北航计算机组成原理讲义1Introduction
❖运算器＋控制器＝CPU（Central Process Unit）
计算机组成（2）
❖存储器
➢保存程序和数据 ➢存储单元（bit, Byte, Word) ➢地址的概念（每一个字节单元一个唯一的地址） ➢存储器的工作方式：读、写 ➢组成：存储体＋地址缓冲部件＋数据缓冲部件＋读写控制部件 ➢存储器的层次：Cache ＋ RAM ＋ Disk ＋ Tape
计算机的工作原理
❖机器指令：计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的 二进制代码。
➢指令格式：操作码 ＋ 操作数（操作数地址） ➢操作码：指明指令的操作性质 ➢操作数（地址）：指令操作数的位置（或操作数本身）
操作码
操作数地址
11010101 10000100 01010001 10100000
❖程序：在此特指一段机器指令序列。
单总线结构
Examples – IAS （直接连接）
1946年，冯·诺依曼与同事开始研制 IAS,虽直到 1952年仍未完成，但该机结构被公认为随后发展 起来的通用计算机的原型。
Examples – PC （单总线结构）
普通PC（PC/XT）的内部结构
Examples – PC （多总线结构）
CPU Control
Datapath Units
Input Memory
Output
计算机组成（1）
❖运算器
➢完成最基本的算术逻辑运算 ➢ALU(Arithmetic and Logic Unit） ＋ Registers＋ DataPath
❖控制器
➢提供各部件工作所需的控制信号，控制计算机其他部件协同工作 ➢指令部件（Instruction Register ，Instruction Decoder） ➢指令顺序控制（Program Counter） ➢时序逻辑部件（Clock，Timer ，Sequencing Logic） ➢控制信号生成部件（Control Signal Generator or Control Memory）
普通PC（Pentium）的内部结构
PCI Slots
Pentium CPU
Cache
32/64 CPU Local Bus
Main memory
PCI to ISA bridge
Local Bus to PCI Bus bridge
Adapter LAN SCSI IDE
PCI Bus
ISA Bus
假定指令系统：16位指令系统
Opcode Address
8
8
指令
ADD LD SUB MUL ST
操作码
00H 01H 02H 03H 04H
说明
AC (AC)＋Mem(Add) AC Mem(Add)
AC (AC) — Mem(Add) AC (AC)×Mem(Add)
Mem(Add) (AC)
ISA adapter
ISA Slots
Examples – SPARCstation20（多总线结构）
Sun SPARCstation20（RISC）
SuperSPARC Floating-point Unit Integer Unit
MBus Module
L2 Cache
MBus
DRAM Controller
❖Organization：物理实现与物理结构
➢主要功能单元机器性能特征：ALU，Regs，Shifter，Logical Units ➢部件之间的内部连接 ➢信息流（数据流和指令流）及其控制 ➢ISA的实现 ➢寄存器传输层（RTL）的硬件描述
计算机组成（1）
❖从1946年开始，所有的计算机都包含如下几个部分
本讲内容
❖透视计算机：计算机组成与结构总结
➢组成部件 ➢内部连接
❖理解计算机：机器指令的执行过程
➢计算机最基本的操作与控制：微操作 ➢指令的执行过程 ➢程序的执行 ➢计算机的时序控制方式 ➢时序系统简介
计算机结构(Architecture)的概念演变
❖What is Computer Architecture ?
