袁春风《计算机组成与系统结构》概要

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计算机组成原理 [袁春风]chap1

计算机的结构

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计算机的存储格式
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计算机操作部分流程图

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冯诺依曼结构的主要思想
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非冯诺依曼计算机的发展
! 非冯诺依曼结构的计算机
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公司的机
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相比价格更低更小巧因而被称为小型机
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计算机的五个发展阶段
计算机时代划分
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问题计算机的基本功能是什么问题这些基本功能如何实现

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系列计算机
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IBM公司于1964年研制成功引入了兼容机
兼容机的特征

计算机组成原理 [袁春风]chap8

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CRT结构图
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8.2.2 显示器
分辨率和灰度级
– CRT荧光屏在水平方向和垂直方向单位长度上能识别的最大光点数称为分辨率。也即：CRT的分辨率是可以无重叠显示的最多点数。 – 通常称分辨率为水平和垂直方向的总点数，但更精确的分辨率定义是在x和y方向上每厘米可绘制的点数 (水平分辨率和垂直分辨率) – 灰度级是指像素点的亮度级差，在彩色显示器中表现为色彩的差别,即颜色数。真彩色显示器的颜色位数为： 24位=8位(红)+ 8位(绿)+ 8位(蓝)。所以颜色数为： 224 。
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ACSII码表
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8.2.1 键盘
键盘输入信息过程
– 按下一个键 – 查出按下的是哪个键 ②线反转法 ①行扫描法(微机系统中应用广) – 将按键位置信息转换为对应的ASCII码，保存到计算机中。
按功能可分为以下两类：
输出设备：
其它：
– 终端设备(键盘+显示器) – 外存储器(磁盘、磁带、光盘)
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8.2 外部设备
外设的通用模型
– 通过电缆与计算机内部的I/O接口进行数据、状态和控制信息的传送。 – 控制逻辑根据控制信息控制设备的操作，并检测设备状态。 – 缓冲器用于保存交换的数据信息。 – 变换器用于在电信号形式（内部数据）和其他形式的设备数据之间进行转换。
(American Standard Code for Information Interchange)

计算机系统基础袁春风

计算机系统基础引言计算机系统是由硬件和软件组成的，是现代社会信息技术的基石。

理解计算机系统的基本原理和工作方式是作为一名计算机科学专业学生的必备技能。

本文将介绍计算机系统的基础知识，包括计算机硬件的组成以及计算机软件的层次结构。

计算机硬件计算机硬件是指计算机系统中的物理设备，包括中央处理器（CPU）、内存、输入设备、输出设备和存储设备等。

下面分别介绍各个硬件组件的功能和作用。

中央处理器（CPU）中央处理器是计算机系统的核心部件，负责执行指令和处理数据。

它包括控制单元和算术逻辑单元。

控制单元负责解析指令并控制程序的执行，而算术逻辑单元负责进行数学和逻辑运算。

内存内存是计算机系统中用于存储程序和数据的地方。

它可以分为主存储器和辅助存储器。

主存储器一般是指随机存取存储器（RAM），它可以快速读写数据，但是断电后数据将会丢失。

辅助存储器一般是指硬盘、固态硬盘和光盘等，它们可以长期保持数据。

输入设备和输出设备输入设备用于将外部信息输入到计算机系统中，常见的输入设备包括键盘、鼠标和扫描仪等。

输出设备则用于将计算机系统中的信息输出给用户，常见的输出设备包括显示器、打印机和音响等。

存储设备存储设备用于存储数据，并且可以长期保存。

常见的存储设备包括硬盘、固态硬盘和光盘等。

计算机软件计算机软件是指计算机系统中的程序和数据。

它可以分为系统软件和应用软件两个层次。

系统软件系统软件是为计算机硬件提供服务的软件。

它包括操作系统、编译器和数据库管理系统等。

操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理和协调计算机硬件和软件资源的使用。

编译器是将高级语言程序源代码翻译为机器语言的软件。

数据库管理系统是用于管理和组织数据的软件。

应用软件应用软件是为用户提供各种应用功能的软件。

它可以满足用户的特定需求，如文字处理、图像处理和多媒体处理等。

总结计算机系统是由硬件和软件组成的，理解计算机系统的基本构成和工作原理对于学习和使用计算机系统是非常重要的。

计算机组成原理_[袁春风]chap1

问题1：引入“兼容机”有什么好处？
有些低端机指令集是高端机的一个子集，称为“向后兼容”。
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问题2：实现“系列机”的关键是什么？
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1.2 计算机发展简史

