计算机组成原理第1章
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计算机组成原理第1章
１.２ 计算机系统的组成
• 这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念。 • ③指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行
，程序分支由转移指令实现。 • ④计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本
部件组成，并规定了五部分的基本功能。 • 冯·诺依曼原理的基本思想奠定了现代计算机的基本架构，并开创了
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１.２ 计算机系统的组成
• 运算器的性能是影响整个计算机性能的重要因素，精度和速度是运算 器重要的性能指标。
• （３）控制器 • 控制器是整个计算机的控制核心。它的主要功能是读取指令、翻译指
令代码并向计算机各部分发出控制信号，以便执行指令。当一条指令 执行完以后，控制器会自动地去取下一条将要执行的指令，依次重复 上述过程直到整个程序执行完毕。 • （４）输入设备 • 人们编写的程序和原始数据是经输入设备传输到计算机中的。
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１.１ 计算机的发展
• 归根结底，４０多年的实践证明摩尔定律有利于工业的发展及人类的 需求。直至今日，半导体工业还是按照ＤＲＡＭ每１８个月、微处理 器每２４个月集成度翻倍的规律发展着。
• 如果按照旧有方式制造电路，即将晶体管、电阻器和电容器安装在电 路板上构成电子设备，那么个人计算机、移动电话、计算机辅助设计 等都是不可能问世的。
• 主存储器主要由存储体、存储器地址寄存器（ＭｅｍｏｒｙＡｄｄｒ ｅｓｓＲｅｇｉｓｔｅｒ，ＭＡＲ）、存储器数据寄存器（Ｍｅｍｏ ｒｙＤａｔａＲｅｇｉｓｔｅｒ，ＭＤＲ）以及读写控制线路构成。
• （２）运算器 • 运算器是对信息进行运算处理的部件。它的主要功能是对二进制编码
进行算术（加减乘除）和逻辑（与或非）运算。运算器的核心是算术 逻辑运算单元（ＡｒｉｔｈｍｅｔｉｃＬｏｇｉｃＵｎｉｔ，ＡＬＵ ）。
《计算机组成原理》教程第1章概述
第三代计算机
集成电路计算机，进一步提高 了运算速度和可靠性，并开始 应用于各个领域。
第四代计算机
超大规模集成电路计算机，体积进 一步减小、运算速度飞速提升，功
能更加强大且应用领域广泛。
计算机系统组成
硬件系统
包括中央处理器（CPU）、存储器、 输入输出设备等，是计算机系统的 物质基础。
软件系统
包括操作系统、应用软件等，是 计算机系统的灵魂，负责管理和 控制硬件系统的工作。
运算方法与运算器
01
基本运算方法
包括加法、减法、乘法、除法等基本算术运算，以及逻辑运算和移位运
算等。
02
运算器的组成
运算器是实现算术运算和逻辑运算的部件，它由算术逻辑单元（ALU）、
累加器、寄存器等部件组成。
03
运算器的功能
根据指令的要求，从存储器或寄存器中取出操作数进行运算，并将结果
存回存储器或寄存器中。同时，运算器还可以执行一些与运算相关的操
01
输入设备
02
输出设备
输入设备用于将外部信息输入到计算 机中，常见的输入设备有键盘、鼠标 、扫描仪等。
输出设备用于将计算机处理后的信息 输出到外部，常见的输出设备有显示 器、打印机等。
03
输入输出设备接口
为了连接输入输出设备和计算机主机 ，需要使用相应的输入输出接口。接 口的类型和规格因设备而异，常见的 接口类型有USB、HDMI、VGA等。
执行
根据操作码调用相应部件执行操作。
03
02
译码
对指令进行解析，确定操作码和操 作数地址。
写回
将执行结果写回到存储器或寄存器 中。
04ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
CPU性能指标及发展趋势
计算机组成原理(第三版)第一章
输出设备：显示器、 打印机、音响等
输入输出接口： USB、HDMI、 VG等
输入输出设备分类 ：输入设备、输出 设备、存储设备等
总线与接口
接口：连接总线和计算机内 部各部件的硬件设备
总线：计算机内部各部件之 间的信息传输通道
总线类型：数据总线、地址 总线、控制总线
接口类型：并行接口、串行接 口、USB接口、PCI接口等
添加标题
1960年代集成电路 计算机出现提高了计 算机的集成度和性能
添加标题
1970年代大规模集 成电路计算机出现提 高了计算机的性能和 可靠性
添加标题
1980年代个人计算 机出现使得计算机进 入家庭和办公室
添加标题
1990年代互联网和 万维网的出现使得计 算机成为信息交流的 重要工具
添加标题
2000年代云计算和大 数据技术的出现使得计 算机成为数据处理和分 析的重要工具
计算机组成原理(第三版) 第一章大纲
汇报人：
目录
添加目录标题
01
计算机系统概述
02
计算机硬件组成
03
计算机软件组成
04
计算机中的信息表示
05
添加章节标题
计算机系统概述
计算机的发展历程
添加标题
1946年第一台电子 计算机ENIC诞生
添加标题
1950年代晶体管计 算机出现提高了计算 机的性能和可靠性
数据校验码
校验码的作用： 检测数据传输 过程中的错误
校验码的类型： 奇偶校验码、 海明码、循环 冗余校验码等
校验码的生成 方法：根据数 据位生成校验
位
校验码的应用： 数据传输、数 据存储等领域
感谢您的观看
汇报人：
计算机组成原理第一章
• 第一代计算机硬件采用电子管（体积大、功耗大）为基本器件，软件 主要为汇编语言。 其应用于 1945—1958 年。这一时期的计算机主 要为军事与国防技术服务，重点发挥计算机的 计算能力，帮助人们 解决复杂的计算问题。
