计算机组成原理第一章概述
【精品】计算机
7.在浮点加法运算中，完整的操作步骤是对阶。尾数相加、结果规格化、舍入、溢出检查。
8.定点运算器中一般包括ALU、寄存器、对路选择器、移位器和数据通路。
9.ALU的基本逻辑结构是快速进位加法器，它比行波进位加法器优越，具有先行进位逻辑，不仅可以实现高速运算，还能完成逻辑运算。
10.浮点运算器由阶码运算器和尾数运算器组成，它们都是定点运算器，尾数运算器要求能进行加、减、乘、除运算。
18.一条机器指令由一段微指令构成的微程序来解释执行；微指令可由一系列微命令组成。
19.控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令叫做微命令。而执行部件接受此控制命令后进行的操作叫做微操作。
20.一条微指令可划分为微命令字段和控制字段；微指令的基本格式可分为水平型和垂直型。
12.虚拟存储器管理的基本方法有页式、段式和段页式三种。
13.在虚拟存储器中，一般采用全相联地址映像方法和LRU更新策略。
14.虚拟存储器中，程序正在执行时，由操作系统完成地址映像。
15.在磁表面存储器中，调频制(FM)记录方式目前主要用于单密度磁盘存储器，改进调频制(MFM)记录方式主要用于双密度磁盘存储器，而在磁带存储器中一般采用调相制(PE)和成组编码(GCR)记录方式。
21.由于数据通路之间的结构关系，微操作可分为相容性和相斥性两种;
在同一微周期中不可能同时出现的微命令，称之为互斥的微命令。
在同一微周期中可以同时出现的微命令，称之为相容的微命令。
22.在微指令的字段编码中，操作控制字段的分段必须遵循的原则包括：
把互斥性的微命令分在同一段内。
一般每个小段要留出一个状态0，表示不操作。
1.-1的补码定点整数表示时为1...1，用定点小数表示时为1...0。
计算机组成原理(简答题)
计算机组成原理(简单题)第一章概论1、计算机的应用领域：科学计算、数据处理、实时控制、辅助设计、通信和娱乐。
2、计算机的基本功能：存储和处理外部信息，并将处理结果向外界输出。
3、数字计算机的硬件由：运算器、控制器、存储器、输入单元和输出单元。
4、软件可以分成系统软件和应用软件。
其中系统软件包括：操作系统、诊断程序、编译程序、解释程序、汇编程序和网络通信程序。
5、计算机系统按层次进行划分，可以分成，硬件系统、系统软件和应用软件三部分。
6、计算机程序设计语言可以分成：高级语言、汇编语言和机器语言。
第二章数据编码和数据运算1、什么是定点数？它有哪些类型？答：定点数是指小数点位置固定的数据。
定点数的类型有定点整数和定点小数。
2、什么是规格化的浮点数？为什么要对浮点数进行规格化？答：规格化的浮点数是指规定尾数部分用纯小数来表示，而且尾数的绝对值应大于或等于1/R并小于等于1。
在科学计数法中，一个浮点数在计算机中的编码不唯一，这样就给编码带来了很大的麻烦，所有在计算机中要对浮点数进行规格化。
3、什么是逻辑运算？它有哪些类型？答：逻辑运算时指把数据作为一组位串进行按位的运算方式。
基本的逻辑运算有逻辑或运算、逻辑与运算和逻辑非运算。
4、计算机中是如何利用加法器电路进行减法运算的？答：在计算机中可以通过将控制信号M设置为1，利用加法器电路来进行减法运算。
第三章存储系统1、计算机的存储器可以分为哪些类型？答：计算机的存储器分成随机存储器和只读存储器。
2、宽字存储器有什么特点？答：宽字存储器是将存储器的位数扩展到多个字的宽度，访问存储器时可以同时对对个字进行访问，从而提高数据访问的吞吐量。
3、多体交叉存储器有什么特点？答：多体交叉存储器是由对个相互独立的存储体构成。
每个存储器是一个独立操作的单位，有自己的操作控制电路和存放地址的寄存器，可以分别进行数据读写操作，各个存储体的读写过程重叠进行。
4、什么是相联存储器？它有什么特点？答：相联存储器是一种按内容访问的存储器。
第1章 计算机系统概论-计算机组成原理-刘超-清华大学出版社
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
1 计算模型及其基本内容 计算模型是完成计算任务所必需遵循的基于形式化 描述的基本规则。工作单元(对计算机来说即是指令)之 间存在处理次序与数据依赖等两种关联性，用于控制处 理次序的工作驱动与数据依赖机制的数据传递是计算模 型的基本内容。工作驱动方式是计算模型的核心。
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
3 计算机工作过程 程序控制计算机完成计算任务过程可分为人工编制 程序和机器运行程序两个阶段。
存储器存储单 元地址
