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。
计算机组成原理知识点总结
计算机组成原理知识点总结第一章一、数字计算机的五大部件（硬件）及各自主要功能（P6）计算机硬件组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。
1、存储器（主存）主要功能：保存原始数据和解题步骤。
包括：内存储器（CPU 直接访问），外存储器。
2、运算器主要功能：进行算术、逻辑运算。
3、控制器主要功能：从内存中取出解题步骤（程序）分析，执行操作。
包括：计算程序和指令（指令由操作码和地址码组成）。
4、输入设备主要功能：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。
5、输出设备主要功能：把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。
注：1、冯诺依曼结构：存储程序并按地址顺序执行。
2、中央处理器（CPU）：运算器和处理器的结合。
3、指令流：取指周期中从内存读出的信息流，流向控制器。
数据流：在执行器周期中从内存读出的信息流，由内存流向运算器。
二、数字计算机的软件及各自主要功能（P11）1、系统软件：包括服务性程序、语言程序、操作程序、数据库管理系统。
2、应用程序：用户利用计算机来解决某些问题而设计。
三、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。
8、主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，按照规定在某个时间段做什么（从什么时候开始、多长时间完成），主时钟不断产生固定频率的时钟信号。
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理是一门计算机科学基础课程，它主要涉及计算机硬件结构和系统软件两个方面。
以下是一些知识点的汇总：
1. 计算机的基本组成：包括运算器、控制器、存储器和输入输出设备。
2. 计算机的存储器层次结构：主要包括寄存器、高速缓存、内存和外存，每一级存储器速度和价格都有所不同。
3. CPU的工作原理：CPU主要由控制器和ALU两部分组成，通过不同的指令和数据进行运算和控制，实现程序的执行。
4. 指令系统和编程：计算机执行的所有程序都是由一系列指令组成的，不同的指令可以执行不同的操作。
5. 总线和I/O系统：总线是连接不同部件的主要通道，而I/O系统则负责计算机与外部设备的数据传输和控制。
6. 中断和异常：计算机系统在执行程序时可能会遇到不正常的情况，这时就需要通过中断和异常机制来处理。
7. 计算机系统的性能分析与优化：通过各种性能指标和分析方法，可以对计算
机系统的性能进行评估和优化，以实现更高效的计算。
以上是计算机组成原理中的一些重要知识点，掌握它们对于理解计算机硬件和系统软件的设计和优化有重要的作用。
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(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
27
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。
计算机组成原理
计算机组成原理计算机组成原理是指计算机硬件和软件的组成以及它们之间的工作原理。
计算机硬件主要包括中央处理器(CPU)、存储器、输入输出设备和总线等。
计算机软件则由系统软件和应用软件组成。
在计算机中，中央处理器是计算机的核心，它负责执行计算机程序中的指令。
中央处理器由控制器和运算器组成。
控制器用于解码和执行指令，而运算器用于进行数据运算。
存储器用于存储数据和指令，其主要有两种类型：主存储器和辅助存储器。
主存储器一般是随机存取存储器(RAM)，用于存储当前正在执行的程序和数据。
辅助存储器一般是固态硬盘(SSD)或磁盘，用于长期存储数据和程序。
输入输出设备负责将数据和指令输入计算机，并将计算结果输出到外部设备或显示器上。
常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪，而输出设备有显示器、打印机和音频设备等。
总线是计算机各个组件之间进行通信的路径。
总线分为地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线用于指示存储器或I/O设备的地址，数据总线用于传输数据，而控制总线用于传输与控制操作有关的信息。