• 1953，IBM开始研制计算机，并在几年时间里发展壮大，成为领头企 业，IBM在1958 年推出了最后一台电子管大型机产品 709。在第一 代计算机中，IBM 的成功产品是 IBM650 小型机，其销售量超过千台 ，在当时已是很了不起了。1958 年，中国科学院计算研究所成功 研 制出我国第一台小型电子管通用计算机“103 机”（八一型）。
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1.1
计算机历史
• 第四代计算机发展中的伟大成就是个人计算机的诞生。IBM 于 1981 年推出个人计算机， 其成为历史上最畅销的计算机。由于 IBM 个人 计算机设计的开放性，许多公司同样可以生产 个人计算机，从而推 动了新行业的发展，让成千上万人拥有了自己的计算机。第四代计算 机 发展的另一成果是网络的出现，它的迅猛发展使人们的生活方式 、文化活动等许多方面发生 了变化，网络目前已成为人们生活的一 部分。随着第四代计算机的发展，该领域的企业排序发生了变化，英 特尔（Intel）公司和微软（Microsoft）公司打败了世界上最大的 IBM 公司，成为世界上计算机产业的领导公司。
充分发挥硬件特性及通用性。目前 CPU 的设计一 定要考虑当今的软 件技术，以更好地配合软件来发挥 CPU 的效用，反之也一样。如在 2005 年，软件技术成熟了，已支持双内核 CPU 的运行，于是人们推 出台式机的双内核 CPU，而 双内核 CPU 技术早就用在了高端服务 器上，只不过这些软件只适合在服务器上运行。台式机 的双内核
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• 1953，IBM开始研制计算机，并在几年时间里发展壮大，成为领头企 业，IBM在1958 年推出了最后一台电子管大型机产品 709。在第一 代计算机中，IBM 的成功产品是 IBM650 小型机，其销售量超过千台 ，在当时已是很了不起了。1958 年，中国科学院计算研究所成功 研 制出我国第一台小型电子管通用计算机“103 机”（八一型）。
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1.1
计算机历史
• 第四代计算机发展中的伟大成就是个人计算机的诞生。IBM 于 1981 年推出个人计算机， 其成为历史上最畅销的计算机。由于 IBM 个人 计算机设计的开放性，许多公司同样可以生产 个人计算机，从而推 动了新行业的发展，让成千上万人拥有了自己的计算机。第四代计算 机 发展的另一成果是网络的出现，它的迅猛发展使人们的生活方式 、文化活动等许多方面发生 了变化，网络目前已成为人们生活的一 部分。随着第四代计算机的发展，该领域的企业排序发生了变化，英 特尔（Intel）公司和微软（Microsoft）公司打败了世界上最大的 IBM 公司，成为世界上计算机产业的领导公司。
充分发挥硬件特性及通用性。目前 CPU 的设计一 定要考虑当今的软 件技术，以更好地配合软件来发挥 CPU 的效用，反之也一样。如在 2005 年，软件技术成熟了，已支持双内核 CPU 的运行，于是人们推 出台式机的双内核 CPU，而 双内核 CPU 技术早就用在了高端服务 器上，只不过这些软件只适合在服务器上运行。台式机 的双内核
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计算机组成原理-第一章
1940年1月,在 Bell Labs,Samuel Williams 及Stibitz 完成了一部可以计算复杂数字的机器， 叫“复杂数 字计数机(Complex Number Calculator)”，后来改 称为“断电器计数机型号I (Model I RelayCalculator)”。它用电话开关部份做逻辑部件 1952年，第一台大型计算机系统IBM701宣布建造 完成。 1979年,夏普公司宣布制成第一台手提式微电脑。 1989年11月: Sound Blaster Card（声卡）发布。 1994年9月: PC-DOS 6.3发布。 1997年4月: IBM的深蓝（Deep Blue）计算机，战 胜人类国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。
常见的编程语言有： C; C++; VB; .NET; FoxPro；Java等等 1.1.3 什么是软件？ 什么是软件？ 是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合 1.1.4 什么是硬件？ 什么是硬件？ 是由许多不同功能模块化的部件组合而成的，并在软件的配 合下完成输入、处理、储存、和输出 输入、 输入 处理、储存、和输出等4个操作步骤。另外， 还可根据它们的不同功能分为5类。1. 输出设备（显示器、 打印机、音箱等）2.输入设备（鼠标、键盘、摄像头等）3. 中央处理器4.储存器（内存、硬盘、光盘、U盘以及储存卡 等）5.主板（在各个部件之间进行协调工作、是一个重要的 连接载体）
2005年Intel 开始推广双核CPU。 2006年Intel 开始推广四核CPU。 2007年Intel IDF大会推出震惊世界的2万亿次80核 CPU。
习
题
1.计算机作为主体，是由哪两大部分组成的？ 2.什么是计算机组成？ 3.计算机硬件主要由哪几大部分组成？其中 哪些部分构成了中央处理器？
《计算机组成原理》教程第1章概述
计算机的五大组成部分
中央处理器
负责执行计算机指令和控制计算机的操作。
存储器
用于存储程序和数据。
