计算机组成原理与系统结构
【计算机组成原理】基础知识汇总（必背）
【计算机组成原理】基础知识汇总（必背）整理了⼀下超星上的题⽬以及教材《计算机组成原理第3版》——唐朔飞的课后题。
第 1 章计算机系统概论超星题⽬说明计算机系统的层次结构。
说明冯诺依曼体系结构的特点。
计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输⼊设备和输出设备5⼤部件组成。
指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可按地址寻访。
指令和数据均⽤⼆进制代码表⽰。
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在存储器中的位置。
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。
早期的冯·诺依曼机以运算器为中⼼，输⼊/输出设备通过运算器与存储器传送数据。
知识点：冯·诺依曼机的基本⼯作⽅式是：控制流驱动⽅式冯·诺依曼机⼯作⽅式的基本特点：按地址访问并顺序执⾏指令什么是机器字长、指令字长、存储字长？机器字长是指CPU⼀次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
指令字长是⼀个指令字中包含⼆进制代码的总位数。
指令字长取决于从操作码的长度、操作码地址的长度和操作码地址的个数。
存储字长是⼀个存储单元存储⼆进制代码的位数。
存储字是存放在⼀个存储单元中的⼆进制代码组合存储单元是存放⼀个存储字的所有存储元集合。
其他存放欲执⾏指令的寄存器是：IR⼀个8位的计算机系统以16位来标⽰地址，则该计算机系统中有（65536）个地址空间。
指令流通常是（主存流向控制器）CPU内通⽤寄存器的位数取决于（机器字长）。
课后题什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？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。
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。
第1章 计算机系统概论-计算机组成原理-刘超-清华大学出版社
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
1 计算模型及其基本内容 计算模型是完成计算任务所必需遵循的基于形式化 描述的基本规则。工作单元(对计算机来说即是指令)之 间存在处理次序与数据依赖等两种关联性，用于控制处 理次序的工作驱动与数据依赖机制的数据传递是计算模 型的基本内容。工作驱动方式是计算模型的核心。
第二节 计算机的结构原理
一 计算机的工作原理
3 计算机工作过程 程序控制计算机完成计算任务过程可分为人工编制 程序和机器运行程序两个阶段。
存储器存储单 元地址
00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101 00000110 00000111 00001000 00001001 00001010 00001011 00001100 00001101 00001110 00001111 00010000
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
输入设备
辅助存储器 存储 系统
主存储器
输出设备 外设
运算器
控制器
具有存储层次计算机的体系结构框架
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
2 冯.诺依曼体系结构及其演变
主存 储器
主机 CPU
算术逻辑运算 单元ALU
第二节 计算机的结构原理
二 冯.诺依曼计算机的体系结构
1 计算机体系结构及其范畴 计算机体系结构的一般定义是：机器语言程序员所 必须了解的计算机概念性结构和功能特性。 计算机体系结构作为一门学科，其研究内容主要有 两个方面：一是软件与硬件功能分配；二是如何最佳最 合理地实分配给硬件的功能。 计算机体系结构(或属性)的范畴有：数据表示、指 令系统、寻址方式、寄存器组织、存储组织、中断机构、 机器状态、输入输出结构、信息保护等。
计算机组成原理(第2版)--唐朔飞
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
1.1
系统软件 用来管理整个计算机系统
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
为配合由高等教育出版社出版的面向21世纪课程教材《计算机组成原理》 教学和自学的需要，随书出版了《计算机组成原理》配套课件。为了配合该教 材的第２版，本课件在保留原课件特色的基础上，做了相应的补充和修改。 该课件与《计算机组成原理》第２版教材在体系上完全一致，它以课堂教 学为依托，帮助读者边阅读边思考，通过点击鼠标，逐行显示精练的文字和简 明的图表，既可从文稿中对教材的重点和难点加深理解，又可从视图中看到动 画演示效果，形象地理解各种电路的工作原理和设计思路。
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
寄存器
控制 存储器