以后几代（标准、意见不一）（第四代：LSI/VLSI/ULSI 1972～至今）
– 微处理器和半导体存储器的技术发展迅猛，微型计算机出现。
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1.2 计算机发展简史

第二代：晶体管 1958～64年
–元器件：逻辑元件采用晶体管以外，其内存储器由磁芯构成，磁鼓与磁带成为外存储器。
–特点：变址，浮点运算，多路存储器，I/O处理机，中央交换结构。 –软件：使用了高级语言，并提供了系统软件。 –代表机种：IBM 7094和DEC PDP-1
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1.2 计算机发展简史

第三代：SSI/MSI 1965～71年
– 元器件：逻辑元件与主存储器均由集成电路实现。 – 特点：微程序控制，Cache，虚拟存储器，流水线等。 – 代表机种： IBM 360和DEC PDP-8（大型/巨型机与小型机同时发展）
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冯· 诺依曼生平简介
诺依曼 John von Neuman（1903~1957）美籍匈牙利数学家。 1903 年 12 月 28 日生于布达佩斯。诺依曼先后入柏林大学和苏黎世技术学院学习， 1925 年毕业，获化学工程师称号， 1926 年获布达佩斯大学数学博士学位。毕业后在德国汉堡大学任教。 1930 年移居美国，在普林斯顿大学和该校高级研究所工作。诺依曼 1944 年参加 J· W 莫奇利和 J· P· 埃克脱领导的“埃尼阿克”（ ENIAC ）计算机研究工作，在计算机的理论和设计方面发挥了重要作用。 1945年年中，诺依曼发表了离散变量自动电子计算机“埃德伐克” （EDVAC）计算机设计方案，提出重大革新措施。1946年，他与J· 巴克斯等合作，提出更加完善的计算机设计报告《电子计算机逻辑设计初探》。它是以 C· E· 仙农提倡的二进制、程序内存以及指令和数据统一存储为基础，对于现代计算机的发展具有重要的意义。

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提供的常用服务
操作系统主要提供下列服务：
– 程序建立：提供各种工具软件，帮助程序员建立程序。这类软件通常被称为实用程序(utilities) 。 – 程序执行：任务必须通过执行一个程序来完成，例如指令和数据必须调入主存，I/O设备和文件必须初始化，以及其他资源必须准备好。所有这些事情都由操作系统处理。 – 访问I/O设备：每个I/O设备需要根据自已特有的指令集或控制信号进行操作。操作系统负责这些细节功能的实现，因此程序员只需考虑简单的读和写。 – 控制存取文件：在文件方面，控制包括对I/O设备（磁盘驱动器、磁带机）的性质以及对存储介质上文件格式的理解，操作系统考虑这些内容。 – 系统存取：在共享或公共系统中，操作系统控制作为整体或特定系统资源的
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作业控制语句
$END $LOAD 待编译程序
$FTN $JOB
4.7.1 操作系统概述-发展过程
(3) 复杂的批处理系统 • 同时提交多个作业给系统,可使 CPU时间被充分利用。利用中断等机制来实现作业之间的切换。
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4.7.2 调度
进程状态及其转换
短项队列时间到入主存初始化生成进程控制块处理器空闲 I/O操作完成等
长项队列
I/O请求异常
I/O队列
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4.7.2 调度
进程控制块(PCB) Process Control Block -进程状态信息 -进程执行所需信息队列：等待使用某种资源的进程等待列表。
解决该问题的方法----紧缩(compaction)技术

