计算机组成原理第2版课件
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计算机组成原理课后答案(第二版)唐朔飞公开课获奖课件
系统总线
第三章
第1页
1. 什么是总线？ 总线传播有何特点？ 为了减轻总线负载，总线上部件都应具有 什么特点？
解：总线是多种部件共享传播部件； 总线传播特点是：某一时刻只能有一 路信息在总线上传播，即分时使用； 为了减轻总线负载，总线上部件应通 过三态驱动缓冲电路与总线连通。
第2页
4. 为何要设置总线判优控制？ 常见集中式总线控制有几种？ 各有 何特点？ 哪种方式响应时间最快？→A、D→B和D→C寄存 器间传送； （2） 设计一种电路，实现如下 操作：
T0时刻完毕D→总线； T1时刻完毕总线→A； T2时刻完毕A→总线； T3时刻完毕总线→B。
第11页
解： （1）采用三态输出D型寄存器74LS374 做A、B、C.D四个寄存器，其输出可直 接挂总线。A、B、C三个寄存器输入采 用同一脉冲打入。注意-OE为电平控制， 与打入脉冲间时间配合关系为：
16. 在异步串行传送系统中，字符 格式为: 1个起始位、8个数据位、1个 校验位、2个终止位。若规定每秒传送 120个字符，试求传送波特率和比特率。
解: 一帧 =1+8+1+2 =12位 波特率 =120帧/秒×12位
=1440波特 比特率 = 1440波特×（8/12）
=960bps 或: 比特率 = 120帧/秒×8 =960bps
解： 总线宽度 = 16位/8 =2B 总线带宽 = 8MHz×2B =16MB/s
第18页
15. 在一种32位总线系统中，总线 时钟频率为66MHz，假设总线最短传 播周期为4个时钟周期，试计算总线最 大数据传播率。若想提高数据传播率， 可采用什么措施？
解法1： 总线宽度 =32位/8 =4B 时钟周期 =1/ 66MHz =0.015µs 总线最短传播周期 =0.015µs×4
第三章
第1页
1. 什么是总线？ 总线传播有何特点？ 为了减轻总线负载，总线上部件都应具有 什么特点？
解：总线是多种部件共享传播部件； 总线传播特点是：某一时刻只能有一 路信息在总线上传播，即分时使用； 为了减轻总线负载，总线上部件应通 过三态驱动缓冲电路与总线连通。
第2页
4. 为何要设置总线判优控制？ 常见集中式总线控制有几种？ 各有 何特点？ 哪种方式响应时间最快？→A、D→B和D→C寄存 器间传送； （2） 设计一种电路，实现如下 操作：
T0时刻完毕D→总线； T1时刻完毕总线→A； T2时刻完毕A→总线； T3时刻完毕总线→B。
第11页
解： （1）采用三态输出D型寄存器74LS374 做A、B、C.D四个寄存器，其输出可直 接挂总线。A、B、C三个寄存器输入采 用同一脉冲打入。注意-OE为电平控制， 与打入脉冲间时间配合关系为：
16. 在异步串行传送系统中，字符 格式为: 1个起始位、8个数据位、1个 校验位、2个终止位。若规定每秒传送 120个字符，试求传送波特率和比特率。
解: 一帧 =1+8+1+2 =12位 波特率 =120帧/秒×12位
=1440波特 比特率 = 1440波特×（8/12）
=960bps 或: 比特率 = 120帧/秒×8 =960bps
解： 总线宽度 = 16位/8 =2B 总线带宽 = 8MHz×2B =16MB/s
第18页
15. 在一种32位总线系统中，总线 时钟频率为66MHz，假设总线最短传 播周期为4个时钟周期，试计算总线最 大数据传播率。若想提高数据传播率， 可采用什么措施？
解法1： 总线宽度 =32位/8 =4B 时钟周期 =1/ 66MHz =0.015µs 总线最短传播周期 =0.015µs×4
计算机组成原理（第2版）教学配套课件陈华光第4章指令系统
目前在指令操作码设计上主要采用以下两种编码方式 1. 固定长度操作码
操作码的长度是固定的，且集中放在指令字的 一个字段中，指令的其余部分全部用于地址码。例 如IBM370机和VAX-11系列机，操作码的长度均为 8位，可表示256种不同的操作。 2. 可变长度操作码 Intel8086/Pentium 所采用