第２章 计算机的发展及应用
2.1 计算机的发展史 2.2 计算机的应用 2.3 计算机的展望
2.1 计算机的发展史
2.1
40 000
速度 /（次/秒）
200 000 1 000 000
四
五
10 000 000 100 000 000
计算机组成原理(白中英)
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
系统结构
RAID4
I/O系统
❖ 专用奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘， 奇偶校验信息存在一台专用盘上
数据块
校验码 产生器
A0
A1
A2
A3
B0
B1
B2
B3
C0
C1
C2
C3
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
❖ 只写一次光盘
只写一次光盘（Write Once Only）：可以由用户写入 信息，不过只能写一次，写入后不能修改，可以多次读 出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修 改和重写的的数据追记在空白区内。
❖ 可檫写式光盘
可檫写式光盘（Rewriteable）：利用磁光效应存取信 息，采纳特殊的磁性薄膜作记录介质，用激光束来记录、 再现和删除信息，又称为磁光盘，类似于磁盘，可以重 复读写。
RAID6
I/O系统
❖ 双维奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉方式存于各盘， 检、纠错信息均匀分布在全部磁盘上
系统结构
A0 A1 A2
3校验码 D校验码
B0 B1
2校验码 C校验码
B2
C0
1校验码 B校验码
C1 C2
0校验码 A校验码
D1 D2 D3
校验码 产生器
7.7 光盘存储设备
– 正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示“0”； – 不论记录“0”或“1”，在记录下一信息前，记录电流
恢复到零电流 – 简洁易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理知识点汇总本文将计算机组成原理的知识点做了系统的整理，方便大家系统学习。
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计算机体系结构一、发展历史1.1946 ENIAC2.冯诺依曼EDVAC1)计算机思想：二进制存储控制2)计算机组成控制器运算器存储器输入输出3)时间轴a)代际划分第一代计算机1946-1957 电子管第二代计算机1958-1964 晶体管第三代计算机1965-1972 中、小规模集成电路第四代计算机1972~至今超大规模集成电路b)我国计算机发展2009研发出天河一号2010天河一号A 成为最快计算机2017神威太湖一号位于榜首4)辅助技术：CADCAMCAECAICIMS二、相关计算1.容量单位1B=8 bit1KB = 2^10 B= 1024 BTB PB EB ZB YB BB NB DB2.进制转换1)二进制、八进制、十进制、十六进制2)换算方法：统一换算成十进制，在转换为其他进制十进制转换为二进制十进制除以2 保留余数倒数3)各个进制的小数点转换：当前位数的值*（1/(进制^位数)）3.二进制码表示1)原码：表示范围-2^(n-1)-1 ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-127~1272)反码：正数的反码等于补码负数的反码等于除符号位以外取反3)补码：正数的补码=反码负数的补码=反码+1表示范围-2^(n-1) ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-128~127 -128的补码是1000000 人为规定4)移码补码的符号位取反5)特性00的补码、移码相同6)运算原码运算反码运算补码运算4.校验码1)奇偶校验码：根据1的位数1位数为奇数则是奇数校验码2)循环冗余CRC：多项式模2除法只能检错不能纠错3)海明校验码：有纠错功能5.ASCII编码1)汉字编码6.浮点数表示三、中央处理器CPU1.组成结构1)运算器a)作用：完成算术和逻辑运算，实现数据加工与处理b)组成：i.算术与逻辑计算单元ALUii.累加器AC（为ALU提供工作区，暂存ALU的操作数或运算结果）iii.状态字寄存器PSW：表征当前运算的状态及程序的工作方式一个保存各种状态条件标志的寄存器保存中断和系统工作状态等信息iv.寄存器组v.多路转换器2)控制器a)作用：取指令分析指令执行指令b)指令的组成指令码操作码c)内部寄存器i.程序计数器PC保存下一条指令的地址ii.指令寄存器IR保存当前执行的指令地址iii.指令译码器对IR中的指令的操作码进行译码iv.关系从PC中取出指令地址，送入IR，由译码器译码以后执行3)寄存器组a)数据寄存器DRi.暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字ii.作用作为CPU与外部存储设备的中转站弥补CPU与外部存储设备的速度差异b)地址寄存器AR用来保存当前CPU访问的主存的地址，直到主存信息读取完毕4)内部总线2.