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十六位体系结构计算机组成原理
十六位体系结构计算机组成原理是指计算机的硬件和软件组成原理，可以分为以下几个部分：
1.中央处理器(Central Processing Unit, CPU)：负责执行计算机指令和进行数据处理。
CPU包括指令寄存器、程序计数器、算术逻辑单元(ALU)和寄存器等。
2.存储器：存储器包括主存储器和辅助存储器。
主存储器用于存储正在运行的程序和数据，可分为RAM和ROM。
辅助存储器用于长期存储程序和数据，如硬盘、光盘等。
3.输入输出设备：用于与外部设备进行数据交互，如键盘、鼠标、打印机、显示器等。
4.总线(Bus)：计算机内各个部件之间传送数据和控制信息的通道。
总线分为数据总线、地址总线和控制总线。
5.指令系统：计算机的指令系统决定了计算机的操作特性和功能。
按照十六位体系结构，指令由16位表示，可以包括逻辑运算、算术运算、存储和转移等操作。
6.中断系统：用于处理紧急情况和异步事件，如异常中断、硬件中断和软件中断等。
7.时钟系统：用于同步计算机内各个部件的工作节奏和时序，提供时钟脉冲。
8.控制单元(Control Unit)：负责控制计算机的操作，根据指令操作码的不同，控制单元产生特定的控制信号和时序信号，控制各个部件的工作。
9.运算器(アrithmetic and Logic Unit, ALU)：负责进行算术运算和逻辑运算，包括加法、减法、乘法、除法和与、或、非、异或等逻辑运算。
以上是十六位体系结构计算机组成原理的基本内容，具体实施中可能会有一些差异。
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。
计算机组成原理课件
计算机组成原理课件通常包括以下几个部分：1.计算机系统概述
计算机的发展历史
计算机的基本组成
计算机的工作原理
2.数据表示与运算
二进制数系统
数据的表示方法：原码、反码、补码
基本运算：加法、减法、乘法、除法、逻辑运算3.计算机硬件组成
中央处理器(CPU)
指令系统
控制器
运算器
存储器
内存
外存
输入/输出设备
输入设备
输出设备
4.计算机指令系统
指令格式
指令分类：数据传输指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等
指令执行过程
5.存储系统
存储器层次结构
高速缓冲存储器（CaChe）
主存储器（内存）
辅助存储器（外存）
虚拟存储器
6.I/O系统
I/O设备的分类
I/O接口与总线
I/O控制方式：轮询、中断、直接内存访问（DMA）等
I/O设备管理
7.计算机性能评价与优化
计算机性能指标
影响计算机性能的因素
计算机性能优化方法
8.计算机体系结构
冯•诺依曼体系结构
哈佛体系结构
VonNeumann和Harvard体系结构的比较与优缺点9.多处理器系统与并行计算
多处理器系统的基本概念
多处理器系统的分类与特点
并行计算的基本概念与技术
多处理器与并行计算的应用实例。
可编辑修改精选全文完整版第一章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
7. 解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。
解：P9-10主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。
CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。
主存：计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。
存储单元：可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。
存储元件：存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。
存储字：一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。
存储字长：一个存储单元所存二进制代码的位数。
存储容量：存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。
机器字长：指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
指令字长：一条指令的二进制代码位数。
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。
Cathe映射方式：例4.9：设主存容量为512K×16位，Cache容量为4096×16位，块长为4个16位的字，访存地址为字地址（1）在直接映射方式下，设计主存的地址格式。
（2）在全相联映射方式下，设计主存地址格式。
