计算机组成原理

计算机组成原理-完整版前言计算机组成原理是计算机科学中最基础的课程之一，它主要研究计算机系统的各个组成部分的原理和关系。

它是计算机科学中最基础的课程之一，也是理解其他计算机科学领域的必备基础。

本文将介绍计算机组成原理中涉及的各个方面，从处理器到内存，再到输入输出系统，以及操作系统和应用层，详细解释它们的工作原理和相互关系。

此外，我们还将介绍一些实际的例子，以帮助读者更好地理解这些概念。

计算机硬件组成处理器处理器是计算机的大脑，它是计算机中最为关键的部分之一。

处理器的任务是执行指令，它通过解码指令，再根据指令来执行相应的操作。

处理器包括控制单元和算术逻辑单元两部分。

控制单元是处理器的主控制中心，它决定了处理器要执行的操作，以及操作的顺序。

由于处理器的速度非常快，因此它能够在一个时钟周期内执行多个操作。

算术逻辑单元（ALU）则用于执行运算操作，例如加减乘除、位移等。

ALU从寄存器中读取数据，并根据指令进行相应的计算和操作。

存储器存储器用于存储计算机中的数据和指令。

存储器被分为两种类型：内存和外存。

内存是指计算机中直接可访问的存储，例如DRAM。

它是用于临时存储程序和数据的地方。

内存的访问速度非常快，但只能存储有限的数据量。

外存则是指计算机中不直接可访问的存储，例如硬盘。

它用于长期存储数据和程序。

虽然外存的访问速度相对较慢，但它能够存储大量的数据和程序。

输入输出设备输入输出设备是与计算机交互的途径，例如键盘、鼠标和显示器等。

输入设备用于将数据输入到计算机中，输出设备则用于从计算机中输出数据。

计算机系统架构冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是计算机系统的经典架构，它由储存器、算术逻辑单元、控制单元和输入输出设备组成。

程序存储在内存中，并通过控制单元来控制执行。

该体系结构具有良好的扩展性和通用性，适用于大多数计算机系统。

哈佛体系结构哈佛体系结构是一种采用不同存储器分别用于程序和数据存储的计算机系统。

第一章1.主机：由CPU、存储器与I/O接口合在一起构成的处理系统称为主机。

2.CPU:中央处理器，是计算机的核心部件，由运算器和控制器构成。

3．运算器：计算机中完成运算功能的部件，由ALU和寄存器构成。

4.ALU：算术逻辑运算单元，负责执行各种算术运算和逻辑运算。

5.外围设备：计算机的输入输出设备，包括输入设备，输出设备和外存储设备。

6.数据：编码形式的各种信息，在计算机中作为程序的操作对象。

7.指令：是一种经过编码的操作命令，它指定需要进行的操作，支配计算机中的信息传递以及主机与输入输出设备之间的信息传递，是构成计算机软件的基本元素。

8.透明：在计算机中，从某个角度看不到的特性称该特性是透明的。

9.位：计算机中的一个二进制数据代码，计算机中数据的最小表示单位。

10.字：数据运算和存储的单位，其位数取决于具体的计算机。

11.字节：衡量数据量以及存储容量的基本单位。

1字节等于8位二进制信息。

12.字长：一个数据字中包含的位数，反应了计算机并行计算的能力。

一般为8位、16位、32位或64位。

13.地址：给主存器中不同的存储位置指定的一个二进制编号。

14.存储器：计算机中存储程序和数据的部件，分为内存和外存。

15.总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合，包括数据总线.地址总线和控制总线。

16.硬件：由物理元器件构成的系统，计算机硬件是一个能够执行指令的设备。

17.软件：由程序构成的系统，分为系统软件和应用软件。

18.兼容：计算机部件的通用性。

19.软件兼容：一个计算机系统上的软件能在另一个计算机系统上运行，并得到相同的结果，则称这两个计算机系统是软件兼容的。

20.程序：完成某种功能的指令序列。

21.寄存器：是运算器中若干个临时存放数据的部件，由触发器构成，用于存储最频繁使用的数据。

22.容量：是衡量容纳信息能力的指标。

23.主存：一般采用半导体存储器件实现，速度较高.成本高且当电源断开时存储器的内容会丢失。

第一章：1、存储程序概念（1946.6）：计算机应由运算器、存储器控制器输入设备和输出设备组成；计算机内部采用二进制来表示指令和数据；存储的基本定义：将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。