指令系统1)周期a)时钟周期：振荡周期计算机中最小、最基本的时间单位，一个时钟周期内，CPU只完成一个基本动作b)机器周期：完成一项基本操作的时间c)指令周期：完成一条指令需要的时间2)周期关系一条指令周期包含若干机器周期，一个机器周期包含若干时钟周期指令周期>机器周期>时钟周期3)流水线技术Pipeline程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术4)指令集a)复杂指令集CISCi.指令系统复杂，指令数目多ii.设有专用寄存器iii.指令字长不固定，指令格式多，寻址方式多iv.可访存指令不受限制v.各种指令的执行时间差大vi.采用微程序控制器vii.难以用优化编译生成高效的目标代码b)精简指令集RISCi.选取使用频度较高的简单指令以及很有用但不复杂的指令ii.指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少iii.只有取数、存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器中完成iv.CPU 中有多个通用寄存器v.采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成vi.控制器采用组合逻辑控制为主vii.采用优化编译技术3.寻址方式1)数据寻址a)立即寻址：操作数包含在指令中b)直接寻址：操作数位于内存中，指令中直接给出操作数的内存地址c)间接寻址：操作数位于内存中，指令中给出操作数地址的地址d)寄存器寻址：操作数存放寄存器中，指令中给出存放操作数的寄存器名e)寄存器间接寻址：操作数存放在内存中，操作数的内存地址位于某个寄存器中f)变址寻址：指令给出的形式地址A 与编制寄存器Rx 的内容相加，形成操作数有效地址；应用广泛如一组连续存放在主存中的数据g)基址寻址基址寄存器Rb 的内容与形式地址A 相加，形成操作数有效地址；基址寻址和变址寻址在形成有效地址时所用的算法是相同的；变址寻址是面向用户的，用于访问字符串、向量和数组等成批数据；基址寻址用于逻辑地址和物理地址的变换，解决程序在主存中的再定位和扩大寻址空间h)相对寻址：基址寻址的一种变通，由程序计数器PC 提供基准地址i)隐含寻址：指令中不明显地给出操作数的地址，其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中j)堆栈寻址2)指令寻址a)顺序寻址：程序计数器PC +1b)跳跃寻址：程序转移执行时的指令寻址方式，它通过转移类指令实现4.性能指标1)主频a)计算机的时钟频率b)时钟周期=1/主频c)单位是GHzd)时钟频率为1GHz，时钟信号周期等于1ns 时钟频率为2GHz，时钟周期为0.5ns2)字长8位32位64位3)MIPS：每秒处理百万级的机器语言指令数4)MFLOPS：每秒百万个浮点操作，反映浮点运算情况5)CPI：每条指令的时钟周期数6)平均无故障时间MTBF：Mean Time Between Failure多次相继失效之间的平均时间该指标和故障率衡量系统的可靠性7)平均修复时间MTTR：多次故障发生到系统修复后的平均时间间隔。
计算机组成原理课后答案
计算机组成原理课后答案习题解答第一章思考题与习题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？计算机系统是指计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体。
硬件即指计算机的实体部分。
软件是由计算机运行所需的程序及相关文档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4．如何理解计算机组成和计算机体系结构？计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O 机理等等计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。
5．冯·诺依曼计算机的特点是什么？(1) 计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成(2) 指令和数据以同等的地位存放于存储器内，并可以按地址寻访(3) 指令和数据均可以用二进制代码表示(4) 指令由操作码和地址码组成(5) 指令在存储器内按顺序存放。
(6) 机器以运算器为中心。
6．画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指标。
硬件的主要技术指标：(1) 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(2) 存储容量：包括主存容量和辅存容量，存放二进制代码的总数＝存储单元个数×存储字长(3) 运算速度：主频、Gibson 法、MIPS 每秒执行百万条指令、CPI 执行一条指令所需时钟周期数、FLOPS 每秒浮点运算次数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。
