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计算机组成原理

计算机组成原理. 郑州大学信息工程学院计算机专业. 教学大纲. 目的和要求 该课程是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。它的内容主要介绍计算机各个功能部件的组织结构、功能以及它们之间互连组成的计算机系统。使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。 教学内容 概论、数据表示、运算方法和运算器、指令系统、控制器、存储系统、输入输出系统、外部设备、计算机系统。. 目 录. 第 1 章 概论 第 2 章 计算机中的数据表示 第 3 章 运算方法和运算器 第 4 章 指令系统

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  1. 计算机组成原理 郑州大学信息工程学院计算机专业

  2. 教学大纲 • 目的和要求 该课程是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。它的内容主要介绍计算机各个功能部件的组织结构、功能以及它们之间互连组成的计算机系统。使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。 • 教学内容 概论、数据表示、运算方法和运算器、指令系统、控制器、存储系统、输入输出系统、外部设备、计算机系统。

  3. 目录 • 第1章 概论 • 第2章 计算机中的数据表示 • 第3章 运算方法和运算器 • 第4章 指令系统 • 第5章 控制器 • 第6章 存储系统 • 第7章 输入输出系统 • 第8章 计算机外部设备 • 第9章 计算机系统

  4. 第一章 概 论 • 计算机（Computer）： 1、概念： 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，进行算术和逻辑运算的快速工具。

  5. 2、层次： （1）以电子器件为物质基础：电子数字计算机 （Digital Computer） （2）不需要人的直接干预：自动化（存储程序为基 础） （3）数字化信息：二进制（计算机能够具有逻辑判 断和处理能力的基础） （4）算逻运算：基本运算操作是算术和逻辑运算 （5）快速工具： （A）电子器件 （B）存储程序

  6. 3、特征 ： （1）内部特征： （A）高速高集成度开关元件 （B）数字化信息编码 （C）逻辑判断和处理能力 （D）存储程序 （2）外部特征： （A）快速性（由（1）中（A）（D）决定） （B） 准确性（由（1）中（B）（D）决定） （C） 逻辑性（由（1）中（A）（C）（D）决定） （D）通用性（由（1）中（A）（B）（C）（D）决定）

  7. 1.1 计算机的发展、应用和分类 1.1.1 计算机的发展概况 1、第一代计算机 （1）1946年第一台计算机ENIAC~~50年代末 （2）主要特征：电子管作为电子器件 （3）软件处于初始阶段，使用机器语言与符号语 言编制程序 （4）特点：体积大，运算速度低，存储容量小， 主要用于科学计算。

  8. 1.1 计算机的发展、应用和分类 1.1.1 计算机的发展概况 2、第二代计算机 （1）50年代末~~60年代初 （2）主要特征：晶体管作为电子器件 （3）软件方面开始使用计算机高级语言 （4）特点：体积减小，重量轻、寿命长、耗电少、 运算速度快、存储容量比较大等优点。不仅 用于科学计算，还用于数据处理和事务处理， 并逐渐用于工业控制。

  9. 1.1 计算机的发展、应用和分类 1.1.1 计算机的发展概况 3、第三代计算机 （1）60年代中期~~70年代初期 （2）主要特征：中、小规模集成电路作为电子器 件 （3）操作系统的出现 （4）特点：体积与功耗都得到了进一步的减小， 可靠性和运算速度进一步提高。不仅用于科 学计算，还用于文字处理、企业管理、自动 控制等领 域， 出现了管理信息系统，可用于 生产管理、交通管理、情报检索等领域。

  10. 1.1 计算机的发展、应用和分类 1.1.1 计算机的发展概况 4、第四代计算机 （1）70年代初~~今 （2）主要特征：大规模与超大规模集成电路作为电 子器件 （3）软件越来越丰富，并且功能强大 （4）特点：计算机在各种性能上都得到了大幅度提 高。 1971年以来，作为第四代计算机重要产品的微 型计算机得到了飞速的发展，对计算机的普及 起到了决定性的作用。以微机为例，IBM PC 8088—80286—80386—80486—Pentium

