则是计算机的组成原理。
本文将从硬件和软件两个方面，详细介绍计算机的组成原理。
一、硬件组成原理1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和控制计算机的操作。
它由控制单元（CU）和算术逻辑单元（ALU）组成。
控制单元负责解析指令、控制数据传输和管理存储器，而算术逻辑单元则负责进行算术运算和逻辑运算。
2. 存储器存储器是计算机的数据存储设备，分为主存储器和辅助存储器两种。
主存储器（RAM）用于临时存储程序和数据，它的速度快但容量相对较小；辅助存储器（如硬盘和固态硬盘）用于长期存储数据，容量大但速度相对较慢。
3. 输入设备输入设备用于将外部信息输入到计算机中，常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪和触摸屏。
通过输入设备，用户可以向计算机提供指令和数据。
4. 输出设备输出设备用于将计算机处理后的结果输出给用户，常见的输出设备有显示器、打印机和音响。
通过输出设备，用户可以获得计算机处理后的信息和数据。
5. 总线系统总线系统是计算机内部各个部件之间进行数据传输的通信线路。
它分为数据总线、地址总线和控制总线三种类型。
数据总线用于传输数据，地址总线用于传输存储器地址，控制总线用于传输控制信号。
二、软件组成原理1. 操作系统操作系统是计算机的核心软件之一，它负责管理和控制计算机的各种硬件和软件资源。
操作系统提供了用户与计算机之间的接口，使得用户可以方便地使用计算机进行各种操作。
2. 应用软件应用软件是计算机用于满足人们特定需求的程序，例如办公软件、图像处理软件和游戏软件等。
应用软件可以运行在操作系统之上，通过操作系统来管理计算机的硬件资源，实现不同的功能。
3. 编程语言编程语言是计算机软件的基础，它是一种用于编写计算机程序的形式化语言。
常见的编程语言有C++、Java和Python等。
通过编程语言，程序员可以使用各种语法和规则来编写计算机程序，实现不同的功能和算法。
组成原理和微机原理的区别
组成原理和微机原理的区别组成原理和微机原理是计算机科学领域的两个重要概念。
组成原理（Computer Organization）是指计算机系统中各个硬件组件之间的互联关系、工作方式及其实现原理的研究。
而微机原理（Microcomputer Principle）是指微型计算机（或称个人计算机）的工作原理、结构组成、运行机制等方面的研究。
虽然两个概念关注的层次不同，但它们在一定程度上是相互关联的。
首先，组成原理是计算机科学的基础。
它研究计算机硬件如何运行和协同工作，如处理器、内存、存储器、输入输出设备等。
这些硬件组件之间的互联关系和工作方式的设计对计算机的整体性能和效率有着重要影响。
组成原理主要关注硬件层次的设计和实现，例如如何设计指令集、如何实现数据通路和控制单元、如何进行内存管理等。
它涉及到底层电路设计、逻辑门电路的实现、微结构设计等技术。
与此相反，微机原理更加关注的是微型计算机系统的工作原理和内部结构。
微机原理包括微型计算机系统的组成以及各个组成部分之间的关系，例如中央处理单元（CPU）、内存、输入输出设备、总线系统等。
微机原理还包括微型计算机的运行机制，例如指令的执行过程、CPU与内存之间的数据传输过程、输入输出设备的工作机制等。
微机原理主要关注的是微型计算机整体的结构和工作机制，目的是深入理解计算机系统的运行方式，为提高计算机性能和效率提供理论和技术支持。
总的来说，组成原理和微机原理从不同的角度研究计算机系统。
组成原理关注底层电路设计和硬件层面的实现，它是计算机科学的基础，为高级计算机体系结构和程序设计提供支持。
微机原理关注微型计算机系统的结构和工作原理，目的是理解和优化微型计算机的性能和效率。
它与组成原理有一定的重叠，但更加关注整体系统的层面。
另外，随着计算机技术的发展，微机原理逐渐与计算机组成原理结合在一起，形成了计算机体系结构（Computer Architecture）这一更为综合的学科。
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双符号位的含义如下： Ss1Ss2=00, 结果为正数，无溢出 Ss1Ss2=01，结果正溢 Ss1Ss2=10，结果负溢 Ss1Ss2=11，结果为负数，无溢出