主机——是计算机硬件的主体部分，由CPU+MM（主存或内存）组成；CPU——中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器+控制器组成；存储字长——存储器一次存取操作的最大位数；存储容量——存储器中可存二进制代码的总量；机器字长——CPU能同时处理的数据位数；等于处理器内部寄存器位数指令字长——一条指令包含的二进制代码位数；8．解释下列英文代号：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS。
计算机组成原理
2、总线规范
每个总线标准都有详细的规范说明，一般包括以下几个部分 1）机械性能规范：模板尺寸、插头、连接器的规格及位置 等。 2）功能规范：信号线的序号、名称及功能等。 3）电气特性的规范：信号线的电平种类、动态转换时间、 负载能力等。
五、总线的性能指标
评价总线性能的优劣 1、总线宽度：主要是指数据总线的数目。如4/8/16/32/64 直接影响总线的传输率（吞吐量） 2、标准传输率（总线带宽） 单位时间内总线上传输数据的位数。以MB/S表示。 例如：某总线工作频率为8.33MHZ，总线宽度为16位，则 标准传输率为 8.33M×2B/s=16.66MB/s 3、总线定时协议（握手机制） 数据传输采用何种时钟控制。分为同步、异步、半同步、 分离式几种 4、总线控制方式：如仲裁机制、自动配置等。 5、总线复用 两种不同时出现的信号共用一组物理线路，即分时使用同 一组总线，称为总线的多路分时复用。其目的在于减少芯 片的引脚数。 6、信号线数：总线所包含的全部信号线的总数。 7、其它指标：如负载能力、电源电压、能否扩展等。
第三章 系统总线
3.1 总线概述 3.2 常用的总线标准 3.3 总线结构
3.4 总线控制
3.1 总线概述
一、为什么要用总线
机内部件间互连方式：
早期：分散连接 以运算器为核心，内部连线复杂，尤其是当I/O 与存储器交换信息时，都需要经过运算器，严重影 响CPU的工作效率。
采用存储器为核心的分散连接结构，虽采用中断、 DMA等技术，仍无法解决I/0设备与主机之间连接的 灵活性。 目前：总线连接
MAR MDR 容量 10 8 1 K × 8位 16 32 64 K × 32位
1K = 210
2 b = 1 KB 1B = 23b 221b = 256 KB 80 GB
计算机组成原理 第1章 绪论
超级计算机——天河一号
运算速度 “天河一号”峰值运算速度为每秒4700 万亿次。做个换算对比：“天河一号”运 算1小时，相当于全国13亿人同时计算340 年以上的时间；“天河一号”运算1天， 相当于1台双核的高档桌面电脑运算620年 以上的时间。 存储容量 “天河一号”存储容量为两千万亿个字节。 做个换算对比：一个汉字平均为两个字节， “天河一号”可在线存储一千万亿个汉字， 相当于存储100万汉字的书籍10亿册。
电子数字计算机以离散量即数字量表示数据，应
用算术运算法则实现运算。 由于具有很强的逻辑判断功能、庞大的存储能力，以及 计算、模拟、分析问题、操作机器、处理事务等能力， 因而得到了极其广泛的应用。
电子计算机的诞生
• 第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美国诞生。 ① 每秒5000次加法运算； ② 每秒50次乘法运算；
1.1.1 更新换代的计算机硬件
（1） 电子管时代（1946年－1959年） （2） 晶体管时代（1959年－1964年） （3） 中、小规模集成电路时代（1964年－1975年）
（4） 超、大规模集成电路时代（1975年－1990年）
（5） 超级规模集成电路时代（1990年－现在）
代
一 二 三
1.1.2 日臻完善的计算机软件
汇编语言阶段（20世纪50年代）
程序批处理阶段（20世纪60年代）
分时多用户阶段（20世纪70年代）
分布式管理阶段（20世纪80年代）
软件重用阶段（20世纪90年代）
Web服务阶段（21世纪初期－现在）
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计算机组成原理与系统结构
计算机组成原理与系统结构是计算机科学的一个重要分支，它研究计算机的硬件系统结构，以及它们之间的关系及其功能。
本文将对计算机组成原理和系统结构进行详细介绍。
计算机组成原理是研究计算机系统结构的基础，它涉及计算机的硬件结构，如处理器、存储器、输入/输出设备等，以
及它们之间的连接、通信和管理方式。
它重点研究的内容包括处理器的结构、功能和工作原理，存储器的结构、功能和工作原理，输入/输出系统的结构、功能和工作原理，以及它们之
间的协调和控制方式。
计算机系统结构是指计算机系统的结构形式，它描述了计算机系统中各组件之间的关系及其功能。
计算机系统结构分为硬件系统结构和软件系统结构。
硬件系统结构指的是计算机硬件的结构形式，其中包括运算器、控制器、存储器、输入/输
出系统等；软件系统结构指的是计算机软件的结构形式，其中包括操作系统、应用软件等。
计算机组成原理与系统结构的研究是计算机科学的重要研究方向。
它可以帮助我们深入了解计算机的硬件结构和软件结构，从而为计算机系统的设计和实现提供基础。
此外，它还可以帮助我们更好地理解计算机的工作原理，从而更好地应用计算机技术。
总而言之，计算机组成原理与系统结构是计算机科学的一个重要分支，它研究计算机的硬件系统结构，以及它们之间的关系及其功能，这对于计算机的设计和应用有着重要的意义。