计算机的主要部件：输入设备，输出设备，存储器，运算器，控制器。

，2，计算机的各大基本部件之间是用总线（Bas）连接起来的。

3总线电路由三态门组成。

逻辑“0”，逻辑“1”和浮空状态。

地址总线是单向总线，数据总线是双向总线。

4、一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。

二进制（B）、八进制（Q）、十进制（D）、十六进制（H）4、将十进制数100.25转换成段浮点数格式解；1，把十进制数转换成为二进制数（100.25）10 = （11001100.01）22，规格化二进制数1100100.01= 11001100.01 * 2^63，计算出阶码的移码（偏置值+阶码真值）111111+110=100001014，以段浮点数格式存储该数以为，符号位=0阶码=10000101尾数=100100010000 0000 0000 0000所以段浮点数的代码为：0；10000101；100100010000 0000 0000 0000表示为十六进制的代码：42C88000H。

5、把段浮点数C1C90000H转换成为十六进制数解；1，将十六进制代码写成二进制形式，并分离出符号位阶码和尾数。

C1C90000H=1100001110010000 0000 0000 0000所以，符号位=1阶码 = 10000011尾数=10010010000 0000 0000 00002，计算出阶码真值（移码减去偏置值）10000011-1111111=1003，以规格化二进制数形式写出此数1.1001001 X 2的4次方4，写成非规格化二进制数形式。

1001.0015，转换成十进制数，并加上符号位（11001.001）底2 ==（25.125）底10所以，该浮点数=-25.1256、字符串的存放：字符串是指一串连续的字符。

