北理工 计算机组成原理-总复习69页PPT

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。

软硬件界面
硬件 物理机
固件
系 统 软 件 级 Level 3 (操作系统、库代码)
机 器 级 Level 2 (指令集结构ISA)
控制级
Level 1 (微程序或硬布线)
硬件直接执行
数 字 逻 辑 级 Level 0 (门电路、电子线路)
软件与硬件的逻辑功能等价性
软件的特点 易于实现各种逻辑和运算功能，但是常
冯·诺依曼结构
控制器
输入 输入 设备
指令流
运算器 (ALU) 数据流
存储器
输出 输出
设备
控制流
存储程序计算机的结构
基本原理：存储程序控制 基本特点：按地址访问并顺序执行
计算机的层次结构
应用软件
用户级
Level 6 (可执行程序)
虚拟机
高 级 语 言 级 Level 5 (C++，Java，等)
系统软件 汇 编 语 言 级 Level 4 (汇编语言代码)
规格化浮点数：阶码E＝1～254（11111110）
无穷大的机器数
阶码E＝全1（11111111） ，尾数M＝0
＋∞：S＝0，－∞：S＝1
NaN（not a number，不是一个数）
阶码E＝全1（11111111） ，尾数M≠0
用来通知异常情况
练习与思考
1. 何谓机器数 ？机器零和真值0有何 不同 。
机器档次
高
向上兼容
当前机器
向下兼容 向前兼容
低
向后兼容
时间
练习与思考题
1. 计算机中有两股信息在流动，它们分别是
和
。
2. 在计算机系统的层次结构中，位于硬件之外的所有层次统称为

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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)
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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

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微程序控制的计算机涉及到两个层 次：一个是机器语言或汇编语言程序员 所看到的传统机器层，包括：机器指令、 工作程序、主存储器；另一个是机器设 计者看到的微程序层，包括：微指令、 微程序和控制存储器。
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微指令编码法 直接控制法（不译码法） 最短编码法 字段编码法
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和运算结果，有的还可以作为变址寄存 器、计数器、地址指针等。
专用寄存器：程序计数器PC、指 令寄存器IR、存储器地址寄存器MAR 和存储器数据寄存器MDR等之外，还 有一个重要的专用寄存器──状态标志 寄存器。
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取指令阶段完成的任务是将现行指 令从主存中取出来并送至指令寄存器中 去。具体的操作为：
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考前复习重点章节为： 第2、3、4、5、6、9章 非重点章节为： 第1、7、8章
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考试题型： 1.填空题（每空1分）15% 2.选择填空题（单选，每题1分）15% 3.判断题（每题1分）10% 4.计算题 5.分析题 50% 6.设计题 7.问答题 10%
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前3类题及第7类请注意看书上的有关概念。 第4、5、6类题请注意平时的作业。如：
定点、浮点数的表示范围 指令的寻址方式（有效地址的计算） 定点加、减、乘、除运算 字节编址存储器的数据存放方法 由若干存储芯片构成存储器 微指令操作控制字段的安排 常见磁记录方式 中断升级
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自底向上生成的存储器堆栈的堆栈 操作。
进栈时，SP的内容需要先自动减1， 然后再将数据压入堆栈。