输入输出设备
与计算机进行信息交互的接口。
计算机总线
连接各个部件传输数据和信号。
第一章节的主要内容
1 计算机基础知识
了解计算机的基本概 念和术语。
2 计算机内部结构
3 指令执行过程
深入探讨计算机的各 个组成部分及其功能。
3 职业发展机会
掌握计算机底层原理， 可以编写更高效和可 靠的代码。
拥有计算机组成原理 知识的人才在计算机 行业有更广阔的发展 机会。
本章节总结和要点
本章节介绍了计算机组成原理的基本概念、计算机的发展历史以及计算机的 五大组成部分。学习计算机组成原理对于深入理解计算机工作原理和提升编 程能力至关重要。
学习计算机指令的执 行过程和控制流程。
为什么要学习计算机组成原理
学习计算机组成原理可以帮助你深入理解计算机的工作原理，提高编程和系统设计的能力，并打 下计算机科学的基础。
学习计算机组成原理的好处
1 深入了解计算机
系统
了解计算机内部的设 计和功能，可以更好 地使用计算机和解决章概述
计算机组成原理是研究计算机内部结构和功能的科学，本教程将带您深入了 解计算机组成原理的基本概念和重要性。
什么是计算机组成原理
计算机组成原理研究计算机的内部组成和运行原理，包括处理器、内存、存 储器、输入输出设备等关键组成部分，是计算机科学的基础。
计算机发展历史
计算机发展经历了多个阶段，从大型机到个人计算机，掌握计算机组成原理 能帮助你了解计算机的发展脉络和技术演进。
计算机组成原理总结精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版第一章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
7. 解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。
解：P9-10主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。
CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。
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。
存储元件：存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。
存储字：一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。
存储字长：一个存储单元所存二进制代码的位数。
存储容量：存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。
机器字长：指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
指令字长：一条指令的二进制代码位数。
计算机组成原理
1.3 计算机的基本组成
1.3.1冯.诺依曼计算机的特点
1. “存储程序”的概念: • 指令和数据均以二进制码表示。 • 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码 用来表示操作数所在存储器的位臵。 • 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条 件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。 控制器 冯．诺依曼对计算机界的最大贡献是： 主存区 PC 首次提出并实现了“存储程序”概念。 译码器 +1 本书主要介绍冯．诺依曼 读指令 程序(指令)区 结构计算机的组成。 ︾ ︾ 操作码 操作数地址
1.3.4 计算机的工作过程
3.指令的执行 指令规定的内容是通过控制器执行的。 ⑴ 控制器的功能 ① 定序功能——保证按程序规定的顺序执行指令。 ② 定时功能——控制器为各部件提供统一节拍，使各 条指令及组成每条指令的基本操作（称为微操作） 都严格地按规定的时间有条不紊地自动执行。 ③ 操作控制功能——控制器应能按照指令规定的内容， 在相应的节拍向有关部件发出操作控制信号。
操作系统 硬件
计算机 系统
互 补
系统软件
语言处理 程序 工具软件
软件
文字处理 数据处理
应用软件
程序
+
文档
计算机辅助 软件
……
计算机系统的软件分类
应用软件和工具软件三大类。
1.1.2 计算机系统的层次结构
1．虚拟机（Virtual Machine）的概念
应用语言虚拟机M5（应用语言）用应用语言编写 的应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言 翻译(应用软件包)
硬件直接执行
计算机系统的层次结构图
2.虚拟机的层次结构
从语言的角度来划分计算机系统的层次结构，那么 虚拟机可分成如图1-2所示的操作系统虚拟机、汇编语言 虚拟机、高级语言虚拟机和应用程序虚拟机等层次。 虚拟机概念的引入，推动了计算机体系结构的发展。 由于从各层次的虚拟机可方便地识别相应层次的计算机 语言，从而摆脱了这些语言必须在同一台机器上执行的 情况，为日后的多处理机系统、分布式处理系统、计算 机网络、并行计算机系统等新颖计算机体系结构的出现 夯实了基础。 虚拟计算机 广义语言 本书讨论的范围 控制信息 仅局限于传统机器M1和 观察者 解释器 作用对象 微程序机器M0的组成原理 状态信息 和设计思想。
计算机组成原理第1章ppt课件
和电路实现。
浮点数的表示与运算
浮点数的概念
浮点数是指小数点位置可以浮 动的数，用于表示更大范围、
更高精度的数值。
浮点数的表示方法
通常采用IEEE 754标准表示， 包括符号位、指数位和尾数位 。
浮点数的加减运算