00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000 00001001 00001010 00001011 00001100 00001101 00001110 00001111 00010000
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
输入设备
辅助存储器 存储 系统
主存储器
输出设备 外设
运算器
控制器
具有存储层次计算机的体系结构框架
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
主存 储器
主机 CPU
算术逻辑运算 单元ALU
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
1 计算机体系结构及其范畴 计算机体系结构的一般定义是：机器语言程序员所 必须了解的计算机概念性结构和功能特性。 计算机体系结构作为一门学科，其研究内容主要有 两个方面：一是软件与硬件功能分配；二是如何最佳最 合理地实分配给硬件的功能。 计算机体系结构(或属性)的范畴有：数据表示、指 令系统、寻址方式、寄存器组织、存储组织、中断机构、 机器状态、输入输出结构、信息保护等。
计算机组成原理期末重点章节知识点
计算机组成原理第一章计算机系统概论（清楚一个概念）计算机的性能指标：吞吐量：表征一台计算机在某个时间间隔内能够处理的信息量。
响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。
利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。
处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。
总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。
存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常KB,MB,GB,TB来表示。
存储器带宽：单位时间内存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。
主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率叫CPU的主频。
度量单位MHZ（兆赫兹）、GHZ（吉赫兹）主频的倒数称为CPU时钟周期（T),T=1/f，度量单位us，nsCPU执行时间：表示CPU执行一般程序所占的CPU时间，公式：CPU执行时间=CPU时钟周期数xCPU时钟周期CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。
公式：CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数/程序包含的指令条数MIPS：表示平均每秒执行多少百万条定点指令数，公式：MIPS=指令数/（程序执行时间x10^6）第二章运算方法和运算器原码定义：（1）整数（范围（-（2^n-1）~ 2^n-1)（2）小数(范围-（2^-n-1 ~ 1-2^-n)反码定义：（3）整数（范围（-（2^n-1）~ 2^n-1)（4）小数(范围-（2^-n-1 ~ 1-2^-n)补码定义：（5）整数（范围（-（2^n ）~ 2^n-1)（6）小数(范围（-1 ~ 1-2^-n)移码表示法（用于大小比较与对阶操作）IEEE754标准格式：符号位（1位）+ 阶码（移码）+ 尾数正溢：两个正数相加，结果大于机器字长所能表示的最大正数负溢：两个负数相加，结果小于机器字长所能表示的最小负数检测方法：1、双符号位法2、单符号位法不带符号阵列乘法器：同行间并行不同行间串行浮点加减运算操作过程大体分四步：1、0操作数检查2、比较阶码大小完成对阶3、尾数进行加减运算4、结果规格化所进行舍入处理流水线原理:时间并行性线性流水线的加速比：C k=T L/T K =nk/k+（n-1）第三章存储系统程序局部性原理：在某一段时间内频繁访问某一局部的存储器地址空间，而对此范围以外的地址空间则很少访问的现象。
计算机组成原理第一章总结
第一章计算机系统概述1.电子（电子线路）数字（电子线路是数学式）通用（计算机本身功能多样）计算机系统。
2.计算机系统由计算机硬件（构成计算机的所有实体部件的组合）和计算机软件（一系列按照待定顺序组织的计算机数据和指令的集合）组成。
3.硬件指由中央处理器，存储器以及外围设备等组成的实际装置，硬件的作用是完成每条指令规定的功能。
