第二章 计算机组成原理
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数字逻辑与计算机组成原理：第二章 数据的表示与运算
数字逻辑与计算机组成原理
第二章 数据的表示与运算
第一节 数的表示
一、无符号数和有符号数
1、无符号数:
没有符号的数，寄存器中的每一位都可用 来存放数据
机器字长为n位，无符号数的表示范围 为0～2n-1
反映无符号数的表示范围
8位 16 位
0 ~ 255 0 ~ 65535
有两种常用的无符号表示法： ◆ 非负数码：表示0或一个正数
(1) 定义
整数
0，x
2n ＞ x ≥ 0
[x]反 = ( 2n+1 – 1) + x 0 ≥ x ＞ 2n（mod 2n+1 1）
x 为真值
n 为整数的位数
如 x = +1101
x = 1101
[x]反 = 0,1101
[x]反 = (24+1 1) 1101 = 11111 1101
用 逗号 将符号位
= 1,0010
和数值部分隔开
小数 x
[x]反 = ( 2 – 2-n) + x
1＞x≥ 0 0 ≥ x ＞ 1（mod 2 2-n）
x 为真值 n 为小数的位数
如 x = + 0.1101
x = 0.1010
[x]反 = 0.1101
[x]反 = (2 2-4) 0.1010
= 1.1111 0.1010
有符号小数： +0.1011,在机器中表示为
-0.1011,在机器中表示为
第一节 数的表示
一、无符号数和有符号数 2、有符号数
有符号整数： +1101，机器中表示为
-1101， 机器中表示为
第一节 数的表示
一、无符号数和有符号数
第二章 数据的表示与运算
第一节 数的表示
一、无符号数和有符号数
1、无符号数:
没有符号的数，寄存器中的每一位都可用 来存放数据
机器字长为n位，无符号数的表示范围 为0～2n-1
反映无符号数的表示范围
8位 16 位
0 ~ 255 0 ~ 65535
有两种常用的无符号表示法： ◆ 非负数码：表示0或一个正数
(1) 定义
整数
0，x
2n ＞ x ≥ 0
[x]反 = ( 2n+1 – 1) + x 0 ≥ x ＞ 2n（mod 2n+1 1）
x 为真值
n 为整数的位数
如 x = +1101
x = 1101
[x]反 = 0,1101
[x]反 = (24+1 1) 1101 = 11111 1101
用 逗号 将符号位
= 1,0010
和数值部分隔开
小数 x
[x]反 = ( 2 – 2-n) + x
1＞x≥ 0 0 ≥ x ＞ 1（mod 2 2-n）
x 为真值 n 为小数的位数
如 x = + 0.1101
x = 0.1010
[x]反 = 0.1101
[x]反 = (2 2-4) 0.1010
= 1.1111 0.1010
有符号小数： +0.1011,在机器中表示为
-0.1011,在机器中表示为
第一节 数的表示
一、无符号数和有符号数 2、有符号数
有符号整数： +1101，机器中表示为
-1101， 机器中表示为
第一节 数的表示
一、无符号数和有符号数
计算机组成原理 第2章
《计算机组成原理与实验》 冶金工业出版社
计算机组成原理——第 2章
原码、反码与补码
• 例2：已知[x]补=11101110，求[-x]补、[x]反、[x]原及真值x。 解：[-x]补=00010010 （[x]补取反加1） [x]反=11101101 （[x]补减1） [x]原=10010010 （[x]原低7位取反） 真值x=-0010010B=-12H=-18D
《计算机组成原理与实验》 冶金工业出版社
计算机组成原理——第 2章
补码表示法
• 对定点整数，补码的定义是： X [X]补= 2n > x 0 （mod 2n+1）
2n+1+x=2n+1-|x|
0 > x -2n
《计算机组成原理与实验》 冶金工业出版社
计算机组成原理——第 2章
补码表示法
• 利用补码可以将减法运算变成加法运算来实现。但是 根据补码定义，求负数的补码要从2减去|X|。为了用加 法代替减法，结果还得在求补码时作一次减法，这显 然是不方便的。可以利用反码的方式解决负数的求补 问题。 • 另一方面，利用补码实现减法运算，可以和常规的加 法运算使用用一加法器电路，从而简化了计算机的设 计。
移码表示法
• 移码的定义：[X]移=2n +X （-2n = <x< 2n）n为阶码数值位 (除符号位)
• 移码的计算：先求出X的补码，再对其符号位取反或直接利用定 义计算。
《计算机组成原理与实验》 冶金工业出版社
计算机组成原理——第 2章
移码的特点