  11. 1.1 计算机的发展、应用和分类 1.1.1 计算机的发展概况 5、未来的计算机 以超大规模集成电路为基础，未来的计算机将向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。

  12. 1.1.2 计算机的应用领域 1、科学计算 2、过程检测与控制 利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，并把检测到的数据存入到计算机，再根据需要对这些数据进行处理。这样的系统称为计算机检测系统。但一般来说，实际的工业生产过程是一个连续的过程，往往既需要用计算机进行检测，又需要用计算机进行控制。 3、信息管理 信息管理是目前计算机应用最广泛的一个领域。所谓信息管理，是指利用计算机来加工、管理与操作任何形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、帐目计算、信息情报检索等。 4、计算机辅助系统 计算机用于辅助设计、辅助制造、辅助教学等方面，统称为计算机辅助系统。

  13. 1.1.3 计算机的分类 1、根据计算机的应用范围分： （1）专用计算机：为特定应用问题而设计的计算机，具有经济、有效和快速等特点，但它的使用面较窄。 （2）通用计算机：通用计算机使用面广，通用性强，操作相对简单。 2、根据计算机的规模分： （1）巨型机 （2）大型机 （3）中型机 （4）小型机 （5）微型机 发展方向：巨型化、微型化、网络化与智能化

  14. 1.2 计算机硬件 计算机系统是由计算机硬件和计算机软件组成的。 计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。

  15. 1.2.1 计算机的组成部件 1、冯·诺依曼原理的基本思想：  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；  “存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）；  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。

  16. 控制流 运算器 计算结果 程序和数据 输入设备 存储器 输出设备 控制器 图1.1 计算机的组成部件 数据流 1.2.1 计算机的组成部件

  17. 1.2.1 计算机的组成部件 2、基本组成 它由5大组成部件，如图1.1所示。 （1）存储器 （A）基本功能：读和写 （a）对象：数据和指令 （b）单元：存储单元—地址 （B）分类： （a）内存（主存） （b）外存（辅存） （C）主存的组成 （a）存储体 （b）存储器地址寄存器MAR（Memory Address Register) （c）存储器数据寄存器MDR（Memory Data Register) （d）读写控制线路

  18. 1.2.1 计算机的组成部件 2、基本组成 （2）运算器 （A）主要功能：对二进制数码进行算术（+-*/）和逻辑（与或非）运算 （B）组成： （a）ALU（Arithmetic Logic Unit）：核心为并行加法器 （b）通用寄存器组 （c）多路开关或数据锁存器：控制数据输入 （d）输出移位开关：控制数据输出 （e）与其他部件间信息传送的总线及控制数据传送的接收器和发送器 （C）精度和速度是运算器重要的性能指标。

  19. 多路开关 多路开关 输出移位开关 发送器 接收器 总线 ALU 通用寄存器 运算器基本逻辑框图 1.2.1 计算机的组成部件

  20. 1.2.1 计算机的组成部件 2、基本组成 （3）控制器 （A）功能：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，重复上述过程直到整个程序执行完毕。 （B）组成： （a）指令部件 IR、ID、PC、PSW、地址形成部件 （b）时序部件 （c）微操作控制线路 （d）中断控制逻辑

  21. 1.2.1 计算机的组成部件 2、基本组成（4）输入设备 输入设备能将数据和程序变换成计算机内部所能识别和接受的信息方式，并顺序地把它们送入存储器中。输入设备由许多种类，例如键盘、鼠标、扫描仪、光电输入机等。 （5）输出设备 输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器能接受的形式送出。输出设备同样由许多种类，例如显示器、打印机、绘图仪等。

  22. 1.2.1 计算机的组成部件 在计算机的5大部件中，运算器和控制器是信息处理的中心部件，所以它们合称为“中央处理单元”（CPU：Central Processing Unit）。存储器、运算器和控制器在信息处理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体部分，通常被称为“主机”。而输入（Input）设备和输出（Output）设备统称为“外部设备”，简称为外设或I/O设备。