指令是计算机运行的最小的功能单位，指令是指示计算机硬件执行某种运算，处理功能的命令。
4.软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序，程序由一个序列的计算机指令组成。
指令是用于设计的一种计算机语言。
5.计算机系统的层次结构：数字逻辑层，微体系结构层（这两层是硬件部分），指令系统层（处在硬件和软件系统），操作系统层，汇编语言层，高级语言层（这三层是软件部分）。
6.运算器（ALU，算术逻辑单元）（1）算术运算和逻辑运算（2）在计算机中参与运算的数是二进制的（3）运算器的长度一般是8，16，32或64位。
7.存储器（1）存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元。
（2）存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号称为地址。
（3）内存储器（ROM,RAM）8.信息单位（1）位（bit，简写b）数字计算机信息单位；包含1位二进制（0或1）（2）字节（Byte,简写B）由8位二进制信息组成（3）字（Word）计算机一次所能处理的二进制位数，至少一个字节，通常把组成一个字的二进制位数称为字长9.存储器的分类（1）按照在计算机中的作用（主存储器，寄存器，闪速存储器，高速缓冲存储器，辅助存储器等）10.主存储器（主存）通常采用半导体存储器（1）随机存取存储器（RAM）CPU可读写，断电时内容被消除（2）只读存储器（ROM）CPU只能读写，断电后可保留其数据，存储在ROM中的软件常被称为固件。
11.寄存器（CPU内部的一组特殊存储单元）（1）读写速度比主存快的多，通常被用于使用最为频繁的数据项，以避免多次访问主存，减少主存访问可大大加快计算机速度。
计算机组成原理[完整版](罗克露)(全)原版
(全)原版](https://img.taocdn.com/s3/m/3e9704064431b90d6c85c7a0.png)
S =（ R ）
R所占位数少； 访问R比访问M快
用于访问固定的存储单元或寄存器。
（3）间接寻址 指令给出操作数的间接地址。
存储单元号 (数在M中) 寄存器号 (数在M中)
间址单元 地址指针
M
● 存储器间址
格式 操作码θ 间接地址D
D=0030
0060
... 0060 S ...
尾数规格化：1/2≤ M
＜1 最高有效位绝对值为1
第二节
指令信息的表示
指令：指示计算机执行某类操作的信息的集合。 本节主要讨论：一般指令格式 常用寻址方式 面向用户指令类型 2.2.1 指令格式
指令基本格式 操作码θ
一个
地址码 D
一个或几个
1. 指令字长
定长指令格式 变长指令格式 2. 操作码结构 （1） 定长操作码 各指令θ 的位置、位数固定相同。 便于控制 合理利用存储空间
数据信息 控制信息 数值型数据 非数值型数据 指令信息等
第一节
数据信息的表示
2.1.1 表示数据的大小
二进制、八进制、十六进制、二-十进制
2.1.2 表示数据的符号
原码、补码、反码
2.1.3 表示小数点
定点、浮点
1. 定点表示法 类型
无符号数 00000000 （ 0） 11111111 （255）
例.ADD；
执行前： 执行后：
低 低
SP
10 20 46
SP
高
30 46
高
2.2.2 寻址方式 是指寻找操作数地址或操作数的方式。
1. 常见寻址方式
（1） 立即寻址 指令直接给出操作数。
定长格式：操作码θ 立即数S 变长格式：基本指令 立即数S
计算机组成原理清华1教材
第四代计算机—超大规模集成电路计算机 设计方法和设计工具的重视 第五代计算机—普适计算机 信息空间和信息空间的入口的矛盾严重限制 了人们获取信息和处理信息的能力 个人数字助理（ Personal Digital Assistant ， PDA）是这一代计算机的典型代表
普适计算特殊性主要有： （1）硬件和软件经常是协同设计的； （2）一种重要目标就是将物理世界和信息 世界相互关联； （3）网络基础设施尤其是无线网络技术的 发展为普适计算提供了物质基础； （4）设备实现小尺寸、微功耗和低成本。 人们周围将有大量功能多样和形态各异的 计算设备。
系列机具有以下特性： 1) 相同的或相似的指令集：多数情况下，系列中的所有成 员都其有完全相同的指令集。这样，能够在一台机器上执 行的指令同样也能在另一台机器上执行。某些情况下，系 列中低端产品的指令集是高端产品的一个子集。这意味着 程序可以向上而不能向下移植。 2) 相似或相同的操作系统：产品家族中的所有成员都有相 同的基本操作系统。有些情况下，高端成员会增添一些新 特性。 3) 更高的速度：成员机器从低端到高端，指令执行速度从 低到高。 4) 更多的I/O端口数：成员机器从低端到高端，I/O端口 数越来越多。 5) 更大的内存容量：成员机器从低端到高端，内存容量越 来越大。 6) 成本增加：成员机器从低端到高端，成本越来越高。