（1）在移码中，最高位为“0”表示负数，最高位为“1”表示正数。 （2）移码为全0时，它所对应的真值最小，为全1时，它所对应的真 值最大。因此，移码的大小比较直观地反映了真值的大小，这有 助于比较两个浮点数阶码的大小。 （ 3 ） 真 值 0 在 移 码 中 的 表 示 形 式 是 唯 一 的 ， 即 [+0] 移 =[-0] 移 = 100…0。 （4）移码把真值映射到一个正数域，所以可将移码视为无符号数， 直接按无符号数规 则比较大小。 （5）同一数值的移码和补码除最高位相反外，其他各位相同。
计算机组成原理第二章
原码一位乘法（串行乘法） 原码一位乘法（串行乘法）
早期的计算机中，通常采用在n位二进制加法器上重复执行 “加法——移位”操作来串行实现两个n位数的乘法运算，这就 是“原码一位乘法”。原理如下：
设 y = 0 . y1 y 2 y 3 y 4 , 则有
x • y = x • 0 . y1 y 2 y 3 y 4 = x • y1 • 2 −1 + y 2 • 2 − 2 + y 3 • 2 − 3 + y 4 • 2 − 4 = 2 −1 • y1 • x + 2 −1 • y 2 • x + 2 − 2 • y 3 • x + 2 − 3 • y 4 • x = 2 −1
数的机器码表示
补码表示
若定点整数的补码形式为xnxn-1……x2x0（xn为符号位），则 x 定点整数：[x]补= 2n＋1＋x=2n＋1－|x| 0 ≥ x>-2n 2n>x ≥ 0 （mod 2n ）
补码表示与真值的关系 【例题】P21 例3、例4 x = − 2 n x n + 原码变成补码 【例题】P21 例5
z 3 = 2 −1 • ( y 2 • x + z 2 )；
z 4 = 2 −1 • ( y1 • x + z 3 ) 。
其中， z 4 = x • y ， 该过程可以推广到一般。
原码串行乘法算法流程
开始 B=|x|,C=|y|,A=0,CTR=n
N Cn=1? Y
说明： 说明：使用三个寄存器A,B,C 分别存放部分积z、被乘数 |x|和乘数|y|，其中部分积 初始值为0，且B,C均有右移 功能。运算时，用C寄存器的 最低位来决定部分积与0或是 与被乘数B相加，然后A与C一 同右移一位，如此重复n次， 最后得到的A—C中的内容就 是乘积，运算次数用计数器 控制。
计算机组成原理第二章-计算机数据表示方法
Confederal Confidential
9
一、计算机内的数据表示
6) 移码（增码）表 示
•移码表示浮点数的阶码，只有整数形式，如IEEE754中阶码用移码表示。
设定点整数X的移码形式为X0X1X2X3…Xn
则移码的定义是：
[X]移= 2n + X
2n X - 2n
•具体实现：数值位与X的补码相同，符号位与补码相反。
[X]补
10000001 11111111
[X]移
00000001 01111111
00000000 10000000
00000001 01111111
10000001 11111111
Confederal Confidential
11
一、计算机内的数据表示
3.计算机中常用的两种数值数据格式 1)定点数 •可表示定点小数和整数 •表现形式：X0.X1X2X3X4……..Xn
Confederal Confidential
15
一、计算机内的数据表示 IEEE754 32位浮点数与对应真值之间的变换流程
Confederal Confidential
16
一、计算机内的数据表示
例5 将十进制数20.59375转换成32位IEEE754格式浮点数的二进 制格式来存储。
解:先将十进制数换成二进制数： 20.59375=10100.10011(0.5+0.25+0.125+0.0625+0.03125) 移动小数点，使其变成1.M的形式 10100.10011=1.010010011×24
16
17
一、计算机内的数据表示
例6 若某浮点数x的二进制存储格式为(41360000)16 ,求与其对应 的32位浮点表示的十进的值。
9
一、计算机内的数据表示
6) 移码（增码）表 示
•移码表示浮点数的阶码，只有整数形式，如IEEE754中阶码用移码表示。
设定点整数X的移码形式为X0X1X2X3…Xn
则移码的定义是：
[X]移= 2n + X
2n X - 2n
•具体实现：数值位与X的补码相同，符号位与补码相反。
[X]补
10000001 11111111
[X]移
00000001 01111111
00000000 10000000
00000001 01111111
10000001 11111111
