计算机组成原理 1 概述
大学计算机基础计算机组成原理概述
大学计算机基础计算机组成原理概述计算机组成原理是大学计算机基础领域中的重要课程之一。
它主要涉及计算机硬件和软件的结构、功能和运行原理。
通过学习计算机组成原理，能够深入了解计算机的内部构造，理解计算机的工作原理，为今后深入学习和应用计算机技术打下基础。
一、计算机组成原理概述计算机组成原理是指计算机硬件和软件的组成和运行原理。
硬件包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等各个部件，而软件则是指计算机应用程序和系统软件。
计算机组成原理的研究对象主要是计算机的组成和工作原理，包括计算机的层次结构、指令系统、数据表示和处理、I/O系统等方面。
二、计算机硬件的组成计算机的硬件主要包括中央处理器(CPU)、内存(RAM)、输入设备、输出设备和存储设备等。
其中，中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和控制计算机的运行；内存用于存储数据和程序；输入设备用于接收外部信息；输出设备用于展示计算结果；存储设备则用于长期保存数据和程序。
三、指令系统和数据表示指令系统是计算机硬件和软件的桥梁，它定义了计算机可以执行的操作和指令的格式。
数据表示则是计算机用来存储和处理数据的方式，常见的数据表示包括二进制、十进制和十六进制等。
四、中央处理器的工作原理中央处理器是计算机的核心组件，它由运算器和控制器两部分组成。
运算器用于执行算术和逻辑运算，而控制器负责指挥整个计算机系统的工作。
中央处理器通过指令周期来执行指令，包括取指、译码、执行和写回等阶段。
五、内存的层次结构和存储器技术内存是计算机用来存储数据和程序的地方，它具有不同的层次结构和存储器技术。
常见的内存层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等。
而存储器技术则包括静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)等。
六、输入输出系统和外围设备输入输出系统是计算机与外部设备之间的连接桥梁，它负责数据的输入和输出。
外围设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等各种设备，通过输入输出系统与计算机进行数据交换。
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1
、器件的设计、装配技术等属于计算机实现。
计算机组成原理 31
例:① 主存容量与编址方式(按位、按字节、
按字访问等)的确定属于计算机系统结构。
②为达到所定性能价格比，主存速度应多快 ，在逻辑结构上需采用什么措施(如多体交叉 存储等)属于计算机组成。 ③主存系统的物理实现，如存储器器件的选 定、逻辑电路的设计、微组装技术的选定属于 计算机实现。
计算机组成原理
16
计算机硬件系统的一种构成形式 存储器 系 统 总 线
运算器 控制器
适配器
输入设备 输出设备
17
计算机组成原理
计算机硬件系统的一种构成形式
4 PC+4 I 25-21 I 20-16 PC 指令 存储器 IR I15-11 I31-28 I 25-0 x4 Target
控制器
x4
计算机组成原理 7
本讲主要内容
课程简介
计算机系统的基本构成 计算机系统的层次结构 计算机系统结构、组成及其实现
计算机组成原理
8
计算机系统的基本构成
计算机系统
计算机硬件
计算机软件
主机
外设
主存 I/O接口
CPU 系统总线
辅存
I/O设备
运算器
控制器
内部寄存器组
计算机组成原理
9
计算机系统的基本构成
计算机系统
课程简介
课程性质与地位： 专业基础必修课程,承上启下 课程目的与任务：
建立计算机硬件系统的完整概念，以单 机系统为研究对象，阐述计算机系统的硬 件组成以及各部件的工作原理
计算机组成原理
4
课程主要内容
1、计算机系统概论 2、逻辑电路设计基础 3、信息编码和数据表示 4、计算机算法和算法逻辑实现 5、存储器 6、计算机指令构成和寻址方式 7、处理机设计 8、流水线处理机 9、存储系统 10、输入输出设备 11、输入输出系统
北航 计算机组成原理 第一部分：概述
2.1 无符号数和有符号数
❖有符号数
➢ 数的实例：+ 0.1010110， - 0.1101001，+ 1001.001， -1101101
❖ 机器数表示
➢ 数的正负问题：设符号位，“0”表示“正”，“1”表示“负”， 固定为编码的最高位
➢ 真值0怎么办：正零，负零 ➢ 小数点怎么办：固定小数点 （即 定点数）
操作数地址
11010101 10000100 01010001 10100000
❖程序：在此特指一段机器指令序列。
