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计算机组成原理(本全)课件

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。

计算机组成原理(本全PPT)

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

计算机组成原理本全PPT

32
第32页，共396页。
为提高数据的表示精度，当尾数的值不为 0 时，其绝对值应≥，即尾数域的最高有效位应为1,否那么以修改阶码同时左右移小数点的方法，使其变成这一表示形式，这称为浮点数的规格化表示。
101.1101=0.1011101×20011=0.010111010×20210
规格化表示为尾数是，阶码是0011 而尾数是，阶码是0100不是规格化表示。
•
s 00000001 0000 0000 0000 0000 0000 000
•
x＝(－１)S×2－126
完成的工作是从内存中读取指令，分析和解释指令，
然后按指令的要求发出操作命令，控制计算机各局部自动
协调的工作。
•
简单程序
•
指令形式
•
控制器的根本任务
•
指令流和数据流
• 冯·诺依曼体系构造计算机的主要特征是：采用存储程序和数据，由指令流来控制计算机的操作。
• 输入设备输入信息到计算机中的设备
• 输出设备从计算机中输出信息的设备
学习难点内容较多、构造复杂、要有数字逻辑的根底
学习思路〔方法〕分析构造、弄清原理、多做练习
3
第3页，共396页。
主要内容
计算机系统概述〔计算机根底、根本概念〕
运算方法和运算器〔计算机中数据的表示和编码：包括数值、非数值数据，整数、小数，汉
字，校验码等。计算机中运算方法：定点运算、浮点运算、逻辑运算。运算器及实现)
操作系统支持(调度，存储管理，虚拟存储器等)
4
第4页，共396页。
第一章计算机系统概论
第一节计算机分类
电子计算机从总体上来说分为两大类:电子模拟计算机和电子数字计算机。 l 电子模拟计算机的特点是数值由连续量来表示,运算

《计算机组成原理》课件

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）。
谢谢您的聆听
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

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VS
挑战
在计算机组成原理的发展过程中，面临着许多挑战和问题，如处理器的性能和功耗问题、存储器的速度和容量问题、系统的可靠性和安全性问题等。这些问题需要不断研究和探索，以推动计算机组成原理的持续发展。
THANKS
感谢您的观看
解释定点数与浮点数的表示方法，包括整数和实数的表示。
逻辑代数基础
1 2
逻辑变量与逻辑函数
引入逻辑变量和逻辑函数的概念，为后续的逻辑运算打下基础。
基本逻辑运算
介绍与、或、非三种基本逻辑运算及其性质。
3
复合逻辑运算
阐述其他复合逻辑运算，如异或、同或等。
逻辑门电路
基本门电路
01
介绍与门、或门、非门等基本门电路的工作原理及实现。
01
03 02
I/O接口的功能和基本结构
数据传输寄存器
命令/状态寄存器
控制逻辑电路
I/O控制方式
优点
控制简单，易于实现
缺点
CPU利用率低，实时性差
I/O控制方式
优点
提高了CPU的利用率，实时性较好
缺点
中断次数多，开销大，数据丢失问题
I/O控制方式
优点
数据传输速度快，CPU干预少
缺点
需要专门的DMA控制器，硬件开销大
指令的执行过程
取指周期
从内存中读取指令，并放入指令寄存器IR中。
中断周期
在执行过程中，如果出现中断请求，则进入中断周期，保存现场信息，并转向中断服务程序。
分析周期
对取回的指令进行分析，确定指令的操作性质和操作数地址。
执行周期
根据分析结果，执行相应的操作，如算术运算、逻辑运算、数据传输等。

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定点数的加减法实现
通过硬件电路实现定点数的加减法，包括加法器、减法器等。
浮点数的加减运算
浮点数的表示方法
包括IEEE 754标准中浮点数的表示方法、规格化表示和精度。
浮点数的加减法规则
包括阶码和尾数的运算规则、对阶操作、尾数加减运算和结果规格化等。
浮点数的加减法实现
通过硬件电路实现浮点数的加减法，包括浮点加法器、浮点减法器等。
指令的执行过程与周期
指令执行过程
取指、译码、执行、访存、写回等阶段。
VS
指令周期
完成一条指令所需的时间，包括取指周期、间址周期、执行周期等。
07
中央处理器（CPU）
CPU的功能与组成
控制器
负责指令的取指、译码和执行，控制数据和指令在CPU内部的流动。
运算器
执行算术和逻辑运算，包括加、减、乘、除、与、或、非等操作。
多核处理器与并行计算
多核处理器
将多个处理器核心集成在一个芯片上，每个核心可以独立执行指令，提高处理器的并行处理能力。
并行计算
利用多核处理器或多个处理器同时处理多个任务或数据，加速计算过程，提高计算效率。
08
输入输出系统
I/O接口与I/O设备
I/O接口的功能
实现主机与外设之间的信息交换，包括数据缓冲、信号转换、设备选择等。
乘法与除法运算
浮点数的乘除法运算
包括浮点数的乘法、除法和平方根运算等。
定点数的乘除法运算
包括原码一位乘法、补码一位乘法、原码除法和补码除法等。
乘除法运算的实现
通过硬件组成与设计
运算器的基本组成
包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、数据总线等。
运算器的设计原则