需要进行对阶、尾数加减、规 格化等步骤，同时处理溢出和 舍入等问题。
浮点数的乘除运算
需要设计高效的算法和电路实 现，包括浮点乘法、浮点除法
地址译码器
将地址寄存器中的地址转换为对 应存储单元的选择信号。
存储体
由大量存储单元组成，每个存储 单元可存放一个字节或多个字节 的数据。
读写控制电路
根据CPU的命令控制存储器的读 写操作。
主存储器的性能指标与优化
存储容量
主存储器可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位进 行衡量。
存取时间
逻辑门电路
基本逻辑门电路
介绍与门、或门、非门等 基本逻辑门电路的工作原 理和实现方法。
复合逻辑门电路
讲解与非门、或非门、异 或门等复合逻辑门电路的 工作原理和实现方法。
逻辑门电路的应用
介绍逻辑门电路在数字电 路中的应用，如组合逻辑 电路的设计和实现等。
03
计算机中的数据表示
数值数据的表示
定点数表示法
计算机的发展
计算机经历了从机械式计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算 机到超大规模集成电路计算机的五个发展阶段。
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，是计算机的物理基
础。
软件系统
包括系统软件和应用软件，是计算 机的逻辑基础。
数据
是计算机处理的对象，包括数值数 据、非数值数据和多媒体数据等。
浮点数的表示与运算
浮点数的概念
浮点数是指小数点位置可以浮 动的数，用于表示更大范围、
更高精度的数值。
浮点数的表示方法
通常采用IEEE 754标准表示， 包括符号位、指数位和尾数位 。
浮点数的加减运算
需要进行对阶、尾数加减、规 格化等步骤，同时处理溢出和 舍入等问题。
浮点数的乘除运算
需要设计高效的算法和电路实 现，包括浮点乘法、浮点除法
地址译码器
将地址寄存器中的地址转换为对 应存储单元的选择信号。
存储体
由大量存储单元组成，每个存储 单元可存放一个字节或多个字节 的数据。
读写控制电路
根据CPU的命令控制存储器的读 写操作。
主存储器的性能指标与优化
存储容量
主存储器可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位进 行衡量。
存取时间
逻辑门电路
基本逻辑门电路
介绍与门、或门、非门等 基本逻辑门电路的工作原 理和实现方法。
复合逻辑门电路
讲解与非门、或非门、异 或门等复合逻辑门电路的 工作原理和实现方法。
逻辑门电路的应用
介绍逻辑门电路在数字电 路中的应用，如组合逻辑 电路的设计和实现等。
03
计算机中的数据表示
数值数据的表示
定点数表示法
计算机的发展
计算机经历了从机械式计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算 机到超大规模集成电路计算机的五个发展阶段。
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，是计算机的物理基
础。
软件系统
包括系统软件和应用软件，是计算 机的逻辑基础。
数据
是计算机处理的对象，包括数值数 据、非数值数据和多媒体数据等。
曹红根《计算机组成原理》第 1 章 计算机系统概论
第 1 章 计算机系统概论
2020/10/10
a
1
本章学习内容
• 计算机的发展历史 • 计算机系统的硬件组成 • 计算机的软件系统 • 计算机系统的组织结构 • 计算机的特点和性能指标 • 计算机的分类与应用
2020/10/10
a
2
1.1 计算机的发展历史
• 从1946年2月15日第一台计算机-ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)诞生以来，计算机的发展经历了近60年的迅猛发展。
2020/10/10
a
23
1.6 计算机的分类与应用
1.6.1 计算机的分类
1. 按处理的信息形式分 2. 按计算机字长分 3. 按计算机应用范围分 4. 按计算机规模分
2020/10/10
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24
1.6.2 计算机的应用
1. 科学计算 2. 数据处理 3. 现代控制 4. 辅助设计 5. 人工智能 6. 网络应用
2020/10/10
a
25
小结
计算机的发展历史 计算机系统的硬件组成 计算机的软件系统 计算机系统的组织结构 计算机的特点和性能指标 计算机的分类与应用
2020/10/10
a
26
习题
• 完成书后P18习题1(做在书上)
2020/10/10
a
27
⑵ 总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。 总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲 突，且总线上的各部件可以共享总线信息。
2020/10/10
a
16
3. 总线的分类
• 按总线所在位置分 (1) CPU内部总线 (2) 部件内总线 (3) 系统总线 (4) 外总线
2020/10/10
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1
本章学习内容
• 计算机的发展历史 • 计算机系统的硬件组成 • 计算机的软件系统 • 计算机系统的组织结构 • 计算机的特点和性能指标 • 计算机的分类与应用
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2
1.1 计算机的发展历史
• 从1946年2月15日第一台计算机-ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)诞生以来，计算机的发展经历了近60年的迅猛发展。