基址寻址主要用以解决程序在存储器中的定 位和扩大寻址空间等问题。通常基址寄存器 中的值只能由系统程序设定，由特权指令执 行，而不能被一般用户指令所修改，因此确 保了系统的安全性。
6/2
尚辅教学配套课件
8.复合寻址方式 复合寻址方式是把间接寻址方式同相对寻址
方式或变址方式相结合而形成的寻址方式。 它分为先间接方式和后间接方式两种。 (1) 变址间接式
1.零地址指令 P96
格式：
OP
2.一地址指令 P96
格式： OP A
给出一个地址，该地址既是操作数的地址，又 是操作数结果的地址。
6/2
3.二地址指令
格式：
OP
尚辅教学配套课件
A1 A2
它有两个地址码A1和A2，分别指明参与操作数在内存中或 运算器中通用寄存器的地址，其中地址A1兼作存放操作结果 的地址。 功能：（A1）OP（A2）→A1 4.三地址指令
6/2
尚辅教学配套课件
4.直接寻址
指令中的形式地址A就是操作数的真实地址 EA，这种寻址方式称为直接寻址方式，又 称为绝对寻址方式。如图5-3所示。
6/2
尚辅教学配套课件
5.间接寻址 指令地址字段中的形式地址D不是操作数
的真正地址，而是操作数地址的地址。 EA=（D）
6/2
尚辅教学配套课件
6.相对寻址方式 相对寻址是把程序计数器PC的内容加上指令 格式中的形式地址D而形成操作数的有效地 址。程序计数器的内容就是当前指令的地址
操作码的长度是固定的，且集中放在指令字的 一个字段中，指令的其余部分全部用于地址码。例 如IBM370机和VAX-11系列机，操作码的长度均为 8位，可表示256种不同的操作。 2. 可变长度操作码 Intel8086/Pentium 所采用
基址寻址主要用以解决程序在存储器中的定 位和扩大寻址空间等问题。通常基址寄存器 中的值只能由系统程序设定，由特权指令执 行，而不能被一般用户指令所修改，因此确 保了系统的安全性。
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尚辅教学配套课件
8.复合寻址方式 复合寻址方式是把间接寻址方式同相对寻址
方式或变址方式相结合而形成的寻址方式。 它分为先间接方式和后间接方式两种。 (1) 变址间接式
1.零地址指令 P96
格式：
OP
2.一地址指令 P96
格式： OP A
给出一个地址，该地址既是操作数的地址，又 是操作数结果的地址。
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3.二地址指令
格式：
OP
尚辅教学配套课件
A1 A2
它有两个地址码A1和A2，分别指明参与操作数在内存中或 运算器中通用寄存器的地址，其中地址A1兼作存放操作结果 的地址。 功能：（A1）OP（A2）→A1 4.三地址指令
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尚辅教学配套课件
4.直接寻址
指令中的形式地址A就是操作数的真实地址 EA，这种寻址方式称为直接寻址方式，又 称为绝对寻址方式。如图5-3所示。
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尚辅教学配套课件
5.间接寻址 指令地址字段中的形式地址D不是操作数
的真正地址，而是操作数地址的地址。 EA=（D）
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尚辅教学配套课件
6.相对寻址方式 相对寻址是把程序计数器PC的内容加上指令 格式中的形式地址D而形成操作数的有效地 址。程序计数器的内容就是当前指令的地址
计算机组成原理-MIPS-02PPT课件
0000000
指令0的操作码
0000001
指令1的操作码
…
1100011
指令99的操作码
剩下从1100100到1111111共28个代码可用于增加新 指令，每条指令的操作码的长度都是7。
2021/3/14
.
