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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。
计算机组成原理目录
一、基本概念和术语
1.计算机组成原理概述
2.计算机硬件和软件的关系
3.信息的表示和处理
4.计算机的运行原理
二、数字逻辑电路基础
1.布尔代数和逻辑门
2.组合逻辑电路
3.时序逻辑电路
4.存储器和寄存器
三、计算机的指令系统和运算
1.指令的表示和执行
2.数据的表示和运算
3.控制逻辑和控制单元
四、存储器和存储器层次结构
1.存储器的分类和特性
2.主存储器和辅助存储器
3.存储器的层次结构和存取方法
4.存储器的高速缓存和虚拟存储器
五、输入和输出设备
1.输入和输出设备的分类和特性
2.输入设备的接口和数据采集
3.输出设备的接口和数据显示
4.输入输出设备的控制和通信
六、总线和通信
1.计算机系统中的总线
2.总线的分类和特性
3.总线的传输方式和速度
4.总线的控制和仲裁
七、处理器的结构和设计原理
1.处理器的功能和组成
2.数据通路和控制单元的设计
3.内部寄存器和处理器的运行状态
4.处理器的性能评价和优化技术
八、计算机体系结构和指令集
1.计算机的级别和体系结构
2.CISC和RISC的比较
3.指令集的设计和实现
4.多核处理器和并行计算
九、系统总线和I/O设备接口
1.系统总线的结构和功能
2.总线的控制和仲裁机制
3.I/O设备的接口和通信
4.DMA和中断处理机制
十、计算机性能评价和提高技术
1.计算机性能的度量和评价
2.程序的优化和并行化技术
3.存储器层次结构的优化
4.编译器的优化技术。
计算机专升本中的计算机组成原理计算机专升本是指在已经获得专科学历的基础上，进一步学习计算机相关专业知识，提升学历层次的过程。
在计算机专升本的学习过程中，计算机组成原理是一个重要的学科，它涉及计算机硬件的各个方面，对于理解和应用计算机技术都具有重要的意义。
一、计算机组成原理的基本概念计算机组成原理是计算机科学与技术的一门基础学科，它研究计算机硬件系统的结构、功能和工作原理。
计算机由中央处理器、存储器、输入输出设备和系统总线等组成，而计算机组成原理就是研究这些组成部分的结构和相互配合的原理，以及它们在计算机系统中的工作方式。
二、计算机的基本组成部分1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机系统的核心，它负责执行指令和进行数据处理。
CPU由运算器、控制器和寄存器组成，运算器负责执行算术和逻辑运算，控制器负责解析和执行指令，寄存器用于存储数据和指令的临时存储。
2. 存储器存储器用于存储计算机的指令和数据，分为主存储器和辅助存储器。
主存储器是计算机与外部存储器之间进行数据交换的媒介，它有时也被称为内存或随机存储器（RAM）。
辅助存储器包括硬盘、光盘、磁带等，用于长期储存大量的数据。
3. 输入输出设备输入输出设备用于计算机与外部环境的信息交换。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等，而输出设备包括显示器、打印机、音箱等。
输入输出设备的作用是将人类的信息输入到计算机中，并将计算机处理后的结果输出给人类。
4. 系统总线系统总线是计算机各个部件之间传输信息的通道。
它包括数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线用于传输数据和指令，地址总线用于传输存储器地址，控制总线用于传输指令控制信号。
系统总线起到连接和协调各个部件的作用，使得它们能够相互通信和协同工作。
三、计算机组成原理的重要性和应用1. 理解计算机内部工作原理学习计算机组成原理可以让我们深刻理解计算机内部各个组成部分的功能和相互关系，从而更好地了解计算机是如何工作的。
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。
计算机组成原理实验报告册呼伦贝尔学院计算机科学与技术学院2010年11月实验一运算器实验一、实验目的1．掌握运算器的组成及工作原理；2．了解4位函数发生器74LS181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程；3．验证带进位控制的74LS181的功能。
二、实验设备EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
三、电路组成本模块由算术逻辑单元ALU 74LS181（U29、U30）、暂存器74LS273（U27、U28）、三态门74LS244（U31）和进位控制电路GAL芯片（U32）等组成。
电路图见图1-1(a)、1-1(b)。
图1-1（a）ALU电路图1-1（b）GAL芯片进位控制电路算术逻辑单元ALU是由两片74LS181构成。
74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Cn决定。