系统软件是计算机操作系统的核心部分，它管理计算机的资源和提供用户与计算机硬件之间的接口。
应用软件则是由用户使用的各种程序，如办公软件、图像处理软件和游戏等。
在计算机工作原理方面，计算机是按照指令的顺序执行程序的。
计算机从存储器中读取指令和数据，存储在寄存器中，并通过总线传递信息。
控制器解码指令并控制算术逻辑单元(ALU)进行数据运算。
运算结果再存储在寄存器中，最后输出到输出设备或存储器中。
总之，计算机组成原理是计算机硬件和软件的组成和工作原理的总称。
通过了解计算机的组成和工作原理，可以更好地理解计算机的工作方式，从而进行计算机系统的设计和优化。
《计算机组成原理》课件
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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VS
挑战
在计算机组成原理的发展过程中，面临着 许多挑战和问题，如处理器的性能和功耗 问题、存储器的速度和容量问题、系统的 可靠性和安全性问题等。这些问题需要不 断研究和探索，以推动计算机组成原理的 持续发展。
THANKS
感谢您的观看
解释定点数与浮点数的表示方法，包括整数和实数的表示。
逻辑代数基础
1 2
逻辑变量与逻辑函数
引入逻辑变量和逻辑函数的概念，为后续的逻辑 运算打下基础。
基本逻辑运算
介绍与、或、非三种基本逻辑运算及其性质。
3
复合逻辑运算
阐述其他复合逻辑运算，如异或、同或等。
逻辑门电路
基本门电路
01
介绍与门、或门、非门等基本门电路的工作原理及实现。
01
03 02
I/O接口的功能和基本结构
数据传输寄存器
命令/状态寄存器
控制逻辑电路
I/O控制方式
优点
控制简单，易于实现
缺点
CPU利用率低，实时性差
I/O控制方式
优点
提高了CPU的利用率，实时性较好
缺点
中断次数多，开销大，数据丢失问题
I/O控制方式
优点
数据传输速度快，CPU干预少
缺点
需要专门的DMA控制器，硬件开销大
指令的执行过程
取指周期
从内存中读取指令，并放入指令 寄存器IR中。
中断周期
在执行过程中，如果出现中断请 求，则进入中断周期，保存现场 信息，并转向中断服务程序。
分析周期
对取回的指令进行分析，确定指 令的操作性质和操作数地址。
执行周期
根据分析结果，执行相应的操作 ，如算术运算、逻辑运算、数据 传输等。
计算机组成原理讲义
计算机组成原理讲义计算机组成原理是一门研究计算机硬件和软件协同工作的学科。
它研究计算机系统的组成、结构、工作原理和设计方法，涉及到计算机的各个层次、各个组成部分和各种操作。
计算机组成原理作为计算机科学和计算机工程的基础课程，对于理解计算机的工作原理和提高计算机系统设计和性能优化具有重要意义。
首先，计算机组成原理涵盖了计算机的硬件组成。
计算机的硬件部分主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备和总线等。
中央处理器是计算机的核心部件，又被称为计算机的大脑。
它包括算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU），负责执行指令、算术运算和逻辑运算等。
存储器用于存储数据和指令，分为主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。
输入输出设备用于与计算机交互，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
总线用于连接计算机的各个组成部分，包括数据总线、地址总线和控制总线等。
了解计算机硬件组成，对于设计和优化计算机系统具有重要意义。
其次，计算机组成原理涉及计算机的工作原理。
计算机的工作原理主要包括数据的表示和存储、指令的执行和流水线技术等。
数据的表示和存储是计算机进行数据处理的基础。
计算机使用二进制表示数据，将数据存储在内存中。
指令的执行是计算机进行计算和逻辑操作的基本单元。
计算机通过解码和执行指令，对数据进行处理。
流水线技术是提高计算机执行效率的一种重要方法。
通过将指令执行分解成多个阶段，可以提高指令的吞吐量。
计算机组成原理对于理解计算机工作原理和提高计算机系统性能具有重要意义。
最后，计算机组成原理涉及计算机的设计方法。
计算机的设计方法包括指令系统的设计、组合逻辑电路的设计和微程序设计等。
指令系统的设计是计算机体系结构的基础，决定了计算机的功能和性能。
