计算机组成与体系结构Ch4_ECOA (2)
计算机组成与体系结构
计算机组成与体系结构计算机组成与体系结构是计算机科学中的重要理论基础之一。
它涉及到计算机硬件架构、逻辑设计和计算机内部各组件之间的相互关系。
本文将从计算机的组成和体系结构的概念入手，深入讨论计算机内部各组件的功能和相互连接的方式，同时介绍计算机的工作原理和性能优化。
一、概念解析在介绍计算机组成与体系结构之前，首先需要澄清它们的定义。
计算机的组成是指计算机硬件部件的构成和相互连接方式，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。
而计算机的体系结构则是指计算机的功能与数据的表示方式，包括指令集体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）和处理器微体系结构（Microarchitecture）。
二、计算机组成1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和进行运算。
它由运算器和控制器组成，其中运算器用于执行各类算术和逻辑运算，而控制器则负责解析和执行指令。
CPU中的寄存器用于存储指令和数据。
2. 存储器存储器用于存储指令和数据，是计算机的内部存储设备。
常见的存储器包括内存（主存）和硬盘（辅助存储器）。
内存用于暂时存储正在执行的程序和数据，而硬盘则用于永久存储程序和数据。
3. 输入输出设备输入输出设备用于计算机与外部世界的信息交换。
常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪，而输出设备包括显示器、打印机和音频设备。
输入输出设备通过接口与计算机主机相连接。
三、计算机体系结构1. 指令集体系结构（ISA）指令集体系结构定义了处理器与软件之间的接口，包括指令的类型、寻址方式和编码方式。
常见的ISA有x86、ARM和MIPS等。
ISA的选择和设计对计算机的性能和运行效率有很大影响。
2. 处理器微体系结构（Microarchitecture）处理器微体系结构是指处理器内部的设计和实现方式，包括流水线、超标量、乱序执行等技术。
微体系结构的优化可以提高处理器的性能和执行效率，比如增加缓存、优化指令调度算法等。
计算机二级考试攻略 解读计算机组成原理与体系结构
计算机二级考试攻略解读计算机组成原理与体系结构计算机二级考试攻略解读计算机组成原理与体系结构计算机二级考试是一个重要的考试，涵盖了计算机的各个方面知识。
其中，计算机组成原理与体系结构是一项重要的考试内容。
本文将解读计算机组成原理与体系结构，并提供一些攻略，帮助考生在考试中取得好成绩。
一、计算机组成原理与体系结构概述计算机组成原理与体系结构是计算机科学与技术的基础课程之一。
它主要研究计算机硬件系统的组成、功能和结构。
计算机组成原理强调计算机硬件层面上的逻辑设计和实现，而体系结构则主要关注计算机硬件与软件之间的接口关系。
计算机组成原理主要涵盖以下内容：计算机的基本组成，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等；计算机的数据表示和运算方法，包括二进制、十进制、十六进制等表示方法，以及各种运算指令；计算机的控制方式，包括单指令周期、多指令周期等控制方式。
计算机体系结构则主要涵盖以下内容：计算机指令系统的设计，包括指令的分类、格式和编码；计算机的存储器层次结构，包括主存、高速缓存以及辅助存储器等；计算机的总线结构，包括地址总线、数据总线和控制总线等；计算机的输入输出系统，包括输入输出设备和接口等。
二、攻略一：深入理解计算机组成原理与体系结构的基本概念在备考计算机二级考试时，首先要深入理解计算机组成原理与体系结构的基本概念。
这包括理解计算机的基本组成部分，如中央处理器、存储器和输入输出设备等；理解计算机的基本工作原理，如指令的执行流程、数据的传输方式等；理解计算机系统的层次结构，如指令系统、存储器层次结构和总线结构等。
三、攻略二：熟悉计算机组成原理与体系结构的常见考点在备考计算机二级考试时，还需要熟悉计算机组成原理与体系结构的常见考点。
