计算机组成原理(1)——清华大学
计算机组成原理王爱英(清华)
2）十进制转换成二进制方法
一般分为两个步骤：
• 整数部分的转换
– 除2取余法（基数除法） – 减权定位法
• 小数部分的转换
– 乘2取整法（基数乘法）
除基取余法：把给定的除以基数,取余数作为最低位的 系数,然后继续将商部分除以 基数,余数作为次低位 系数,重复操作直至商为 0
例如：用基数除法将(327)10转换成二进制数 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 327 163 81 40 20 10 5 2 1 0 余数 1 1 1 0 0 0 1 0 1 2
例如: (7AC.DE ) 16 =(0111,1010,1100.1101,1110 ) 2 =(11110101100 .1101111 )2
3、 数值符号的表示
带符号数的编码 名词解释：真值和机器数 • 真值:正、负号加某进制数绝对值的形 式称为真值。如二进制真值： • X=+1011 y=-1011 • 机器数：符号数码化的数称为机器数 如 ：X=01011 Y=11011
3）十六进制(Hexadecimal)
• 基数:16 • 符号:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F • 计算规律:逢十六进一或借一当十六 • 二进制的多项式表示: • N16=dn-1 ×16n-1 + dn-2 ×16n-2 + • • • • • •d1 ×161 + d0 ×160 + d-1 ×16-1 + d-2 ×16-2 + • • • • • •d-m ×16-m • 其中n为整数位数；m为小数位数。Di表示第i 位的系数,16i称为该位的权.
若二进制原码小数的位数分别是8、16 位,求其该数表示的最大值、最小值及所能 表示数的个数？
清华计算机组成原理课件01 计算机系统概论共41页文档
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
清华计算机组成原理课件01 计算机系 统概论
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进Байду номын сангаас宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
清华大学石磊版计算机组成原理课后题复习资料
附录各章习题参考答案第1章习题参考答案1. （1）D （2）D （3）B （4）C （5）D （6）D2. 答：计算机是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能够对各种数字化信息进行快速算术和逻辑运算的工具，是一个由硬件﹑软件组成的复杂的自动化设备。
理解计算机的概念，应从六个方面：（1）以电子器件为物质基础，即研究的对象是电子数字计算机（Digital Computer）；（2）不需要人的直接干预，说明具有自动化能力，其前提是存储程序；（3）处理各种数字化信息，计算机以二进制编码作为数字化编码及运算的基础；（4）具有算逻运算能力，基本运算操作是算术和逻辑运算；（5）计算机是快速工具，主要取决于两个因素：一是电子器件，二是存储程序。
（6）由硬件和软件组成。
3. 答：见本章小结。
4. 答：计算机的生命力在于它的广泛应用，应用的范围几乎涉及人类社会的所有领域。
归纳起来，在科学计算、过程检测与控制、信息管理、计算机辅助系统等领域中的应用成就最为突出。
举例：计算机辅助教学CAI；学生的学籍管理系统；数字图书馆系统；虚拟现实系统；售票系统；学校的一卡通系统等。
5. 答：冯•诺依曼原理的基本思想是：•采用二进制形式表示数据和指令。
指令由操作码和地址码组成。
•将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。
这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念。
•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。
•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5部分的基本功能。
冯•诺依曼型计算机的基本特点也可以用“存储程序”和“程序控制”来高度概括。
6. 答：计算机的硬件系统由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、输入输出设备及总线系统组成。
而总线分为数据总线、地址总线、控制总线，其结构有单总线结构、双总线结构及多总线结构。
王万生《计算机组成原理》清华大学出版社答案汇总
计算机组成原理实用教程(第二版)习题1一、选择题1．微型计算机的分类通常是以微处理器的 D 来划分。