内存
结果y将存放在此 值a 值b 值c 值x
地址
00H 02H 04H 06H 08H 0AH 0CH 0EH 10H 12H 14H 16H 18H
Example
Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。
Computer Architecture = Instruction Set Architecture (ISA) + Machine Organization
Architecture
❖ISA: 指从编程者角度看到的计算机所具备的概念结 构和逻辑功能。区别与计算机的物理实现和物理结 构。
➢可编程存储器的结构 ➢指令系统，指令格式，寻址方式 ➢数据类型，编码
❖输入输出
➢实现计算机内部与外界（其他系统或人类）的信息交换 ➢接口标准与接口部件 ➢外部设备：输入设备、输出设备
计算机内部各部件之间的连接：计算机结构
❖总线结构
➢总线：符合一定的标准的一组公共数据通道 ➢构成：地址总线、数据总线、控制总线 ➢单总线结构 ➢多总线结构
❖标准总线
➢ISA---Industry Standard Architecture（工业标准结构） ➢EISA----Extended ISA（扩展工业标准结构） ➢PCI----Peripheral Connection Interface (周边元件扩充接口) ➢SCSI----Small Computer System Interface(小型计算机系统接口)
Inst Cache
Ref MMU
Data Cache
Store Buffer
Bus Interface
L64852 MBus control
M-ห้องสมุดไป่ตู้ Adapter
SBus
SBus
DMA
SCSI Ethernet
SBus Cards
STDIO
serial kbd mouse audio RTC
Floppy
➢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。
Example
Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。
计算机组成（2）
❖存储器
➢保存程序和数据 ➢存储单元（bit, Byte, Word) ➢地址的概念（每一个字节单元一个唯一的地址） ➢存储器的工作方式：读、写 ➢组成：存储体＋地址缓冲部件＋数据缓冲部件＋读写控制部件 ➢存储器的层次：Cache ＋ RAM ＋ Disk ＋ Tape
计算机的工作原理
❖机器指令：计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的 二进制代码。
➢指令格式：操作码 ＋ 操作数（操作数地址） ➢操作码：指明指令的操作性质 ➢操作数（地址）：指令操作数的位置（或操作数本身）
操作码
操作数地址
11010101 10000100 01010001 10100000
❖程序：在此特指一段机器指令序列。
单总线结构
Examples – IAS （直接连接）
1946年，冯·诺依曼与同事开始研制 IAS,虽直到 1952年仍未完成，但该机结构被公认为随后发展 起来的通用计算机的原型。
Examples – PC （单总线结构）
普通PC（PC/XT）的内部结构
Examples – PC （多总线结构）
CPU Control
Datapath Units
Input Memory
Output
计算机组成（1）
❖运算器
➢完成最基本的算术逻辑运算 ➢ALU(Arithmetic and Logic Unit） ＋ Registers＋ DataPath
❖控制器
➢提供各部件工作所需的控制信号，控制计算机其他部件协同工作 ➢指令部件（Instruction Register ，Instruction Decoder） ➢指令顺序控制（Program Counter） ➢时序逻辑部件（Clock，Timer ，Sequencing Logic） ➢控制信号生成部件（Control Signal Generator or Control Memory）
普通PC（Pentium）的内部结构
PCI Slots
Pentium CPU
Cache
32/64 CPU Local Bus
Main memory
PCI to ISA bridge
Local Bus to PCI Bus bridge
Adapter LAN SCSI IDE
PCI Bus
ISA Bus
假定指令系统：16位指令系统
Opcode Address
8
8
指令
ADD LD SUB MUL ST
操作码
00H 01H 02H 03H 04H
说明
AC (AC)＋Mem(Add) AC Mem(Add)
AC (AC) — Mem(Add) AC (AC)×Mem(Add)
Mem(Add) (AC)
ISA adapter
ISA Slots
Examples – SPARCstation20（多总线结构）
Sun SPARCstation20（RISC）
SuperSPARC Floating-point Unit Integer Unit
MBus Module
L2 Cache
MBus
DRAM Controller
❖Organization：物理实现与物理结构
➢主要功能单元机器性能特征：ALU，Regs，Shifter，Logical Units ➢部件之间的内部连接 ➢信息流（数据流和指令流）及其控制 ➢ISA的实现 ➢寄存器传输层（RTL）的硬件描述
计算机组成（1）
❖从1946年开始，所有的计算机都包含如下几个部分
本讲内容
❖透视计算机：计算机组成与结构总结
➢组成部件 ➢内部连接
❖理解计算机：机器指令的执行过程
➢计算机最基本的操作与控制：微操作 ➢指令的执行过程 ➢程序的执行 ➢计算机的时序控制方式 ➢时序系统简介
计算机结构(Architecture)的概念演变
❖What is Computer Architecture ?
