计算机组成原理与体系结构第二章
计算机组成原理.各章例题
第一章计算机系统概论例1，冯·诺依曼机工作的基本方式的特点是什么?解：冯·诺依曼机工作的基本方式的特点是：按地址访问并顺序执行指令。
冯·诺依曼机工作原理为：例2，Cache是一种A. ______存储器，是为了解决CPU和主存之间B. ______不匹配而采用的一项重要硬件技术。
现发展为多级cache体系，C. ______分设体系。
解：A. 高速缓冲B. 速度C. 指令cache与数据cache例3，完整的计算机应包括那些部分？解：完整的计算机应包括配套的硬件设备和软件系统。
例4，计算机系统的层次结构是怎样的？解：计算机系统的层次结构如图：第二章 运算方法和运算器例 1.设机器字长32位，定点表示，尾数31位，数符1位，问：(1)定点原码整数表示时，最大正数是多少？最大负数是多少？ (2)定点原码小数表示时，最大正数是多少？最大负数是多少？ 解：（1最大正数：数值 = （231 – 1）10最大负数： 数值 = -（231 – 1）10 （2）定点原码小数表示： 最大正数值 = （1 – 231 ）10最大负数值 = -（1–231 ）10例2.已知 x = - 0.01111 ，y = +0.11001， 求 [ x ]补 ，[ -x ]补 ，[ y ]补 ，[ -y ]补，x + y = ？ ，x – y = ？解：[ x ]原 = 1.01111 [ x ]补 = 1.10001 所以 ：[ -x ]补 = 0.01111[ y ]原 = 0.11001 [ y ]补 = 0.11001 所以 ：[ -y ]补 = 1.00111 [ x ]补 11.10001 [ x ]补 11.10001 + [ y ]补 00.11001 + [ -y ]补 11.00111 [ x + y ]补 00.01010 [ x - y ]补 10.11000所以： x + y = +0.01010 因为符号位相异，结果发生溢出例3.设有两个浮点数 N 1 = 2j1 × S 1 , N 2 = 2j2 × S 2 ,其中阶码2位，阶符1位，尾数四位，数符一位。
计算机组成原理课件第2章课件
压力测试
通过长时间运行高负载任务来 测试计算机的稳定性和可靠性 。
温度和散热测试
测试计算机在高温环境下的稳 定性和散热性能。
计算机性能优化
01
02
03
04
硬件优化
通过升级硬件配置，如 更快的处理器、更大的 内存和存储空间等，提 高计算机性能。
软件优化
通过优化软件算法、操 作系统和应用程序等， 提高计算机性能。
计算机安全重要性
随着计算机技术的快速发展，计算机安全问题日益突出，保护计算机安全对于保障国家安全、社会稳定和经济发展具 有重要意义。
计算机安全威胁
计算机安全面临的威胁包括病毒、木马、黑客攻击、网络钓鱼、拒绝服务攻击等，这些威胁可能导致数 据泄露、系统瘫痪、经济损失等严重后果。
计算机安全技术
防火墙技术
感谢您的观看
THANKS
Excel
电子表格软件，用于数据处理、图表制作和 数据分析。
应用软件
PowerPoint
演示文稿软件，用于制作幻 灯片、演示文稿和会议报告 等。
图像处理软件
用于处理和编辑图像，如 Photoshop等。
图像裁剪
对图像进行裁剪，保留需要 的部分。
应用软件
色彩调整
调整图像的色彩、亮度和对比度 等参数。
数据库管理系统
用于管理大量数据，提供数据存储、检索、更新和保护功能。
系统软件
数据模型
定义数据的组织方式和数据之间的关系。
数据操作语言
用于执行数据的插入、删除、更新和检索等 操作。
数据控制语言
用于控制对数据的访问权限和数据的安全性。
应用软件
Word
文本编辑软件，用于撰写文档、排版和打印。
计算机组成原理与体系结构结构分析ppt(共42页)
6.了解计算机的发展历史和各类计算机的 特点
7.了解计算机的主要应用领域
第二章
运算方法和运算部件
本章主要讨论数据在计算机中的表示 方法、运算方法、运算部件的实现等问题。
1.掌握数制表示和不同数制间的数据 转换（二、八、十、十六进制的表示及相 互转换）。
操作码 地址码