3
例1 设某台计算机有100条指令， (1) 采用固定长度操作码编码，试设计其操作码的编码。 (2) 假如这100条指令中有10条指令的使用概率达到90%，其余 90条指令的使用概率为10%。试采用不等长编码设计操作码。
操 作 码 地 址 码 1 地 址 码 2 地 址 码 3
.
2
例1 设某台计算机有100条指令， (1) 采用固定长度操作码编码，试设计其操作码的编码。 (2) 假如这100条指令中有10条指令的使用概率达到90%，其余 90条指令的使用概率为10%。试采用不等长编码设计操作码。
解：
(1) 采用固定长度操作码编码时，需要7位操作码。 取其中的100个代码作为指令操作码，可以用 0000000到1100011之间的代码代表100条指令，即
.
6
数据的类型及其存储方式
2021/3/14
操作数的类型
– 整型数、单精度和双精度浮点数、字符型 – 数据长度：单字节、双字节、字、双字、四倍字
操作数的存储方式
– 大数端(big Endian)和小数端(little Endian)
地址 数据
地址 数据
4
5
67
00 0F 42 40
(a) 大数端存储方式
2021/3/14
指令
操作 码 图 4-7
操作数 立即寻址
指令
操作码
R
微型计算机原理与汇编语言程序设计第二版ppt课件完整版
8086经外部总线对存储器或I/O端口 进行一次信息输入或输出过程称总线操 作。 执行该操作所需要时间称总线周期。 8086总线周期至少由4个时钟周期组 成。每个时钟周期称T状态，用T1、T2、 T3和T4表示。
78
第3章
79
第3章
3.3.3 8086微处理器最小/最大工作方式
1.最小工作方式 8086的33引脚接+5V，系统处于最小工作方式。 系统中只有8086一个微处理器。 2．最大工作方式 把8086的33引脚接地，系统处于最大工作方式。 包含有两个或多个微处理器。其中有一个主处理器8086，其他处理器称协处理器。
4
第1章
发展经历了6代： 第一代：4位和8 位低档微处理器 第二代：8位中高档微处理器 第三代：16位微处理器 第四代：32位微处理器 第五代：32位高档微处理器 第六代：64位微处理器
5
第1章
1.1.3 微型计算机的应用 1. 科学计算 2. 数据处理 3. 计算机辅助技术 4. 过程检测与控制 5. 人工智能 6. 计算机网络应用
14
15
第1章
1.4.2 微型计算机的常用软件 ——计算机软件包括系统运行所需的各 种程序、数据、文件有关资料，分系统软 件和应用软件。 系统软件支持应用软件的开发与运行， 如操作系统和程序设计语言。 应用软件为用户解决某种应用问题。 软件系统组成结构如图1-9所示。
16
第1章
17
第1章
1.4.3 软硬件之间的相互关系 1. 硬件和软件相互依存 2. 硬件和软件无严格界线 3. 硬件和软件协同发展 4. 固件 5. 软件的兼容性
52
第2章
本章内容结束
谢 谢!