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1.6 计算机的分类与应用
1.6.1 计算机的分类
1. 按处理的信息形式分 2. 按计算机字长分 3. 按计算机应用范围分 4. 按计算机规模分
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1.6.2 计算机的应用
1. 科学计算 2. 数据处理 3. 现代控制 4. 辅助设计 5. 人工智能 6. 网络应用
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小结
计算机的发展历史 计算机系统的硬件组成 计算机的软件系统 计算机系统的组织结构 计算机的特点和性能指标 计算机的分类与应用
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习题
• 完成书后P18习题1(做在书上)
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⑵ 总线上的各个部件可同时接收总线上的信息。 总线的使用规定，保证了总线上的信息不冲 突，且总线上的各部件可以共享总线信息。
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3. 总线的分类
• 按总线所在位置分 (1) CPU内部总线 (2) 部件内总线 (3) 系统总线 (4) 外总线
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运算器
MQ
指令
初态
除
M
ACC
[ M]
被除数
X MQ
[ACC]÷[X]
余数在ACC中
(3)控制器的基本组成
Program Counter Instruction Register
CU
完成 一条 指令
PC
取指令
分析指令
PC
IR
取指 访存
执行指令
CU
执行 访存
IR
PC 存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（PC）+ 1 PC IR 存放当前欲执行的指令
PC
1
4
MAR
X
运算器
控制器
8
主存储器
(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程
• 将程序通过输入设备送至计算机
• 程序首地址
• 启动程序运行
PC MAR M
CU
• 取指令 PC
MDR M
IR ,(PC )+ 1 MDR ACC
PC
• 分析指令 OP(IR)
• 执行指令 Ad(IR)
• 打印结果 • 停机 …
J.Von Neumann Born: 28 Dec 1903 in Budapest, Hungary Died: 8 Feb 1957 in Washington D.C., USA
Alan Mathison Turing Born: 1912 (23 June): Paddington, London Died: 7 Jun 1954 in Wilmslow, Cheshire
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
第１章 计算机系统概论
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 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
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 计算
存储器
输出设备 结果
2.现代计算机硬件框图
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 加b得ax+b ,存于ACC中 乘x得（ax+b)x,存于ACC中
CPI
Cycle Per Instruction 执行一条指令所需时钟周期数
Point Operation Per Second FLOPS Floating 每秒浮点运算次数
3.存储容量
存放二进制信息的总位数 存储单元个数 ×存储字长 如
主存容量
字节数 如 字节数
MAR MDR 容量 10 8 1 K × 8位 16 32 64 K × 32位
被加数
X ACC
② 减法操作过程
ACC ALU X
运算器
MQ
指令
减
M
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
MQ
指令
初态
乘
M
ACC
[ M] [ACC]
被乘数
MQ X
0
[X]×[MQ]
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC ALU X
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
1.4 本书结构
1.1 计算机系统简介
一、 计算机的软硬件概念
1. 计算机系统
计 算 机 系 统
硬件 计算机的实体， 如主机、外设等 软件 由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成
系统软件 用来管理整个计算机系统
语言处理程序 操作系统 服务性程序
软 件
数据库管理系统
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序
2. 计算机的解题过程
高级语 言程序
翻译
目标
程序 计算机 人类
运行
结果