3.掌握基本的寻址方式 立即寻址、直接寻址、寄存器直接寻址、 间接寻址(间址)、寄存器间址、变址寻址、 基址寻址、堆栈寻址等。
4.了解指令系统兼容性的概念 硬件实现方法可以不同，指令系统可以 有较大的扩充，但仍保留原来的全部指令， 保持软件向上兼容的特点。
5.掌握RISC和CISC的定义，各自的特点 指令系统很复杂，指令条数很多的计算 机为CISC。精简指令系统使机器结构更加简 单合理，提高运行速度的计算机为RISC。
第五章
中央ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理部件（CPU）
微处理器将运算器和控制器集成在一个 芯片上，称之为中央处理部件（CPU）。
本章主要论述了CPU的组成原理，各个 硬件在计算机运行过程中的作用；介绍了 CPU中各个部件的操作过程及其实现方法的 原理。重点讲述了程序是如何执行的；计算 机怎样实现各条指令的功能；又如何保证逐 条指令的连续执行过程。
(3) 数据以二进制码表示。 (4) 指令由操作码和地址码组成。
(5) 指令在存储器中按执行顺序存放，由指 令计数器（即程序计数器PC）指明要执行的 指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可 按运算结果或外界条件而改变。
(6) 机器以运算器为中心，输入输出设备与 存储器间的数据传送都通过运算器。
4．计算题与设计（30%左右） 5.填图题（10%左右）
计算机组成原理第三版
计算机组成原理第三版
计算机组成原理第三版是一本关于计算机硬件和软件组成的经典教材。
本书主要介绍了计算机的基本原理和构造，是计算机科学与技术、电子信息工程等相关专业的重要教材之一。
本书第一章介绍了计算机系统的发展历程和基本概念，包括计算机的定义、基本组成部分以及计算机的性能指标。
第二章讲述了数字逻辑电路的基本概念和设计原理，包括布尔代数、逻辑门、多路选择器和加法器等。
第三章讨论了存储器和存储器层次结构的设计和实现。
其中包括主存储器的组织与映射、虚拟内存和高速缓存等内容。
第四章介绍了指令系统和计算机的指令执行过程。
其中包括指令的格式、寻址方式、指令的执行周期和数据通路等。
第五章讲述了中央处理器（CPU）的设计和实现。
包括控制器、数据通路、指令流水线和乱序执行等。
第六章介绍了I/O系统的组成和工作原理，包括I/O接口、I/O 通道、DMA传输和中断处理等内容。
第七章讨论了计算机总线的结构和功能，包括地址总线、数据总线和控制总线等。
第八章介绍了计算机的输入输出设备，包括显示器、键盘、鼠标和打印机等。
第九章讨论了计算机体系结构的设计和性能评价。
包括指令级并行和线程级并行的基本概念和实现。
第十章介绍了计算机网络的基本概念和组成部分，包括局域网、广域网和互联网等。
最后一章讨论了一些计算机系统的实践和发展趋势，包括多核处理器、量子计算机和脑机接口等。
通过学习计算机组成原理，读者可以了解计算机的工作原理和实现细节，为进一步深入研究计算机科学和相关领域打下坚实的基础。
计算机组成原理第二章第4讲字符和字符串(非数值)的
其字符集内容与UCS的BMP相同。
• GBK码
GBK等同于UCS的新的中文编码扩展国家标准，2字节表示一个汉字
第一字节从81H~FEH，最高位为1；
第二字节从40H~FEH，第二字节的最高位不一定是1。
• BIG5编码
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5
2.1.3字符和字符串(非数值)的表示 方法
2、字符串的表示
字符串是指连续的一串字符,通常方式下, 它们占用主存中连续的多个字节,每个字节 存一个字符。
当主存字由2个或4个字节组成时,在同一 个主存字中,既可按从低位字节向高位字节 的顺序存放字符串的内容,也可按从高位字 节向低位字节的次序顺序存放字符串的内 容。
➢ 机内码范围是：A1A1H~FEFEH
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14
汉字编码体系
汉字
国标码
汉字内码
中 8680(01010110 01010000)B