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SRAM
静态MOS
目前的主流技术
DRAM
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4.2.1 记忆单元的基本原理
双极型记忆单元电路
• 稳态时位线S0 S1接+0.5V 字线接+0.3V 使电流流入字线 “0”— T0导通 T1截止 “1”—T1导通 T0截止 • 读写时字线W上加高电位表示选中该字 T1管导通 T0管导通写“1”时位线S0上同时加高电位使T0管截止写“0”时位线S1上同时加高电位使T1管截止
第四章存储系统
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第四章内部存储器
存储器的基本概念半导体存储器多模块存储器高速缓冲存储器辅助(外部)存储器虚拟存储器
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4.1 存储器的基本概念
基本术语主要性能指标存储器分类存储器分级体系结构
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存储器地址寄存器 MAR 存器存储器数据寄存器 MDR 的寄存器
用于存放主存单元地址的寄用于存放主存单元中的数据
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4.1 .1 基本术语
存储字编址单位和传输单位
– 机器字长运算器中参加运算的寄存器的位数存储器按机器字长组织的一个“自然”单位它 – 存储字的长度一般应等于一个数或指令的位数但大多数机器并不是这样存储芯片中的一个读写单位 – 编址单位一个存储单元的位数有的按字编址有的按字节编址等等 – 传输单位对主存而言指一次从存储器读出或写入的数的位数它可以不等于存储字的长度也可不等于编址单位对外存而言数据通常按块传输例如 386/486等其编址单位为字节字长为32位单字位数为16位但传输单位可以是8/16/24/32位

计算机组成原理袁春风

介绍二进制、十进制、十六进制等数制的基本概念及相互转换方法。
计算机中数的表示
讲解计算机中负数的表示方法，如原码、反码、补码等。
编码的基本概念
阐述编码的定义、分类及常用编码方法，如ASCII 码、Unicode编码等。
逻辑代数基础
逻辑变量的基本概念
介绍逻辑变量、逻辑函数的基本概念及表示方法。
主存储器（Main Memory）
位于计算机主机内部，用于存放正在运行的程序和数据。
辅助存储器（Auxiliary Memo…
位于计算机主机外部，容量大、速度慢，用于长期保存信息。
主存储器
随机存取存储器（RAM）
只读存储器（ROM）
可读可写，断电后信息丢失，用于存放临时数据和程序。
只读不写，断电后信息不丢失，用于存放固定程序和数据。
逻辑代数的基本运算
讲解逻辑与、逻辑或、逻辑非等基本运算的定义、性质及运算规则。
逻辑函数的化简
阐述逻辑函数的化简方法，如公式法、卡诺图法等，以及化简在数字电路设计中的应用。
门电路与组合逻辑电路
门电路的基本概念
介绍与门、或门、非门等基本门电路的工作原理及特性。
组合逻辑电路的分析与设计
讲解组合逻辑电路的分析方法，如真值表、逻辑表达式等，以及组合逻辑电路的设计方法，如编码器、译码器、数据选择器等。
固态驱动器（SSD）
采用闪存作为存储介质，具有速度快、无噪音、抗震动等优点，但价格较高。
网络存储
通过网络连接远程服务器上的存储设备，具有容量大、可共享等优点，但速度和安全性受网络影响。
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中央处理器
CPU的功能和组成
控制单元（CU）负责协调计算机各部件工作，包括取指、分析指令和执行指令。

计算机组成原理袁春风

计算机组成原理袁春风计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门重要基础课程，它主要介绍了计算机系统的硬件组成和工作原理。

作为计算机领域的重要基础知识，计算机组成原理的学习对于培养学生的计算机系统分析与设计能力具有重要意义。

首先，计算机组成原理涉及到计算机系统的各个组成部分，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。

其中，中央处理器作为计算机系统的核心部件，负责执行程序指令和进行数据处理，是整个计算机系统的“大脑”。

而存储器则用于存储程序和数据，包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等，它们在计算机系统中起着临时存储和永久存储的作用。

此外，输入输出设备则负责与外部环境进行信息交换，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。

其次，计算机组成原理还涉及到计算机系统的工作原理和数据传输方式。

在计算机系统中，数据的传输是通过总线进行的，它包括地址总线、数据总线和控制总线等。

地址总线用于传输地址信息，数据总线用于传输数据信息，控制总线用于传输控制信号。

通过这些总线的协同工作，计算机系统能够实现对数据的传输和处理，从而完成各种计算任务。

此外，计算机组成原理还包括指令系统的设计和实现。

指令系统是计算机系统中的重要组成部分，它定义了计算机能够执行的指令集合和指令的格式，包括数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令等。

通过指令系统的设计和实现，计算机系统能够实现对程序的执行和控制，从而完成各种计算任务。

总的来说，计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门重要基础课程，它主要介绍了计算机系统的硬件组成和工作原理。