摩尔定律:单个芯片中的晶体管数目每年能够翻一番。 摩尔定律的影响: 1) 在芯片集成度快速增长的期间，单个芯片的成本几乎没 有变化，这意味着计算机逻辑电路和存储器电路的成本显 著下降。 2) 因为在集成度更高的芯片中逻辑和存储器单元的位置更 靠近，电路长度更短，所以提高了工作速度。 3) 计算机变得更小，更容易放置在各种环境中。 4) 减少了电能消耗及对冷却的要求。 5) 集成电路内部的连接比芯片间的连接更可靠，由干芯片 中的电路增加，芯片间的连接变得更少。
计算机组成原理
2、总线规范
每个总线标准都有详细的规范说明，一般包括以下几个部分 1）机械性能规范：模板尺寸、插头、连接器的规格及位置 等。 2）功能规范：信号线的序号、名称及功能等。 3）电气特性的规范：信号线的电平种类、动态转换时间、 负载能力等。
五、总线的性能指标
评价总线性能的优劣 1、总线宽度：主要是指数据总线的数目。如4/8/16/32/64 直接影响总线的传输率（吞吐量） 2、标准传输率（总线带宽） 单位时间内总线上传输数据的位数。以MB/S表示。 例如：某总线工作频率为8.33MHZ，总线宽度为16位，则 标准传输率为 8.33M×2B/s=16.66MB/s 3、总线定时协议（握手机制） 数据传输采用何种时钟控制。分为同步、异步、半同步、 分离式几种 4、总线控制方式：如仲裁机制、自动配置等。 5、总线复用 两种不同时出现的信号共用一组物理线路，即分时使用同 一组总线，称为总线的多路分时复用。其目的在于减少芯 片的引脚数。 6、信号线数：总线所包含的全部信号线的总数。 7、其它指标：如负载能力、电源电压、能否扩展等。
第三章 系统总线
3.1 总线概述 3.2 常用的总线标准 3.3 总线结构
3.4 总线控制
3.1 总线概述
一、为什么要用总线
机内部件间互连方式：
早期：分散连接 以运算器为核心，内部连线复杂，尤其是当I/O 与存储器交换信息时，都需要经过运算器，严重影 响CPU的工作效率。
采用存储器为核心的分散连接结构，虽采用中断、 DMA等技术，仍无法解决I/0设备与主机之间连接的 灵活性。 目前：总线连接
MAR MDR 容量 10 8 1 K × 8位 16 32 64 K × 32位
1K = 210
2 b = 1 KB 1B = 23b 221b = 256 KB 80 GB
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• 考试 闭卷，卷面成绩(70分)+实验成绩(10分)+ 平时成绩(20分)
本章主要内容
• 计算机发展概况
• 计算机分类及应用 • 计算机硬件 • 计算机软件 • 计算机系统的层次结构
1.1 计算机发展概况
一、计算工具的发展
1、算盘(abacus): 公元前500年,古巴 比伦
2、计算尺
1.1 计算机发展概况
一、计算工具的发展
3、机械计算 器:1642年,法国数 学家Blaise Pascal(1623-1662), 进行带进位的加法 和减法
4、差分机 (Difference Engine) 和分析机(Analytical Engine):1823年,英 国数学家Charles Babbage(1791-1871), 提出程序控制的思 想
年代 1946 ~1957 1958 ~1964 1965 ~1972 1973 ~
逻辑 电子管
元件 (真空管
Vacuum tube)
晶体管 集成电路 (超)大规模集 (transistor) (IC)1958 成电路(V)LSI 1947年由 年由德州 贝尔实验 仪器公司 室研制 Jack Kilby
五、非冯．诺依曼模型
和许多 研究领域都属于非冯．诺依曼模型的范畴， 包括神经网络、基因算法、量子计算并行计算机等。
本章主要内容
• 计算机发展概况
(3) 指令由操作码和地址码组成,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;
(4) 采用“存储程序”工作方式 *事先编制由指令组成的程序; *指令在存储器中按顺寻存放.通常,指令是顺序执行 的,在特定条件下,可根据运算结果或设定的条件改变执 行顺序; *计算机在运行时将自动地、连续地从存储器中依 次取出指令加以执行. (5) 由运算器、存储器、控制器、输入设备及输出 设备等五大部件,构成计算机硬件系统.