  23. 3、工作原理 （1）程序的执行： （A）编写程序 （B） 翻译成机器指令 （C） 将程序和数据写入存储器 （D）将第一条指令地址放入PC （E） 执行所有指令 （F） 结束

  24. 3、工作原理 （2）指令的执行： 三个阶段：取指令、分析指令、执行指令 （A） 开始时，将第一条指令地址=》PC （B）（ PC）=》MAR，发“读”命令，使 （MDR）=》IR （C） 翻译IR的操作性质 （D） 取操作数 （E） 将操作数运算器，运行之 （F） 送结果 （a）R （b）内存 （G）（PC）+1=》PC

  25. 1.2.2 计算机的总线结构 一、总线 1、概念： 总线（Bus）就是计算机中用于传送信息的公用通道，是为多个部件服务的一组信息传送连接线。

  26. 1.2.2 计算机的总线结构 2、分类： （1）按照传送信息的属性来分：  数据总线（DB：Data Bus）——用于在各部件之间传送数据信息。  地址总线（AB：Address Bus）——用于传送各部件相互访问用的地址信息。  控制总线（CB：Control Bus）——用于传送控制各部件操作的控制信息。 （2）按信息传送的方向区分： 单向总线和双向总线。 （3）按连接对象和完成的功能分： I/O BUS和MEMORY BUS 存储总线——用于CPU与主存储器的信息交换，I/O总线——用于外设与主机的信息交换。

  27. 1.2.2 计算机的总线结构 二、按总线连接方式，计算机组成结构分为三类 1、单总线结构 这种结构把各功能部件都连接在单总线（Single Bus）上，所有部件间的信息交换都经由单总线进行，如图1.2。 （1）Unified-Bus：一元化总线：PDP-11 （2）Single-Bus：单总线：IBM-PC 2、双总线结构 （1）两种总线：存储总线——用于CPU与主存储器的信息交换，I/O总线——用于外设与主机的信息交换。 （2）三种形式： （A）以CPU为中心的双总线结构 （B） 以存储器为中心的双总线结构 （C） 采用通道或输入输出处理机IOP来处理输入输出工作的双总线结构。 3、多总线结构 在高速外设与主存储器之间可以增设直接存储器访问（DMA：Direct Memory Access）方式的高速I/O总线（DMA总线），从而形成多总线结构，如图1.4。

  28. I/O总线 单总线 I/O总线 CPU 存储器 存储总线 外设 存储器 （a）以CPU为中心 存储总线 I/O总线 存储器 存储总线 外设 CPU CPU 存储器 外设 CPU 外设 外设 （b）以存储器为中心 存储器 通道 存储总线 DMA总线 CPU 图1.2 单总线的组成结构 I/O总线 图1.4 多总线的组成结构 外设 外设 （c）采用通道形式 图1.3 双总线的组成结构 1.2.2 计算机的总线结构

  29. 1.3 计算机软件 1、软件（Software）： 是指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。 程序+数据+文档

  30. 1.3 计算机软件 2、分类： （1）系统软件 系统软件是指管理、监控和维护计算机资源（包括硬件和软件）的软件。 （A）操作系统 DOS、WINDOWS、UNIX、XENIX 通常，操作系统具有五个方面的功能：存储管理、处理机管理、 设备管理、文件管理和作业管理。 （B）语言处理程序 机器语言、汇编语言和高级语言（编译、解释）三类。 （C）数据库管理系统 数据库和管理数据库的软件构成数据库管理系统。 （D）服务程序 （2）应用软件

  31. 1.4 计算机系统硬件和软件的结合 1.4.1 软件与硬件的逻辑等价 1、含义： （1）任何一个由软件所完成的操作也可以直接由硬件来实现 （2）任何一条由硬件所执行的指令也能用软件来完成 2、固件（Firmware）： 固件是一种界于传统的软件和硬件之间的实体，功能上类似软件，但形态上又是硬件。 微程序是计算机硬件和软件相结合的重要形式。