➢完成一定的功能，采用某种算法，具备一定的流程； ➢计算机按照程序所规定的流程和指令顺序，一条一条地执行指令，达到
完成程序所规定的功能的目的。
➢计算机采用程序计算器（Program Counter）来决定指令执行的顺序。
➢数的符号：正数、负数、零 ➢数的形态：整数、小数、小数点的性质； ➢数的绝对值
字符：字母A（ASCII码）
01000001
整数：65 小数：0.253906
19
2.1 无符号数和有符号数
❖无符号数
➢ 数的编码中所有位均为数值位 ➢ 只能表示 >=0 的正整数 ➢ 16为无符号数的表示范围： 0 ~ 65535
L2 Cache
MBus
L64852 MBus control
M-S Adapter
SBus
SBus
DMA
SCSI Ethernet
SBus Cards
DRAM Controller
STDIO
serial kbd mouse audio RTC Floppy
17
第一部分：概述
一． 计算机组成与结构简介
秦磊华计算机组成原理
秦磊华计算机组成原理一、计算机组成原理概述计算机是由硬件和软件两个部分组成的，其中硬件是计算机的实体部分，包括中央处理器(CPU)、内存、输入输出设备等；而软件则是计算机的程序和数据。
计算机组成原理主要研究计算机的硬件部分，它涉及到计算机的结构、功能和性能等方面。
二、计算机组成结构计算机的组成结构可以分为五个层次：数字逻辑层、微程序层、指令层、微程序机器层和物理实现层。
其中，数字逻辑层是计算机的最底层，它由各种逻辑门和触发器组成，用于实现计算机的基本逻辑运算。
微程序层是指计算机中的微指令系统，用于实现计算机的指令执行过程。
指令层是计算机的指令集，用于定义计算机的操作指令。
微程序机器层是将指令层和微程序层结合起来的层次，它可以实现复杂的指令操作。
物理实现层是计算机的最高层，它包括了计算机的物理结构和电路设计。
三、计算机的工作原理计算机的工作原理可以分为指令执行和数据处理两个阶段。
在指令执行阶段，计算机根据指令集中的指令来执行相应的操作。
这个过程包括指令的取指、指令的译码、指令的执行和结果的写回等步骤。
在数据处理阶段，计算机根据指令操作对数据进行处理。
这个过程包括数据的输入、数据的运算和数据的输出等步骤。
计算机的工作原理是通过运算器、控制器和存储器等组件相互配合来完成的。
四、计算机组成原理的应用计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的重要基础课程，它对于计算机专业的学生来说具有重要的意义。
通过学习计算机组成原理，可以了解计算机的硬件组成和工作原理，掌握计算机系统的结构和功能，培养计算机系统设计和优化的能力。
同时，计算机组成原理还可以为后续的计算机体系结构、计算机网络和操作系统等课程打下坚实的基础。
秦磊华计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的重要研究方向。
通过对计算机的硬件组成和工作原理的研究，可以深入理解计算机系统的结构和功能，提高计算机系统设计和优化的能力。
计算机组成原理是计算机专业的重要基础课程，它对于计算机科学与技术领域的学生来说具有重要的意义。
24王道计算机组成原理pdf
24王道计算机组成原理pdf 24王道计算机组成原理pdf，这是一本经典的计算机教材，涵盖了计算机组成原理的重要知识点。
本文将从硬件和软件两个方面介绍计算机组成原理的基本概念和相关内容。
1、计算机组成原理的概述 计算机组成原理是研究计算机硬件系统和软件系统如何结合实现计算机功能的一门学科。
它包括计算机硬件的组成结构以及与之相关的软件系统的组成原理。
2、计算机硬件系统的组成结构 计算机硬件系统由中央处理器（CPU）、主存储器、输入输出设备（I/O）和总线等组成。
其中，CPU是计算机的核心，负责执行程序和进行数据处理。
主存储器用于存储程序和数据。
输入输出设备用于与外部设备进行信息交换。
总线是这些硬件组件之间传输数据和信号的通道。
3、计算机硬件系统的功能模块 计算机硬件系统包括运算器、控制器、存储器和输入输出设备等功能模块。
运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责控制计算机的运行，存储器用于存储数据和指令，输入输出设备用于与外部设备进行数据传输。
4、计算机软件系统的组成原理 计算机软件系统由系统软件和应用软件两部分组成。
系统软件是指计算机操作系统和系统工具软件，它们管理和控制计算机的硬件资源，提供基础的运行环境。
应用软件是指在计算机上运行的各种具体应用程序，如办公软件、娱乐软件等。
5、计算机指令的执行过程 计算机指令的执行过程包括取指令、译码、执行和访存等阶段。
取指令阶段是从主存储器中读取指令，并将其送入控制器。
译码阶段是将指令中的操作码转换为控制信号，控制器根据控制信号控制硬件模块的工作。