内存
结果y将存放在此 值a 值b 值c 值x
地址
00H 02H 04H 06H 08H 0AH 0CH 0EH 10H 12H 14H 16H 18H
Example
Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。
Computer Architecture = Instruction Set Architecture (ISA) + Machine Organization
Architecture
❖ISA: 指从编程者角度看到的计算机所具备的概念结 构和逻辑功能。区别与计算机的物理实现和物理结 构。
➢可编程存储器的结构 ➢指令系统，指令格式，寻址方式 ➢数据类型，编码
❖输入输出
➢实现计算机内部与外界（其他系统或人类）的信息交换 ➢接口标准与接口部件 ➢外部设备：输入设备、输出设备
计算机内部各部件之间的连接：计算机结构
❖总线结构
➢总线：符合一定的标准的一组公共数据通道 ➢构成：地址总线、数据总线、控制总线 ➢单总线结构 ➢多总线结构
❖标准总线
➢ISA---Industry Standard Architecture（工业标准结构） ➢EISA----Extended ISA（扩展工业标准结构） ➢PCI----Peripheral Connection Interface (周边元件扩充接口) ➢SCSI----Small Computer System Interface(小型计算机系统接口)
Inst Cache
Ref MMU
Data Cache
Store Buffer
Bus Interface
L64852 MBus control
M-ห้องสมุดไป่ตู้ Adapter
SBus
SBus
DMA
SCSI Ethernet
SBus Cards
STDIO
serial kbd mouse audio RTC
Floppy
➢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。
Example
Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。
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《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
最新计算机组成原理第1章-计算机系统概论教学讲义PPT课件
(3)控制器 *功能：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程
*程序执行过程： ①循环的指令执行过程(取指令及执行指令)； ②下条指令地址由当前指令产生(按程序逻辑顺序)
取指阶段 取指令
分析指令
执行阶段 执行指令
指令地址 寄存器PC
指令内容 指令译码
寄存器IR
器ID
存储器
10
功能部件
+“1”
寄存器 组(堆)
ALU
Func
累加器型运算器
*(AC)+[Y]→AC的运算过程：
(0) (AC)为被加数
寄存器型运算器 存储器
(1) 加数[Y]→TEMP
TEMP
(2) (AC)＋(TEMP) (3) ALU结果→AC
AC
ALU
Func
△约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容
15
……
*组成：
地 址 地址 译 码 器 命令
数据
存储阵列
…… I/O电路
0 1 … w-1
0 1
…
…
n-1
…
存储字长W
0
…
1
…
存储字 n-1
*术语：存储元件(存储元)—可存储一个二进制位的元件；
存储单元—可同时存储一串二进制位的元件； 存储字—存储单元内存储的二进制编码；
存储阵列—所有存储单元的集合 存储单元地址—每个存储单元被赋予的惟一编号 存储容量—存储阵列可存储的二进制位数
指令内容
程序 逻辑顺序
A+0
int nCount=0； ⑴
A+1
int nSum=0； ⑵
A+2 LP: nSum+=nCount； ⑶ ⑹ ⑼
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。
1计算机组成原理(第一到八总章)课件PPT[562页]
![1计算机组成原理(第一到八总章)课件PPT[562页]](https://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/6ae6d0773169a4517623a313.webp)