⒌可靠性：指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。通 常用MTBF(Mean Time Between Failures)。可以理解为连续两次故 障之间的平均间隔。
⒍性能价格比C/S
C是指存储器价格： S是存储器的总容量。
4.1.4存储器系统的层次结构 存储大量数据的传统办法是采用如图4-3所示的层次存储结构。
（a） 集中刷新
②分散刷新： 将每个读写周期分为两段。前一段时间tM为正常读/写操作，后一 段时间tR为刷新操作。设每个读/写周期为0.5 s，则分散刷新方法 中的读/写周期为1s，虽然消除了死区，但速度降低一倍。2ms内 只能进行2000次读/写操作，同时进行2000次的刷新操作(过于频繁)， 没有充分利用2ms刷新周期的间隔。读/写次数比集中刷新少了1872 次。
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图4-1 主存储器的基本组成
主存中可寻址的最小单位称为编址单位。
某些计算机是按字进行编址的，最小的可寻址信息单元是一个机 器字，连续的存储器地址对应于连续的机器字。 • 目前多数计算机是按字节编址的，最小可寻址单位是一个字节。 • 一个32位字长的按字节寻址的计算机，一个存储器字包含四个可 单独寻址的字节单元，由地址的低两位来区分。 • 地址寄存器
• 地址译码与驱动电路的作用 • 读写电路与数据寄存器的作用 • 时序控制电路 • 主存储器用于存放CPU正在运行的程序和数据，它和CPU的关系 最为密切。主存与CPU间的连接是由总线支持的，连接形式如图42所示。 • 存储器基本操作是读(取)和写(存)。
图4-2 主存与CPU间的连接
目前多数计算机采用同步方式，数据传送在固定的时间间隔内完 成，此时间间隔构成了存储器的一个存储周期。
FAMOS存储电路
⑶用电实现擦除的PROM(electrically erasable programmable ROM。EEPROM)

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第四章 指令系统
1、指令格式
分类：三 / 二 / 一 / 零 地址 二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说，
又可归结为三种类型： 存储器-存储器（SS）型指令 寄存器-寄存器（RR）型指令 寄存器-存储器（RS）型指令
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2、指令字长度 指令字长度：一个指令字中包含二进制代码的位数。 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数， 决定了计算机的运算精度。
第一章 计算机系统概论
1、计算机系统：计算机硬件和计算机软件。计算机（指 硬件）应由运算器、控制器、存储器、总线和输入/输出 设备五大功能部件组成。运算器和控制器合称为中央处 理器；运算器是对信息进行处理和运算的部件。经常进 行的运算是算术运算和逻辑运算，所以运算器又称为算 术逻辑运算部件；控制器是整个计算机的指挥中心，它 的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整个 计算机的各部件有条不紊地自动工作。存储器是用来存 放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机 能够实现“存储程序，程序控制”的基础，常见的三级 存储系统是：cache、主存储器和外存储器；外围设备是 指除了CPU和内存以外的其它设备。
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2、了解冯· 诺依曼型计算机的基本工作原理： “存储程序，按地址顺序执行”。
3、了解计算机的层次结构（P14）。
P 1、数制及其转换 2、数据表示格式 3、定点数的表示方法及数的表示范围；定点加法、
减法、乘法、除法运算；溢出的概念及检测方法。
如果X为正数，则[X]原=[X]反 =[X]补。 如果X为0，则 [X]补 、[X]移有唯一编码， [X]原、

2002.9
北京理工大学计算机科学工程系
§2 带符号数的表示
计算机组成原理
模实际上是一个计量器的容量。例如：一 个4位的计数器，它的计数值为0～15，当计数 器计满15之后再加1，这个计数器就发生溢出， 其溢出量为16，也就是模等于16。
24 23 22 21 20
1 0000 1010 1001 1000 0101 0100 0010 0001 1101 1100 1011 0110 0011 1110 0111 1111
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2002.9
§2 带符号数的表示
计算机组成原理
真值与三种机器数间的对照
真值 X
十进制 二进制
[X]原[X]补[X]反 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 -
真值 X
十进制 二进制
[X]原 [X]补 [X]反 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 0000 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 -
2002.9
北京理工大学计算机科学工程系
§2 带符号数的表示
计算机组成原理
例1：X1=0.0110 , X2=-0.0110 [X1]原=0.0110 , [X2]原=1.0110 设二进制纯整数为X1X2…Xn，它的原码形 式为XsX1X2…Xn，其中Xs表示符号位。 例2：X1=1101 , X2=-1101 [X1]原=01101 , [X2]原=11101
§2 带符号数的表示
计算机组成原理

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。

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。