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一、计算机内的数据表示
3.计算机中常用的两种数值数据格式 1)定点数 •可表示定点小数和整数 •表现形式：X0.X1X2X3X4……..Xn
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15
一、计算机内的数据表示 IEEE754 32位浮点数与对应真值之间的变换流程
Confederal Confidential
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一、计算机内的数据表示
例5 将十进制数20.59375转换成32位IEEE754格式浮点数的二进 制格式来存储。
解:先将十进制数换成二进制数： 20.59375=10100.10011(0.5+0.25+0.125+0.0625+0.03125) 移动小数点，使其变成1.M的形式 10100.10011=1.010010011×24
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一、计算机内的数据表示
例6 若某浮点数x的二进制存储格式为(41360000)16 ,求与其对应 的32位浮点表示的十进的值。
计算机组成原理课件第2章课件
压力测试
通过长时间运行高负载任务来 测试计算机的稳定性和可靠性 。
温度和散热测试
测试计算机在高温环境下的稳 定性和散热性能。
计算机性能优化
01
02
03
04
硬件优化
通过升级硬件配置，如 更快的处理器、更大的 内存和存储空间等，提 高计算机性能。
软件优化
通过优化软件算法、操 作系统和应用程序等， 提高计算机性能。
计算机安全重要性
随着计算机技术的快速发展，计算机安全问题日益突出，保护计算机安全对于保障国家安全、社会稳定和经济发展具 有重要意义。
计算机安全威胁
计算机安全面临的威胁包括病毒、木马、黑客攻击、网络钓鱼、拒绝服务攻击等，这些威胁可能导致数 据泄露、系统瘫痪、经济损失等严重后果。
计算机安全技术
防火墙技术
感谢您的观看
THANKS
Excel
电子表格软件，用于数据处理、图表制作和 数据分析。
应用软件
PowerPoint
演示文稿软件，用于制作幻 灯片、演示文稿和会议报告 等。
图像处理软件
用于处理和编辑图像，如 Photoshop等。
图像裁剪
对图像进行裁剪，保留需要 的部分。
应用软件
色彩调整
调整图像的色彩、亮度和对比度 等参数。
数据库管理系统
用于管理大量数据，提供数据存储、检索、更新和保护功能。
系统软件
数据模型
定义数据的组织方式和数据之间的关系。
数据操作语言
用于执行数据的插入、删除、更新和检索等 操作。
数据控制语言
用于控制对数据的访问权限和数据的安全性。
应用软件
Word
文本编辑软件，用于撰写文档、排版和打印。
计算机组成原理第2章 数据的表示方法
–对于n位定点整数X：2n>X>-2n 。 –当n=0时，即为小数。
• 优点：简单，直观，易懂。 • 缺点：做加减法时，需要将符号位和数值部 分分开处理。
• 原码表示进行加减运算的情况。
指令操作 操作数符1 操作数符2 实际操作 + 加法 + + + + + 减法 + + + + + + -
2、二进制定点数的补码表示
– 只照顾机器 (运算方便、节省存储空间 )，不照顾 人(是否便于理解) 。
• 机器数按小数点位置是否固定分为:
– 定点数 – 浮点数(实数)
2.2.1 无符号数
• 无符号数是指没有符号的数，在计算机中 每一位都是数据。
– 如数据的位数为16位时，无符号数的范围为 0~65535共65536个数（即216）。
• 如8421码，用12(CH)表示正号，用13(DH)表示负 号。
有权码
十进 制数
0 1 2
无权码
4311 码 十进 制数
0 1 2
8421 码
2421 码
5211 码
余3码
0011 0100 0101
格雷码 （1）
0000 0001 0011
格雷码 （2）
0000 0100 0110
0000 0000 0001 0001 0010 0010
• 下面以有权码8421码为例，进行一位BCD码 的加法运算。 1、2+7=9 2、6+8=14 3、9+8=17 0010 0110 1001 0111 1000 1000 1001 1110 修正 10001 修正 0110 0110 10100 10111
• 优点：简单，直观，易懂。 • 缺点：做加减法时，需要将符号位和数值部 分分开处理。
• 原码表示进行加减运算的情况。