n 机器数：在计算机内部表示的、连同符号一起数码化了的 数，称为机器数（机器表示的数），通常采用二进制表示
要做三件事
n 区分数据的正负、选择数值的码制、确定小数点的位置
38
二、带符号数的表示方法
n 带符号机器数的符号表示方式（符号）
l 规定：机器字中，最高位为符号位
l 意义：符号位0，表示正数；符号位1，表示负数
16
2、控制器
n 控制器的作用是协调计算机各部件之间的工作。具体讲，控制器从 内存中取出解题步骤（指令），加以分析后执行某种规定的操作。
n 指令的作用是告诉控制器做什么操作，数据从哪里来、结果送到哪 里去。指令由两大部分构成：操作码说明执行什么操作，而地址码 说明数据的来源和去向。
操作码
地址码
n 指令用二进制表示、并预先存放在存储器中，称为存储程序。 n 控制器依据存储的程序控制计算机完成计算任务，称为程序控制。 n 存储程序、程序控制是冯·诺依曼型计算机设计思想的核心。
电子邮件
宣荣喜
88201500 13709187607 rxxuan@
1
课程性质
n “计算机组成原理”是计算机科学与工程技术专业以 及相关电子类专业（如：集成电路专业）的一门核心 课程，是必修的专业基础课。
n 本课程特点是涉及的知识面宽、内容多、更新快，在 基础课和专业课之间起着承上启下的重要作用。
2
课程的目标
n 在单机系统范围内，讨论计算机各部件及其系统的 组成原理和内部工作机制。
n 要求熟练掌握计算机各大部件的组成原理、设计方 法、逻辑实现、以及相互连接构成整机（系统）的 技术。
3
教学内容
第1章 计算机概论 第2章 数据的机器表示 第3章 指令系统 第4章 数值的机器运算 第5章 存储系统 第6章 中央处理器CPU 第7章 输入输出系统（包括总线） 第8章 数据采集技术
要做三件事
n 区分数据的正负、选择数值的码制、确定小数点的位置
38
二、带符号数的表示方法
n 带符号机器数的符号表示方式（符号）
l 规定：机器字中，最高位为符号位
l 意义：符号位0，表示正数；符号位1，表示负数
16
2、控制器
n 控制器的作用是协调计算机各部件之间的工作。具体讲，控制器从 内存中取出解题步骤（指令），加以分析后执行某种规定的操作。
n 指令的作用是告诉控制器做什么操作，数据从哪里来、结果送到哪 里去。指令由两大部分构成：操作码说明执行什么操作，而地址码 说明数据的来源和去向。
操作码
地址码
n 指令用二进制表示、并预先存放在存储器中，称为存储程序。 n 控制器依据存储的程序控制计算机完成计算任务，称为程序控制。 n 存储程序、程序控制是冯·诺依曼型计算机设计思想的核心。
电子邮件
宣荣喜
88201500 13709187607 rxxuan@
1
课程性质
n “计算机组成原理”是计算机科学与工程技术专业以 及相关电子类专业（如：集成电路专业）的一门核心 课程，是必修的专业基础课。
n 本课程特点是涉及的知识面宽、内容多、更新快，在 基础课和专业课之间起着承上启下的重要作用。
2
课程的目标
n 在单机系统范围内，讨论计算机各部件及其系统的 组成原理和内部工作机制。
n 要求熟练掌握计算机各大部件的组成原理、设计方 法、逻辑实现、以及相互连接构成整机（系统）的 技术。
3
教学内容
第1章 计算机概论 第2章 数据的机器表示 第3章 指令系统 第4章 数值的机器运算 第5章 存储系统 第6章 中央处理器CPU 第7章 输入输出系统（包括总线） 第8章 数据采集技术
北航微机原理第一章
一、电子计算机1946年问世，先后经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模和超大规模集成电路四代的发展。
二、微处理器（MP）：1.指的是由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理器（CPU）部件。
在微型计算机中直接用CPU表示微处理器。
2.CPU内部结构归纳起来可分为运算逻辑部件、寄存器部件和控制器部件三个部分。
相互协调，对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。
按照其处理信息的字长，可分为4.8.16.32.64位处理器。
三、微型计算机（MC）：是指以微处理器为核心，配上存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机四、微型计算机系统（MCS）：1.是指以微型计算机为核心，配以相应的外围设备、电源和辅助电路等以及控制微型计算机工作的软件（系统软件和应用软件）所组成的系统。