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

计算机组成原理ppt课件

常见输入输出接口类型和特点比较
要点一
常见输入输出接口类型
要点二
特点比较
常见的输入输出接口类型包括PS/2接口、USB接口、HDMI 接口、DisplayPort接口、SATA接口等。
不同的输入输出接口类型具有不同的特点，如传输速度、支持热插拔、连接方式等。例如，USB接口支持热插拔和即插即用，而SATA接口则主要用于连接硬盘和光驱等存储设备。
定点数表示与运算方法
定点数表示方法
阐述定点数的表示方法，包括符号位、数值位等，并介绍定点数的范围及精度。
定点数加减运算
详细讲解定点数的加减运算方法，包括补码加减运算等。
定点数乘除运算
介绍定点数的乘除运算方法，包括原码乘除、补码乘除等算法。
定点数运算器的设计
阐述定点数运算器的设计原理和实现方法，包括加法器、减法器、乘法器和除法器等。
当中断发生时，计算机首先保存当前程序的执行状态，然后转去执行中断处理程序。中断处理程序执行完毕后，计算机再返回原程序继续执行。这个过程需要由计算机的操作系统来管理和控制。
THANK YOU
指令系统设计原则和优化策略
有效性原则
指令系统应能有效地支持高级语言的实现，提高程序执行效率。
兼容性原则
新设计的指令系统应尽可能与已有的指令系统保持兼容。
完备性原则
指令系统应满足程序设计的各种需求，具备完备性。
规整性原则
指令系统应尽可能规整，简化硬件实现和软件编程。
优化策略
采用流水线技术、超标量技术、乱序执行技术等优化策略，提高指令执行速度和效率。
高速缓冲存储器（Cache）原理及应用
Cache原理
Cache是一种高速缓冲存储器，它位于CPU和内存之间，用于存储CPU最近访问过的数据和指令。通过Cache技术，可以提高CPU访问内存的效率和速度。

