计算机软硬件体系结构和原理精选
计算机原理
计算机原理计算机原理是一门涉及计算机硬件和软件的课程，它介绍计算机是如何工作的，包括计算机内部的硬件与软件、计算机的架构、指令集、存储器、I/O设备、操作系统等。
该门课程的重点是介绍计算机是如何协同工作的，并提供理论和实践的基础，以便学生能够将所学知识转化为实际的应用。
计算机系统包括硬件和软件两个方面，而真正能够实现计算机指令的是硬件系统。
硬件系统由内存储器、控制器、算术逻辑运算部件(ALU)和I/O设备等部分组成。
在计算机工作时，每个指令都要先存入存储器中，然后经由控制器和ALU工作之后给出结果，最终由I/O设备输出。
指令集是一台计算机硬件系统中的重要组成部分，指的是为计算机控制器所设计、可由之识别的指令的总体集合。
通常而言，指令集包括众多不同类型的指令，以便对不同的数据类型和操作进行处理。
存储器是计算机系统中的重要组成部分。
在计算机执行程序时，需要存储指令和数据，以便被控制器和ALU使用。
在现代计算机体系结构中，存储器通常由两类组件构成，一类是内存储器，一类则是外部磁盘等辅助设备。
I/O设备包括键盘、显示器、鼠标、打印机等外部硬件。
这些设备负责将人类语言输入计算机，并将计算机的输出转化为人类可读写的信息。
操作系统是计算机系统中核心软件之一，它承担着分配存储空间、处理器时间、I/O请求以及其他相关任务的职责。
操作系统和应用程序共同工作，以便实现计算机系统的高效运作。
其中，计算机系统的性能取决于其架构，因此设计计算机架构是十分重要的工作之一。
架构定义了计算机硬件和软件之间的接口和交互方式。
它具有与应用程序无关的通用性和可重用性，因此对软件开发和技术升级都至关重要。
计算机原理中还涉及到计算机工程、网络、编程等多种学科，它们共同构成了计算机科学的核心。
计算机科学是为了解决计算机所涉及的问题而生产的跨学科领域，涵盖了理论、算法、硬件体系结构、软件实现、数据库技术、编程范式等方面。
总之，计算机原理是计算机科学中的核心课程之一，它提供了计算机系统不同层次的理解，对软硬件的深入理解有助于理解计算机系统的工作流程和设计原理，使人们更好地理解计算机，掌握计算机技术，并在实践中更加高效地使用计算机。
计算机组成原理全套PPT课件
IC
计算机组成原理
2.运算速度
CPU执行时间：是指CPU计算某个任务所花费的 时间，不包括I/O访问时的等待时间等。
CPU执行时间=CPU时钟周期总数×时钟周期 =指令条数×CPI ×时钟周期
从上面的公式可以看出CPU的性能与计算机 体系的关系: ⑴时钟频率反映了计算机的实现技术和生产工艺. ⑵CPI反映了计算机的实现技术和指令集结构. ⑶IC反映了计算机指令系统的设计和编译技术.
lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2)
1000 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0000 1000 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0100 1010 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0000 1010 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0100
序→机器语言目标程序。 2.编译程序(Complier)：高级语言源程序
→汇编/机器语言目标程序 3.解释程序(Interpreter )：将高级语言
语句逐条翻译成机器指令并立即执行,不 生成目标文件。
计算机组成原理
2. 计算机的解题过程
计算机组成原理
软 件
硬 件
temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;
2.运算速度
时钟周期:又称为节拍周期或T周期,是时钟频率的 倒数。是处理器操作最基本的时间单位。例如，主 频为1GHz的CPU的时钟周期为1ns。
CPI：表示执行每条指令所需要的平均时钟周期数。
CPI=一个程序的CPU时钟周期数÷程序指令数量
计算机硬件体系结构
3.2 微型计算机主机结构
3.2.3 主板
主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了CPU、各种 接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备 也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。
3.2 微型计算机主机结构
3.2.3 主板
主板上的主要部件： 1，三大芯片：
• • • 北桥芯片：主桥。负责CPU和内存及显卡之间的数据传输。 南桥芯片（包含了CMOS芯片） ：负责CPU和低速设备之间的数据 传输。 BIOS芯片：BIOS程序；CMOS参数设置程序；自检自举；。
Intel公司
• Intel公司创建于1968年，是生产 CPU的“老大”。
• Intel领导着CPU的世界潮流，从 286、386、486、Pentium、 Pentium Pro、PentiumⅡ、 PentiumⅢ， Pentium 4到现在主
流的酷睿2 ，可以说intel公司的
发展史就是pc机的发展史。
AMD公司
• AMD创办于1969年，AMD是目前惟一 能与Intel竞争的CPU生产厂家，AMD公 司的产品形成了以Duron(毒龙), Athlon (速龙), Sempron(闪龙)为核心的一系列产 品。速龙和奔腾一样是高端,闪龙和赛扬 一样是低端产品,毒龙以前的代号,现在 基本不用 • Intel的工艺更好，所以同档次的、同时 期的CPU当中，AMD比Intel稍微差一点。 不过AMD的性价比更好。
BIOS中主要存放：
● 主要I／O设备的驱动程序和中断服务：它是微机系统软、 硬件之间的一个可编程接口，用于程序软件功能与微机 硬件实现的衔接。 DOS/Windows操作系统对软、硬盘、 光驱与键盘、显示器等外围设备的管理即建立在系统 BIOS的基础上。 ● CMOS设置程序：引导过程中，用特殊热键启动，进行 设置后，存入CMOS RAM中；
计算机组成原理唐朔飞完整版
取x 至运算器中 乘以a 在运算器中 加b 在运算器中 乘以x 在运算器中 加c 在运算器中
指令格式举例
1.2
操作码
地址码
取数 000001 存数 加 乘 打印 停机
α 0000001000 β γ δ
[α]
ACC
[ACC] [ACC]+[γ] [ACC]×[δ]
[ ]
β ACC
ACC 打印机
计算 ax2 + bx + c 程序清单
乘积高位
乘数 乘积低位
被除数
除法 余数
商
X 加数 减数 被乘数 除数
① 加法操作过程
1.2
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
加
初态 ACC [M]
[ACC]+[X]
M 被加数 X ACC
② 减法操作过程
1.2
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
减M
初态 ACC [M]
[ACC]-[X]
被减数 X ACC
1.2
指令和数据存于
指令
主存单元的地址 操作码 地址码
注释
0
000001 0000001000 取数x至ACC
1
000100 0000001001 乘a得ax,存于ACC中
2
000011 0000001010 加b得ax+b ,存于ACC中
3
000100 0000001000 乘x得（ax+b)x,存于ACC中
计算机
存储器 I/O
第３篇 CPU
系统总线
CPU
中央处理器
ALU CU
CPU 内部互连
第2章微型计算机系统的组成及工作原理
2.5.6 ISA总线的定义与应用
2. ISA总线的信号线定义 ——98芯插槽，包括地址线、数据线、控制线、时钟和电源线 (1)地址线：SA019和LA1723 (2)数据线：SD015 (3)控制线：AEN、BALE、 IOR 和 IOW、 SMEMR和 SMEMW
