计算机组成原理
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(本全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
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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(白中英)
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
系统结构
RAID4
I/O系统
❖ 专用奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘， 奇偶校验信息存在一台专用盘上
数据块
校验码 产生器
A0
A1
A2
A3
B0
B1
B2
B3
C0
C1
C2
C3
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
❖ 只写一次光盘
只写一次光盘（Write Once Only）：可以由用户写入 信息，不过只能写一次，写入后不能修改，可以多次读 出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修 改和重写的的数据追记在空白区内。
❖ 可檫写式光盘
可檫写式光盘（Rewriteable）：利用磁光效应存取信 息，采纳特殊的磁性薄膜作记录介质，用激光束来记录、 再现和删除信息，又称为磁光盘，类似于磁盘，可以重 复读写。
RAID6
I/O系统
❖ 双维奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉方式存于各盘， 检、纠错信息均匀分布在全部磁盘上
系统结构
A0 A1 A2
3校验码 D校验码
B0 B1
2校验码 C校验码
B2
C0
1校验码 B校验码
C1 C2
0校验码 A校验码
D1 D2 D3
校验码 产生器
7.7 光盘存储设备
– 正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示“0”； – 不论记录“0”或“1”，在记录下一信息前，记录电流
恢复到零电流 – 简洁易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，
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
计算机组成原理目录
计算机组成原理目录
一、基本概念和术语
1.计算机组成原理概述
2.计算机硬件和软件的关系
3.信息的表示和处理
4.计算机的运行原理
二、数字逻辑电路基础
1.布尔代数和逻辑门
2.组合逻辑电路
3.时序逻辑电路
4.存储器和寄存器
三、计算机的指令系统和运算
1.指令的表示和执行
2.数据的表示和运算
3.控制逻辑和控制单元
四、存储器和存储器层次结构
1.存储器的分类和特性
2.主存储器和辅助存储器
3.存储器的层次结构和存取方法
4.存储器的高速缓存和虚拟存储器
五、输入和输出设备
1.输入和输出设备的分类和特性
2.输入设备的接口和数据采集
3.输出设备的接口和数据显示
4.输入输出设备的控制和通信
六、总线和通信
1.计算机系统中的总线
2.总线的分类和特性
3.总线的传输方式和速度
4.总线的控制和仲裁
七、处理器的结构和设计原理
1.处理器的功能和组成
2.数据通路和控制单元的设计
3.内部寄存器和处理器的运行状态
4.处理器的性能评价和优化技术
八、计算机体系结构和指令集
1.计算机的级别和体系结构
2.CISC和RISC的比较
3.指令集的设计和实现
4.多核处理器和并行计算
九、系统总线和I/O设备接口
1.系统总线的结构和功能
2.总线的控制和仲裁机制
3.I/O设备的接口和通信
4.DMA和中断处理机制
十、计算机性能评价和提高技术
1.计算机性能的度量和评价
2.程序的优化和并行化技术
3.存储器层次结构的优化
4.编译器的优化技术。
计算机组成原理(本全PPT)白中英
32
为提高数据的表示精度，当尾数的值不为 0 时，其绝 对值应≥0.5，即尾数域的最高有效位应为1,否则以修 改阶码同时左右移小数点的办法，使其变成这一表 示形式，这称为浮点数的规格化表示。