53
第3章
典型微处理器及其体系结构
78
第3章
79
第3章
3.3.3 8086微处理器最小/最大工作方式
1.最小工作方式 8086的33引脚接+5V，系统处于最小工作方式。 系统中只有8086一个微处理器。 2．最大工作方式 把8086的33引脚接地，系统处于最大工作方式。 包含有两个或多个微处理器。其中有一个主处理器8086，其他处理器称协处理器。
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第1章
发展经历了6代： 第一代：4位和8 位低档微处理器 第二代：8位中高档微处理器 第三代：16位微处理器 第四代：32位微处理器 第五代：32位高档微处理器 第六代：64位微处理器
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第1章
1.1.3 微型计算机的应用 1. 科学计算 2. 数据处理 3. 计算机辅助技术 4. 过程检测与控制 5. 人工智能 6. 计算机网络应用
14
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第1章
1.4.2 微型计算机的常用软件 ——计算机软件包括系统运行所需的各 种程序、数据、文件有关资料，分系统软 件和应用软件。 系统软件支持应用软件的开发与运行， 如操作系统和程序设计语言。 应用软件为用户解决某种应用问题。 软件系统组成结构如图1-9所示。
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第1章
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第1章
1.4.3 软硬件之间的相互关系 1. 硬件和软件相互依存 2. 硬件和软件无严格界线 3. 硬件和软件协同发展 4. 固件 5. 软件的兼容性
52
第2章
本章内容结束
谢 谢!
53
第3章
典型微处理器及其体系结构
2024版《计算机组成原理》ppt课件
《计算机组成原理》ppt课件目录•计算机系统概述•数字逻辑基础•计算机各部件的功能和组成•指令系统•CPU的结构和功能•存储器的层次结构•计算机组成原理的应用和发展01计算机系统概述Part计算机的发展历程第一代计算机（1946-1957）电子管时代，采用电子管作为基本元件，体积大、功耗高、可靠性差。
第二代计算机（1958-1964）晶体管时代，采用晶体管作为基本元件，体积减小、功耗降低、可靠性提高。
第三代计算机（1965-1970）集成电路时代，采用中小规模集成电路，使得计算机体积更小、功耗更低、可靠性更高。
第四代计算机（1971年至今）大规模和超大规模集成电路时代，计算机性能得到极大提升，应用领域不断扩展。
计算机系统的层次结构微程序机器级微指令由硬件直接执行，微程序由微指令构成，用于描述机器指令。
高级语言级用高级语言编写程序，通过编译或解释程序翻译成机器语言程序或汇编语言程序。
传统机器级用微程序解释机器指令系统，提供传统机器级虚拟机器。
汇编语言级用汇编语言编写程序，通过汇编程序翻译成机器语言程序。
操作系统级通过系统调用实现操作系统功能，提供扩展机器。
计算机的性能指标机器字长指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。
存储容量包括主存容量和辅存容量。
主存容量通常以字节为单位，辅存容量通常以位为单位。
存储容量越大，系统能存储的信息就越多。
运算速度用每秒钟所能执行的指令条数来表示，单位通常用MIPS（百万条指令/秒）。
运算速度越快，系统处理任务的能力越强。
02数字逻辑基础Part数制与编码数制的基本概念介绍二进制、十进制、十六进制等数制的基本概念及转换方法。
编码方式详细阐述原码、反码、补码等编码方式及其在计算机中的应用。
数的定点与浮点表示解释定点数与浮点数的表示方法，包括整数和实数的表示。
1 2 3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。
计算机组成原理第2版01
有无乘法指令
计算机 程序员所见到的计算机系统的属性 体系结构 概念性的结构与功能特性
（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）
计算机 组成
实现计算机体系结构所体现的属性
（具体指令的实现）
如何实现乘法指令
1.2 计算机的基本组成 一、冯· 诺依曼计算机的特点
1. 计算机由五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，
运算器
1.2
指令
减 M
MQ
初态 ACC [M] [ACC]-[X]
被减数
