清华大学计算机组成原理课件参考资料

• 当想把一幅美丽的风景变成计算机能够处理 的图像，传统的处理过程是：通过使用胶片相 机把风景拍摄下来，冲成照片，再通过扫描仪 把照片扫描成计算机能够处理的图像。现在， 有了数字相机，这一系列工序变得简单多了， 当数字相机把某个风景拍摄下来时，它已经是 计算机能够处理的图像了。
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输入设备
外设 输出设备
多媒体 终端设备 外存储器 通信设备
30.03.2020
字符输入设备：键盘
图形输入设备：鼠标、光笔
图象：扫描仪、传真机、摄象机
模拟设备：语音输入、AD转换
击打式 打印机
活字式 点阵式
非击打式
激光 喷墨
绘图仪 语音输出
显示器
CRT 液晶、等离子体显示器
磁盘 磁带 光盘
计算机组成原理
Q
K
+5V
启动扫描程序
键盘全行扫描
有闭合键？ N
Y
延时并重扫描
有闭合键？ N
Y
键盘逐行扫描
输出按键扫描代码
30.03.2020
计算机组成原理
扫描结束 8
3、IBM-PC机的键盘操作过程
1）初始化：由复位信号禁止键盘工作，并清除移位 寄存器和中段请求触发器，准备接收8048送来的扫 描码。
2）键盘扫描：由8048执行行列扫描程序，得到扫 描码后以串行方式送接口中的移位寄存器。8048中 有一个20字节的缓冲区，能存20个扫描码，快速按 键时，若干个按键的扫描码可置入缓冲区暂存，按先 进先出的原则从缓冲区取出扫描码送往接口。
9.1 I/O设备概述
• 主机（主板及内存）以外的设备，也称外部设备。辅 助存储器也属于外设。
• 外设向多样化、智能化、功能复合化、高可靠性的方 向发展，人类将最终通过‘ 能听会说’，“ 能读会

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。

应用
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

②如转移条件成立，根据指令规定的寻址方式计算有效地址， 转移指令经常采用相对寻址方式。此时转移地址=PC＋disp。 此处PC是指本条指令的地址，而在上一机器周期已执行PC+1操 作，因此计算时应取原PC值，或对运算进行适当修正。最后将 转移地址送入PC。
本条指令只需要两个机器同期，如转移条件成立，在第二机 器周期增加一个ALU PC信号；另外如为相对转移，则用 PC ALU信号取代加法指令第2周期中的（rs1） ALU信号，其他信 号与加法指令的前两个机器周期中的信号相同。
当机器刚加电时，为保证正常工作，在机器内一般 设置有存放固定程序的只读存储器（ROM），利用加 电时硬件产生的一个复位（reset）信号使计算机处于 初始状态，并从上述固定程序入口开始运行；接着，先 对计算机各部件进行测试，然后进入操作系统环境，等 候操作员从键盘送入命令或用鼠标器对显示屏上的图标 进行选择。综上所述，计算机的工作过程可描述如下：
64KB)来管理，使用时以段为单位进行分配。段地址寄
存器即是在段式管理中用来存放段地址的寄存器。
2020/3/1
计算机组成原理
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3、其他寄存器
——根据CPU结构特点而设置的专用寄存器。
Intel 80486设有下列专用寄存器： 机器状态字寄存器MSW 描述符寄存器——保护方式下存储管理寻址。 测试寄存器——用于存储管理。 控制寄存器 –虚地址方式、实地址方式选择 调试寄存器——用于程序调试。
工作脉冲时钟周期机器周期1222012计算机组成原理42clk时钟周期节拍状态机器周期机器周期92921222012计算机组成原理431222012计算机组成原理441222012计算机组成原理451222012计算机组成原理461222012计算机组成原理47jmp1222012计算机组成原理48clk机器周期机器周期机器周期取指令取有效地址执行指令指令周期机器周期机器周期取指令执行指令指令周期节拍状态节拍状态92921222012计算机组成原理498085的组成中断控制ac8tr8fr5ir8idal16pc16sp16机器周期编码alu定时和控制时钟控制状态dma复位abr8adbr88位内部数据总线io控制intaintrsidsodclkreadyrdwraleiomhldaresetad1222012计算机组成原理50sidsodholdreadyclkaleiomrdwr10111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221resetoutsodsidtraprst75rst65rst55intaadvssintrvccholdhldaclkoutrsestreadyiomrdwrale1222012计算机组成原理51cpu初始化intatrap重新启动中断resetoutvcc5vvss10111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221resetoutsodsidtraprst75rst65rst55intaadvssintrvccholdhldaclkoutrsestreadyiomrdwrale1222012计算机组成原理52pcoutpc1insirpcoutpc1portioportaccbytepcinstrpcioport3mhalerdwriom1222012计算机组成原理5364微程序设计技术在实际进行微程序设计时还应关心下面三个问题