(11010110 11010000)B
华 5942(00111011 00101010)B
(10111011 10101010)B
“西”的区位码是4687，求其内码？
➢ 汉字字形码：也叫字模码，确定一个汉字字形点 阵的编码，用于汉字显示和打印输出。保留在存 储介质中的全部汉字字形码称为字库。
➢ 汉字地址码：表示汉字字形信息在汉字库中的地 址，用于在汉字库中查找汉字字形信息的汉字地 址码等。
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汉字编码体系
➢ 区位码：
将字符按其排列位置划分成94区×94位，以字 符所在区位编码。
字符和字符串(非数值)的 表示方法
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1
2.1.3字符和字符串(非数值)的表示 方法
➢ 符号数据：字符信息用数据表示，如ASCII 等；
第2章计算机体系结构属性优选
第二章计算机体系结构属性优选软件与硬件的功能分配是计算机体系结构设计的关键，是确定计算机体系结构属性的基础，而计算机体系结构属性包括数据表示、指令系统、存储部件管理(含寻址技术、数据存放、程序定位、存储保护)、总线与输入输出控制(含中断机构)等方面的内容。
为避免与计算机组成原理等其它课程重复，本章从软硬件功能分配出发，着重讨论计算机体系结构属性的优化或选择技术。
2.1 数据表示及其格式结构【问题小贴士】信息感觉媒体多种多样，从外部形态来看，有数值布尔的、字符文字的、图形图像的、声音视频的等。
理论上任何外部形态的数据均可以采用二进制数表示，但由于效率与通用性的限制，对一台特定计算机来讲，仅部分外部形态的数据实现了数据表示，所以数据表示配置是最基础的软硬件功能分配。
①一个整数如26、一个字符如E等数据与一个树、一个文件等数据，它们各自有什么共性，它们是否都可以采用二进制编码直接表示出来呢？若可以，举例说明怎样表示？若不可以，为什么呢？②不同类型数据做同一运算的运算规则是不同的，如整数加是末位对齐、实数加是小数点对齐，所以数据做运算之前，应该区分其类型。
高级语言是通过类型说明语句指示了数据类型，那么机器语言是如何指示数据类型呢？若采用8086汇编语言来编写二个8421码十进制数相加程序时，在“ADD”指令之后必须配置“DAA”指令，为什么？③在“计算机组成原理”课程中已知：浮点数通常采用IEEE 754标准，该标准规范了许多格式参数如阶码基值、尾数基值、尾数位数、阶码位数等，而这些参数对浮点数特性是有影响的如阶码位数越多、浮点数范围越大等，那么这些参数权衡选取的依据是什么呢？怎样权衡选取呢？④上述问题的解决涉及许多具体操作方法，还需要通过练习来掌握直至熟悉。
2.1.1 数据表示及其选取原则1. 数据类型及其分类人们可能接触到的不同外部形态的感觉媒体很多，这些感觉媒体信息必须采用若干位二进制数来表示，由此便形成了许多类型。
第1-3章计算机组成原理课后习题答案
第1章计算机系统概论什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件硬件和软件哪个更重要解：计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
硬件即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，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等。
软件是看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成，用来充分发挥硬件功能，提高机器工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算机硬件系统工作的程序、资料、数据集合。
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。