X ACC
③ 乘法操作过程
0 ACC ALU ALU X
运算器
1.2
指令
初态 乘 M
MQ
ACC
[M] [ACC]
被乘数
MQ X
0
[X]×[MQ]
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC ALU X
运算器
1.2
指令
初态 除 M
4位（4004） 8位 16位 32位 64位
存储器芯片 1970年 256位 1K位 4K位 16K位 64K位 256K位 1M位 4M位 16M位 64M位
Moore 定律
Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出 微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番
2.1
Intel 公司的典型微处理器产品
1.2
X 加数 减数
ACC
ALU
MQ
加法 被加数 和 被减数 减法 差 乘数 乘法 乘积高位 乘积低位
X
运算器
被乘数
被除数高位 被除数低位 除法 余数 除数 商
① 加法操作过程
ACC ALU X
计算机 程序员所见到的计算机系统的属性 体系结构 概念性的结构与功能特性
（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）
计算机 组成
实现计算机体系结构所体现的属性
（具体指令的实现）
如何实现乘法指令
1.2 计算机的基本组成 一、冯· 诺依曼计算机的特点
1. 计算机由五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，
运算器
1.2
指令
减 M
MQ
初态 ACC [M] [ACC]-[X]
被减数
X ACC
③ 乘法操作过程
0 ACC ALU ALU X
运算器
1.2
指令
初态 乘 M
MQ
ACC
[M] [ACC]
被乘数
MQ X
0
[X]×[MQ]
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC ALU X
运算器
1.2
指令
初态 除 M
4位（4004） 8位 16位 32位 64位
存储器芯片 1970年 256位 1K位 4K位 16K位 64K位 256K位 1M位 4M位 16M位 64M位
Moore 定律
Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出 微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番
2.1
Intel 公司的典型微处理器产品
1.2
X 加数 减数
ACC
ALU
MQ
加法 被加数 和 被减数 减法 差 乘数 乘法 乘积高位 乘积低位
X
运算器
被乘数
被除数高位 被除数低位 除法 余数 除数 商
① 加法操作过程
ACC ALU X
计算机组成原理唐朔飞第二版
在同一芯片上）
讲评：一种不确切的答法：
CPU与MM合称主机；
运算器与控制器合称CPU。
这类概念应从性质和结构两个角度共同解释较确
切。
完整ppt课件
4
主存——计算机中存放正在运行的程序和
数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，
可随机存取；(由存储体、各种逻辑部件及控制 电路组成）
存储单元——可存放一个机器字并具有特 定存储地址的存储单位；
缺一不可，因此同样重要。
完整ppt课件
2
5. 冯·诺依曼计算机的特点是什么？ 解：冯氏计算机的特点是：P8 ·由运算器、控制器、存储器、输 入设备、输出设备五大部件组成；
·指令和数据以同一形式（二进制 形式）存于存储器中；
·指令由操作码、地址码两大部分 组成；
·指令在存储器中顺序存放，通常 自动顺序取出执行；
某单元读出、或写入某存储单元数据的寄 存器；
I/O——Input/Output equipment，输 入/输出设备，为输入设备和输出设备的 总称，用于计算机内部和外界信息的转换 与传送；
MIPS——Million Instruction Per Second，每秒执行百万条指令数，为计算 机运算速度指标的一种计量单位；
完整ppt课件
10
CPI——Cycle Per Instruction，执 行一条指令所需时钟周期数，计算机运算 速度指标计量单位之一；
FLOPS——Floating Point Operation Per Second，每秒浮点运算次 数，计算机运算速度计量单位之一。
完整ppt课件
11
11. 指令和数据都存于存储器中,计算 机如何区分它们？
PC——Program Counter，程序计数
计算机组成原理唐朔飞第二版-340页PPT精选文档共342页PPT