• 王爱英.计算机组成与结构[M](第4版). 北京:清华大学出版社
• 唐朔飞.计算机组成原理[M].(第2版)北 京：高等教育出版社
• 蒋本珊.计算机组成原理[M].北京：清 华大学出版社
五、参考资料与习题册
•William puter Organization and Architecture (7th Edition)Prentice Hall A.
五、参考资料与习题册
• 徐爱萍编著.计算机组成原理习题与解析. 北京：清华大学出版社
• 唐朔飞编著.计算机组成原理—学习指导与 习题解答.北京：高等教育出版社
• 蒋本珊编著.计算机组成原理学习指导与习 题解析.北京：清华大学出版社
六、其它
• 授课时间 1-14周(周二1-2节、周四5-6节)
• 实验 四次，十六学时
三、课程主要内容
1. 概述
2. 运算方法和运算器
3. 存储系统 4. 指令系统 5. 中央处理器 6. 总线 7. 输入输出系统
四、前修课程与后续课程
• 前修课
模拟电子技术基础，数字电子技术， 汇编语言程序设计
• 后续课
计算机系统结构，接口技术， 计算机 网络
五、参考资料与习题册
•王城.计算机组成与设计[M].北京:清华 大学出版社
《计算机组成原理》课程说明
一、课程性质
计算机专业核心必修课，在计 算机科学中处于承上启下的重要地 位，具有内容多、难度大的特点, 被 设置为考研课程(45分)。
二、 学习目的
本课程通过详细介绍计算机五大硬件 的组成与工作原理，使学生全面系统地掌 握现代计算机的组成方式、工作方式和控 制方式，并进一步建立整机系统的概念。 同时，还要培养学生具有一定的计算机硬 件系统的分析与设计能力。
研制,亦称 微芯片 microchip
存储 磁鼓
磁芯Leabharlann 元件磁芯及集 (超)大规模集 成电路 成电路
第五代计算机系统(FGCS-Fifth Generation Computer System)
• 能识别自然语言的计算机 • 高速超导计算机 • 激光计算机 • 分子计算机 • 量子计算机 • DNA计算机 • 神经元计算机 • 生物计算机 未来趋势： 芯片级节能技术、基础架构级节能技术、系统级节能技术……
2、 冯. 诺依曼体系结构(Von Neumann architecture)
前四代计算机系统结构仍遵循冯.诺依曼提出的 “存储程序”结构原理，其要点为:
(1)数据和指令用二进制代码表示，且二者以同 等地位存放于存储器内，并可按地址访问;
(2)机器以运算器为中心，输入设备与存储器间 的数据传送通过运算器完成；
Rock定律(Intel 公司早期投资人Arthur Rock)：制造半导体集成电路所需主要设备的 成本每4年翻一番。
四、冯．诺依曼型计算机
1、产生背景
1946年，ENIAC的顾问，美籍匈牙利数学家冯.诺依曼 (John Von Neumann)等三人共同发表题为“电子计算机装 置逻辑结构初探”的论文，提出一个完整的现代计算机雏形。
1.1 计算机发展概况
一、计算工具的发展
5、第一台电子数字计算机 (ENIAC--Electronic Numerical Integrator And Computer) :美国 Pennsyivania大学,1946年2月,John Mauchly 和 J.Presper Eckert.
代别 第一代 第二代 第三代 第四代
三、摩尔定律(Moore‘s Law)
1965年，Intel公司奠基人之一摩尔 (Gordon Moore)预言：当价格不变时，硅芯 片上晶体管数目将会每18个月翻一番，性能也 将提升一倍。例如：1971年的Intel 4004芯片 有2300个晶体管，现在片内可以集成几亿个 晶体管。
制约：物理和财务上的限制。
•John L.Hennessy,David puter Organization and Design:The Hardware/Software Interface (3rd Edition) Morgan Kaufmann Publishers inc. USA.