2.组成：1)硬件系统：计算机的许多重要特性，如快速性、通用性、准确性和逻辑性，都取决于其最主要的结构原理，即存储程序原理，是计算机组织的关键。
根据存储程序原理构造的计算机称为存储程序计算机，由运算器、控制器、输入设备和输出设备组成的。
其特点如下：采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，指令和数据一样可以送到运算器中运算，即由指令组成的程序是可以修改的；数据以二进制码表示；指令由操作码和地址码组成；指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址微机以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送是通过运算器实现的。
现代主流的微机硬件系统包括：主机（运算器、控制器和存储器在其内。
主机内的主板是构成复杂电子系统的中心，）、输入设备、输出设备2)软件系统：系统软件和应用软件五、微机硬件系统结构：1.是指按照总体布局的设计要求，将各部件构成某个系统的连接方式。
系统总线是用来传动信息的公共导线，所有的信息都通过总线传送。
2.通常，根据传送信息的内容与作用的不同，可以将系统总线分为数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）。
2024版计算机组成原理全ppt课件
掌握总线仲裁算法，实现总线的分配和管理。
实验步骤
确定总线仲裁方案、设计仲裁电路、连接并测试总线系统。
THANKS
感谢观看
ABCD
PCI总线
一种高性能的局部总线标准，广泛应用于计算机 内部设备连接。
IEEE 1394总线
一种高速串行总线标准，主要用于音视频设备的 连接和数据传输。
07
输入输出（I/O）系统组织结 构和设备接口技术
I/O系统基本概念和组成要素
I/O系统的定义
I/O系统是指计算机与外部设备之间进行数据传输和控制的系统， 它是计算机系统的重要组成部分。
ARM指令系统
ARM是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令集 和较少的寻址方式，广泛应用于嵌入式系统和移动设备。
MIPS指令系统
MIPS也是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令 集和较少的寻址方式，被用作许多大学计算机组成原理课 程的教材。
05
中央处理器（CPU）组成与功 能实现
08
计算机组成原理实验项目指导
实验项目一：简单组合逻辑电路设计
实验目的
掌握组合逻辑电路的基本原理和 设计方法。
实验要求
使用逻辑门电路搭建，测试并验 证电路功能。
实验内容
设计并实现一个简单的组合逻辑 电路，如加法器、比较器等。
实验步骤
确定设计目标、列出真值表、化 简逻辑表达式、选择器件并搭建
电路、测试与调试。
请求分段存储管理
在分段系统的基础上，增加了请求调段和分段置换功能。当 要访问的段不在内存时，产生缺段中断，系统将外存中的段 调入内存
04
指令系统设计与寻址方式选择
指令格式及操作码编码方法
指令格式
实验步骤
确定总线仲裁方案、设计仲裁电路、连接并测试总线系统。
THANKS
感谢观看
ABCD
PCI总线
一种高性能的局部总线标准，广泛应用于计算机 内部设备连接。
IEEE 1394总线
一种高速串行总线标准，主要用于音视频设备的 连接和数据传输。
07
输入输出（I/O）系统组织结 构和设备接口技术
I/O系统基本概念和组成要素
I/O系统的定义
I/O系统是指计算机与外部设备之间进行数据传输和控制的系统， 它是计算机系统的重要组成部分。
ARM指令系统
ARM是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令集 和较少的寻址方式，广泛应用于嵌入式系统和移动设备。
MIPS指令系统
MIPS也是一种精简指令集（RISC）架构，具有简单的指令 集和较少的寻址方式，被用作许多大学计算机组成原理课 程的教材。
05
中央处理器（CPU）组成与功 能实现
08
计算机组成原理实验项目指导
实验项目一：简单组合逻辑电路设计
实验目的
掌握组合逻辑电路的基本原理和 设计方法。
实验要求
使用逻辑门电路搭建，测试并验 证电路功能。