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
计算机组成原理唐朔飞第二版-340页PPT 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
计算机组成原理唐朔飞第二版-340页PPT 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
计算机体系结构第2版课件第2章 第1讲
和累加器。 操作数地址隐含表示或显式表示。
指令集与计算机的性能
TCPU CPI IC TCLK
源程序
指令集
指令译码
指令编码
优化编译器
目标代码
CPI和数据通路 复杂度
2. 指令集结构的分类
一般来说，可以从如下五个因素考虑对计算 机指令集结构进行分类，即：
在CPU中操作数的存储方法； 指令中显式表示的操作数个数； 操作数的寻址方式； 指令集所提供的操作类型； 操作数的类型和大小。
两种主要的指令特性能够将通用寄存器型指 令集结构（GPR）进一步细分。
ALU指令到底有两个或是三个操作数？ 在ALU指令中，有多少个操作数可以用存储器
来寻址，也即有多少个存储器操作数？
通用寄存器型指令集结构的分类
ALU指令中 存储器操作 数的个数
0
ALU指令中 操作数的最多
个数
3
结构 类型
RR
机器实例
MIPS, SPARC, Alpha, PowerPC, ARM
1
2
RM
IBM 360/370, Intel 80x86, Motorola 6800
3
RM
IBM 360/370
2
2
MM
VAX
3
3
MM
VAX
通用寄存器型指令集结构的分类
可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构 进一步细分为三种类型：
缺点：
由于有一个操作数的内容将被破坏，所以指令中的两个操 作数不对称。在一条指令中同时对寄存器操作数和存储器 操作数进行编码，有可能限制指令所能够表示的寄存器个 数。指令的执行时钟周期因操作数的来源（寄存器或存储 器）的不同而差别比较大。
指令集与计算机的性能
TCPU CPI IC TCLK
源程序
指令集
指令译码
指令编码
优化编译器
目标代码
CPI和数据通路 复杂度
2. 指令集结构的分类
一般来说，可以从如下五个因素考虑对计算 机指令集结构进行分类，即：
在CPU中操作数的存储方法； 指令中显式表示的操作数个数； 操作数的寻址方式； 指令集所提供的操作类型； 操作数的类型和大小。
两种主要的指令特性能够将通用寄存器型指 令集结构（GPR）进一步细分。
ALU指令到底有两个或是三个操作数？ 在ALU指令中，有多少个操作数可以用存储器
来寻址，也即有多少个存储器操作数？
通用寄存器型指令集结构的分类
ALU指令中 存储器操作 数的个数
0
ALU指令中 操作数的最多
个数
3
结构 类型
RR
机器实例
MIPS, SPARC, Alpha, PowerPC, ARM
1
2
RM
IBM 360/370, Intel 80x86, Motorola 6800
3
RM
IBM 360/370
2
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MM
VAX
3
3
MM
VAX
通用寄存器型指令集结构的分类
可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构 进一步细分为三种类型：
缺点：
由于有一个操作数的内容将被破坏，所以指令中的两个操 作数不对称。在一条指令中同时对寄存器操作数和存储器 操作数进行编码，有可能限制指令所能够表示的寄存器个 数。指令的执行时钟周期因操作数的来源（寄存器或存储 器）的不同而差别比较大。
计算机组成原理第二版
计算机组成原理第二版
计算机的基本组成部分可以分为五个主要部分：中央处理器（CPU）、存储器、输入设备、输出设备和控制器。
这些组件共同协作，实现计算机的功能。
首先，中央处理器（CPU）是计算机的核心。
它包含算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU）。
ALU负责执行算术和逻辑
运算，而CU则负责控制和协调各个组件的工作。
其次，存储器在计算机中起到存储数据和指令的作用。
它分为主存储器和辅助存储器两部分。
主存储器包括随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM），用于存储正在运行的程序
和数据。
辅助存储器则包括硬盘、光盘等，用于长期存储数据。
输入设备用于将外部信息输入到计算机中。
常见的输入设备包括键盘、鼠标和扫描仪等。
通过这些设备，用户可以向计算机输入数据和指令。