如何理解计算机系统的层次结构解：（1）第一级：实际机器M1 (机器语言机器)，机器语言程序直接在M1上执行；（2）第二级：虚拟机器M2（汇编语言机器），将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，再在M1-上执行；（3）第三级：虚拟机器M3(高级语言机器)，将高级语言程序先翻译成汇编语言程序，再在M2、M1（或直接到M1）上执行；（4）第零级：微程序机器M0（微指令系统），由硬件直接执行微指令。
（5）实际上，实际机器M1和虚拟机器M2之间还有一级虚拟机，它是由操作系统软件构成，该级虚拟机用机器语言解释操作系统。
（6）虚拟机器M3还可以向上延伸，构成应用语言虚拟系统。
说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及联系。
解：机器语言由0、1代码组成，是机器能识别的一种语言。
用机器语言编写程序时要求程序员对他们所使用的计算机硬件及其指令系统十分熟悉，编写程序难度很大，操作过程也极易出错。
汇编语言是符号式的程序设计语言，汇编语言是面向机器的语言，它由一些特殊的符号表示指令。
用汇编语言编写的汇编语言程序必须先被翻译成机器语言程序，才能被机器接受并自动运行。
汇编语言的每一条语句都与机器语言的某一条语句（0、1代码）一一对应。
高级语言是面向用户的语言，与具体的计算机指令系统无关、对问题的描述更接近于人们习惯，且易于掌握和书写。
它具有较强的通用性，程序员完全不必了解、掌握实际机器M1的机型、内部的具体组成及其指令系统，只要掌握这类高级语言的语法和语义，便可直接用这种高级语言来编程，给程序员带来了极大的方便。
计算机系统结构课件第2章
2.Huffman编码法 Huffman编码法是1952年由Huffman提出的一种可变字长编码 (VLC)。采用Huffman编码法表示操作码，必须先知道各种指令在 程序中出现的概率，这可通过对典型程序统计得到。根据 Huffman编码法的原理，操作码的最短长度可通过下式计算：
H pi log 2 pi
（3）主存寻址 主存寻址是所有计算机中都普遍采用的一类寻址方式，其寻 址种类也最为复杂。主存寻址的指令格式主要有： OPC M OPC M， M OPC M， M， M （4）堆栈寻址 堆栈寻址方式的地址是隐含的，在指令中不必给出操作数的 地址。因此，指令的长度很短，一般的形式有： OPC OPC M
i 1
n
Pi表示第i种操作码在程序中出现的概率，一共有n种操作码。 如果采用固定长操作码，n种操作码共需要个 log 2 n 二进制 位，因此固定长度操作码的信息冗余量为：
R 1
pi log 2 pi
i 1
n
log 2 n
3.扩展编码法 Huffman编码法能使操作码的平均长度最短，信息的冗余量 最小。然而，这种编码方法所形成得操作码很不规整。这不利于 硬件的译码，也不利于软件的编译，也很难与地址码配合，形成 有规则长度的指令编码。 在许多处理机中，采用了一种新的折中的方法，称为扩展编 码法。这种方法是由固定长操作码与Huffman编码法相结合形成 的。对于上节中有7条指令的模型机例子，如果采用扩展编码法编 排操作码，可有多种方法。
3.自定义数据表示 为了减少高级语言与机器语言之间的差别，采用了自定义数 据表示，就是由数据本身来表明数据类型，这样可以使每种指令 的种类大为减少，称为通用化指令。自定义数据表示有带标志符 数据表示和数据描述符表示。 （1）带标志符数据表示就是对每一个数据都附加一个标志符， 由这个标志符来表示这个数据的类型。这种表示法的优点是：简 化指令系统；易于对编程查错；自动类型转换；简单化编译；方 便程序调试。缺点是增加存储空间又使指令执行速度变慢。 （2）数据描述符表示，主要用来描述复杂和多维结构的数据 类型，如向量、记录等。它与带标志符数据表示不同之处是： ①标志符与每个数据相连，两者合存在一个存储单元中；而 描述符则和数据分开存放； ②要访问数据集中的元素时，先访问描述符，这至少增加一 级寻址； ③描述符看成是程序一部分，而不是数据的一部分。标志符 则可看作是数据的一部分。
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(a)常用符号