指令操作 操作数符1 操作数符2 实际操作 + 加法 + + + + + 减法 + + + + + + -
2、二进制定点数的补码表示
– 只照顾机器 (运算方便、节省存储空间 )，不照顾 人(是否便于理解) 。
• 机器数按小数点位置是否固定分为:
– 定点数 – 浮点数(实数)
2.2.1 无符号数
• 无符号数是指没有符号的数，在计算机中 每一位都是数据。
– 如数据的位数为16位时，无符号数的范围为 0~65535共65536个数（即216）。
• 如8421码，用12(CH)表示正号，用13(DH)表示负 号。
有权码
十进 制数
0 1 2
无权码
4311 码 十进 制数
0 1 2
8421 码
2421 码
5211 码
余3码
0011 0100 0101
格雷码 （1）
0000 0001 0011
格雷码 （2）
0000 0100 0110
0000 0000 0001 0001 0010 0010
• 下面以有权码8421码为例，进行一位BCD码 的加法运算。 1、2+7=9 2、6+8=14 3、9+8=17 0010 0110 1001 0111 1000 1000 1001 1110 修正 10001 修正 0110 0110 10100 10111
第二章 计算机组成原理
部频率越高，CPU的处理速度就越快。 例如： P4 3.4GHz，800MHz外频(FSB)
时钟频率的发展：
400MHZ---533MHZ---800MHZ，即将达到1066MHZ [单选]用MHz来衡量计算机的性能，它指的是计算机__________。
ACM 图灵奖
1966年由ACM（美国计算机学会）创建，该奖有计 算机界的诺贝尔奖之称。
IEEE 计算机先驱奖
1980年由IEEE-CS(美国电气与电子工程师学会-计 算机学会)创建，是世界范围内计算机科学技术领域另 一个最重要的奖项，和图灵奖是互为补充的。
计算机的诞生与发展
对计算机的诞生发展做出重大贡献的两个人：
(a) NEC SX-6/64MB巨 型计算机外形
(b) 全球气温分布与 变化趋势图
计算机的分类
大型计算机（Mainframe）
运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安 全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机， CPU 通常有 4 、 8、16、32个甚至更多处理器。
功能： 为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作为主服务 器（企业级服务器），在信息系统中起着核心作用。
内存储器
控制器CU RAM
外部存储器－－硬盘 、软盘、光盘、磁带
外设
输入设备－－键盘、鼠标器、扫描仪 输出设备－－显示器、打印机、绘图仪 其他设备－－调制解调器
计算机的组成
台 式 机
PC机的物理组成
机箱、显示器、键盘、鼠标器等
机箱内包含:
主板、硬盘、软驱、光驱、
电源、风扇等
主板上安装
CPU、芯片组、内存条、
第二章
计算机组成原理
时钟频率的发展：
400MHZ---533MHZ---800MHZ，即将达到1066MHZ [单选]用MHz来衡量计算机的性能，它指的是计算机__________。
ACM 图灵奖
1966年由ACM（美国计算机学会）创建，该奖有计 算机界的诺贝尔奖之称。
IEEE 计算机先驱奖
1980年由IEEE-CS(美国电气与电子工程师学会-计 算机学会)创建，是世界范围内计算机科学技术领域另 一个最重要的奖项，和图灵奖是互为补充的。
计算机的诞生与发展
对计算机的诞生发展做出重大贡献的两个人：
(a) NEC SX-6/64MB巨 型计算机外形
(b) 全球气温分布与 变化趋势图
计算机的分类
大型计算机（Mainframe）
运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安 全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机， CPU 通常有 4 、 8、16、32个甚至更多处理器。
功能： 为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作为主服务 器（企业级服务器），在信息系统中起着核心作用。
内存储器
控制器CU RAM
外部存储器－－硬盘 、软盘、光盘、磁带
外设
输入设备－－键盘、鼠标器、扫描仪 输出设备－－显示器、打印机、绘图仪 其他设备－－调制解调器
计算机的组成
台 式 机
PC机的物理组成
机箱、显示器、键盘、鼠标器等
机箱内包含:
主板、硬盘、软驱、光驱、
电源、风扇等
主板上安装
CPU、芯片组、内存条、
第二章
计算机组成原理
计算机组成原理第四版第二章
[x]补=0.1001, [y]补=0.0101 [x]补 0. 1 0 0 1
+ [y]补 0. 0 1 0 1 [x+y]补 0. 1 1 1 0
所以x+y=+0.1110
Back
第二章 运算方法和运算器
B 补码减法
➢ 公式：
[x-y]补=[x]补-[y]补=[x]补+[-y]补
➢ 举例
已知 x=+0.1101 ， y=+0.0110，求x-y。 解： [x]补=0.1101 [y]补=0.0110 ，[-y]补=1.1010 [x]补 0. 1 1 0 1 + [-y]补 1. 1 0 1 0 [x-y]补 1 0. 0 1 1 1
最大正数，称为“上溢” 或“正溢出”
两个负数相加，结果 小于机器所能表示的最
小负数，称为“下溢” 或“负溢出”
判断方法
举例说明
Back
第二章 运算方法和运算器
溢出检测方法常用以下两种方法：
1.采用双符号位（变形补码）判断方法：
变形补码： “00”表示正数、“11”表负数，两符号位同时参加运算， 运算结果符号出现01或10表明溢出。
发生溢出；而在浮点运算时，运算结果超出尾数的表示范围 却并不一定溢出，只有当阶码也超出所能表示的范围时，才 发生溢出。
Back
3.十进制数串的表示方法
➢ 目前,大多数通用性较强的计算机都能直接 处理十进制形式表示的数据。十进制数串 在计算机内主要有两种表示形式：
➢ 1.字符串形式 ➢ 2.压缩的十进制数串形式
➢ 计算机采用定点数表示时，对于既有整数又有小数的原始数据，需要设 定一个比例因子，数据按其缩小成定点小数或扩大成定点整数再参加运 算，运算结果，根据比例因子，还原成实际数值。若比例因子选择不当， 往往会使运算结果产生溢出或降低数据的有效精度。
+ [y]补 0. 0 1 0 1 [x+y]补 0. 1 1 1 0
所以x+y=+0.1110
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第二章 运算方法和运算器
B 补码减法
➢ 公式：
[x-y]补=[x]补-[y]补=[x]补+[-y]补
➢ 举例
已知 x=+0.1101 ， y=+0.0110，求x-y。 解： [x]补=0.1101 [y]补=0.0110 ，[-y]补=1.1010 [x]补 0. 1 1 0 1 + [-y]补 1. 1 0 1 0 [x-y]补 1 0. 0 1 1 1
最大正数，称为“上溢” 或“正溢出”
两个负数相加，结果 小于机器所能表示的最
小负数，称为“下溢” 或“负溢出”
判断方法
举例说明
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第二章 运算方法和运算器
溢出检测方法常用以下两种方法：
1.采用双符号位（变形补码）判断方法：
变形补码： “00”表示正数、“11”表负数，两符号位同时参加运算， 运算结果符号出现01或10表明溢出。
发生溢出；而在浮点运算时，运算结果超出尾数的表示范围 却并不一定溢出，只有当阶码也超出所能表示的范围时，才 发生溢出。
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3.十进制数串的表示方法
➢ 目前,大多数通用性较强的计算机都能直接 处理十进制形式表示的数据。十进制数串 在计算机内主要有两种表示形式：
➢ 1.字符串形式 ➢ 2.压缩的十进制数串形式
➢ 计算机采用定点数表示时，对于既有整数又有小数的原始数据，需要设 定一个比例因子，数据按其缩小成定点小数或扩大成定点整数再参加运 算，运算结果，根据比例因子，还原成实际数值。若比例因子选择不当， 往往会使运算结果产生溢出或降低数据的有效精度。
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计算机的组成与分类
完成信息输出的设备 输出设备： 功能：把计算机中用“0” 和“1”表示的信息转换成人可直
接
识别和感知的形式 常见的输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音 箱 等 输入设备＋输出设备 ＝ I / O（Input / Output）设备
计算机的组成与分类
总线与I/O接口
总线：用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间 传输信息并协调它们工作的一种部件 前端总线：连接CPU和内存的总线