通过学习计算机组成原理，可以帮助学生深入理解计算机系统的工作原理，培养他们的计算机系统分析与设计能力，为他们今后的学习和工作打下坚实的基础。

同时，计算机组成原理也是计算机科学与技术专业的一门重要学科，它与计算机组成与设计、计算机体系结构等学科有着密切的联系，共同构成了计算机科学与技术专业的重要知识体系。

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3.1高级语言和机器指令中的运算 • 移位运算，位扩展和位截断 3.2基本运算部件 3.3定点数运算 • 补码加减法运算，P75公式(3-4) • 4个标志的含义及设置,P76 3.4浮点数运算浮点数加减运算
Chapter3 运算方法和运算部件
P104习题 2.(2)(3) 7.(1) 12
Chapter4 指令系统
Chapter7 存储器分层体系结构
P288习题 2(4)(5)(9)(10) 5 13
Chapter8 互联及输入输出组织
8.1外部设备的分类 8.2输入设备和输出设备 8.3外部存储设备 8.4外设与CPU、主存的互联 • 总线及其分类 8.5 I/O接口 • I/O接口的定义 • I/O接口的通用结构(P318图8.15) • I/O端口的定义及其编址方式
4.1指令格式设计 4.2指令系统设计 • 寻址方式的定义及分类 • 扩展操作码编码，P115 例4.1
Chapter4 指令系统
P139习题 2(4) 4 6
Chapter5 中央处理器
5.1CPU概述 • 数据通路的定义 • P144图5.1 CPU基本组成原理图 • 数据通路的组成 (P144最下面一段) • 基于单总线数据通路的四种基本操作的控
2.4十进制数的表示 • ASCII码 2.5非数值数据的编码表示 • 8421码 2.6数据的宽度和存储 • 大端方式和小端方式 2.7数据校验码 • 码距的定义及计算 • 奇偶校验码
Chapter2 数据的表示
P62习题 2.(1)(3)(5) 7,9,12,16,17,18
Chapter3 运算方法和运算部件
Chapter8 互联及输入输出组织
8.6 I/O数据传送控制方式 • 三种方式及其比较（P332-333） • 中断优先级的动态分配（P331例8.3）
Chapter8 互联及输入输出组织
P345习题 13
Chapter6 指令流水线
P232习题 2(1)
Chapter7 存储器分层体系结构
7.1存储器概述 • 存储器的容量，如何由引脚图推出其容量。 • 图7.2存储器层次结构 7.2 半导体RAM • 存储器芯片的内部结构，P241图7.6 7.3存储芯片的扩展 • 三种扩展方式
Chapter7 存储器分层体系结构
7.6Cache • 程序访问的局部性及其分类 • Cache-主存系统的平均访问时间(P256中的
公式) • 三种映射方式 • 替换算法，特别是LRU • Cache的一致性问题(两种写操作)
Chapter7 存储器分层体系结构
7.7虚拟存储器 • 虚拟地址空间的概念 • 三种虚拟存储器实现形式
Chapter1 计算机系统概述
1.1计算机的发展历程 1.2计算机系统的基本组成 1.3计算机系统的层次结构 • 翻译程序及其分类 • ISA定义 • 计算机系统的层次化结构，P12图1.8 1.4程序开发与执行过程 1.5计算机性能评价 • 计算机性能的定义 • CPI，MIPS的定义及计算
Chapter1 计算机系统概述
P23习题： 1.-透明性的定义 5,6,9,10ຫໍສະໝຸດ Chapter2 数据的表示
2.1数制和编码 • 二八十六进制的转换 • 原码，补码，反码，移码 2.2整数的表示 • 无符号数与有符号数的转换，表2.2 2.3实数的表示 •浮点数的规格化 •IEEE754标准(float，double)
Chapter2 数据的表示
制时序。
5.5异常和中断处理 • 内部异常和外部中断的定义 • 异常处理包含哪两个步骤？
Chapter5 中央处理器
P191习题 2(3)
Chapter6 指令流水线
6.1流水线概述 • 流水线的定义 6.2流水线处理器的实现 • 11条MIPS指定统一按照LW指令划分为5个功
能段 6.3流水线冒险及其处理 • 流水线冒险的定义 • 三种流水线冒险的定义及其解决方法