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。

2019/10/12
计算机组成原理
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接触式磁头在读／写时磁头与记录介质直接相接触、 它常常用于磁带机和软磁盘机中，其结构简单，但磁头极 尖区和介质易受到磨损磨损程度与介质相对于磁头的移动 速度、极尖的几间形状，磁性材料的硬度、头面的接触力 介质表面质量等因素有关。
浮动式磁头是由介质高速运动时产生的气流，在磁头 与介质表面之间形成一层极薄的空气薄膜（气垫）故使磁 头与介质表面脱离接触而浮动。浮动间隙是浮动式磁头的 重要参数，它的减小可以提高记录密度、硬磁盘采用浮动 式磁头由于盘片旋转速度快磁头不与盘片表面接触，因而 硬磁盘存取速度快，可靠性高。但在盘片停止旋转之前磁 头必须从读写位置退到原始位置启动磁盘工作，须待盘片 达到一定转速后磁头才能进到盘片上面进行寻道工作，否 则可能损坏磁头或划坏盘面。
磁盘存储是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁 体来存储信息。目前一些新型硬盘采用工程塑料、陶瓷、玻璃作为基 体。
磁表面记录设备是在磁头和磁性材料的记录介质之间有相对运动 时，通过一个电磁转换过程完成读写操作的。
磁头是实现电磁转换过程的关键装置，通常由软磁材料（外界磁 场的作用消失后，该磁性材料的磁性容易消失）做成。
（3）见1就翻的不归零制（NRZ1)
记录“0”时电流方向不变，只有遇到“1”时才改变方向。这 是用在写“1”时就变化磁头线圈中的电流方向（写“0”则不变电 流方向）的办法执行写“1”、写“0”操作的方案。
（4）调相制（PM）
是利用两个相位相差180读的磁化翻转方向代表数据0和1。即
指定记录数据“0’时规定磁化翻转的方向由负变为正，则记录数
计算机组成原理
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（5） 调频制（FM）
记录‘1’时不仅在各位期间的中心产生磁化翻转，而且 在位 与位之间也必须翻转。记录“0’时，在位周期中心不产生磁化翻 转，但在位与位之间的边界处要翻转一次。由于记录数据‘l’时 磁化翻转的频率为记录数据“0’时的两倍，因此又称‘倍频制”。 这是用在磁层中不同的磁化翻转次数来区别数据“1”和“0”的方 案，记录“1”比记录“0”磁化翻转频率要多一倍。为此，磁头线 圈中的电流，在每个位周期起始处要变化一次方向。读出时，读出 的1信号表现为两个脉冲，读出的0信号表现为一个脉冲。二者的读 出脉冲频率相差一倍。

指令结束
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
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THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
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 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理

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。

地址总线
主存地址
由 CPU 完成
访问主 存替换 主 Cache Cache 替换机构
块号
块内地址
N
可装进？
N
命中？
存
主存 主存Cache Cache 地址映象 地址映象 变换机构 变换机构
访问主存装入Cache
Y
Cache 存储体
Y
Cache地址
块号 块内地址
直接通路
2019/3/2
数据总线 计算机组成原理
2019/3/2 计算机组成原理 12
m=
主存字块
cache 存储器 标记 标记
主存储器
字块 0
字块 0 字块 1
…
字块 1
…
字块 i
… c m
标记
字块 2 -1
字块2 - 1
主存地址 主存字 字块内 地址
2019/3/2
块标记 b位
计算机组成原理
m=
总位数 减去b
图7.4全相联映像
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全相联映象
CPU
CACHE
主存（内存）
2019/3/2
计算机组成原理
辅存（外存）
2
1、主存和高速缓存之间的关系



Cache引入: 为解决CPU和主存之间的速度差距,提高整机的运算速度,在 CPU和主存之间插入的由高速电子器件组成的容量不大,但速 演示 度很快的存储器。 Cache特点 存取速度最快，容量小，价格贵，存储控制和管理由硬件实 现。 Cache工作原理——程序访问的局部性 在较短时间内由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地 址空间的很小范围内。这种对局部的存储器地址频繁访问， 而对此范围以外的地址范围甚少的现象就称为程序访问的局 部性。 CPU与Cache之间的数据交换是以字为单位，而Cache与主 存之间的数据交换是以块 (页）为单位，一个块（页）是由若 2019/3/2 3 计算机组成原理 干字组成，是定长度的。