实验内容
设计并实现一个简单的组合逻辑 电路，如加法器、比较器等。
实验步骤
确定设计目标、列出真值表、化 简逻辑表达式、选择器件并搭建
电路、测试与调试。
请求分段存储管理
在分段系统的基础上，增加了请求调段和分段置换功能。当 要访问的段不在内存时，产生缺段中断，系统将外存中的段 调入内存
04
指令系统设计与寻址方式选择
指令格式及操作码编码方法
指令格式
计算机组成原理第一章讲义
存储字长：一个存储单元可存放的二进制位数。 指令字长：一条指令所具有的二进制代码位数。 字节（Byte）：计算机中另一种数据的表示 单位。一个标准字节被规定为8位二进制代码。
19
2. 计算机的工作过程：
细化的计算机组成框图（整体）：
ACC ALU
X
CPU
MQ 运算器
……
控制 单元 CU
控 制 器
IR
PC
存 储 体 M
MDR
MAR 主存储器
I/O
接口
I/o 设 备
图中示出了一台计算机寄存器级的最简结构（连接省去)。
细化的计算机组成框图（运算器）：
ACC
MQ
ALU
X
运算器
计算机组成原理
唐朔飞 编著
代课教师：吝春妮 所属单位：教科院
高等教育出版社
1
教学内容
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
一、计算机的软硬件概念
硬件——组成计算机的各种实际装置的总称。 特点：看得见摸得着。
软件——计算机运行所需的各种程序及相关 资料。分类是？ 特点：看不见摸不着。
两者的关系：相辅相成，缺一不可。 （硬件是基础，软件是灵魂）
5
二、计算机系统的层次结构
计算机系统——由硬件和软件两大部分组成。 组织方法：分层——层次结构。 分层方法：从硬件开始，按与其结合的紧
26
细化的计算机组成框图（存储器）：
②. 主存： 存储体：由许多存储单元组成 存储单元：由若干存储元组成 存储元：存放一位二进制代码的物理
19
2. 计算机的工作过程：
细化的计算机组成框图（整体）：
ACC ALU
X
CPU
MQ 运算器
……
控制 单元 CU
控 制 器
IR
PC
存 储 体 M
MDR
MAR 主存储器
I/O
接口
I/o 设 备
图中示出了一台计算机寄存器级的最简结构（连接省去)。
细化的计算机组成框图（运算器）：
ACC
MQ
ALU
X
运算器
计算机组成原理
唐朔飞 编著
代课教师：吝春妮 所属单位：教科院
高等教育出版社
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教学内容
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
一、计算机的软硬件概念
硬件——组成计算机的各种实际装置的总称。 特点：看得见摸得着。
软件——计算机运行所需的各种程序及相关 资料。分类是？ 特点：看不见摸不着。
两者的关系：相辅相成，缺一不可。 （硬件是基础，软件是灵魂）
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二、计算机系统的层次结构
计算机系统——由硬件和软件两大部分组成。 组织方法：分层——层次结构。 分层方法：从硬件开始，按与其结合的紧
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细化的计算机组成框图（存储器）：
②. 主存： 存储体：由许多存储单元组成 存储单元：由若干存储元组成 存储元：存放一位二进制代码的物理
计算机组成原理教学讲义
《计算机组成原理》讲稿贾茂盈计算机学院计算机技术系第一章计算机系统概论1．1 计算机的分类和应用1．1．1 计算机的分类计算机分类：模拟：处理在时间和数值上连续的量数字：处理离散的量数字计算机分类：专用计算机：如工控机、DSP、IOP等通用计算机：GPP通用机分类：巨型机（Super-Computer）、大型机（Mainframe）、中型机（Medium-size Computer）、小型机（minicomputer）、微型机（microcomputer）、单片机（Single-Chip Computer）1．1．2 计算机的应用科学计算传统方式：工作量大、人工处理慢自动控制：数控机床、流水线控制测量和测试：提高精度、在恶劣条件下的测量信息处理：教育、卫生：计算机辅助教学（CAI）、多媒体教室、CT（Computerizedtomography）家电人工智能1．2 计算机的硬件1．2．1 数字计算机的硬件组成五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入／输出设备。