高电平工作方式74LS181的功能、管脚分配和引出端功能符号详见表1-1、图1-2和表1-2。
两片74LS273构成两个八位数据暂存器，运算器的输出采用三态门74LS244。
它们的管脚分配和引出端功能符号详见图1-3和图1-4。
图1-2 74LS181管脚分配表1-1 74LS181输出端功能符号74LS181功能表见表1－2，其中符号“＋”表示逻辑“或”运算，符号“*”表示逻辑“与”运算，符号“/”表表1-2 74LS181功能表图1-3（a）74LS273管脚分配图1-3（b）74LS273功能表图1-4（a）74LS244管脚分配图1-4（b）74LS244功能四、工作原理运算器的结构框图见图1-5。
算术逻辑单元ALU是运算器的核心。
集成电路74LS181是4位运算器，两片74LS181以并／串形式构成8位运算器。
它可以对两个八位二进制数进行多种算术或逻辑运算，74LS181 有高电平和低电平两种工作方式，高电平方式采用原码输入输出，低电平方式采用反码输入输出，这里采用高电平方式。
三态门74LS244作为输出缓冲器由ALU-G信号控制，ALU-G 为“0”时，三态门开通，此时其输出等于其输入；ALU-G 为“1”时，三态门关闭，此时其输出呈高阻。
两片74LS273作为两个八位数据暂存器，其控制信号分别为LDR1和LDR2，当LDR1和LDR2 为高电平有效时，在T4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。
五、实验内容验证74LS181运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。
将实验中所得数据填入下表。
将理论计算所得数据填入下表六、实验中出现的问题及解决的办法，收获及体会。
在做实验时出现很多错误，经过自己的努力和老师的指导下最终得出了正确的答案。
体会：做实验要仔细认真。
经过此实验之后，知道了各种数字集成电路的性能及工作原理。
了解4位函数发生器74LS181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作各逻辑操作的个体过程。
通过这次试验进一步了解运算器。
七、思考题1.简述对数据总线冲突的理解各种I/O设备通过I/O接口挂到I/O总线上，更便于增删设备。
这种结构在I/O设备与主存交换信息时仍然要占用CPU，因此还会影响CPU的工作效率。
倘若将CPU、主存和I/O设备（通过I/O接口）都挂到一组总线上，便形成单总线结构的计算机，相比，最明显的特点是当I/O设备与主存交换信息时，原则上不影响CPU的工作，CPU仍可继续处理不访问主存或I/O设备的操作，这就使CPU工作效率有所提高。
但是，因只有一组总线，当某一时刻各部件都要占用总线时，就会发生冲突。
2.如何设置让ALU实现加1和减1运算？实验成绩：评阅教师签名：实验二移位运算实验一、实验目的掌握移位控制的功能及工作原理二、实验设备EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
三、电路组成本模块由逻辑控制单元（由一片GAL构成）U34和带三态输出的移位寄存器74LS299等组成。
74LS299具有并行接数、左移、右移、保持等功能，且具有三态输出。
其功能和管脚分配见表2-1和图2-2。
图2-2（a）74LS299的管脚分配图2-2（b）74LS299引出端功能符号四、工作原理移位运算实验电路的功能由S1、S0、M控制，具体功能见表2-2：表2-2五、实验内容输入数据，利用移位寄存器74LS299控制进行移位。
六、实验中出现的问题及解决的办法，收获及体会。
本次实验中，存在的问题本非常的多，线多和小的按钮太多，以至于没得出结果。
体会：机器数为正时，不论是左移还是右移，添补代码均为0。
负数的原码左移时，高位丢1，结果出错；右移时，低位丢1。
负数的补码左移时高位丢0，结果出错；右移时，低位丢1；负数的反友左移时，高位丢0，结果出错；右移时，低位丢0。
七、思考题1、试用数字逻辑中所学的触发器设计组成一个4位的移位寄存器。
X2、什么叫“串行”与“并行”，描述移位寄存器如何进行串-并转换以及并-串转换。
微型计算机主机与外部设备的连接，基本上使用了两类接口；串行接口与并行接口。
并行接口是指数据的各位同时进行传送，其特点是传输速度快，但当传输距离较远、位数又多时，导致了通信线路复杂且成本提高。
串行通信是指数据一位位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。
串行通信本身又分为异步通信与同步通信两种。
实验成绩：评阅教师签名：实验三存储器实验一、实验目的1. 掌握半导体静态随机存储器RAM的特性和使用方法。
2. 掌握地址和数据在计算机总线的传送关系。
3. 了解运算器和存储器如何协同工作。
二、电路组成电路图见图3-1，6116的管脚分配和功能见图3-2。
图3-1 存储器电路图3-2（a）6116管脚分配图3-2（b）6116功能三、工作原理实验中的静态存储器由2片6116（2K×8）构成，本实验仅使用了一片（8位，另一片是为16位机准备的）。