课下作业
1.请同学们课下重新在回顾一下今天讲的内 容，以便更好的学习后面的知识。 2.预习下节课要讲的内容
定点乘法运算
• 在计算机中，乘法运算大多数由累加与移 位实现，也有些机器具有由大规模集成电 路制造的阵列乘法模块。 一、原码一位乘法 原码一位乘法 原码一位乘法是从手算演变而来的，即用 两个操作数的绝对值相乘，乘积的符号位 两操作数符号的异或值（同号为正，异号 为负）
移位表 —————————————————— 判断位Yn，Yn+1 操作 ————————————————— 00 原部分积+0，右移一位 01 原部分积+[X]补，右移一位 10 原部分积+[-X]补，右移一位 11 原部分积+0，右移一位
例题：X=-0.1101，Y=0.1011求X乘Y？
解：[X]补=11.0011 B [Y]补=0.1011 C,0 A [-X]补=00.1101 A C 附加位 说明 00.0000 0.10110 C4C5=10，+[-X]补 +[-X]补 00.1101 —————— 00.1101 00.0110 101011 部分积右移一位C4C5=11，+0 +0 00.0000 —————— 00.0110 00.0011 010101 部分积右移一位C4C5=01 ,+[X]补 +[X]补 11.0011 —————— 11.0110 11.1011 001010 部分积右移一位C4C5=10，+[-X]补 +[-X]补00.1101 —————— 00.1000 00.0100 000101 部分积右移一位C4C5=01，+[X]补 +[X]补 11.0011 ———————— 11.0111 所以[XxY]补=1.01110001 XxY= -0.10001111
3，采用变形补码（双符号位补码） 一个符号位只能表示正、负两种情况，当产生 溢出时就会出现混乱，如果符号位扩充为两位 其所能表示的信息量将随之扩大，即能检测出 是否溢出，又能指出结果的符号。在双符号位 的情况下，把最左边的符号位叫做真符，因为 它代表了该数真正的符号，两个符号都作为数 的一部分参加运算，这种编码又称为变形补码。
• 下面我们举个例子,写出下面数值的反码、 补码、变补。 (1) Y= -0.0110 [Y]反=1.1010 [Y]补=1.1011 [Y]变补=1.1010 (2) Y=0.0110 [Y]反=0.0110 [Y]补=0.0110 [Y]变补=1.1010
二，补码的加减运算
• 首先由补码的定义我们可以知道加法和减 法的公式 [X+Y]补 = [X]补+[Y]补 [X-Y]补= [X]补+[-Y]补 其中[-Y]补=[[Y]补]变补
下面根据这些公式来做几个习题，总结一下有什么样的规律
（1）A=0.1011，B= -0.1110 求A+B [A]补=0.1011 [B]补=1.0010 0.1011 [A]补 + 1.0010 [B]补 —————— 1.1101 [A+B]补 故 A+B= -0.0011
（2）A=0.1011，B= -0.0010 求A-B [A]补=0.1011 [B]补=1.0010 [-B]补=0.0010 0.1011 [A]补 + 0.0010 [-B]补 —————— 0.1101 [A-B]补 故 A-B= 0.1101
解：|X|=0.1101 B |Y|=0.1011 C, 0 A A C 说明 00.0000 1011 C4=1，+ |X| + |X| 00.1101 _____________ 00.1101 部分积右移一位 00.0110 1101 C4=1, + |X| + |X|00.1101 _____________ 01.0011 部分积右移一位 00.1001 1110 C4=0.+0 +0 00.0000 ———————— 00.1001 部分积右移一位 00.0100 1111 C4=1 , + |X| + |X| 00.1101 —————————— 01.0001 部分积右移一位 00.1000 1111 因为Ps=1，所以X乘Y= -0.10001111