计算机组成原理计算机组成原理是指计算机硬件和软件的组成以及它们之间的工作原理。

计算机硬件主要包括中央处理器(CPU)、存储器、输入输出设备和总线等。

计算机软件则由系统软件和应用软件组成。

在计算机中，中央处理器是计算机的核心，它负责执行计算机程序中的指令。

中央处理器由控制器和运算器组成。

控制器用于解码和执行指令，而运算器用于进行数据运算。

存储器用于存储数据和指令，其主要有两种类型：主存储器和辅助存储器。

主存储器一般是随机存取存储器(RAM)，用于存储当前正在执行的程序和数据。

辅助存储器一般是固态硬盘(SSD)或磁盘，用于长期存储数据和程序。

输入输出设备负责将数据和指令输入计算机，并将计算结果输出到外部设备或显示器上。

常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪，而输出设备有显示器、打印机和音频设备等。

总线是计算机各个组件之间进行通信的路径。

总线分为地址总线、数据总线和控制总线。

地址总线用于指示存储器或I/O设备的地址，数据总线用于传输数据，而控制总线用于传输与控制操作有关的信息。

系统软件是计算机操作系统的核心部分，它管理计算机的资源和提供用户与计算机硬件之间的接口。

应用软件则是由用户使用的各种程序，如办公软件、图像处理软件和游戏等。

在计算机工作原理方面，计算机是按照指令的顺序执行程序的。

计算机从存储器中读取指令和数据，存储在寄存器中，并通过总线传递信息。

控制器解码指令并控制算术逻辑单元(ALU)进行数据运算。

运算结果再存储在寄存器中，最后输出到输出设备或存储器中。

总之，计算机组成原理是计算机硬件和软件的组成和工作原理的总称。

通过了解计算机的组成和工作原理，可以更好地理解计算机的工作方式，从而进行计算机系统的设计和优化。

计算机组成原理大纲
一、计算机组成原理概述
1. 计算机组成原理的定义和目标
2. 计算机的基本组成部分和功能
二、数字电路基础
1. 逻辑门和布尔代数
2. 组合逻辑电路和时序逻辑电路
三、数字系统与算术运算
1. 进位制和数字编码
2. 布尔代数运算和逻辑运算
3. 二进制加法器和减法器
4. 乘法器和除法器
四、存储器和存储系统
1. 存储器层次结构
2. RAM和ROM存储器
3. 高速缓存和虚拟存储器
五、指令集体系结构
1. CISC和RISC体系结构
2. 数据表示方法和指令格式
3. 寻址方式和数据处理指令
六、中央处理单元（CPU）
1. 控制单元和存储器单元
2. 指令执行过程和数据通路
3. 流水线技术和乱序执行
七、输入输出系统
1. 输入输出设备和接口
2. 数据传输和数据交换方式
3. 中断和异常处理
八、总线和通信
1. 总线的基本概念和分类
2. 总线传输方式和时序控制
3. 总线错误控制和总线仲裁
九、计算机性能评价和优化
1. 计算机性能指标
2. 提高计算机性能的方法
3. 并行计算和分布式计算
十、计算机安全与可靠性
1. 计算机系统的安全威胁
2. 安全措施和安全策略
3. 可靠性评估和故障处理。

计算机组成原理和微机原理计算机组成原理和微机原理是计算机科学与技术领域中非常重要的两门课程，它们涉及到计算机的硬件和软件方面的知识。

本文将详细介绍计算机组成原理和微机原理的概念、内容和重要性。

一、计算机组成原理的概念和内容计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的基础课程之一，它主要研究计算机的硬件结构和工作原理。

计算机组成原理涉及到的内容很广泛，主要包括计算机的基本组成、计算机的运行过程、计算机的存储结构、计算机的输入输出系统等方面。

1.计算机的基本组成计算机的基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器（memory）和输入输出设备（I/O devices）。

中央处理器是计算机的核心部件，负责执行计算机的指令和处理数据。

存储器用于存放程序和数据，可以分为主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、光盘等）。

输入输出设备用于与计算机进行交互，如键盘、鼠标、显示器等。

2.计算机的运行过程计算机的运行过程包括指令的周期性执行和数据的处理。

在计算机中，每个指令都是由一系列的操作码（Opcode）和操作数（Operand）组成，其中操作码表示操作的类型，操作数表示操作的具体内容。

指令的周期性执行是通过时钟信号来实现的，时钟信号可以控制计算机的时序和同步。

3.计算机的存储结构计算机的存储结构主要包括主存储器和辅助存储器。

主存储器用于存放正在执行的程序和数据，是计算机运行的关键部件。

主存储器可以按照访问方式分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等。

辅助存储器用于存放大量的程序和数据，可以分为硬盘、光盘、磁带等。

4.计算机的输入输出系统计算机的输入输出系统是计算机与外部世界进行交互的重要组成部分。

输入设备用于将外部的信息传递给计算机，如键盘、鼠标等；输出设备用于将计算机的结果显示给用户，如显示器、打印机等。

输入输出设备和计算机之间有一个接口（interface），可以通过接口进行数据的传输和控制。

二、微机原理的概念和内容微机原理是计算机科学与技术领域中的重要课程，它主要研究微型计算机的组成和工作原理。

计算机组成原理一、选择1、数的大小2、存储单元存储单元一般应具有存储数据和读写数据的功能，一般以8位二进制作为一个存储单元，也就是一个字节。

每个单元有一个地址，是一个整数编码可以表示为二进制整数。

程序中的变量与主存储器的存储单元相对应。

变量的名字对应存储单元的地址，变量的内容对应单元所存储的数据。

3、冯.诺依曼体系结构以二进制的形式将程序存放到存储器中，控制器依据存储器的程序来控制全机协调地完成计算任务。

存储程序并按地址顺序执行，这就是冯诺依曼型计算机的体系结构，该结构由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成。