这些考点包括计算机指令系统的设计原则和分类、计算机存储器层次结构的组成和工作原理、计算机总线结构的组成和传输方式、计算机输入输出系统的功能和接口等。
通过对这些考点的理解和掌握，可以更好地应对考试中的相关问题。
大学计算机基础——第一讲ch4计算机结构
二进制（binary） 0,1 (逢二进一)
m
N= bi×2i
八进制(octal)
in
0,1,...,7
(逢八进一)
N= oi×8mi
十进制(decimal) i0n,1,...,9 (逢十进一)
N= di×1m0i
十六进制(shíliùjiìnn zhì)(hex) 0,1,...,9,A,B,C,D,E,F (逢十六进一)
优点：元件状态少，处理简单、可靠。
③逻辑性强
二进制数字0和1正好代表逻辑代数中的‘假’ 和‘真’。因此，可用逻辑代数作为工具分析 和设计计算机中的逻辑电路，使逻辑电路成为 计算机设计的数学基础。
精品资料
3)信息存储单位 位（bit比特，缩写b）:
二进制的每一位（0或1）是二进制信息的最小 单位，存储器中最小存储单位称为一个存储位 （bit）。 字节（byte ,缩写B）：
N = hi×1m6i
in
精品资料
2)计算机采用二进制的原因
①二进制数运算简单 只有0和1两个数。“逢二进一”； 二进制数是由一串0和1的数构成。
二进制数加法运算规则(guīzé)： 0+0=0; 0+1=1+0=1; 1+1=10 (逢二进一) 例： 计算1011011+1010.11
1011011 + 1 0 1 0.1 1
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程序执行过程(guòchéng)
取指令
分析指令
结束指令？
N
执行指令
由不同(bù tón 功能部件 完成
Y
结束
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流水线工作方式(fāngshì)的指令执 行过程
取指令1 取指令2 取指令3 取指令4
计算机组成与系统结构
计算机组成与系统结构计算机组成与系统结构是计算机科学中的重要领域，涉及计算机硬件和软件的设计、实现和优化。
本文将探讨计算机组成与系统结构的基本概念、原理和应用。
一、概述计算机组成与系统结构是指将计算机硬件和软件组织在一起以实现特定功能的过程。
它关注计算机系统中各个部分的功能、结构和相互关系。
计算机组成与系统结构的目标是实现高性能、高可靠性和可扩展性的计算机系统。
二、计算机组成1. 中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令和处理数据。
它由控制器和运算器组成。
控制器负责解析和执行指令，而运算器负责执行算术和逻辑操作。
2. 存储器存储器用于存储程序和数据。
常见的存储器包括内存（Random Access Memory，简称RAM）和磁盘存储器。
内存是计算机中主要的工作存储器，用于临时存储程序和数据。
磁盘存储器则用于长期存储大量数据。
3. 输入输出设备输入输出设备用于与计算机进行交互。
常见的输入设备包括键盘、鼠标和触摸屏，而输出设备包括显示器和打印机。
输入输出设备通过与计算机的接口进行数据传输。
三、系统结构1. 单处理器系统单处理器系统是指只有一个中央处理器的计算机系统。
它具有简单的结构和较低的成本，但处理能力有限。
在单处理器系统中，任务按照顺序执行，无法并行处理多个任务。
2. 多处理器系统多处理器系统是指具有多个中央处理器的计算机系统。
多处理器系统能够并行处理多个任务，提高计算能力和系统吞吐量。
多处理器系统可以进一步划分为对称多处理系统和非对称多处理系统。
3. 分布式系统分布式系统是指由多个计算机连接而成的系统。
在分布式系统中，计算机之间通过网络进行通信和协同工作。
分布式系统具有高可靠性和可扩展性，能够处理大规模的计算和存储任务。
四、应用领域计算机组成与系统结构的理论和技术在各个领域得到广泛应用。
例如，在超级计算机中，通过结合多个处理器和存储器单元，可以实现高性能的科学计算；在嵌入式系统中，通过优化计算机硬件和软件的结构，可以实现低功耗和高效率的计算。
认识计算机的基本构成和组织结构