（3）在二路组相联映射方式下，设计主存地址格式（4）若主存容量为512K×32位，块长不变，在四路组相连映射方式下，设计主存的地址格式。
解: (1)根据Cathe容量为4096=212字，的Cathe字地址为12位。
根据块长为4，且访存地址为字地址，得字块内地址为2位，即b=2,且cathe共有4096/4=1024=210快，即c=10.根据主存容量为512k=219字，得主存地址为19位。
在直接映射方式下，主存字块标识为19-12=7.主存的地址格式如图a。
主存字块标记7 Cache字块地址10 字块内地址2（2）在全相连映射方式下，主存字块标记为19-b=19-2=17，其地址格式如图b：主存字块标记 17 字块内地址 2（3）根据二路组相联的条件，一组内共有2块，得Cache共分为1024/2=512=2q组，即q=9，主存字块标记为19-q-b=8位，其地址格式设计如下c：主存块地址标记 8 组地址 9 字块地址 2（4）若存储容量改为512K×32位，即双子宽存储器，块长仍为4个16位的字，访存地址仍为字地址，则主存容量为1024K×16为，得主存地址为20位。
由四路组相连，得cathe共分1024/4=256=2q 组，即q=8.对该条件下，主存字块标记为20-8-2=10位，其地址格式为图d：，主存字块标记：10 组地址8 字块内地址2cathe效率等例4.7：假设CPU执行某阶段程序时，共访问Cathe命中2000次，访问主存50次。
已知Cathe的存取周期位50ns，主存的存取周期为200ns。
求Cathe-主存系统的命中率、效率和平均访问时间①cathe命中率：2000/(2000+50)=0.97②由题知，访问主存的时间是访问cathe时间的4倍（200/50=4）。
设访问cathe的时间为t，访问主存的时间为4t，cathe-主存系统的访问效率为e，则e=访问cathe的时间/平均访问时间×100%=t/(0.97+0.03×4t)×100%=91.7%③平均访问时间是：50ns×0.97+200ns×（1-0.97）=54.5ns顺序存储器与交叉存储器带宽的计算：例：4.6设有4个模块组成的四体存储结构，每个题的存储字长为32位，存储周期为200ns。
假设数据总线宽度为32位，总线传输周期为50ns，试求顺序存储和交叉存储的存储器带宽。
解：顺序存储（高位交叉编址）和交叉存储（低位交叉编址）连续读出4个字的信息量是32×4=128位。
顺序存储器连续读出4个字的时间是200ns×4=800ns=8×10-7s交叉存储器连续读出4个字的时间是200ns+50ns×（4-1）=350ns=3.5×10-7s顺序存储器的带宽是：128/(8×10-7)=16×107bps交叉存储器的带宽是：128/(3.5×10-7)=37×107bps刷新：4.11 一个8K×8位的动态RAM芯片，其内部结构排列成256×256形式，存取周期为0.1μs。
试问采用集中刷新、分散刷新和异步刷新三种方式的刷新间隔各为多少？解：采用分散刷新方式刷新间隔为:2ms，其中刷新死时间为：256×0.1μs=25.6μs 采用分散刷新方式刷新间隔为：256×（0.1μs+×0.1μs）=51.2μs采用异步刷新方式刷新间隔为:2ms寻址：例7.3一条双子长直接寻址的子程序调用程序，其第一个字为操作码和寻址特征，第二个字为地址码5000H 。
假设PC 当前值为2000H,SP 的内容为0100H ，栈顶内容为2746H ，存储器按字节编址，而且进栈操作是先执行（SP ）-Δ→SP ，后存入数据。
试回答下列几种情况下，PC 、SP 及栈顶内容各为多少？1.CALL 指令被读取前2.CALL 指令被执行后3.子程序返回后解：1.CALL 指令被读取前，PC=2000H,SP=0100H,栈顶内容为2746H2.CALL 指令被执行后，由于存储器按字节编址，CALL 指令共占4个字节，故程序断电2004H 进栈，此时SP=（SP ）-2=00FEH ，栈顶内容为2004H ，PC 被更新为子程序入口地址5000H 。
3.子程序返回后，程序断点出栈，PC=2004H ，SP 被修改为0100H ，栈顶内容为2746H例7.5设某机配有基址寄存器和变址寄存器的一地址指令，除去末4位为寄存器地址外，还可容纳30条这类指令。
1.若采用单字长指令，功能完成105中操作，则指令可直接寻址的范围是多少？一次间接寻址的寻址范围是多少？画出其指令格式并说明各字段的含义2.若存储子长不变，可采用什么方法直接访问容量为16MB 的主存？解：1.在单字长指令中，根据能完成105中操作，取操作码7位。
因允许直接和间接寻址，且有基址寄存器和变址寄存器，故取2位寻址特征位，其指令格式如下：7 OP 2 M 7 AD其中，OP 为操作码，可完成105种操作，M 为寻址特征，可反映四种寻址方式，AD 为形式地址。
这种指令格式可直接寻址27=128，一次间接寻址的寻址范围是216=655362.容量为16MB 的存储器，正好与存储字长为16位的8M 存储器容量相等，即16MB=8M*16位。