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5.6
虚存 10~20ms 60~228GB 0.23
后援 2~20M 512GB~2TB 0.01
使CPU大部分时间访问高速缓存，速度最快；仅在从缓存中读不到数据时,才去读主存，速度略慢但容量更大；当从主存中还读不到数据时,才去批量读虚存，速度很慢容量极大,就解决了对速度、容量、成本的需求。
2.内存储器教学实验
(1) 教学实验计算机介绍整机为 8位字长，组合逻辑控制器方案，内存储器为 8位字长，使用 16位的地址，按字节访问。
（2）教学实验内容
教学计算机已有 8KB 的ROM、 2KB 的RAM内存空间，在此基础上再扩展出 2KB 的 RAM存储空间，用 LS6116（2048 8）静态存储器芯片进行内存容量扩展。
解决方案
使每种介质都处于不同的地位，起到不同的作用，充分发挥各自在速度容量成本方面的优势，从而达到最优性能价格比，以满பைடு நூலகம்使用要求。
1993年大型计算机的存储器系统
存取速度存储容量存储成本
(美分/KB)
CPU 10ns
512B
1800
缓存 20~40ns 128KB
72
主存 60~100ns 512MB
（3）教学实验步骤
学懂教学计算机内存储器设计，把新的一片 LS6116芯片插到板上。主要工作是接好该芯片的地址线，数据线，片选和读写控制信号等。对硬件进行调试,并在程序中使用这片存储区，检查读写的正确性。
使用串行接口的教学实验
(1) 教学实验计算机介绍教学计算机上有串行接口， 8位并行与主机交换信息，串行地和PC仿真终端通信，用IN、OUT指令完成入出，采用状态查询方式工作。
（2）教学实验内容
实验时以 8位字长，组合逻辑控制器方案来进行，把第三章作业第18题的(1)、(2)、(3)、(5) 的设计在教学计算机上实现出来并调试正确，用在你的程序中。
（3）教学实验步骤
学懂已有指令的格式和执行步骤参照已有设计，完成你的设计：
指令格式、功能、执行步骤所用节拍与各控制信号写出逻辑表达式、写到GAL20V8中进行调试,并用在你设计的程序中
《计算机组成原理》
直播课堂内容
1. 布置控制器教学实验 2. 布置内存扩展教学实验
布置串行接口入出教学实验 3. 布置第四、五章作业 4. 第四、五章教学内容辅导
1.控制器教学实验
(1) 教学实验计算机介绍有 8位或 16位两种字长，可以选组合逻辑的控制器、或是微程序的控制器方案。
有监控程序、交叉汇编程序、和 PC仿真终端等软件支持。
涉及概念性的知识比较多，原理性的内容一般理解即可；
实用性的知识较多，有些线路或设备组成实例，勿背。
计算机硬件系统
控制器
运算器
第二单元
高速缓存
主存储器
外存设备
第三单元
入
第一单元
出
接口
输入设备
和总
输出设备
线
第四单元
第四章内容概要
存储器，三级连，局部、一致且包含提速主体扩容量，缓存主存虚存盘
二. 主存储器的组成与设计
AB k 位（给出地址）
DB n 位（传送数据） Main
CPU
READ
Memory
WRITE
READY
静态和动态存储器芯片特性
存储信息破坏性读出需要刷新送行列地址
SRAM 触发器
非不要同时送
DRAM 电容
是需要分两次送
静态和动态存储器芯片特性
SRAM
DRAM
层次存储器系统概述
用途：存储器系统是计算机中用于存储程序和数据的部件。
对其要求是：尽可能快的读写速度尽可能大的存储容量尽可能低的成本费用
怎样才能同时实现这些要求呢？用多级结构的存储器系统把要用的程序和数据，按其使用的急迫和频繁程度，分块调入存储容量不同、运行速度不同的存储器中，并由硬软件来统一管理与调度。
层次之间应满足的原则
一致性原则：处在不同层次存储器中的同一个信息应保持相同的值，是保证正确地使用数据的最基本的要求之一，必须满足
包含性原则：
存储在内层（靠近CPU）的信息
一定被包含在其外层的存储介
质中，反之则不成立。即内层存储器中的全部信息，都是其相邻外层存储器中一小部分信息的复制品。
（2）教学实验内容
在教学计算机已有监控程序，串行口能正常运行，串行口的端口地址:00(数据),01(状态)，参照教材上已有的I/O程序例子，设计用串口完成I/O操作的程序
（3）教学实验步骤
学懂教材中使用串行接口的程序，学习查询串行口运行状态的方法，用状态查询方式使用IN、OUT指令。写出几个小的完成输入/输出操作功能的程序，具体内容自己确定。
3.第四章作业
第四章习题中的第1题，第 2题，第 3题，第6题，第12题，第13题，第27题，第31题。
（8个作业题均必做）
第五章作业
第五章习题中的第2题，第 4题，第 9题，第14题，第15题，第19题第27题，第29题。
（8个作业题均必做）
4. 第四、五章内容辅导
第四、五两章的教学内容各占全部教学内容的 20% ，
字位扩展、体交叉，完全直接组相联段表、页表和快表，盘带阵列容错
第四章多级结构的存储器系统
一. 层次存储器系统概述二. 主存储器部件三. 高速缓存CACHE 四. 虚拟存储器部件五. 外存储器设备
阵列技术与容错
一. 层次存储器系统概述 1. 概念与追求的目标 2. 程序运行的局部性特性 3. 各层存储器所用介质其特性 4.一致性、包含性
运行速度快
慢
集成度低
高
发热量大
小
存储成本高
低
主存储器的读写过程
数据寄存器读过程:
给出地址
主存储体
给出片选与读命令
/CS0
保存读出内容写过程:
/CS1
/WE 给出地址
给出片选与数据
地址寄存器
给出写命令
静态存储器字、位扩展
高八位数据低八位数据
程序运行时的局部性原理
在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问在空间上，这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大 (大约 5:1 )
解决方案
选用生产与运行成本不同的、存储容量不同的、读写速度不同的多种存储介质，组成一个统一管理的存储器系统。