计算机原理课件

在书写十六进制数时，若最高位是字母时必须在其前 面加0，以免与英文单词混淆。例如：F9H应写成0F9H。
1．2．2 各种数制的相互转换 1．二进制和十进制数间的转换 (1)二进制数转换成十进制数： 只要把欲转换数按权展开后相加即可 。例如：
11010.0lB＝1×24十1×23十1×21十1×2-2 ＝26.25
2) 补码的表示： 在补码表示法中，正数的补码与原码相同； 负数的补码则是符号位为“1”，数值部分 按位取反后再在末位(最低位)加1。
补码在微型机中是一种重要的编码形 式，请注意如下事项：
① 采用补码后，计算机中有符号数一般采用补码表 示。
② 正数的补码即是它所表示的数的真值，而负数的 补码的数值部分却不是它所表示的数的真值。
方法2：规定小数点固定在最低数值位之后， 机器中能表示的所有数都是整数。
因为实际数值很少有都是小数或都是整数 的，所以定点表示法要求程序员做的一件 重要工作是为要计算的问题选择“比例因 子”。
1.4.2 浮点法
任意一个二进制数N总可以写成下面的形式：
N=±d，指明数的全 部有效数字，前面的符号称作数符 。
计算机原理
第1章数字设备中信息的表示方法
本章要点： ➢ 掌握微型计算机的特点和用途； ➢ 掌握数字设备中数的表示方法和各种进制间
的转换方法； ➢ 掌握原、补、反码的概念； ➢ 初步掌握数字设备中常用的编码。
1.1微型计算机概述
只是做一般性的介绍，应突出应用是发展 的生命。 1．1．1 微型计算机的特点和发展 1．体积小、重量轻 2．价格低廉 3．可靠性高、结构灵活 4．应用面广
(2)十进制数转换成二进制数：本转换过程是 上述转换过程的逆过程，但十进制整数和 小数转换成二进制的整数和小数的方法是 不相同的。

3.数据传输率与数据通路宽度 （1）数据通路宽度: 数据总线一次能并行 传输的数据位数。 （2）数据传输率（带宽）：数据总线每秒 传输的数据量。
总线位数×总线时钟频率
总线带宽 =
8
（B/S）
主存带宽 =？
4.存储容量
1）主存容量
K、M、G、T
1024
指存储单元个数 × 位数。
决定地址位数
存储体
控制线路
数据寄存器 读/写线路
译码器
…………
地址寄存器
…………
存储体: 存放信息的实体。 寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。 读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂 存读/写数据。 控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。 3）讨论 存储单元读/写原理、存储器逻辑设计
（3） 输入/输出设备 1）功能：转换信息。
换、逻辑控制等功能。
2.典型的硬件系统结构 （1）以总线为基础的系统结构 特点：结构简单、控制方便、扩展容易。
总线
部件 部件 部件
单总线结构 系统总线
CPU
M
接口
I/O
接口 I/O
（2）采用通道或IOP的系统结构 带通道的系统（图1-6）
主机
通道
I/O控制器
I/O
• 规模较小的系统可将通道部件设置在 CPU内部。
1.3.2 计算机的主要性能指标
1.基本字长 指操作数的基本位数。 和运算器、寄存器、总线有关，它影响
计算精度、指令功能。 8 — 16 — 32 — 64位
2. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间
（2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（Hz）
5M 100M 1G 2.0G 3.2G （4）典型程序执行时间 （5）每条指令平均执行周期.事先编制程序 2.事先存储程序 3.自动、连续地执行程序

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。

输入输出系统
输入设备
将人类可读的信息转换为计算机 可识别的二进制代码，如键盘、 鼠标等。
I/O控制方式
程序查询方式、中断方式、DMA 方式和通道方式等，用于管理输 入输出操作。
输出设备
将计算机处理后的结果转换为人 类可读的形式，如显示器、打印 机等。
I/O接口
连接输入输出设备与主机，实现 数据缓冲、电平转换和信号匹配 等功能。
括通用寄存器、专用寄存 器等。
指令的执行过程
取指
从内存中读取指令，并将其放入指令寄存器 中。
执行
根据微操作命令序列，控制运算器、寄存器 等部件执行相应的操作。
译码
将指令寄存器中的指令翻译成微操作命令序 列。
写回
将执行结果写回到寄存器或内存中。
CPU的性能指标
主频
CPU的时钟频率，通常以MHz或 GHz表示，主频越高，CPU处理
运算器
执行算术运算和逻辑运算， 处理数据。
寄存器
暂存指令、数据和地址， 提高CPU的运算速度。
存储器
01
主存储器
存放程序和数据的主要区域，直接和CPU交换信息。
02
辅助存储器
长期保存信息，容量大、价格低、速度慢，需通过主存与CPU交换信息。
03
高速缓冲存储器（Cache）
位于CPU和主存之间，存取速度接近CPU，用于缓解主存速度瓶颈问题。
云计算和大数据的融合是未来发展的趋 势，通过云计算平台提供的大数据服务， 可以实现海量数据的存储、处理和分析。 计算机组成原理在云计算和大数据融合 中发挥着重要作用，为构建高效、稳定 的云计算和大数据平台提供了理论支持。
计算机组成原理的发展趋势和挑战
发展趋势