什么是BIOS （Basic Input/Output System）
• 中文名为“基本输入/输出系统”，它是存放在主板上只读 存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序
功能：
• 诊断计算机故障 • 启动计算机工作 • 控制基本的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显 示等)
BIOS 芯片
计算机的组成与分类
计算机硬件的组成
中央处理器（CPU） 内存储器 计算机硬件 外存储器 输入设备 输出设备 系 统 总 线 外围设备 （外设） 主机
CPU 主存储器
总线
外存储器 输入设备 输出设备
计算机的组成与分类
内存储器 中央处理器 系统总线 存储控制器
控制器 I/O接口
控制器 输出设备
控制器 外存储器接口 外存储器
数据1 数据2 数据m
内 存 储 数器
据
②CPU 从内存中逐条 读取该程序的指令及 相关的数据
④将指令的运算处理 结果送回内存保存
③CPU 逐 条 执行指令,按 指令要求完 成对数据的 运算和处理
CPU
CPU的结构与原理
Cpu的组成
• 寄存器
存取速度快 临时存放参加运算的数据和得到的中间(最后)结果
• 保存BIOS的只读存储器(ROM)芯片
BIOS 芯片中包含的程序
加电自检程序程序（POST）
(Power On Self Test)用于检测计算机硬件故障
系统自举程序（Boot）
启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态
CMOS设置程序
设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等
常用外部设备的驱动程序（Driver）
为主服务器（企业级服务器）
计算机的组成与分类
小型计算机
• 为多个用户执行任务，但它没有大型机的高性能，支持
的用户较少
• 小型机的典型应用是帮助中小企业完成信息处理任务， 如库存管理、销售管理、文档管理等
计算机的组成与分类
个人计算机
台式机：一般在办公室或家庭中使用
便携机：便于外出携带
笔记本（膝上机） 手持式计算机（掌上机）
代 别
第1代 20 世 纪 40 年 CPU：电子管 代 中 期 ～ 50 内存：磁鼓 年代末期 第2代 50 年 代 中 后 CPU：晶体管 期 ～ 60 年 代 内存：磁芯 中期 第3代 60 年 代 中 CPU：SSI，MSI 期 ～ 70 年 代 内存：SSI，MSI 初期 半导体存储器 第4代 20 世 纪 70 年 CPU：LSI、VLSI 代中期以来 内存：LSI、VLSI 的半导体存储器
芯片组举例
Pentium 4
CPU
DDR 2 双通道 DDR 2 音频Codec 电话Modem PCI 插槽(≤6个) 电源管理、时钟生成 USB 2.0接口(x8)
CPU前端总线
北桥
图形卡接口 82865P MCH
存 储 器
硬盘接口(x2) 以太网接口 键盘,鼠标,软驱,并 口,串口等 Super I/O
计算机的组成与分类
计算机的发展
世界上第一台计算机
时间：1946年 地点：美国宾夕法尼亚大学 名称：ENIAC 应用：为了计算弹道而研制
18000电子管，1500个继电器，重30吨，运算速度5000次/秒
计算机的组成分类
第1～4代计算机的对比
年 代 主要元器件 配置的软件 主要应用 使 用 机 器语 言和 汇 科学计算和工程 编语言编写程序 计算 使用 FORTRAN 等高级 开始广泛应用于 程序设计语言 数据处理领域 操 作 系 统， 数据 库 在科学计算 、 数 管 理 系 统等 开始 使 据处理、工业控 用 制等领域得到广 泛应用 软 件 工 程、 分布 式 深入到各行各业， 计 算 、 网络 软件 等 家庭和个人开始 开始广泛使用 使用计算机
实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输 出操作的控制
PC机的启动工作过程
1. 接通电源时CPU自动执行BIOS中的POST程序
1.1 按CMOS中的内容来识别硬件的配置, 测试各部件的工作状态 (发现 错误则报错) 1.2 初始化CPU、内存、ROM、主板、CMOS、显示卡、键盘、软驱和 硬盘等设备
用二进位表示，用来规定计算机执行什么操作
是构成程序的基本单位
2. 指令的组成
• 操作码：即命令词，指出计算机应执行何种操作 • 操作数地址：指出该指令所操作的数据或数据存放的位置
操作码
操作数地址
CPU的结构与原理
指令执行的过程
• CPU的控制器从存储器读取一条指令放入到指令寄存器