A．芯片名 B. 寄存器数目C．字长 D. 规格2. 将有关数据加以分类、统计、分析，以取得有价值的信息，我们称为 A。
A．数据处理 B. 辅助设计C．实时控制 D. 数值计算3．计算机技术在半个世纪中虽有很大的进步，但至今其运行仍遵循这一位科学家提出的基本原理 D 。
A.爱因斯坦B. 爱迪生C. 牛顿D. 冯·诺伊曼4．冯·诺伊曼机工作方式的基本特点是 A 。
A．按地址访问并顺序执行指令 B．堆栈操作C．选择存储器地址 D．按寄存器方式工作5．目前的CPU包括_A_和cache。
A. 控制器、运算器B. 控制器、逻辑运算器C. 控制器、算术运算器D. 运算器、算术运算器二、填空1. 数字式电子计算机的主要外部特性是快速性、准确性、通用性、逻辑性。
2. 世界上第一台数字式电子计算机诞生于 1946 年。
3. 第一代电子计算机逻辑部件主要由电子管组装而成。
第二代电子计算机逻辑部件主要由晶体管组装而成。
第三代电子计算机逻辑部件主要由集成电路组装而成。
第四代电子计算机逻辑部件主要由大规模集成电路组装而成。
4. 当前计算机的发展方向是网络化计算机系统、分布式计算机系统和智能化计算机系统等方向发展。
5. 电子计算机与传统计算工具的区别是自动化程度高。
6.冯·诺依曼机器结构的主要思想是1.采用二进制代码表示数据和指令；2．采用存储程序的工作方式；3．计算机的硬件系统由五大部分组成。
7. 冯·诺依曼机器结构由控制器、存储器、运算器、输入设备和输出设备五大部分组成。
8. 中央处理器由运算器和控制器两部分组成。
9. 计算机中的字长是指机器数的二进制位数（或计算机一次可以处理的二进制位数）。
10. 运算器的主要部件是算术逻辑运算单元ALU。
11. 控制器工作的实质是指挥和协调机器各个部件有条不紊工作。
计算机组成原理清华1教材
第四代计算机—超大规模集成电路计算机 设计方法和设计工具的重视 第五代计算机—普适计算机 信息空间和信息空间的入口的矛盾严重限制 了人们获取信息和处理信息的能力 个人数字助理（ Personal Digital Assistant ， PDA）是这一代计算机的典型代表
普适计算特殊性主要有： （1）硬件和软件经常是协同设计的； （2）一种重要目标就是将物理世界和信息 世界相互关联； （3）网络基础设施尤其是无线网络技术的 发展为普适计算提供了物质基础； （4）设备实现小尺寸、微功耗和低成本。 人们周围将有大量功能多样和形态各异的 计算设备。
系列机具有以下特性： 1) 相同的或相似的指令集：多数情况下，系列中的所有成 员都其有完全相同的指令集。这样，能够在一台机器上执 行的指令同样也能在另一台机器上执行。某些情况下，系 列中低端产品的指令集是高端产品的一个子集。这意味着 程序可以向上而不能向下移植。 2) 相似或相同的操作系统：产品家族中的所有成员都有相 同的基本操作系统。有些情况下，高端成员会增添一些新 特性。 3) 更高的速度：成员机器从低端到高端，指令执行速度从 低到高。 4) 更多的I/O端口数：成员机器从低端到高端，I/O端口 数越来越多。 5) 更大的内存容量：成员机器从低端到高端，内存容量越 来越大。 6) 成本增加：成员机器从低端到高端，成本越来越高。
摩尔定律:单个芯片中的晶体管数目每年能够翻一番。 摩尔定律的影响: 1) 在芯片集成度快速增长的期间，单个芯片的成本几乎没 有变化，这意味着计算机逻辑电路和存储器电路的成本显 著下降。 2) 因为在集成度更高的芯片中逻辑和存储器单元的位置更 靠近，电路长度更短，所以提高了工作速度。 3) 计算机变得更小，更容易放置在各种环境中。 4) 减少了电能消耗及对冷却的要求。 5) 集成电路内部的连接比芯片间的连接更可靠，由干芯片 中的电路增加，芯片间的连接变得更少。
《清华大学计算机组成原理课件》
3
搭建电路
学生将在仿真软件中搭建逻辑电路，提高学生动手实践的能力，并考验学生对逻 辑门电路的设计和搭建技能。
组合逻辑电路
全加器
学习全加器的基本原理，确定 输入输出的关系，并掌握组成 全加器的基本电路。
译码器
介绍了译码器的应用及工作原 理，教学生如何根据需要选择 不同的译码器。
多路选择器
学习了多路选择器电路的基本 概念和应用，测试了学生对多 路选择器的掌握能力。
存储器与存储电路
1
组成原理
组成存储器的基本元件是触发器，讲述了静态触发器和动态触发器，它们各自的工作 原理。
2
RAM和ROM
介绍了RAM和ROM的基本原理和应用，以及学习访问这两种存储器的原理与方式。
3
内存单元布局及地址控制
通过存储器系统的组成、存储器容量的理解，让学生掌握如何地址定位和数据存储等 问题。
转 入 内 核 态 处 理 流 程
pe
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pc
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su
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Mt
Ss
U