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
微指令系统
微程序机器 M0
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
MAR
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长 CPU 一次能处理数据的位数
与 CPU 中的 寄存器位数 有关 fi:指令i占全部全部操作的百分比数 主频 t :指令i的执行时间
吉普森法 TM = fi ti
i =1
n
i
2.运算速度
每秒执行百万条指令 MIPS Million Instruction Per Second
1K = 210
2 = 1 KB 221 = 256 KB 80 GB
1G = 230
13
1B = 23b
辅存容量
1.4 本书结构
计算机
第１篇 概论
1.4 本书结构
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
用编译程序翻译 成汇编语言程序
软 件
用汇编程序翻译 成机器语言程序
用机器语言解释操作系统
虚拟机器 M2 实际机器 M1
硬 件
用微指令解释机器指令
微程序机器 M0
由硬件直接执行微指令
三、计算机体系结构和计算机组成
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）
主存储器
大楼 –
房间
– 床位 （无人/ 有人）
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
MAR 存储器地址寄存器
反映存储单元的个数 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
(2)运算器的基本组成及操作过程
2.计算机的解题过程
(1)存储器的基本组成
存储体 – 存储单元 – 存储元件 （0/1）
存储体 存储单元 存放一串二进制代码 Memory MemoryAddress Data Register Register 存储字 存储单元中二进制代码的组合 MAR MDR 存储字长 存储单元中二进制代码的位数
Accumulator Multiplier-Quotient
ACC MQ X 加数 减数
ACC
ALU
MQ
加法 减法
被加数 和 被减数 差
X
运算器
乘数 乘法 乘积高位 乘积低位 除法 被除数 余数 商
被乘数
除数
① 加法操作过程
ACC ALU X
运算器
MQ
指令
加
M
初态 ACC [M] [ACC]+[X]
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，
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
4
5 6
000011
000010 000101
0000001011
0000001100 0000001100 x a b c
加c得ax2 + bx + c ,存于ACC
将ax2 + bx +c ,存于主存单元 打印
7
8 9 10 11 12
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
(4)主机完成一条指令的过程
以取数指令为例 CPU
…
ACC MQ
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
5
存储体
6
IR 27 3 9
MDR
I/O 设 备
CU
ALU
控制 单元
程序 —— 运算的 全部步骤 指令 —— 每 一个步骤
编程举例
计算
取x
ax2 + bx + c = (ax + b)x + c
至运算器中 取x
加b 加c
至运算器中
MQ
指令
初态
除
M
ACC
[ M]
被除数
X MQ
[ACC]÷[X]
余数在ACC中
(3)控制器的基本组成
Program Counter Instruction Register
CU
完成 一条 指令
PC
取指令
分析指令
PC
IR
取指 访存
执行指令
CU
执行 访存
IR
PC 存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（PC）+ 1 PC IR 存放当前欲执行的指令
PC
1
4
MAR
X
运算器
控制器
8
主存储器
(5) ax2 + bx + c 程序的运行过程
• 将程序通过输入设备送至计算机
• 程序首地址
• 启动程序运行
PC MAR M
CU
• 取指令 PC
MDR M
IR ,(PC )+ 1 MDR ACC
PC
• 分析指令 OP(IR)
• 执行指令 Ad(IR)
• 打印结果 • 停机 …
J.Von Neumann Born: 28 Dec 1903 in Budapest, Hungary Died: 8 Feb 1957 in Washington D.C., USA
Alan Mathison Turing Born: 1912 (23 June): Paddington, London Died: 7 Jun 1954 in Wilmslow, Cheshire
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
第１章 计算机系统概论
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 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
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 计算