认识计算机的基本构成和组织结构计算机是我们日常生活中不可或缺的一个工具，无论是工作、学习还是娱乐，计算机都为我们提供了非常便捷和高效的方式。
但是，对于计算机的构成和组织结构，很多人都存在着模糊和不清楚的情况。
因此，本文将详细介绍计算机的基本构成和组织结构。
一、计算机的基本构成1. 输入设备：输入设备是计算机与外部世界交互的桥梁，其中最重要的输入设备就是键盘和鼠标。
此外，还有触摸屏、扫描仪、摄像头等输入设备。
2. 输出设备：计算机通过输出设备将其结果显示给用户，例如，显示器或打印机等。
3. 中央处理器：中央处理器是计算机最重要的组成部分，它是计算机的大脑。
其主要作用是接收和执行指令。
中央处理器通常分为两部分：控制器和算术逻辑单元(ALU)，其中控制器负责解释执行指令，而ALU对数据进行加减乘除等运算。
4. 存储器：存储器用于存储程序和数据。
它通常分为两种类型：随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
RAM是一种易失性存储器，它允许计算机随时存放和取出数据，而ROM则是一种只读存储器，其中保存了程序和数据的固定信息，而不允许在运行时修改。
5. 外部存储设备：除了内存存储器外，我们还可以使用外部存储设备来存储大量的数据，例如硬盘驱动器、U盘和CD/DVD。
6. 硬件接口：硬件接口连接每个组成部分，例如USB、HDMI等接口。
它们允许我们将其他设备和计算机连接起来，以便进行数据传输和其他操作。
7. 操作系统：操作系统是一种非常基本的软件，它负责管理和协调计算机硬件资源，同时为用户提供界面和其他服务。
例如，Windows、macOS和Linux都是常见的操作系统。
8. 应用程序：应用程序是计算机上安装的其他软件，例如Microsoft Word和Adobe Photoshop。
这些应用程序允许我们进行更具体的工作。
9. 内部组件：计算机还由一些内部组件组成，例如风扇、电源和主板等。
二、计算机的组织结构在了解计算机的基本构成之后，我们来了解一下计算机的组织结构。
计算机体系结构和计算机组成原理
计算机体系结构和计算机组成原理
计算机体系结构和计算机组成原理是计算机科学中非常重要的两个概念。
计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口，它定义了计算机的组成部分以及它们之间的关系。
计算机组成原理则是指计算机硬件的实现方式，包括处理器、存储器、输入输出设备等。
计算机体系结构和计算机组成原理是密不可分的。
计算机体系结构的设计必须考虑到计算机组成原理的实现方式，而计算机组成原理的实现方式也必须符合计算机体系结构的要求。
例如，计算机体系结构中的指令集架构（ISA）定义了计算机的指令集和寄存器，而计算机组成原理则负责实现这些指令和寄存器。
计算机体系结构和计算机组成原理的发展历程可以追溯到计算机诞生的早期。
早期的计算机采用的是电子管和继电器等元器件，这些元器件的体积庞大、功耗高、寿命短，限制了计算机的发展。
随着半导体技术的发展，计算机的体积逐渐缩小，功耗降低，性能提高。
现代计算机采用的是微处理器、内存芯片、硬盘等集成电路，这些元器件的体积小、功耗低、寿命长，使得计算机的性能得到了极大的提升。
计算机体系结构和计算机组成原理的发展也推动了计算机应用的发展。
计算机的应用范围从最初的科学计算扩展到了商业、娱乐、通信等领域。
计算机的应用也从单机应用扩展到了分布式应用、云计算等新兴领域。
计算机体系结构和计算机组成原理是计算机科学中非常重要的两个概念。
它们的发展推动了计算机技术的进步，也推动了计算机应用的发展。
未来，随着人工智能、物联网等新兴技术的发展，计算机体系结构和计算机组成原理的研究将会更加深入，为人类带来更多的便利和创新。
计算机组成与体系结构总结