(b)美、日常用符号
(c)国标符号 1
A 或门 B
A 与门 B
Y
A B
Y
A B A B
Y
Y
A B
& Y
Y
非门 A
Y
A
Y
A
1
Y
由三种基本的逻辑运算关系
得以下运算结论
0• 0=0 • 1=1 • 0=0 0+0=0
0+1=1+0=1+1=1
1 • 1=1
1 0 01
3.逻辑代数的基本运算法则
Y F ( A, B, C ) ABC ABC ABC (5,6,7)
输入
A 0 B C 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1
输出 Y
0 0 0 0 0 1 1 1
0 0 0 1 1 1 1
举重裁判电路 卡诺图
BC 00 A 0 0 1 0
01 0 1
4）. A+B+C=A+ ( B+C ) =(A+B)+C
分配律 5）. A(B+C)=AB+AC
6）. A+BC=(A+B)(A+C)
普通代数能否写成这种形式？
吸收律 7）. A（A+B）=A 证明： A（A+B）=AA＋AB＝A＋AB ＝A（1＋B）＝A
8）. A( A B) AB
9）. A AB A 10） A AB A B 证明：
例如：
(14)10
=(1110)2
=(16)8
=(E)16
2.1.2 数制转换
基数乘除法：
(N)
(N)
整数：基数除法 小数：基数乘法
• 整数转换与小数转换的方法不同
1.整数转换（基数除法）
将被转换的进制数，在进制运算规则下除以进制的基数 (以进制表示)，得到的余数用进制的数字符号代替，即得 转换后的最低位，然后再将商以同样方法求得次低位，以此 类推直到商为零为止。
2.1.2 数制转换
10进制数转换成R进制 例１ (2803)10=(?)16
余数
转成16进制
16 2803 16 175 16 10 0
3 15 10
3 F A
结果： (2803)10=(AF3)16
2.1.2 数制转换
例２ (35)10=(?)2
余数
转成2进制
2 35 1 2 17 1 2 8 0 2 4 0 2 2 0 2 1 1 0 结果： (35)10=(100011)2
单元 编号 0010
例：用卡诺图表示逻辑函数
Y ABC D AB D ACD A B
解：首先把Y化成最小项之和的形式
Y ABCD AB(C C ) D A( B B)CD AB(C C )
ABCD ABC D ABC D ABCD ABCD ABC ( D D) ABC ( D D) ABCD ABC D ABC D ABCD ABCD
ABCD ABC D ABCD ABC D m1 m4 m6 m8 m9 m10 m11 m15
画出四变量的卡诺图，在对应于函数 式中各最小 的位置上填入1 ，其余位 置上填入0 ，就得到如下Y 的卡诺图
1）A • 0 =0 • A=0 2）A • 1=1• A=A 3）A • A=A 4） A A 0 5） A+0=A
A A
0
A
1
A A
A
0
A
1
6）
A+1=1
A A
7） A+ A = A 8）
A
A
A A 1
A
9） A A
4.运算规律
交换律 1）. A+B=B+A 2）. A• B=B • A 结合律 3）. ABC=(AB) C =A (BC)
A + 220V
真值表 A B 0 0 1 1 0 1 0 1
Y 0 1 1 1
B
Y
-
逻辑表达式： Y = A + B “或”逻辑关系是指当决定某事件的条件之一 具备时，该事件就发生。
（3）“非”逻辑关 系
+ 220V R A
状态表
Y
A 0 1
Y 1 0
逻辑表达式：Y = A
“非”逻辑关系是否定或相反的意思。
1 1 0 0 0 1
2.1.2 数制转换
1.小数转换（基数乘法） 小数与整数转换的差别：有时不能精确转换 (0.4321)10=(?)16 (取四位小数)
整数
转成16进制
16(0.4321)=6.9136 16(0.9136)=14.6176
6 14 9 14
6
E
16(0.6176)=9.8816 16(0.8816)=14.1056
A AB ( A A)(A B) A B
11） AB A B A