4、寻址范围存储器的容量=存储字长*存储单位5、CPU模型中各器件的功能控制器：（1）从指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache中的位置。

（2）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作和控制信号，以便启动规定的动作。

（3）指挥并控制CPU、数据cache和输入/输出设备之间数据流动的方向。

运算器：（1）执行所有的算术运算。

（2）执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。

存储器：（1）数据缓冲寄存器（DR）①作为ALU运算结果和通用存储器之间信息传送中时间上的缓冲。

②补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。

（2）指令寄存器（IR）用来保存当前正在执行的一条指令。

（3）程序计数器（PC）保证程序能够连续地执行下去。

（4）数据地址寄存器（AR）用来保存当前CPU所访问的数据cache存储器中（简称数存）单元的地址。

（5）通用寄存器(R0__R3)通用寄存器共4个，当算术逻辑单元（ALU）执行算数或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。

（6）状态字寄存器（PSW）保存由算数指令和逻辑指令运算或测试结果建立的各种条件代码。

6、指令的分类数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令、输入输出指令、字符串处理指令、特权指令、其他指令7、指令周期的含义指令周期是指取出一条指令并执行这条指令的时间。

计算机组成原理计算机组成原理是指计算机由硬件和软件组成的过程和原理。

它涉及了计算机内部各部件的功能和相互关系，以及它们如何协同工作，实现计算、存储和通信等功能的基本原理。

计算机组成原理主要包括指令执行周期、存储器层次结构、总线结构、I/O系统、中央处理单元（CPU）、寄存器以及各种逻辑门电路等基本概念和原理。

计算机组成原理是计算机科学与技术的核心课程之一，它为我们深入了解计算机的工作原理以及如何有效地设计和优化计算机系统提供了重要基础。

指令执行周期是计算机工作的基本单位，它由取指令、指令译码、指令执行、访问存储器、写回数据等若干步骤组成。

存储器层次结构是指计算机系统中不同速度和容量的存储器层级，包括高速缓存、主存储器和辅助存储器等。

各级存储器通过读写控制线和数据线相连，实现数据的传输和存储。

总线结构是计算机内部各部件之间传输数据和控制信号的途径。

它包括数据总线、地址总线和控制总线等，用于在CPU、存储器和I/O设备之间传输数据和控制信息。

I/O系统是计算机与外部设备之间的接口，负责数据的输入输出和设备的管理。

它通过I/O控制器和外设接口等实现计算机与外部设备的通信。

CPU是计算机的核心部件，负责执行程序中的指令。

它由控制单元和算术逻辑单元组成，控制单元负责指令的控制和管理，算术逻辑单元负责进行数据的运算和逻辑判断。

寄存器是CPU内部用于存储数据和指令的临时存储器，包括通用寄存器、指令寄存器、程序计数器等。

逻辑门电路是计算机中最基本的构建单元，包括与门、或门、非门等。

通过逻辑门的组合和连接，可以实现各种逻辑运算和控制功能。

计算机组成原理涉及的其他概念还包括指令集体系结构、流水线技术、中断处理等。

总之，计算机组成原理是计算机科学与技术中的重要基础课程，它为我们理解计算机工作原理、设计高效的计算机系统提供了基础。

通过学习计算机组成原理，我们可以更好地理解计算机的内部结构和原理，为后续的计算机体系结构、操作系统、编译原理等课程奠定坚实的基础。

1、什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成；计算机硬件：指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等；计算机软件，它看不见摸不着，由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成（通常把这些程序寄寓于各类媒体（如光盘、磁盘））。

计算机的软件通常又可以分为两大类：系统软件和应用软件。

2、系统总线概念、系统总线按传输信息的不同如何分类及作用系统总线：是指CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。