计算机组成与体系结构第一章总结1、 电子计算机的分类：电子模拟计算机和电子数字计算机特点：模拟计算机是数值由连续量来表示，运算过程连续； 数字计算机是按位运算，并且不连续地跳动计算； 2、 电子（数字）计算机分类专用计算机和通用计算机（依据效率，速度，价格，运行的经济性和适应性划分） 3、 计算机系统由硬件和软件两大部分组成 4、 硬件（1）一般的计算机结构框图（运算器为中心）一般的计算机结构框图（存储器为中心）（2）冯.诺依曼计算机的特点采用二进制表示机器指令和数据硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成程序和数据预先存放在存储器中，存储器按地址编址操作时根据程序中指令的执行顺序，从存储器中取出指令或数据，由控制器解释，运算器完成运算设计思想：采用二进制表示各种信息以及存储程序和程序控制。
存储程序的概念是将解题程序（连同必须的原始数据）预先存入存储器；程序控制是指控制器依据所存储的程序控制全机自动、协调地完成解题任务。
存储程序并按地址顺序执行。
存储程序和程序控制统称为存储程序控制。
（3）硬件各个主要部分 ①运算器：(如右图)算术运算和逻辑运算在计算机中参与运算的数是二进制的运算器的长度一般是8、16、32或64位 ②存储器： 存储数据和程序容量 ——存储器所有存储单元的总数（存储单元（保存一个数16个触发器）、存储单元地址（每个存储单元的编号）、容量单位）内存储器（ROM 、RAM ）：半导体存储器外存储器：计算机中配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器 存储器单位：210 byte ＝1K 210 K ＝1M 210 M ＝1G 210 G ＝1T ③控制器： 指令和程序（每一个基本操作叫做一条指令；解决某一问题的一串指令序列叫做程序） 指令的形式——操作码和地址码：指令的内容由两部分组成，操作的性质和操作数的地址；前者称为操作码，后者称为地址码。
控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。
计算机组成与体系结构
计算机组成与体系结构计算机作为现代社会不可或缺的工具，已经深入到我们生活的方方面面。
我们使用电脑上网、购物、学习、娱乐，但是我们是否了解计算机背后的组成和体系结构呢？本篇文章将为大家介绍计算机组成与体系结构。
一、计算机组成计算机的组成由许多不同而又密切相连的部分组成，每个部分都有不同的功能。
首先，计算机的核心部分是中央处理器（CPU），它负责执行计算和控制计算机的运行。
在CPU中，最重要的是微处理器，它由数以亿计的晶体管组成，可以执行指令和处理数据。
另外一个重要的组成部分是内存（RAM），cpu对于存储在内存中的数据进行读取和写入。
内存是计算机的临时存储器，可以快速读取和存储数据。
此外，硬盘和固态硬盘也是计算机存储的一部分，它们用来长期保存数据和文件，因为它们可以在断电的情况下保持数据的完整性。
与存储器有关的还有数据总线和地址总线，它们用来传输数据和地址信息。
数据总线是用来传输数据的，地址总线是用来指示存储器的地址。
它们是计算机内部不同部件之间进行通信的重要通道。
最后，输入和输出设备也是计算机的关键组成部分。
输入设备包括键盘、鼠标、摄像头等，用于向计算机输入数据。
输出设备包括显示屏、打印机和扬声器等，用于将计算机处理的数据显示或输出。
二、计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口，它决定了计算机如何工作和组织。
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·诺依曼体系结构是最早也是最流行的计算机体系结构。
它的特点是将数据和指令存储在同一个内存中，通过加载不同的地址来区分。
这种体系结构简单易懂，但是存在着内存瓶颈和指令和数据取得效率较低的问题。
哈佛体系结构是一种改进的体系结构。
与冯·诺依曼体系结构不同的是，哈佛体系结构分别存储指令和数据，通过不同的总线进行传输。
这样可以提高指令和数据的并行处理效率，但是会增加硬件的复杂度和成本。
另外，还有一些特殊的体系结构，例如向量处理器、超标量处理器和多核处理器等。
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• During the first pass, we have a symbol table and the partial instructions shown at the bottom.