  32. 机器语言层 高级语言层 汇编语言层 操作系统层 第5层 第4层 第2层 第3层 编译程序 汇编程序 微程序 操作系统 微程序设计层 第1层 微指令直接由硬件执行 图1.5 计算机系统的层次结构 1.4.2 计算机系统的层次结构

  33. 1.4.3 系列机与兼容性 1、系列机： 一组计算机若是属同一个系统结构，但在性能上由低档到高档形成一个系列，就组成一个计算机系列（family）。这一系列计算机（系列机）中的每个机型都具有：相同的基本指令系统，相同的数据结构，相同的基本输入输出操作，支持相同的基本系统软件等。

  34. 1.4.3 系列机与兼容性 2、兼容性： （1）软件兼容是指一个软件不经修改就能在不同机型上正确运行。 （2）软件兼容存在以下两种情况：  软件的向上兼容性——这是指某档机原开发的软件可以不加修改便能在它的高档机上正确运行使用。  软件的向下兼容性——这是指某档机的软件可以不加修改便能在它的低档机上正确运行使用。在这种情况下，软件向上兼容是不成问题的。 （3）兼容（Compatible）是一个广泛的概念，包括软件兼容、硬件兼容、系统兼容等等。

  35. 1.5 计算机的性能指标 主频——主频很大程度上决定了计算机的运行速度，它的单位是兆赫兹（MHz）。  字长——字长决定了计算机的运算精度、指令字长度、存储单元长度等，可以是8/16/32/64位。  运算速度—— （1）早期方法是每秒执行加法指令的次数， （2）现在通常用等效速度。等效速度由各种指令平均执行时间以及对应的执令运行比例计算得出，即用加权平均法求得。它的单位是每秒百万指令（MIPS）。 对比：Mflops （3）还有利用所谓“标准程序”在不同的机器上运行所得到的实测速度。  存储容量——字数*字长 1024（210）简称为1K（千），1024K（220）为1M（兆），1024M（230）为1G（千兆）。

  36. 1.5 计算机的性能指标 可靠性——常用平均无故障时间（MTBF）衡量。 MTBF—Mean Time Between Falures 平均无故障时间是指两次故障之间能正常工作时间的平均值。假设表示单位时间内失效的元件数与元件总数的比例即失效率，则MTBF=1/。例如=0.02%/h，则 MTBF=1/=5000h 可维护性——可用平均修复时间（MTRF）表示，它是指从故障发生到机器修复平均所需要的时间。 MTBR—Mean Time Between Repairs（字典缩略） MTTR—Mean Time To Repair（微软计算机辞典）  可用性——是指计算机的使用效率。 A=MTBF/(MTBF+MTRF) 可靠性R、可维护性S和可用性A，称为RAS技术。  兼容性——兼容是广泛的概念，是指设备或程序可以用于多种系统中的性能。

  37. 第1章作业 4、冯·诺依曼型计算机的基本特点是什么？ 6、什么是总线？以总线组成计算机有哪几种组成结构？各有什么特点？ 7、什么是硬件、软件和固件？什么是软件和硬件的逻辑等价？在什么意义上软件和硬件是不等价的？ 11、你怎样理解计算机中的“兼容”特性？ 13、计算机硬件实体的5个基本组成部分是否缺一不可？

  38. 第一章 小结

  39. 第二章 计算机中的数据表示 2.2 计算机中数的表示单位和机器字长 2.2.1 数的表示单位—位、字节、字 位： BIT 字节：BYTE 字： WORD 2.2.2 机器字长 机器字长一般是指参加运算的的寄存器所含有的二进制位数，它代表机器的精度。

  40. 2.3 定点数和浮点数 数据的表示常用的有两种：定点表示法和浮点表示法。 任何一个二进制数N都可以表示为 N=2E·S 其中E是一个二进制整数，称为数N的阶码，2为阶码的基数，S是二进制小数，称为数N的尾数。E和S可正可负。尾数S表示数N的全部有效数据，阶码E指明该数的小数点位置，表示数据的大小范围。