按系统总线传输信息不同，又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。

数据总线：用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关，一般为8位、16位或32位。

地址总线：主要用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址。

单向传输控制总线：是用来发出各种控制信号的传输线。

通常对任一控制线而言，它的传输是单向的，但对于控制总线总体来说，又可认为是双向的。

3、一个容量为16KX32位的存储器，其地址线和数据线的总和是多少？当选用下列不同规格的存储芯片时，各需要多少片？1KX4位，2KX8位，4KX4位，16KX1位，4KX8位，8KX8位解：地址线和数据线的总和=14+32=46根各需要的片数为：1KX4：16KX32/1KX4=16X8=128片2KX8：16KX32/2KX8=8X4=32片4KX4: 16KX32/4KX4=4X8=32片16KX1：16KX32/16KX1=32片4KX8：16KX32/4KX8=4X4=16片8KX8：16KX32/8KX8=2X4=8片4、指令周期，指令周期是否有一个固定值？为什么？指令周期：CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期，也即CPU完成一条指令的时间。

否，因为由于各种指令操作功能不同，因此各种指令的指令周期是不同的。

概论CPU ：中央处理器，是计算机的核心部件，由运算器和控制器构成。

运算器：计算机中完成运算功能的部件，由ALU 和寄存器构成。

总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合。

主机：由CPU 、存储器与IO 接口合在一起构成的处理系统称为主机。

接口：是主机与外设之间传递数据与控制信息的电路，是主机与外设的桥梁。

汇编语言：采用文字方式（助记符）表示的程序设计语言。

字长：一个数据字包含的位数，一般为8 位、16 位、32 位和64 位等。

运算器的功能：完成算术逻辑运算，由ALU 和若干寄存器组成。

其中ALU 负责执行各种数据运算操作，寄存器用于暂时存放参与运算的数据以及保存运算状态。

控制器的功能：从内存中取出指令，对其进行译码，产生相应的时序控制信号，控制其它器件工作。

数据编码和数据运算数据：定点数据、浮点数据、图形数据、文字数据。

原码：用一个符号位表示数据的正负，0 代表正号，1 代表负号，其余的代码表示数据的绝对值。

补码：用最高位表示符号，其余各位代码给出数值按2 取模的结果。

阶码：浮点数编码中，表示小数点的位置的代码。

海明距离：在信息编码中，两个合法代码对应位上编码不同的数据位。

冯诺依曼舍入法：浮点数据的一种舍入方法，在截去多余位时，将剩下数据的最低位置1 。

规格化数：浮点数编码中，为使浮点数具有唯一的表示方式所作的规定，规定尾数部分用纯小数形式给出，而且尾数的绝对值应大于1/R ，即小数点后的第一位不为零。

机器零：浮点数编码中，阶码和尾数为全0 时代表的0 值。

为什么用二进制：容易用数据电路表示，数据运算和存储方式简单，是高效的数据表示方式。

如何区分ASCII 代码和汉字编码：ASCII 代码是7 位的代码，在存储时可以在它前面增加一位形成8 位的代码，增加的位用0 表示是ASCII 码， 1表示是汉字编码。

存储系统SRAM ：静态半导体存储器，可随机读写，其存储的数据表示为晶体三极管构成的双稳态电路的电平，存储数据稳定，不需刷新。

计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的重要内容之一，它是对计算机系统内部结构及其相互关系的深入研究。

计算机组成原理作为计算机科学与技术的基础课程，具有非常重要的意义。

下面将从计算机组成原理的概念、结构、指令系统、中央处理器、存储器、输入输出子系统等多个方面进行阐述。

一、计算机组成原理的概念计算机组成原理是指计算机实现各种功能的基本原理，其中包括计算机硬件系统、软件系统以及两者之间的相互关系。

计算机组成原理的研究内容主要包括计算机的硬件结构、指令系统、中央处理器、存储器、输入输出子系统等。

二、计算机硬件结构计算机硬件结构是计算机组成原理的基础，计算机硬件系统的组成包括中央处理器、存储器、输入输出子系统、通信子系统等几个部分。

其中，中央处理器是计算机硬件系统的核心部分，它由运算器、控制器和寄存器三部分组成，运算器和控制器这两个部分分别对数据进行计算和控制存储器等硬件的工作，而寄存器则用于临时存放指令和数据等。