9
4.5 A Discussion on Assemblers
• After the second pass, the assembly is complete.
25
4.7 A Discussion on Decoding
• Disadvantage: all instructions must go through an additional level of interpretation, slowing down the program execution. There is a cost of the actual development, because appropriate tools are required.
19
4.7 A Discussion on Decoding
• There are two general ways in which a control unit can be implemented: hardwired control and microprogrammed control.
4.7 A Discussion on Decoding
• Microprogramming: uses software for control.
23
4.7 A Discussion on Decoding
Microprogramming: • Machine instructions are input into a special program, the microprogram, to convert the instruction into the appropriate control signals. • essentially an interpreter written in microcode. • converts machine instructions of ―0‖ and ―1‖ into control signals. • There is one subroutine for each machine instruction.
– We note the distinction between an assembler and a compiler: In assembly language, there is a one-to-one correspondence between a mnemonic instruction and its machine code. With compilers, this is not usually the case.
EXAMPLE 4.2 if/else construct :
Skipcond 400
if X = Y then X := X * 2; else Y := Y - X;
17
4.6 Extending Our Instruction Set
EXAMPLE 4.3 double any number:
8
4.5 A Discussion on Assemblers
• Consider our example program (top).
– Note that we have included two directives HEX and DEC that specify the radix of the constants.
18
4.7 A Discussion on Decoding
• A computer’s control unit keeps things synchronized, making sure that bits flow to the correct components as the components are needed. • There must be control signals to assert lines on various digital components to make things happen as described.
Microprogramming is flexible, simple in design, and lends itself to very powerful instruction sets. Microprogramming allows for convenient hardware/software tradeoffs.
– If you have ever used pointers in a program, you are already familiar with indirect addressing.
13
4.6 Extending Our Instruction Set
• JnS X
MBR ← PC MAR ← X M[MAR] ← MBR MBR ← X AC ← 1 AC ← AC + MBR PC ← AC
6
4.5 A Discussion on Assemblers
• We can also substitute labels (simple names) to identify or name particular memory addresses,
7
4.5 A Discussion on Assemblers
21
4.7 A Discussion on Decoding
hardwired control • Advantage: very fast • Disadvantage: circuits are complex, difficult to design or modify expensive
– With microprogrammed control, a small program is placed into read-only memory in the microcontroller. – Hardwired controllers implement this program using digital logic components.
2
4.4 A Simple Program
• This is the LOAD 104 instruction:
3
4.4 A Simple Program
• Our second instruction is ADD 105:
4
4.4 A Simple Program
• Our second instruction is STORE 106:
24
4.7 A Discussion on Decoding
• Advantage: If the instruction set requires modification, the microprogram is simply updated to match—no change is required in the actual hardware.
• The jump-and-store instruction, JNS, gives us limited subroutine functionality.
• JumpI X
MAR ← X MBR ← M[MAR] PC ← MBR
16
4.6 Extending Our Instruction Set
In Fetch, PC PC+1
14
4.6 Extending Our Instruction Set
• Clear
AC ← 0
• ADDI X
MAR X MBR M[MAR] MAR MBR MBR M[MAR] AC AC + MBR
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4.6 Extending Our Instruction Set
Chapter 4
MARIE: An Introduction to a Simple Computer
4.4 A Simple Program
• Consider the simple MARIE program given below. We show a set of mnemonic instructions stored at addresses 100 - 106 (hex):
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4.6 Extending Our Instruction Set
extended instruction set.
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4.6 Extending Our Instruction Set
• So far, all of the MARIE instructions that we have discussed use a direct addressing mode. • This means that the address of the operand is explicitly stated in the instruction. • It is often useful to employ a indirect addressing, where the address of the address of the operand is given in the instruction.