• 读取的指令经过译码，决定执行何种操作，操作数放在哪
• 巨型计算机（Supercomputer） • 大型计算机（Mainframe）
• 小型计算机（Minicomputer）
• 个人计算机（Personal Computer）
计算机的组成与分类
巨型计算机
• 采用大规模并行处理的体系结构，由数以百计、千计、 万计 的CPU组成； • 速度达到每秒数万亿次以上；
运 算 器
中 央 处 理 器
A: 任务启动时，程序从外存大量调入内存
B: CPU依次从内存取出指令和数据 C: CPU依次执行各条指令，完成数据的运算和处理
D: CPU将指令和数据的运算和处理结果送回内存保存
E: 任务结束时，将处理结果成批传回外存
CPU的结构与原理
指令与指令系统
1. 指令的定义
CPU插座
处理器 插槽
存储器插座 电源连接器
ROM ：存放最基础的软件——基本输入/输出系统(BIOS) CMOS存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等）,易失性
芯片组
主板的核心 芯片组与CPU芯片同步发展
芯片组决定了主板上所能安装的内存的最大容量、
速度及可使用内存条的类型 网卡、显卡、声卡等集成在芯片组
作用：
• 存放计算机硬件的参数（称为“配置信息”），包括日期和时间、 口令、软盘/硬盘/光盘驱动器的数目、类型及参数、显卡类型、cache 使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，供BIOS程序使用
2. CPU自动执行自举程序
按照CMOS中预先设定的启动顺序，搜寻外存储器（软、硬盘或光 盘）
3. 从外存储器读出引导程序，然后由引导程序读出操 作系统并装入内存 4. 最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作 系统所控制
关于CMOS 芯片
这是一个容量很小的RAM存储器，由电池供电，即 使计算机关机后也不会丢失所存储的信息
• 运算器（ALU）
对数据进行各种算术运算和逻辑运算
• 控制器（指挥中心）
组成：指令计数器＋指令寄存器
取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其它部件的操 作控制信号，记录内部状态
CPU的结构与原理
控制信号
指令
外存
内 存 储 器
控制器 指令计数器 指令寄存器 控制信号
数据 运算结果
寄 存 器 组
计算机的组成与分类
单片计算机（嵌入式计算机）
是一种把处理器、存储器、输入／输出控制与接口电路等都集成
在同一块芯片上的大规模集成电路
CPU的结构与原理
(1) 计算机的工作原理：
存储程序控制-------冯.诺依曼
(2)主要内容：
• 指令与数据都用二进制编码形式存储、运行和运算
• 程序和数据预先存放在存储器内
I/O 总线：连接内存和I/O设备(包括外存)的总线
I/O接口：计算机系统中的I/O设备通过I/O接口与各自的 控制器连接，然后由控制器与总线相连
计算机的组成与分类
计算机的分类
1.按内部逻辑结构分为：
• 单处理机、多处理机(并行机)
2.按字长分为：
• 16位机、32位机或64位计算机等
3.按计算机的性能、用途和价格分为：
• 多用在军事、科研、气象预报、 石油勘探等领域
NEC SX-6/64MB巨型计算机外形
计算机的组成与分类
大型计算机
• 运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性
高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件
• 通常含有4、8、16、32个甚至更多个CPU;
• 为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作
•
• • •
CPU的总线速度
高速缓存的容量与结构 指令系统 逻辑结构 MIPS(百万条定点指令/秒)
cache(高速缓存)
Cache存储器
cache是一种小容量高速 缓冲存储器，它由SRAM
8 4
9
14 10
3
组成
主存储器
10 4
主存中的部分信息拷 贝在cache存储器中
cache直接制作在CPU芯 片内，速度几乎与CPU 一样快
• 中央处理器：承担系统软件和应用软件运行任务的处理器
• 并行处理：使用多个CPU实现超高速计算的技术
计算机的组成与分类
内存储器和外存储器
• 存储器：把程序和数据存储起来的部件 • 内存储器(简称内存或主存) 存取速度快、容量相对小、价格相对高；