执行阶段是根据指令进行计算、逻辑运算等操作。
访存阶段是从主存储器中读取数据或向主存储器中写入数据。
6、计算机的层次结构 计算机的层次结构分为硬件层次和软件层次。
硬件层次包括门电路、组合逻辑电路、顺序逻辑电路、微程序控制器和指令系统等。
软件层次包括机器语言、汇编语言、高级语言、操作系统和系统工具等。
7、计算机性能的评价指标 计算机性能的评价指标包括执行时间、吞吐量和响应时间等。
计算机组成原理第一章总结
第一章计算机系统概述1.电子（电子线路）数字（电子线路是数学式）通用（计算机本身功能多样）计算机系统。
2.计算机系统由计算机硬件（构成计算机的所有实体部件的组合）和计算机软件（一系列按照待定顺序组织的计算机数据和指令的集合）组成。
3.硬件指由中央处理器，存储器以及外围设备等组成的实际装置，硬件的作用是完成每条指令规定的功能。
指令是计算机运行的最小的功能单位，指令是指示计算机硬件执行某种运算，处理功能的命令。
4.软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序，程序由一个序列的计算机指令组成。
指令是用于设计的一种计算机语言。
5.计算机系统的层次结构：数字逻辑层，微体系结构层（这两层是硬件部分），指令系统层（处在硬件和软件系统），操作系统层，汇编语言层，高级语言层（这三层是软件部分）。
6.运算器（ALU，算术逻辑单元）（1）算术运算和逻辑运算（2）在计算机中参与运算的数是二进制的（3）运算器的长度一般是8，16，32或64位。
7.存储器（1）存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元。
（2）存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号称为地址。
（3）内存储器（ROM,RAM）8.信息单位（1）位（bit，简写b）数字计算机信息单位；包含1位二进制（0或1）（2）字节（Byte,简写B）由8位二进制信息组成（3）字（Word）计算机一次所能处理的二进制位数，至少一个字节，通常把组成一个字的二进制位数称为字长9.存储器的分类（1）按照在计算机中的作用（主存储器，寄存器，闪速存储器，高速缓冲存储器，辅助存储器等）10.主存储器（主存）通常采用半导体存储器（1）随机存取存储器（RAM）CPU可读写，断电时内容被消除（2）只读存储器（ROM）CPU只能读写，断电后可保留其数据，存储在ROM中的软件常被称为固件。
11.寄存器（CPU内部的一组特殊存储单元）（1）读写速度比主存快的多，通常被用于使用最为频繁的数据项，以避免多次访问主存，减少主存访问可大大加快计算机速度。
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
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存储器
I/O
第２篇 计算机系统的硬件结构
系统总线
CPU
32
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
33
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
程序 —— 运算的 全部步骤 指令 —— 每 一个步骤
1.2
14
编程举例
计算
取x
1.2
ax2 + bx + c = (ax + b)x + c
至运算器中 取x
加b 加c
至运算器中
在运算器中 在运算器中
乘以x 在运算器中 乘以a 在运算器中 存ax2 在存储器中 取b 至运算器中 乘以x 在运算器中 加ax2 在运算器中 加c 在运算器中
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
1
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
运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备
主机
CPU
1.2
ALU
CU 主存 辅存
CPU
主机
硬件 I/O设备
主 存
ALU CU
I/O
设备
13
三、计算机的工作步骤
1.上机前的准备
• 建立数学模型
• 确定计算方法 x3 x5 x7 x9 … sin x = x + + 3! 5! 7! 9! 1 ( y x ) ( n = 0, 1, 2, … ) x √ = 2 n + yn • 编制解题程序
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
7
三、计算机体系结构和计算机组成 1.1
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