  41. 2.3.1 定点数表示法 （1）阶码E保持不变 （2）若E=0，小数点固定在最高位之前，则该数是一个纯小数或定点小数。 例如 N=20·0.110101001=0.110101001 （3）若取E=n(n为尾数的位数)，则把小数点定在尾数最末位之后，这时表示一个纯整数(定点整数)。 例如 N=27·0.1011010=01011010

  42. 尾符 阶符 尾数 阶码 图2.1 浮点数的表示形式 2.3.2 浮点数表示法 1．浮点数的格式 通常，阶码位数m与尾数位数n之间有如下关系： 2m-1≥n 即表示阶码的值应保证实际的小数点可以在整个尾数的位格中移动。

  43. 2.3 定点数和浮点数 2．规格化浮点数 所谓浮点数的规格化，就是通过移动尾数，使尾数S的最高位数字为1。即S满足1/2≤|S|<1时，这个浮点数就是规格化的数，否则就不是。在字长一定的情况下，规格化的浮点数精度最高。

  44. 2.3.3 定点数表示法和浮点数表示法的比较 1．两种表示法所表示的数据范围不同 （1）定点表示法，8位小数，则能表示的数据范围（绝对值）为： 0.0000001~0.1111111 （2-7~1-2-7） （2）浮点表示法，2位阶码，1位阶符，4位尾数，1位尾符，则能表示的数据范围（绝对值）为： 0.0001*2-11 ～ 0.1111*211

  45. 2.3 定点数和浮点数 2．溢出情况 （1）定点表示法（小数） 带符号n+1位数时： 小于2-n时：当0； 大于1-2-n时：溢出，停机。 （2）浮点表示法 规格化后，从阶码上分析溢出： 阶码很小时，下溢：当0； 阶码超出最大值时，上溢：停机。

  46. 2.3 定点数和浮点数 3．运算规则的复杂性不同 定点数：较简单； 浮点数：较复杂。 4．规格化浮点数的精度远远大于定点数。

  47. 2.4 带符号数的表示方法 一个数的表示方法，也就是它们在计算机中的组成格式和编码规则。 当一个数送入计算机进行运算处理时，首先将其转换为二进制数，同时还要解决以下几个问题： 1．怎样表示数的符号 2．怎样确定小数点的位置

  48. 2.4.1 机器数和真值 机器数是指数在计算机中的表示形式，一般是采用某种编码形式表示带符号的二进制数。 真值是指机器数所对应的实际数值。

  49. 2.4.2 机器数的原码表示法 1、规则：机器数的最高一位表示符号，“0”表示正号；“1”表示负号，后面各位用数的绝对值表示。 2、定义： 小数原码的定义为： [X]原= [X]原为机器数的原码，X为真值。 例2.14 求X=0.1011和X=-0.1011的原码 X=0.1011时， [X]原= 0.1011 X=-0.1011时， [X]原= 1 - (-0.1011) = 1.1011

  50. 2.4.2 机器数的原码表示法 3、性质： (1) 原码的最高位表示数的符号，0表示正号，1表示负号。 假设小数X的原码为：[X]原= XS.Xn-1Xn-2…X2X1X0，Xs是符号位，可用下式来表示一个数的原码： [X]原= Xs + |X| (2) 对于定点小数，把Xs作为数值位看待时，其位权为1，则有： 当Xs=0时，1>[X]原≥0，故1>X=[X]原≥0； 当Xs=1时，2>[X]原≥1，故0≥1-[X]原>-1 即 2>[X]原≥0，其范围是：0～2-2-(n-1)，真值为1>X>-1，其范围是：-(1-2-(n-1))～+(1-2-(n-1))。 (3)0不唯一 定点小数 [+0]原= 0.0…0 [-0]原= 1.0…0 整数 [+0]原= 00…0 [-0]原= 10…0

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