101.1101=0.1011101×20011=0.010111010×20100
规格化表示为尾数是0.1011101，阶码是0011 而尾数是0.01011101，阶码是0100不是规格化表示。
16
(347) 8 =3×82+4×81+7×80=(103)10 (347.5) 8 =3×82+4×81+7×80+5×8-1 =(231.625)10 (34E.5) 16 =3×162+4×161+14×160+5×16-1 =(846.3125)10
17
2、不同数制间的转换 1＞十进制八，十六进制二进制 法则 整数部分：除8（16）取余数 小数部分：乘8（16）取整 重复循环
0≤︱X︱≤2n －1 或： — (2n －1)≤ X≤2n －1 （16位整数范围：— (215 －1)≤ X≤ (215 －1)
25
2、浮点表示法 1＞数的浮点表示 其范围和精度部分分别用定点数表示 123.45=1234.5×10－1=12345×10 －2 =123450×10 － 3 4796.54＝0 . 479654×104 0.00479654＝ 0 . 479654×10－2 －0.00479654＝ －0 . 479654×10－2
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任意十进制N，可以化为 N＝M×10E 其中M为小数，E为整数 一个数S的任意进制表示 （S）R＝m×Re m ：尾数，是一个纯小数。 e ：比例因子的指数，称为浮点的指数，是一个 整数。 R ：比例因子的基数，对于二进计数值的机器 是一个常数，一般规定Ｒ 为2，8或16。
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将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
谢谢您的聆听
THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
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1、计算机系统由哪两部分组成？计算机系统性能取决于什么？
计算机系统是由软件和硬件组成的，衡量一个计算机系统的优劣是根据多个指标综合确定的，有包含硬件部分的功能，也有包含软件部分的。
2、为什么现在计算机以存储器为中心？
早期计算机存储容量小，数据经过运算器较少，在效率上对系统没有明显的影响。
但是现在存储器容量越来越大，且外部设备的速度远小于CPU的速度，所以数据经过运算器会拖慢系统的效率。
以存储器为中心，让IO绕过运算器，可极大的提高系统的效率。
3、按照“存储程序”原理，计算机应该有哪五大功能
数据传递、数据存储、数据处理、操作控制、操作判断
4、计算机工作的步骤？
（1）把指令和程序装入主存储器
（2）从程序的首地址运行程序
（3）取出第一条指令，然后译码、执行，控制计算机各个部件协同运行，完成这条指令后，计算下一条指令的地址。
（4）用新得到的指令地址，继续读取第二条指令执行。
每条指令都是取指、译码、执行直到结束
5、计算机主要性能指标：
机器字长、数据通路带宽、主存容量、运算速度。
运算速度包括：吞吐量、响应时间、主频、CPU周期、CPI等
6、计算机系统5层层次结构从下到上由哪五层组成？哪些是物理机，哪些是虚拟机？
微程序机器、传统机器、操作系统机器、汇编语言机器、高级语言机器
微程序机器和传统机器是物理机，其他是虚拟机。
7、在计算机系统结构中，什么是翻译？什么是解释？
翻译就是把一种编程语言全都换成另一种语言，解释就是一句一句的解释和执行，总的来说就是一股脑和一下一下的区别。
8、冯诺依曼机器的主要特点？
是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构
有五个特点：（1）由运算器，存储器，控制器，输入设备、输出设备这五大部件组成（2）指令和数据以二进制形式存储在存储器中
（3）整个系统以运算器为中心
（4）指令有操作码和地址码
（5）指令按顺序存在，并按一定顺序输出
9、有哪些常用BCD码
BCD码是用二进制表示十进制的编码方式。
有8421码、余三码等