概念：存储单元、地址、存储容量、外存储器、内存储器、指令、程序、指令的组成、存储程序、程序控制、指令系统、指令周期、执行周期、CPU、主机、数据字、指令字、数据流、指令流、适配器。
冯·诺依曼体系结构：(1) 采用二进制形式表示数据和指令数据和指令在代码的外形上并无区别．都是由0和1组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。
采用二进制、使信息数字化容易实现，可以用二值逻辑工具进行处理。
程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。
(2) 采用存储程序方式这是诺依曼思想的核心内容。
如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。
这是计算机能高速自动运行的基础。
计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的扩展。
计算机组成原理概述(Part1)
教材及参考书
教材：《计算机组成原理》（第2版），高等教育出版社，唐朔飞编著 《IBM PC汇编语言程序设计》，清华大学出版社，沈美明编著 《计算机组成原理实验说明书》（学院教学实验中心编） 参考书：《计算机组织与结构（性能设计）》第五版，电子工业出版社 《 Computer Organization & Design－The Hardware / Software Interface》
1.4 计算机总线结构
Sun SPARCstation20（RISC）多总线结构
SuperSPARC
Floating-point Unit Integer Unit
L2 Cache
MBus Module
MBus L64852 MBus control
M-S Adapter
DRAM Controller
简单运算器结构图
1.3 计算机的基本组成
存储器：实现数据存储的部件
保存程序和数据（二进制信息）
存储单元：bit, Byte, Word 地址的概念：每一个字节单元拥有一个唯一的地址（索引） 存储器的工作方式：读、写
存储器结构简图
1.3 计算机的基本组成
控制器：实现控制功能的部件
指令格式：操作码 ＋ 操作数（操作数地址） 操作码：指明指令的操作性质 操作数（地址）：指令操作数的位置（或操作数本身）
操作码
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。
计算机组成原理讲义第1章计算机的逻辑部件
1.3.2 寄存器和移位寄存器
⒈寄存器：如图1.32 常用正边沿触发D触发器和锁存器，在CP正沿作用 下，外部数据才能进入寄存器。 ⒉移位寄存器：如图1.33 有移位功能的寄存器称为移位寄存器，每来一个 CP，寄存器中的数向左或向右移一位。
1.3.3 计数器
* 计数器由移位寄存器构成。 ⒈按时钟作用方式划分： 同步计数器和异步计数器。 ⒉按计数进位划分： 二进制和十进制，如图1.39。
1.3.1 触发器（续）
⒊主-从触发方式触发器：
⑴主-从R-S触发器：如图1.30
由两个R-S型电位触发器级联而成，主触发器接收 输入数据，从触发器接收主触发器的输出，主、 从触发器的同步控制信号是互补的。
⑵主-从J-K触发器：如图1.31
若将主-从R-S触发器的Q和非Q分别与R和S相连， 再增设J和K输入端，就构成主-从J-K触发器。
1.2.1 加法器（续）
⒊n位加法器： n个全加器相连形成n位加法器； 见图1.15 串行加法器。 ⒋超前进位加法器： 采用“超前进位产生电路”同时形成各位进位； 见图1.16 4位超前进位加法器。
1.2.2 算术逻辑单元(ALU)
⒈定义： 进行多种算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。 ⒉基本逻辑结构： 超前进位加法器。 ⒊举例： 美国SN74181型4位ALU中规模集成电路。
计算机组成原理讲义
第1章 计算机的逻辑部件
诀窍
详细内容请参阅王诚主编
“计算机组成原理”
本章主要教学内容
⒈三态电路：介绍三态电路的原理、参数及使用特 点。掌握总线上三态驱动器驱动三态接收器时输 入、输出电流的计算方法。 ⒉算术逻辑单元：掌握其分析和设计方法。 ⒊触发器：掌握其触发方式特点及其参数。 ⒋阵列逻辑部件：了解其原理及其使用特点。