组合逻辑电路设计是实现计算机各个功能模块的基础，包括加法器、乘法器、寄存器和控制电路等。
微程序设计是实现指令的执行和控制的基础，将指令分解成微指令并存储在控制存储器中。
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计算机组成原理实验报告
（一）
学院：信息科学与工程专业班级：软件 1101 班
学生姓名：张龙超
学号： 2011 1604 0109 学期：2013-2014学年第一学期
实验一运算器组成实验
一、实验目的
1、熟悉、掌握算术逻辑运算加、减、乘、与的工作原理。
2、熟悉简单运算器的数据传送通路。
3、验证实验台运算器的8位加、减、与、直通功能。
4、验证实验台的4位乘4位功能。
5、按给定数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。
二、实验类型
验证型。
三、实验仪器
1、TEC-4计算机组成原理实验系统1台
2、双踪示波器1台
3、直流万用表1只
4、逻辑测试笔1支
四、实验原理
图1示出了本实验所用的运算器数据通路图。
ALU由1片ispLSI024构成。
四片4位的二选一输入寄存器74HC298构成两个操作数寄存器DR1和DR2，保存参与运算的数据。
DR1接ALU的B数据输入端口，DR2接ALU的A数据输入端口，ALU的输出在ispLS1024内的一个D寄存器中。
当实验台下部的IR/DBUS开关拨到DBUS位置时，8个红色发光二极管指示灯接在数据总线DBUS上，可显示运算结果或输入数据。
另外一个指示灯C显示运算器进位信号状态。
由
ispLS1024构成的8位运算器的运算类型由选择端S2，S1，S0选择，功能如表1所示。
进位C只在加法运算和减法运算时产生，与、乘、直通操作不影响进位C的状态，即进位C保持不变。
减法运算采用加减数的反码再加以1实现。
在加法运算中，C代表进位；在减法运算中，C代表借位。
运算产生的进位在T4的上升沿送入ispLSI1024内的C寄存器保存。
在SW-BUS#信号为0时，参与运算的数据通过一个三态门74HC244（SW-BUS）送到DBUS总线上，进而送至DR1或DR2操作数寄存器。
输入数据可由实验台上的8个二进制数据开关SW0-SW7来设置，其中SW0是最低位，SW7是最高位。
开关向上时为1，开关向下时为0。
图中尾巴上带粗短线标记的信号都是控制信号，控制信号均为电位信号。
T3，T4是脉冲信号，印制板上已连接到实验台的时序电路产生的T3，T4信号上。
S2，S1，S0，ALU-BUS，LDDR2，LDDR1，M1，M2，SW-BUS#各电位控制信号用电平开关K0-K15来模拟。
K0-K15是一组用于模拟各控制电平信号的开关，开关向上时为1，开关向下时为0，每个开关无固定用途，可根据实验具体情况选用。
S2，S1，S0，ALU-BUS，LDDR2，LDDR1为高电平有效，SW-BUS#为低电平有效。
M1=1时，DR1选择D1-A1作为数据输入端；M1=0时，DR1选择D0-A0作为数据输入端。
当LDDR1=0时，在T3的下降沿，选中的数据被打入DR1寄存器。
M2=1时，DR2选择D1、A1作为数据输入端；M2=0时，DR2选择D0-A0作为数据输入端。
当LDDR2=0时，在T3的下降沿，选中
的数据被打入DR2寄存器。
图1 运算器数据通路实验电路图
数据总线DBUS有5个数据来源；运算器ALU，寄存器堆RF，控制台开关SW0-SW7，右端口存储器IDT7132和中断地址寄存器IAR。
在任何时刻，都不允许2个或者2个以上的数据源同时向数据总线DBUS输送数据，只允许1个（或者没有）数据源向数据总线DBUS输送数据。
在本实验中，为了保证数据的正确设备和观察，请令RS-BUS#=1，LRW=0，IAR-BUS#=1。
为了在实验中，每次中产生一组T1，T2，T3，T4脉冲，需将实验台上的DP，DB，DZ开关进行正确设置。
将DP开关置1，将DB、DZ
开关置0，每按一次QD按钮，则顺序产生T1，T2，T3，T4各一个单脉冲。
本实验中采用单脉冲输出。
五、实验内容：
1、画出表1并填上实验值。
2、列表比较实验任务（2）的理论分析值与实验结果值；并对结果进行分析。
3、实验任务（3），出现何种现象？为什么？
当M1=1 时，操作数寄存器DR1 从数据总线DBUS 接收数据；当M1=0 时，操作数寄存器DR1 从寄存器堆RF 接收数据。
M2 的状态按同样的方式影响DR2 的操作方式。
重复第2、3 步会导致DR1 和DR2 选择的信号不同，从而影响运算的过程，导致运算结果的不同。