10、ASCII码
国际上用7位二进制码标识一个ASCII码，包括数字、字符、还有不可印刷的字符。
11、主频高的CPU一定比主频低的CPU快吗？
不一定，对于计算机运算速度，CPU的主频只是其中的一个指标。
没有明显的公式表明，主频越高计算速度越快。
12、高速缓存的作用
连接CPU和内存。
13、cache和寄存器区别？
寄存器是暂时存储的CPU组成部分，cache用来做高速CPU和低速的主存之间的加速带。
14、指令系统
CISC复杂指令集，RISC是精简指令集。
15、流水线
流水线技术是一种显著提高指令执行速度与效率的技术，方法是：指令取指完成后，不等该指令执行完毕即可取下一条指令。
将重复性的过程分为若干个子过程来完成。
16、总线和I/O
总线是指数据通信的连接线，有地址，数据，控制指令。
I/O的方式有程序性，中断性，通道，DMA
17、主存储器中，什么是MAR，什么是MDR，存储器的最大容量由什么决定？
MAR是地址寄存器，MDR是数据寄存器，存储器的最大容量由地址寄存器和数据寄存器的位数来决定的。
18、什么是机器字长，什么是存储字长，什么是指令字长？
机器字长是CPU执行一次操作的二进制位数
存储字长是一个存储单元存的最长位数
指令字长是机器指令中二进制的最长位数
19、系统总线按照传输信息的不同，分成哪几类？是单向的，还是双向的？
分为数据总线，地址总线和控制总线，其中，数据总线和控制总线是双向的，而地址总线是单向的，由CPU发出。
20、存储器按存取方式，可以分成哪四类？哪些属于随机访问存储器，哪些属于串行访问存储器？
可以分为随机存储器（RAM）、只读存储器(ROM)、顺序存储器(SAM)和直接存储器(DAM)；
随机存储器和只读存储器属于随机存储器，即存取时间与物理地址无关；
顺序存储器（典型的如磁带）和直接存储器（典型的如磁盘）属于串行存储器，即存取时间与物理地址有关。
21、衡量存储器使用哪三个指标？
分别是容量，速度和价格。
其中寄存器速度最快，主存最便宜
22、常见的存储系统层次结构有哪两种？
一个是主存和辅存的层次结构，主要是用来解决主存容量不足的问题，对应用程序设计者透明，对系统程序设计者不透明。
另一个是主存和cache的层次结构，主要是用来解决主存和CPU速度不匹配的问题，对所有程序员透明。
23、字在存储单元中有两种存储方式，大端方式和小端方式。
各是什么含义？x86采用的是哪种存储方式？
大端方式：字的低位存在内存的高地址中，而字的高位存在内存的低地址中；
小端方式：字的低位存在内存的低地址中，而字的高位存在内存的高地址中。
x86CPU采用的是小端方式。
24、什么是存取时间？什么是存取周期？哪个大？
存取时间是启动一次存储器从开始到结束的过程，存取周期是两次启动存储器的时间间隔，其中存取周期包含存取时间。
25、随机存储器包含哪两大类？哪个需要刷新？
静态SRAM：采用锁存器原理实现；
动态DRAM：采用电容原理实现，需要刷新。
相比于动态RAM，静态RAM的速度快、容量小、价格高，一般用于缓存，而动态RAM 一般用于内存（总之就是静态的RAM的价值更高）
26、提高访存速度的三种方式。
硬件方面：采用高速元器件；
软件方面：采用存储层次结构：主存--cache结构；
调整主存结构：包括单体多字，多体并行两种方式（软件方面）
27、什么是中断？
总的来说，就是系统在运行过程中，遇到了异常。
系统就开始采取中断措施。
停止当前的运行，并保存对应的现场，随后去处理该异常，之后恢复现场，继续执行。
28、中断服务程序的基本流程包括哪四部分？
保护现场——中断服务——恢复现场——中断返回
29、CPU响应中断的时机？
当前指令结束之后
30操作码长度有固定长度和可变长度两种，各自有什么优点？
固定长度：便于硬件设计，指令译码时间短；
可变长度：压缩了操作码平均长度；
31、什么是DMA？
从输入输出设备这里，直接访问内存，在主存和I/O设备之间建立独立的总线连接。
32、什么是形式地址？什么是有效地址？
形式地址：指令的地址码字段通常都不代表操作数的真实地址，记为A；
有效地址：操作数的真实地址，记为EA，由寻址特征和形式地址共同决定；
33、数据在存储器中存储时，为什么要按照边界对齐？
为了减少访存次数
34、当使用寄存器代替指令字中的地址码字段后，有哪些优点？
减少访存次数
提高寻址范围。