ACC
[M]
被除数
X MQ
X
运算器
[ACC]÷[X]
余数在ACC中
24
(3)控制器的基本组成
1.2
PC
IR
CU
完成 一条 指令
PC
取指令
分析指令
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
25
(4)主机完成一条指令的过程
MAR
X
运算器
控制器
8
主存储器
27
(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
1.2
• 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 …
ACC MQ
1.2
X 加数 减数
ACC
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
ALU
被乘数
除数
20
X
运算器
① 加法操作过程
指令
ACC MQ
1.2
加 M
初态 ACC
ALU
被加数
X ACC
[M] [ACC]+[X]
X
运算器
21
② 减法操作过程
指令
（具体指令的实现）
如何实现乘法指令
8
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
9
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
MAR
28
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
主频 吉普森法 TM = fi ti
i =1
与 CPU 中的 寄存器位数 有关
n
2.运算速度
MIPS CPI
每秒执行百万条指令
执行一条指令所需时钟周期数
FLOPS 每秒浮点运算次数
29
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
寄存器
控制 存储器
34
本章作业
第19页 5 7 8 11 12 交作业时间:第四周第一次课
35
本章作业
5. 冯.诺依慢计算机的特点是什么? 7. 概念解释: 主机，CPU，主存，存储单 元，存储元件，存储字，存储字长，存 储容量，机器字长，指令字长。 8. 解释英文代号：CPU，PC，IR，CU，ALU， ACC，MQ，X，MAR，MDR，I/O，MIPS， CPI，FLOPS 11. 指令和数据都存于存储器中，计算机 如何区分它们？ 12. 什么是指令？什么是程序？
以取数指令为例 CPU
…
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
26
(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
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
10
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
11
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
12
2.现代计算机硬件框图
乘以a 在运算器中 乘以x 在运算器中
15
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
16
停机
计算 ax2 + bx + c 程序清单
指令和数据 存于主存单 操作码 元的地址 0 1 指令 地址码 0000001000 取数x至ACC 0000001001 乘a得ax ,存于ACC中 注释 000001 000100
1.4 本书结构
2
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
3
1.1
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
9
10 11 12
x a b c
原始数据x
原始数据a
原始数据b 原始数据c 存放结果
17
2.计算机的解题过程
(1)存储器的基本组成
1.2
存储体 – 存储单元 – 存储元件 （0/1）
存储体
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
MAR MDR
36
主存储器
存储字长 存储单元中二进制代码的位数
每个存储单元赋予一个地址号
按地址寻访
18
(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
19
(2)运算器的基本组成及操作过程
4
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