MEMR 和 MEMW、 MEM CS16 和 I/O CS16 、SBHE
2.1.2 微机系统的软件配置
系统软件、工具软件、应用软件、用户应用程序
.3 微机系统中的信息流与信息链
1. 微机系统中信息流与信息链的构成 信息流：存储器中的数据、程序代码；接口寄存器中的I/O数据、 状态、I/O命令 信息链：信息流在系统中流动的路径； 包括物理(硬件)环节和逻辑(软件)环节 2. 微机系统中信息流与信息链 ——早期微机系统/现代微机系统中的信息链 3. 研究信息流与信息链的意义 ——通过信息流从整体上认识微机体系结构和组成微机系统的各 部件之间的关系
2.5.7 现代微机总线技术的新特点
3. 总线桥 (1) 总线桥 ——总线转换器和控制器，是两种不同总线间的总线接口 内部包含兼容协议及总线信号和数据缓冲电路；把一条总线映 射到另一条总线上 北桥：连接CPU总线和PCI总线的桥 南桥：连接PCI总线和本地总线(如ISA)的桥 (2) PCI总线芯片组 ——实现总线桥功能的一组大规模集成专用电路 保持主板结构不变前提下，改变这些芯片组的设计，即可适应 不同微处理器的要求 4. 多级总线结构中接口与总线的连接
2.4 I/O设备与I/O设备接口
2.4.1 I/O设备及其接口的作用
1. I/O设备的作用 2. I/O设备接口的作用——连接与转换
2.4.2 I/O设备的类型及设备的逻辑概念
计算机组成与系统结构 复习要点解析
第一章计算机系统概论1、基本概念硬件：是指可以看得见、摸得着的物理设备（部件）实体，一般讲硬件还应包括将各种硬件设备有机组织起来的体系结构。
软件：程序（代码）+ 数据 + 文档。
由两部分组成，一是使计算机硬件能完成运算和控制功能的有关计算机指令和数据定义的组合，即机器可执行的程序及有关数据；二是机器不可执行的，与软件开发、过程管理、运行、维护、使用和培训等有关的文档资料。
固件：将软件写入只读存储器ROM中，称为固化。
只读存储器及其写入的软件称为固件。
固件是介于硬件和软件之间的一种形态，从物理形态上看是硬件，而从运行机制上看是软件。
计算机系统的层次结构：现代计算机系统是由硬件、软件有机结合的十分复杂的整体。
在了解、分析、设计计算机系统时，人们往往采用分层（分级）的方法，即将一个复杂的系统划分为若干个层次，即计算机系统的层次结构。
最常见的是从计算机编程语言的角度划分的计算机系统层次结构。
虚拟计算机：是指通过配置软件扩充物理机（硬件/固件实现）功能以后所形成的一台计算机，而物理机并不具备这种功能。
虚拟机概念是计算机分析设计中的一个重要策略，它将提供给用户的功能抽象出来，使用户摆脱具体物理机细节的束缚。
2、计算机的性能指标。
1 吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，用bps度量。
2 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。
3 利用率：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所在的比率，用百分比表示。
4 处理机字长：常称机器字长，指处理机运算中一次能够完成二进制运算的位数，如32位机、64位机。
5 总线宽度：一般指CPU从运算器与存储器之间进行互连的内部总线一次操作可传输的二进制位数。
6 存储器容量：存储器中所有存储单元（通常是字节）的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。
7 存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用B/s（字节/秒）表示。
计算机组成原理课程介绍
计算机组成原理课程
四、教学方法
填鸭似的 灌入式 学生参与思索的 启发式 激发学生主动探求答案积极性的 激发式
老师授课时 在每个章节处安排疑点 在每一堂课的前后连接处提出悬念 激发学生学习的兴趣和探索的欲望，引导学生主动思考
（10）控制单元的设计（4 学时） 组合逻辑设计：组合逻辑控制单元框图、微操作节拍安 排、组合逻辑设计举例。 微程序设计：微程序控制单元框图及工作原理、微指令 的编码方式、微指令地址的形成方式、微指令格式、微程序 设计举例。
计算机组成原理课程
二、教材选择
选用普通高等教育 “十一五” 国家级规划教材《计算机组 成原理第 2 版》（唐朔飞编著，高等教育出版社， 2008 年 1月） 该教材是面向 21 世纪课程教材《计算机组成原理》的第 2 版。
计算机组成原理教学设计
哈尔滨工业大学 唐朔飞
2009年10月30日
计算机组成原理教学设计
课程的内容体系 教材选择 课程讲授 作业安排 实验环节 考题设计 成绩评定
计算机组成原理教学设计
一、课程的内容体系
1．基本描述 课程名称：计算机组成原理 课程英文名称：Principles of Computer Organization 课程性质：计算机科学与技术专业必修的核心专业基础课 总学时：68 讲课学时：52 实验学时：16 先修课程：计算机导论、数字逻辑设计、汇编语言程序设计 后续课程：计算机接口技术、计算机系统结构、操作系统等
哈工大是国家 “985” 重点建设的大学，哈工大计算机 科学与技术学科被认定为国家一级重点学科，我们的人才 培养理念是 “研究型、个性化、精英式” 人才。
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。