数据库的性能和效率，满足用户的需求。
06
CATALOGUE
安全知识
计算机病毒与防范措施
计算机病毒定义
计算机病毒是一种恶意软件，通 过复制自身在计算机之间或网络 中进行传播，旨在破坏数据、干
扰计算机操作或窃取信息。
常见病毒类型
包括蠕虫、木马、宏病毒、间谍 软件等，每种病毒都有其特定的
传播方式和破坏能力。
CATALOGUE
办公软件
文字处理软件
01
文字处理软件主要用于 文档的编辑和排版，如 Word。
02
Word提供了丰富的样式 、字体、段落格式等编 辑工具，方便用户快速 排版文档。
03
Word支持插入图片、表 格、图表等元素，并提 供了强大的查找和替换 功能。
04
Word还支持文档的版本 控制和多人协作编辑， 方便团队共同完成文档 的编写。
20世纪40年代，以电子管为元件，用于 军事和科学研究。
微处理器计算机时代
20世纪80年代，以微处理器为控制核心 ，普及到各个领域。
集成电路计算机时代
20世纪60年代，以集成电路为元件，应 用于商业和家庭。
计算机的分类
01
02
03
按处理方式
模拟计算机和数字计算机 。
按规模
巨型机、大型机、小型机 、个人计算机。
如微信、微博等平台，方便人们交流 和分享信息。
05
CATALOGUE
数据库知识
数据库的定义与功能
数据库定义
数据库是一种存储、管理和检索数据的方式，它使用计算机 系统来组织和存储数据，以便用户能够方便地查询、更新和 管理数据。
数据库功能
数据库的主要功能包括数据的存储、检索、更新和管理。它 能够提供高效的数据存储和访问，支持多用户并发访问，并 提供数据的安全性和完整性保护。

1代表了拾。我们对这种表示方法已经习以为常了，以至于忽略了一个明显的
事实：尽管数的多少是客观的，但我们表示数的形式、方法实际上是主观的。
例如，如果我们规定处在第二位的1代表8，那么，就要用12表示我们的手指
个数。这里，主观规定的表示数的方法，或者说体制，就是数制。一个数制
的核心，主要是对该数制下数的每一位所代表的多少进行规定。
绝大部分计算机，包括我们今天使用的计算机，都是基于冯·诺依曼原理的。
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计算机
计算机的分类
机械计算机 电子计算机
光计算机 生物计算机
模拟计算机 数字计算机
非冯计算机 冯氏计算机
图1-1 计算机的分类
第一代 第二代 第三代 第四代 第五代
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计算机的组成
•
我们考查使用算盘计算一个四则运算的过程。设有下面的算式：
模型。如图1-2所示。
输入数据
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输入/输出设备
运算器 控制器
存储器
图1-2 计算机的组成模型
输入数据
11
输出设 备
输入设 备
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主机（含运算 器、控制器、
存储器）
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•
至于冯·诺依曼原理的第二条，在今天看起来似乎是显而易见的。但
早期的计算机只是将数据存储在存20×15，再把它从上一次的结果中减去，就得到了最后的结
果。
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•
如果用一台计算机完成上面的工作，显然该计算机也需要有相当于算
盘用来进行计算的部件，我们称之为运算器；其次，该机器还要有起到纸和
笔相同作用，能够记住算式、中间结果以及最终结果的部件，我们称之为存