输出设备则用于将计算机处理后的结果显示给用户。
常见的输出设备有显示器、打印机和喇叭等。
通过这些设备，计算机可以将处理后的数据和信息以可读的形式呈现给用户。
最后，控制器起到协调各个组件工作的作用。
它通过时序信号和控制信号，控制中央处理器、存储器、输入输出设备等之间的数据传输和操作。
在计算机的运行过程中，中央处理器会读取存储器中的指令，
并对其进行解析和执行。
它还负责处理输入设备传来的数据，并将结果输出到输出设备。
总之，计算机的组成原理是一个复杂而庞大的系统。
了解这些基本组件的功能和工作原理，有助于我们更深入地理解计算机的运行过程。
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二、微型计算机的出现和发展
微处理器芯片
2.1
1971年
4位（4004） 8位 16位 32位 64位
存储器芯片 1970年 256位 1K位 4K位 16K位 64K位 256K位 1M位 4M位 16M位 64M位
Moore 定律
Intel 公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出 微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番
2.1
40 000
速度 /（次/秒）
200 000 1 000 000
四
五
10 000 000 100 000 000
1978－现在
2.1 第一台von Neumann 系统结构的计算机
IBM System／360
2.1
最快的五台超级计算机（截止到 2007.11） 2.1
1. IBM: BlueGene/L - eServer Blue Gene Solution
1.2
算术运算 将结果转换成 逻辑运算 人们熟悉的形式
存储器
运算器
输出设备
控制器
指挥程序 运行
冯· 诺依曼计算机硬件框图
1.2
存储器
输入设备
运算器
输出设备
控制器
二、计算机硬件框图
1. 以存储器为中心的计算机硬件框图
控制器
数据 输入设备 程序 运算器
1.2
计算
存储器
输出设备 结果
2.现代计算机硬件框图
2.1
Intel 公司的典型微处理器产品
8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium Ⅳ 2007 年 预计 2010 年 8位 16位 16位 32位 32位 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位（准） 64位 1974年 1979年 1982年 1985年 1989年 1993年 1995年 1997年 1999年 2000年
3.SGI: SGI Altix ICE 8200
14 336个 CPU
最大平均速度 126 900 GFLOPS
最快的五台超级计算机（截止到 2007.11） 2.1
4. HP : EKA - Cluster Platform 3000 BL460c
14 240个 CPU
最大平均速度 117 900 GFLOPS
（具体指令的实现）
如何实现乘法指令
1.2 计算机的基本组成
一、冯· 诺依曼计算机的特点
1. 计算机由五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，
可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示 4. 指令由操作码和地址码组成 5. 存储程序 6. 以运算器为中心
冯· 诺依曼计算机硬件框图
存放数据 将信息转换成机 和程序 器能识别的形式 输入设备
2. 计算机的解题过程
1.1
高级语 言程序
翻译
目标
程序
运行
结果
计算机
二、计算机系统的层次结构
高级语言
汇编语言 操作系统 机器语言
虚拟机器 M3
虚拟机器 M2 虚拟机器 实际机器 M1
1.1
微指令系统
微程序机器 M0
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
用编译程序翻译 成汇编语言程序
1.1
软 件
用汇编程序翻译 成机器语言程序
计算机组成原理
第２版
唐朔飞
高 等 教 育 出 版 社 高等教育电子音像出版社
第１章 计算机系统概论
第２章 计算机的发展及应用
第３章 系统总线 第４章 存储器
第５章 输入输出系统
第６章 计算机的运算方法 第７章 指令系统 第８章 CPU 的结构和功能
第９章 控制单元的功能
第10章 控制单元的设计
本课程相关的几个问题