存储器是用于存储数据的关键部件，它包括主存储器和辅助存储器两部分。

主存储器通常指的是内存，使用频率较高且容量较小，而辅助存储器则包括硬盘、光盘等，使用频率较低但容量较大，主要用于存储大量的数据和程序。

输入输出子系统用于连接计算机与外部设备，如键盘、鼠标、打印机、显示器等，让计算机能够与外部设备进行数据交换。

通信子系统则用于将计算机连接到互联网或其他计算机中，以进行网络通信和数据传输。

三、指令系统指令系统是计算机组成原理的重要组成部分，它由一条或多条指令组成，用于控制中央处理器执行各种操作。

指令系统可以分为机器指令和汇编指令两种形式。

机器指令是计算机硬件能够直接识别执行的指令，通常使用二进制编码表示。

而汇编指令则是机器指令的易于理解的文本形式，通常使用助记符等易于理解的符号表示。

指令系统的设计需要考虑到多种因素，如效率、简洁性、可扩展性、易于实现等。

具体来说，指令系统应该是能够快速执行的，同时也应该易于理解和学习，一方面需要减少指令的数量和长度，另一方面需要增加指令的功能和灵活性。

知识点计算机组成原理知识点-计算机组成原理计算机组成原理重要知识点第一章绪论一、冯．诺依曼思想体系――计算机（硬件）由运算器、控制器、存储器、输入输出设备五部分组成，存储程序，按地址出访、顺序继续执行二、总线的概念。

按传送信息的不同如何划分；按逻辑结构如何划分三、冯．诺依曼结构（普林斯顿结构）与哈弗结构的存储器设计思想四、计算机系统的概念，软件与硬件的关系、计算机系统的层次结构（实际机器与交互式机器）五、计算机的主要性能指标的含义（机器字长，数据通路宽度，主存容量，运算速度）六、cpu和主机两个术语的含义，完备的计算机系统的概念，硬件、软件的功能分割七、总线概念和总线分时共享资源的特点、三态门与总线电路第二章数据的机器层次表示一、真值和机器数的概念数的真值变为机器码时存有四种则表示方法：原码表示法，反码表示法，补码表示法，移码则表示码。

其中移码主要用作则表示浮点数的阶码e，以利比较两个指数的大小和对阶操作方式二、一个定点数由符号位和数值域两部分组成。

按小数点位置不同，定点数有纯小数和纯整数两种表示方法。

几种定点机器数的数值则表示范围。

三、浮点数浮点数的标准表示法：符号位s、阶码e、尾数m三个域组成。

其中阶码e通常用移码表示（其值等于指数的真值e加上一个固定偏移值）。

规格化浮点数（原码，补码则表示的规格化浮点数的区别）五、处理字符信息（符号数据即非数值信息），七、常用的bcd码：8421码、2421码、余3码、格雷码（有权码，无权码，特点）八、检错纠错码：奇偶校验（掌握奇偶校验原理及校验位的形成及检测方法）,海明码的纠错原理（理解）第三章指令系统一、指令格式:指令的基本格式,指令的地址码结构（3、2、1、0地址指令的区别），非规整型指令的操作码（扩展览会操作码）二、编址方式（位，字节，字…）三、操作数串行方式――立即串行、轻易串行、间接串行、寄存器串行、寄存器间接串行、相对串行、基址寻址、变址寻址、页面寻址四、指令串行方式――顺序对串行方式、弹跳串行方式五、指令类型及功能六、不同的计算机的i/o指令差别很大，通常有两种方式：独立编址方式,统一编址方式第四章数值的机器运算一、为运算器构造的简单性，运算方法中算术运算通常采用补码加减法，原码乘除法或补码乘除法。