（2）X=-0.1011 Y=-0.1010 则X+Y? [X]补=1.0101 [Y]补=1.0110 1.0101 [X]补 + 1.0110 [Y]补 —————— 0.1011 [X+Y]补 故 X+Y= 0.1011 两个负数相加又怎么能出现正数呢？ 大家想一想这是出现了什么问题？
综合考虑这是出现了溢出现象 在两个数相加之和的数值已超过了机器允 许的表示范围，就会出现溢出。 许的表示范围，就会出现溢出。 如果参加运算的两数是异号， 如果参加运算的两数是异号，则不会产生 溢出，如果参加运算的两数是同号， 溢出，如果参加运算的两数是同号，则两 正数相加产生的溢出称为正溢， 正数相加产生的溢出称为正溢，两负数相 加产生的溢出称为负溢。 加产生的溢出称为负溢。 那么我们怎么才能检测出溢出现象呢？
二，补码一位乘法
虽然原码乘法比补码乘法容易实现，但因为补码加减法简 单，在以加减为主的通用机中操作数都用补码表示，所以 这类计算机在做乘法时常使用补码乘法。 首先我们看一下补码乘法的规则： （1）参加运算的数用补码表示 2 （2）符号位参加运算 （3）乘数的最低位后面增加一位附加为，其初值为0 （4）由于每求一次部分积要右移一位，所以乘数的最低两 位Yn，Yn+1的值决定了每次应执行的操作，见下表 （5）移位按补码右移规则 （6）共需做n+1次累加，n次移位，第n+1次不移位。
补码加减运算的规则
• 参加运算的两个操作数均用补码表示 • 符号位作为数的一部分参加运算 • 若做加法，则两数直接相加，若做减法则 将被减数与减数的机器负数（相反数）相 加 • 运算结果仍用补码表示
下面我们再来看两个例子
• X=0.1011 Y=0.1110 则X+Y? [X]补=0.1011 [Y]补=0.1110 0.1011 [X]补 + 0.1110 [Y]补 —————— 1.1001 [X+Y]补 故 X+Y= -0.0111 为什么两个正数相加会得到一个负数呢？
三，溢出检测的方法
1，首先是采用一个符号位 前面的例子即是一个符号位，我们可以看 出，采用一个符号位检测溢出时， 当XS=YS=0,SS=1也就是两个数为正数，其 和的符号为负时，产生正溢 当XS=YS=1,SS=0也就是两个数为负数，其 和的符号为正时，产生正溢
2，采用进位位判断 两数运算时产生的进位为Cs,C1,C2…. Cs为符号位产生的进位，C1为最高数值为产 生的进位等等 两正数相加，当最高有效位产生进位C1 =1， 而符号位不产生进位Cs =0时，发生正溢； 两负数相加，当最高有效位不产生进位C1 =0，而符号位产生进位Cs =1时。发生负溢。
一、原码一位乘法的规则为： （1）参加运算的操作数取其绝对值。 （2）令乘数的最低位为判断位，若为”1“， 加被乘数，若为”0“，不加被乘数（加0） （3）累加后的部分积以及乘数右移一位。 （4）重复N次（2）和（3）符号位单独处理， 同号为正，异号为负。 下面我们看一个例题：
已知X=0.1101 Y=-0.1011 求X乘Y
组成原理
定点加减运算
一，回顾
数据真值的原码，反码，补码及变补的表示
(1)原码，不用说就是真值 (2)正数的原，反，补都相同，但其变补不同 (3)对于负数来说： 反码，即真值符号位不变，数值为按位取反 补码，真值符号位不变，数值为按位取反， 补码，真值符号位不变，数值为按位取反，末位 加“1” 变补，即不论真值是正数还是负数， 变补，即不论真值是正数还是负数，一律连同符 按位取反，末位加“ 号位一起 按位取反，末位加“1”
首先我们看一下手写的算法乘法
例：X=0.1101,Y=-0.1011 求X乘Y？ 0.1101 …被乘数 X 0.1011 …乘数 ———————— 1101 1101 0000 +1101 ———————— 0.10001111 符号位为Ps=1，所以X X Y= -0.10001111
在手算乘法中，对应于每一位乘数求得一项部门 积，然后将所有部分积一起相加求得最后的乘积， 然而在计算机中不能直接照搬上述方法，这是为 什么呢？ （1）在加法器内很难实现多个数据同时相加 （2）加法器的位数一般与寄存器位数相同，而不 是寄存器位数的两倍 所以在计算机中，通常把N位乘转化为N次“累加 与移位“。每一次只求一位乘数所对应的新部分 积，并与原部分积作一次累加；用原部分积的右 移来代替新部分积的左移。