6144个通用处理器（3072x2 Intel Quad Core Xeon E5540 2.53GHz/E5540 3.0GHz）； 5120个加速处理器（2560 ATI Radeon 4870x2 575MHz）; 内存总容量 98 TB ； 点点通信带宽 40 Gbps ； 共享磁盘总容量为 1 PB ； 峰值性能 1.206 PFlops。
十进制运算
1955年退役
18 000
1 500 150 30 1 500 5 000
多个电子管
多个继电器
千瓦 吨
平方英尺
次加法／秒
用手工搬动开关和拔插电缆来编程
2.1
世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)
硬件技术对计算机更新换代的影响
代 一 二 三 时间 1946－1957 1958－1964 1965－1971 1972－1977 硬件技术 电子管 晶体管 中小规模 集成电路 大规模 集成电路 超大规模 集成电路
乘以a 在运算器中 乘以x 在运算器中
指令格式举例
操作码 取数 000001 存数 加 α 0000001000 β γ [ACC] [ACC]+[γ] β 地址码 [α]
1.2
ACC
ACC
乘
打印
δ
[ACC]×[δ]
[ ]
ACC
打印机
停机
计算 ax2 + bx + c 程序清单
指令和数据存于 主存单元的地址 0 1 2 3 指令 操作码 000001 000100 000011 000100 地址码 0000001000 0000001001 0000001010 0000001000 注释 取数x至ACC 乘a得ax ,存于ACC中
000110
停机
原始数据x 原始数据a 原始数据b 原始数据c 存放结果
2.计算机的解题过程
(1)存储器的基本组成
1.2
存储体
MAR MDR
主存储器
大楼 –
房间
– 床位 （无人/ 有人）
存储单元 存放一串二进制代码 存储字
存储单元中二进制代码的组合
存储字长 存储单元中二进制代码的位数
计算机
存储器
I/O
第２篇 计算机系统的硬件结构
系统总线
CPU
1.4 本书结构
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
寄存器
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
第４篇 CU
系统总线
CPU
中央处理器 控制单元
ALU
CU
CPU 内部互连
排队 逻辑
寄存器 和解码器
ACC
ALU
MQ
加法 被加数 和 被减数 减法 差 乘数 乘法 乘积高位 乘积低位 被除数 除法 余数 商
X
运算器
被乘数
除数
① 加法操作过程
ACC ALU X
运算器
1.2
指令
加 M
MQ
初态 ACC [M] [ACC]+[X]
被加数
X ACC
② 减法操作过程
ACC ALU X
运算器
1.2
指令
减 M
212 992 个 CPU
最大平均速度 478 200 GFLOPS
最快的五台超级计算机（截止到 2007.11） 2.1
2.IBM: JUGENE - Blue Gene/P Solution
65 536个 CPU
最大平均速度 167 300 GFLOPS
最快的五台超级计算机（截止到 2007.11） 2.1
什么是计算机？ 计算机的结构原理？ 包含哪些部件？如何连接和通信？ 如何进行存储和运算？ CPU究竟是怎么工作的？程序是怎么被 运行的？ 本门课程到底有多大用处？先行课程、 后继课程是什么？
第１章 计算机系统概论
1.1 计算机系统简介 1.2 计算机的基本组成
1.3 计算机硬件的主要技术指标
MQ
初态 ACC [M] [ACC]-[X]
被减数
X ACC
③ 乘法操作过程
0 ACC ALU ALU X
运算器
1.2
指令
初态 乘 M
MQ
ACC
[M] [ACC]
被乘数
MQ X
0
[X]×[MQ]
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC ALU X
运算器
1.2
指令
初态 除 M
MQ
ACC
[M]
被除数
ACC MQ
1.2
5
存储体
6
IR 27 3 8
MDR
I/O 设 备
CU
ALU
控制 单元
PC
1
4
MAR
X
运算器
控制器
9
主存储器
(4)主机完成一条指令的过程
以存数指令为例 CPU
…
ACC MQ
1.2
5
存储体
6
IR 27 3 9
MDR
I/O 设 备
CU
ALU
控制 单元
PC
1
4
MAR
X
运算器
控制器
8
主存储器
每个存储单元赋予一个地址号
按地址寻访
(1)存储器的基本组成
1.2
反映存储单元的个数
MAR 存储器地址寄存器
存储体
MDR 存储器数据寄存器
反映存储字长
MAR MDR
主存储器
设 MAR = 4 位
MDR = 8 位 存储单元个数 16 存储字长 8