12） ( A B)( A B) A 证明： ( A B )( A B ) AA AB A B B B A A( B B ) A A A 吸收律（摩根定律） 13）
举重裁判电路的逻辑函数 式
Y＝A（B +C）
B A
C
F＝f（A,B）＝
“与或”式也称为函
Y
数的“积之和”形式。
（3）逻辑图
用 “与”、 “或” 、“非” 等相应的逻辑 符号表示函数关系
Y＝A（B +C） 与门，实现 Y＝ Y1 • A；
或门，实现 Y1 ＝B +C
A
B C
1
&
Y1
Y
（4）卡诺图
最小项：在 n 变量逻辑函数中，若m 为包含 n 个因子 的乘积项，而且这 n 个变量均以原变量或反变量的 形式在 m 中出现一次，称 m 为该组变量的最小项。 例如：A、B、C三变量的最小项有
A BC ABC ABC ABC A BC ABC ABC ABC
共8个最小项（23个） n 个变量共有 2 个最小项
主裁判控 制按钮
A
B
C
Y
副裁判控 制按钮
指示灯Y 的状态是按钮A、B、C 状态的函数 A＝1、B＝1、C＝1 表示三个按钮按下的状态， 只有当主裁判按下按钮A ，同时至少有一名副裁判 按下按钮B 或C 时，指示灯Y 才会亮。 A＝0、B＝0、C＝0 表示三个按钮没有按下的状态，
Y＝1 指示灯亮，Y＝0 表示指示灯不亮。
Y＝（A、B、C）
（1）真值表
以表格的形式表示输入、输出变量的逻辑状态关系
举重裁判电路的逻辑状态表
输入 B
0 0 1 1 0 0 1 1
A
0 0 0 0 1 1 1 1
C
0 1 0 1 0 1 0 1
输出 Y
0 0 0 0 0 1 1 1
（2）逻辑函数式
用 “与”、 “或” 、 “非” 等逻辑运算的组 合式，表示逻辑函数的 输入与输出的关系的逻 辑状态关系。 “与或”式:―与”项的 “或”运算表示的函数。 例如：异或函数可用 AB AB “与或”式表示：
1 101 101 110.110 101(B) = 1556.65(O) 1 5 5 6 6 5 11 0110 1110.1101 01(B) = 36F.D4(H) 3 6 F D 4
2.2 逻辑代数基础
2.2.1 逻辑代数的基本概念及基本运算 1、逻辑代数 设A, B, C, D 是自变量，每个自变量取值0 或者取 值1，令f(A, B, C, D) 是A, B, C, D 的一个因变量，
ABC ABC AB
卡诺图
卡诺图 卡诺图实际上是真值表的一种重新排列。
卡诺图的每一个方块（最小项） 代表一种输入组合，并且把对应的输 入组合注明在阵列图的左方和上方。
B A
0
1
BC 00 A
01
11
10
0
1
A B AB
A B AB
0 A BC ABC ABC ABC 1 A BC ABC ABC ABC
计算机组成原理与 体系结构
第二章 数字逻辑 电路基础
王玉洁
第二章 数字逻辑电路基础
数制 逻辑代数基础 逻辑门电路 组合逻辑电路 时序逻辑电路
2.1 数制
2.1.1 进位计数制
就是一种按进位方式实现计数的制度，简称进位制。
a.十进计数制
数字符号：0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ；“.” 进位规则：“逢十进一”
n
最小项有如下重要性质 ：
1）在输入变量的任何取值下, 必有一个最小项,而且仅 有一个最小项的值为1
2）任意两个最小项的乘积为0 3）全体最小项之和为1 4）具有相邻性的两个最小项之和可以合并成一项并 消去一个因子 若两个最小项只有一个变量以原、反区别，称它 们逻辑相邻。逻辑相邻的项可以合并，消去一个 因子。 如
结果: (0.4321)10(0.6E9E)16
9 E
二进制、八进制、十六进制数间的相互转换
•一位八进制数对应三位二进制数 •一位十六进制数对应四位二进制数 •二进制转化成八(十六)进制)
144(O)=001 100 100(B) 1 4 4 64(H)=0110 0100(B) 6 4
整数部分：从右向左按三(四)位进行分组 小数部分：从左向右按三(四)位进行分组 不足补零
注意：1. 下标基数R表示为R进制数，计数规则“逢R进一”