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

1、主机
主机是计算机系统的核心，主要由中央处理器 （CPU）、内存、输入输出设备接口（I/O接口）、 总线和扩展槽等构成，通常被封装在主机箱内。
主机机箱外观图
（1）主板
主板(Mother Board, main Board, System Board) 是微型计算机中最大的一块集成电路板，是其它 部件和外部设备的连接载体。
中央处理器CPU
寄存器组
R1 R2 R3 R4
PC 指令 指针 寄存器
地 址 寄存 器 地址总线
运
算 ALU
器
数据暂存器 指令寄存器
数据总线
标志 寄存器
指令译码器 控制电路
CPU结构示意图
控制总线
CPU是计算机的 心脏，用来实现 程序控制功能 （自动从内存中 读入指令和自动 执行指令）。
（3）存储器与存储系统
DRAM
高速度 大容量
矛盾
外存 外存
外存
1 2 ... n
低成本 外存 硬盘、光）：度量数据的最小单位 字节（Byte）：最常用的基本单位
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
1 0 0 1 0 1 0 1 =27+ 24+ 22+ 20 =149
K 字节
（2）中央处理器
中央处理器CPU（Central Processing Unit）又称 中央处理单元。
CPU由控制器和运算器组成，通常集中在一块芯 片上，是计算机系统的核心设备。
计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器 之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。
中央处理器组成之
只读存储器ROM
存放系统初始化程序、操作系统引入程序、多种硬件驱动程序等。 特点：只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。 原来存储的内容是由厂家一次性写入的，并永久保存下来。

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

03
计算机软件系统
系统软件
系统软件是计算机的基本软 件，负责管理计算机的硬件 资源，包括操作系统、设备 驱动程序、系统工具等。
操作系统是系统软件的核心 ，负责管理计算机的硬件和 软件资源，提供用户界面和 应用程序接口，协调应用程
序的运行。
设备驱动程序是操作系统的 一部分，负责与计算机硬件 设备交互，实现硬件设备的
巨型机、大型机、中型机、小 型机、微型机。
03
按用途
通用计算机和专用计算机。
计算机的应用领域
科学计算
数学、物理、工程等领域中的数值计算。
自动控制
工业生产、交通管理、家用电器等领域。
人工智能
机器学习、自然语言处理、专家系统等。
数据处理
数据库、数据挖掘、办公自动化等。
辅助设计
CAD、CAE、CAM等技术广泛应用于机械、电子、建筑 等领域。
机器学习原理
机器学习的定义
机器学习是人工智能的一个子领域，它利用算法使计算机系统能够 从数据中学习并做出准确的预测或决策，而无需进行明确的编程。
机器学习的主要方法
监督学习、无监督学习、半监督学习和强化学习是机器学习的四大 主要方法。
机器学习的应用场景
机器学习在各个领域都有广泛的应用，如自然语言处理、图像识别、 语音识别、推荐系统和自动驾驶等。
软件开发与维护
软件开发是指根据用户需求和设 计要求，编写计算机程序的过程
。
软件开发需要遵循一定的规范和 标准，以确保软件的质量和可维
护性。
软件维护是指对已经完成的软件 进行修改和完善的过程，以满足 用户新的需求或修复软件的错误
和漏洞。
04
计算机操作系统
操作系统的定义与功能

左移 Write
Control
*
運算器實現
• ALU完成算術、邏輯運算。 • 寄存器組存放數據和結果 • 輔助寄存器完成中間結果的存放 • 選通門等控制數據通行 • 需要哪些控制信號？
ALU
*
實現補數加減運算的邏輯電路
Fs OVR
Z C
FX
F1
Fs F ALU
Ｆ 加Ｆ
F /Y
FY
選通門 二選通門
Multiplican d
32 bits
32-bit ALU
Product (Multiplier) 64 bits
Shift Right Write
Control
*
除法的實現
• 32-位除數寄存器， 32 -位ALU, 64-位餘數 （被除數）寄存器
除數 32 bits
32-bit ALU
餘數 64 bits
實現補數加減運算的邏輯電路
輸出
Fs
OVR
F1
Z
ALU
C
選通門 選通門
輸入 通用寄存器組
選通門
必要完善：
單累加器變多累積器： 兩個選通門均變為多路 送0還是送1到ALU處理 接收門送每個累加器。 支持寄存器移位功能： 接收門變為三選一，即 分別接收本位/低位/高 位送來的資訊送累加器 與外部部件的入出聯繫 *
100
RS
101
RS
110
RS
111
RS
Am2901晶片是 一個 4 位的位片結 構的運算器器件,內 部組成講解如下
其輸出為 F， 兩 路輸入為 S、R，最 低位進位Cn， 4 個狀態輸出信號,如 圖所示
第一個組成部分是 算邏運算部件ALU， 完成 3 種算術運算 和 5 種邏輯運算 ， 共 8 種運算功能

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。