多级中断系统
介绍了多级中断系统的实现原 理和构架，以及多级中断系统 如何解决中断优先级问题。
存储器系统性能分析
1
存储器性能参数
包括各种存储器的读取时间、写入时间，存储器的带宽等，还包括这些存储器的特 点和使用方法。
转 入 M 态 处 理 流 程
pc
cp
sc
清华大学：计算机组成原理课件
图1.3 高级语言虚拟机器的层次结构
翻译程序有编译程序和解释程序两种。 翻译程序有编译程序和解释程序两种。 编译程序是将编写的源程序中全部语句翻译成机器 语言程序后，再执行机器语言程序。 语言程序后，再执行机器语言程序。假如一个题目 需要重复计算几遍，那么一旦翻译以后， 需要重复计算几遍，那么一旦翻译以后，只要源程 序不变，不需要再次进行翻译。 序不变，不需要再次进行翻译。但源程序若有任何 修改，都要重新经过编译。 修改，都要重新经过编译。 解释程序则是在将源程序的一条语句翻译成机器语 言以后立即执行它，然后再翻译执行下一条语句。 言以后立即执行它，然后再翻译执行下一条语句。 它的特点是翻译一次只能执行一次， 它的特点是翻译一次只能执行一次，当第二次重复 执行该语句时，要重新翻译，因而效率较低。 执行该语句时，要重新翻译，因而效率较低。 ALGOL，FORTRAN，PASCAL等语言是用编译 ， ， 等语言是用编译 程序进行翻译的， 语言有解释和编译两种。 程序进行翻译的，BASIC语言有解释和编译两种。 语言有解释和编译两种
中央处理器又叫CPU，在早期的计算机中分成运算 ， 中央处理器又叫 器和控制器两部分，由于电路集成度的提高， 器和控制器两部分，由于电路集成度的提高，现在 已把它们集成在一个芯片中。 已把它们集成在一个芯片中。 运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件， 运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件，经 常进行的是算术运算和逻辑运算， 常进行的是算术运算和逻辑运算，所以在其内部有 一个算术及逻辑运算部件(ALU)。算术运算是按照 一个算术及逻辑运算部件 。 算术规则进行的运算，例如加、 算术规则进行的运算，例如加、减、乘、除、求绝 对值、求负值等。 对值、求负值等。逻辑运算一般是指非算术性质的 运算，例如比较大小、移位、逻辑乘、逻辑加等。 运算，例如比较大小、移位、逻辑乘、逻辑加等。 在计算机中， 在计算机中，一些复杂的运算往往被分解成一系列 算术运算和逻辑运算。 算术运算和逻辑运算。
考研班主任清华大学考研真题—清华大学2001年计算机组成原理试题
清华大学2001年计算机组成原理试题试题内容：一、（10分）某RISC处理机各类指令使用频率和理想CPI（指令和数据访问Cache命中率为100％时的CPI）如下表所示。
而实际测得的指令访问Cache缺失率（miss rate）为5％，数据访问的Cache缺失率为10％，Cache的缺失损失（miss penalty）为40个时钟周期。
（1）该机器在无Cache缺失（理想情况）时的CPI是多少？（3分）（2）该机器在无Cache缺失（理想情况）时的速度比有Cache缺失时快多少倍？（7分）指令类型使用频率 CPI idealALU操作 43% 1Loads 21% 2Stores 12% 2Branches 24% 2二、（13分）一台模型机共有7条指令，主频25MHz，各指令的使用频率与CPI如下表所示。
该模型机有8位和16位两种指令字长，采用2-4扩展操作码。
8位字长指令为寄存器（R－R）二地址类型，16位字长指令为寄存器－存储器（R－M）二地址变址寻址类型（-128<=变址范围<=127）。
指令（字长）使用频度f CPII1（8位） 35% 1I2（8位） 25% 2I3（8位） 20% 2I4（16位） 10% 2I5（16位） 5% 1I6（16位） 3% 2I7（16位） 2% 2（1）计算该机的MIPS速率。
（4分）（2）计算操作码的平均码长。
（3分）（3）该机允许使用多少个可编址的通用寄存器，多少变址寄存器？（3分）（4）设计该机的两种指令格式，标出各字段位数并给出操作编码。
（3分）三、（12分）假设在一个采用组织相联映像方式的Cache中，主存有B0～B7共8块组成，Cache有C0～C3共4块，组内块数为2块。
每块的大小为32个字节，采用FIFO块替换算法。
在一个程序执行过程中依次访问块地址流如下：B1，B4，B6，B3，B0，B4，B6，B2，B4，B5（1）写出主存地址的格式，并标出各字段的长度（3分）（2）写出Cache地址的格式，并标出各字段的长度（3分）（3）画出主存与Cache之间各个块的映像对应关系（3分）（4）列出程序执行过程中Cache的块地址流分布情况。
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temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;