其数据线D0~D7接到数据总线，地址线A0~A7由地址锁存器（74LS273）给出。
黄色地址显示灯MA7-MA0与地址总线相连，显示地址总线的内容。
数据经三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。
因地址寄存器为8位，接入6116的地址A7-A0，而高三位A8-A10接地，所以其实际容量为28＝256字节。
6116有三个控制线，/CE（片选）、/R（读）、/W（写）。
其写时间与T3脉冲宽度一致。
四、实验内容1. 学习静态RAM的存储方式，往RAM的任意地址里存放数据，然后读出并检查结果是否正确。
2. 组成计算机数据通路，实现计算机的运算并存储功能。
五、实验中出现的问题及解决的办法，收获及体会。
每次试验都因为自己粗心导致连线错误，每次得请老师和同学的帮助才能得出正确的结果。
但电源掉电时，原存信息挂失，故它属易失性半导体存储器。
、思考题1、若采用两片6116芯片，按字扩展组成存储器，至少需要多少根地址线？6116=2k*82k=211至少需要11根地址线。
2、请描述出实验连线过程中，哪些属于数据总线，哪些属于地址总线，哪些属于控制总线，并分析存储器读/写过程中，它们的时序关系和逻辑关系。
D0~D7属于数据总线、A0~A7属于地址总线、CE、R、W为控制总线。
实验成绩：评阅教师签名：实验四微程序控制器的组成与实现实验一、 实验目的1．掌握微程序控制器的组成及工作过程；2．通过用单步方式执行若干条微指令的实验，理解微程序控制器的工作原理。
二、电路组成本电路由一片三态输出8D 触发器74LS374、三片EEPROM2816、两片8D 触发器74LS273、一片4D 触发器74LS175、三片3线-8线译码器74LS138、三片2D 触发器74LS74、一片三态门74LS245和两片六反相器74LS04等组成。
其中74LS273的技术资料参见实验一。
其余芯片分别见图4-2~图4-8。
图4-2（a引脚说明图4-2（c ）28C16工作方式选择图4-3（a ）74LS175引脚 图4-3（b ）74LS175功能图4-5（a）74LS374引脚图4-5（b）74LS374功能图4-6（a）74LS74引脚图4-6（b）74LS74功能图4-7（a）74LS304引脚图4-7（b）74LS04功能图4-8（a）74LS245引脚图4-8（b）74LS245功能三、工作原理1．脉冲源和时序电路实验所用的脉冲源和时序电路中“脉冲源输出”为时钟信号，f的频率为500KHz，f/2的频率为250KHz，f/4的频率为125KHz，f/8的频率为62.5KHz，共四种频率的方波信号，可根据实验自行选择一种方波信号的频率。
每次实验时，只需将“脉冲源输出”的四个方波信号任选一种接至“信号输入”的“fin”，时序电路即可产生4种相同频率的等间隔的时序信号T1~T4，其关系见图4-9。
电路提供了四个按钮开关，以供对时序信号进行控制。
工作时，如按一下“单步”按钮，机器处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机，波形见图4-9。
利用单步运行方式，每次只读一条微指令，可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。
如按一下“启动”按钮，机器连续运行，时序电路连续产生如图4-9的波形。
此时，按一下“停止”按钮，机器停机。
图4-9按动“单脉冲”按钮，“T+”和“T-”输出图4－10的波形：T+T-图4－10各个实验电路所需的时序信号端均已分别连至“读写控制电路”的“T1、T2、T3、T4”，实验时只需将“脉冲源及时序电路”模块的“T1、T2、T3、T4”端与“读写控制电路”的“T1、T2、T3、T4”端相连，即可给电路提供时序信号。
2．微程序控制器电路三片EEPROM2816构成24位控制存储器，两片8D触发器74LS273和一片4D触发器74LS175构成18位微命令寄存器，三片3线-8线译码器74LS138对微命令进行译码。
三片2D触发器74LS74构成6位微地址寄存器，它们带有清“0”端和预置端。
在不判别测试的情况下，T2时刻打入微地址器的内容即为下一条微指令地址。
当T4时刻进行测试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，完成地址修改。
SA5~SA0为微控器电路微地址锁存器的强置端输出。
在该电路中有一组开关K1、K2、K3、K4（注意：K4在基板上的“24位微代码输入及显示电路”中），它们可以设为三种状态：写入、读出和运行。
当处于“写入”状态时，可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到2816中。
当处于“读出”状态时，可以将写入的二进制代码读出，从而可以对写入控存的二进制代码的正确性进行验证。
当处于“运行”状态时，只要给出微程序的入囗微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。