存储器
输出设备 结果
2.现代计算机硬件框图
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 加b得ax+b ,存于ACC中 乘x得（ax+b)x,存于ACC中
CPI
Cycle Per Instruction 执行一条指令所需时钟周期数
Point Operation Per Second FLOPS Floating 每秒浮点运算次数
3.存储容量
存放二进制信息的总位数 存储单元个数 ×存储字长 如
主存容量
字节数 如 字节数
MAR MDR 容量 10 8 1 K × 8位 16 32 64 K × 32位
被加数
X ACC
② 减法操作过程
ACC ALU X
运算器
MQ
指令
减
M
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
MQ
指令
初态
乘
M
ACC
[ M] [ACC]
被乘数
MQ X
0
[X]×[MQ]
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC ALU X
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
1.4 本书结构
1.1 计算机系统简介
一、 计算机的软硬件概念
1. 计算机系统
计 算 机 系 统
硬件 计算机的实体， 如主机、外设等 软件 由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成
系统软件 用来管理整个计算机系统
语言处理程序 操作系统 服务性程序
软 件
数据库管理系统
网络软件
应用软件 按任务需要编制成的各种程序
2. 计算机的解题过程
高级语 言程序
翻译
目标
程序 计算机 人类
运行
结果
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
微指令系统
微程序机器 M0
虚拟机器 M4 虚拟机器 M3
MAR
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长 CPU 一次能处理数据的位数
与 CPU 中的 寄存器位数 有关 fi:指令i占全部全部操作的百分比数 主频 t :指令i的执行时间
吉普森法 TM = fi ti
i =1
n
i
2.运算速度
每秒执行百万条指令 MIPS Million Instruction Per Second
1K = 210
2 = 1 KB 221 = 256 KB 80 GB
1G = 230
13
1B = 23b
辅存容量
1.4 本书结构
计算机
第１篇 概论
1.4 本书结构
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
用编译程序翻译 成汇编语言程序
软 件
用汇编程序翻译 成机器语言程序
用机器语言解释操作系统
虚拟机器 M2 实际机器 M1
硬 件
用微指令解释机器指令
微程序机器 M0
由硬件直接执行微指令
三、计算机体系结构和计算机组成
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）
主存储器
大楼 –
房间
– 床位 （无人/ 有人）
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
MAR 存储器地址寄存器
反映存储单元的个数 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
(2)运算器的基本组成及操作过程
2.计算机的解题过程
(1)存储器的基本组成
存储体 – 存储单元 – 存储元件 （0/1）
存储体 存储单元 存放一串二进制代码 Memory MemoryAddress Data Register Register 存储字 存储单元中二进制代码的组合 MAR MDR 存储字长 存储单元中二进制代码的位数
Accumulator Multiplier-Quotient
ACC MQ X 加数 减数
ACC
ALU
MQ
加法 减法
被加数 和 被减数 差
X
运算器
乘数 乘法 乘积高位 乘积低位 除法 被除数 余数 商
被乘数
除数
① 加法操作过程
ACC ALU X
运算器
MQ
指令
加
M
初态 ACC [M] [ACC]+[X]
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，
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
4
5 6
000011
000010 000101
0000001011
0000001100 0000001100 x a b c
加c得ax2 + bx + c ,存于ACC
将ax2 + bx +c ,存于主存单元 打印
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8 9 10 11 12
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
(4)主机完成一条指令的过程
以取数指令为例 CPU
…
ACC MQ
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
5
存储体
6
IR 27 3 9
MDR
I/O 设 备
CU
ALU
控制 单元
程序 —— 运算的 全部步骤 指令 —— 每 一个步骤
编程举例
计算
取x
ax2 + bx + c = (ax + b)x + c
至运算器中 取x
加b 加c
至运算器中