lw $to, lw $t1, sw$t1, sw$t0,
0000 1010 1100 0101 1001 1111 0110 1000 1100 0101 1010 0000 0110 1000 1111 1001
– Memory – I/O
Intel Pentium
什么是计算机？
• Datapath: 完成算术和逻辑 运算，通常包括其中的寄 存器。 • Control: CPU的组成部分， 它根据程序指令来指挥 Input datapath， memory以及I/O 运行，共同完成程序功能。 • Memory: 存放运行时程序 及其所需要的数据的场所。 Output • Input: 信息进入计算机的 设备，如键盘、鼠标等。 • Output: 将计算结构展示给 用户的设备，如显示器、 磁盘、打印机、喇叭等。
Machine Interpretation
Contro
A Six-Level Computer
Multilevel Machine
Evolution of Multilevel Machines
• • • • • Bare hardware Microprogramming Operating system Compilers Hardware / software interface
Control
Datapath
Memory
Computer
计算机组成
Von Neumann Machine
Processor
Datapath
Memory I/O
Bus-Based Computer
Anatomy of a Modern PC
Multiprocessors
IBM ASCI White: 8K processors, 13 Tflops
计算机组成原理
第一单元 第一讲 学习目的和方法 计算机发展简史
学习目的
• 了解计算机的组成
– 五大组成部件
• 掌握计算机的运行原理
– 计算机为什么能执行高级语言程序
• 掌握现代计算机中的一些核心技术
– 流水、Cache、并行
• 培养设计计算机的技能 • 提高编程能力 • 成为计算机科学家、计算机专家
计算机剖析
计算机系统 计算机结构 计算机处理器
设备制造
逻辑设计 电路（VLSI）设计
计算机剖析（续）
计算机系统 计算机结构 计算机处理器
高级语言
汇编语言
机器语言
计算机组成原理
Levels of Representation
High Level Language Program (e.g., C)
学习方法
• • • • • • • 课堂讲授 阅读参考资料 思考 完成实验 习题和实验报告 讨论和总结 考试
考评办法
• • • • 课堂讨论 习题和作业 实验和报告 考试
教材和参考书
• 教材
– 《计算机组成与设计》 王诚著 清华大学出版社 – 《计算机组成与设计实验指导》 王诚著 清华大学出版社
计算机组成
Compiler
Assembly Language Program (e.g.,MIPS) Assembler Machine Language Program (MIPS)
0($2) 4($2) 0($2) 4($2)
1010 0000 0101 1100 1111 1001 1000 0110 0101 1100 0000 1010 1000 0110 1001 1111
– – – Simple ISA CISC RISC
• 参考书目
– 《结构化计算机组成》 刘卫东 徐恪译 机械工业出版社 – Computer Organization & Design The hardware/software interface 机械工业出版社 – Computer organization and architecture Designing for performance 清华大学出版社 – 《计算机组成与结构》王爱英编 第3版 清华大学出版社 – /class/ee182 – /courses/ececs314/
主要教学内容
• • • • • 计算机的层次结构 运算器的功能、组成和基本运行原理 控制器的功能、组成和运行原理 存储器及层次存储器系统 输入/输出设备和总线
学习目标
• • • • • 掌握单台计算机的完整硬件组成 基本运行原理 内部运行机制 了解计算机系统的最新发展 达到能独立设计一台完整计算机的水平。
计算机组成原理
教学小组成员：
王诚 教授 wangch@
刘卫东
宋佳兴
副教授
老师
liuwd@
jxsong@
网上课程：
办公室：东主楼9区409
电话：81446
答疑时间：Thursday, 4:00~5:00pm
计算机里有什么？
什么是计算机？
• 构成计算机的基 础理论大部分已 经有50年了。 • 目前，计算机的 关键部件也没有 大的改变
– CPU
• Data Path • Controller
– Memory – I/O
什么是计算机？
• 功能部件
– CPU
• Data Path • Controller