欲使指令其中，形式地址为AD1// AD2,共7+16=23位。
223=8M ，即可直接访问主存的任一位置。
例7.6某模型机共有64中操作，操作码位数固定，且具有以下特点：采用一地址或二地址格式；有寄存器寻址、直接寻址和相对寻址（位移量为-128—+127）三种寻址方式；有16个通用寄存器，算术运算和逻辑运算的操作数均在寄存器中，结果也在寄存器中；取数/存数指令在通用寄存器和存储器之间传送数据；存储器容量为1MB ，按字节编址。
要求设计算逻指令、取数/存数指令和相对转移指令的格式，并简述理由解：1.算逻指令格式为寄存器-寄存器型，取单字长16位。
其中，OP 为操作码，可实现64种操作，M 为寻址模式，可反映寄存器寻址放，直接寻址，相对寻址；R i 和R j 各取4位，指出源操作数和目的操作数的寄存器（共16个）编号。
2.取数/存数指令格式为寄存器-存储器型，去双字长32位，格式为：其中，OP 为操作码，6位不变，M 为寻址模式，2位不变，Ri 为4位，源操作数地址（存数指令）或目的操作数地址（取数指令）；A1和A2共20位，为存储器地址，可直接访问按字节编址的1MB 存储器3.相对转移指令为一地址格式，取单字长16位，格式为：其中，OP 为操作码，6位不变，M 为寻址模式，2位不变，A 为位移量8位，对应位移量为-128—+127RISC的特点：1.选区使用频率较高的一些简单指令以及一些很有用但又不复杂的指令，让复杂指令的功能由频度高的简单指令的组合来实现。
2.指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。
3.只有取数/存数（LOAD/STORE）指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器内完成4.Cpu中有多个通用寄存器5.采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。
采用超标量和超流水线技术，可使每条指令的平均执行时间小于一个时钟周期6.控制器采用组合逻辑控制，不用微程序控制7.采用优化的编译程序RISC相比CISC的优点：充分利用VLSI芯片的面积；提高计算机运算速度；便于设计，可降低成本，提高可靠性；有效支持高级语言程序汉明码：C1C2 b4C4b3 b2b1 1,3,5,7,9 ; 2,3,6,7,10; 4,5,6,7,12,13;例4.4：已知收到的汉明码（按配偶原则配置）为:0110101，试问欲传送的信息是什么？解：由于要求出欲传送的信息，必须是正确的信息，因此不能简单地从接受到的7位满明码中去掉C1、C2、C4这3位检测位来求得。
首先应该判断收到的信息是否出错。
纠错过程如下：纠错过程如下：P1=C1’⊕b4’⊕b3’⊕b1’=1⊕3⊕5⊕7=1P2=C2’⊕b4’⊕b2’⊕b1’=2⊕3⊕6⊕7=1P4=C3’⊕b3’⊕b2’⊕b1’=4⊕5⊕6⊕7=0所以，P4P2P1=011，第3位（b4）出错，故传送的有效信息为：0101第九章：Pc→MAR→地址线I→R M(MAR) →MDR MDR→IR OP(IR) →CU访存指令：1.加法指令：ADDX Ad(IR) →MAR I→R M(MAR) →MDR2.取数指令：LDA X Ad(IR) →MAR I→R M(MAR) →MDR MDR→ACC例10.1设CPU中各部件及其相互连接关系如图。
图中W是写控制标志，R是读控制标志，R1和R2是暂存器1.假设要求在取值周期由ALU完成（PC）+1→PC的操作（即ALU可以对它的一个源操作数完成加1的运算）。
要求以最少的节拍写出取指周期全部微操作命令及节拍安排2.写出指令“ADD#α”（#为立即寻址特征，隐含的操作数在ACC中）在执行阶段所需的位操作命令及节拍安排解：1.由于（PC）+1→PC需由ALU完成，因此PC的值可作为ALU的一个源操作数，靠控制ALU 做+1运算得到（PC）+1，结果送至与ALU输出端相连的R2，然后再送至PC。
此题要考虑总线冲突问题，故取指周期的微操作命令及节拍安排如下：T0 PC→Bus→MAR，1 ；PC通过总线送MART1 M(MAR) →MDR，（PC）→Bus→ALU+1→R；PC通过总线送ALU完成PC）+1→R2T2 MDR→Bus→IR, ; MDR通过总线送IR OP(IR) →微操作命令形成部件T3 R2→Bus→PC ;R1通过总线送PC2.立即寻址的加法指令执行周期的位操作命令及节拍安排如下：例10.2设CPU内部结构如图，且PC有自动加1功能。
此外还有B、C、D、E、H、L6个寄存器，它们各自的输入端和输出端都与内部总线Bus相连，并分别受控制信号控制。
要求写出完成下列指令组合逻辑控制单元所发出的微操作命令及节拍安排1.ADD B,C ;(B)+(C)→B2.SUB E,@H ; (E)-((H))→E 寄存器间接寻址3.SAT@ mem ;ACC →((mem)) 存储器间接寻址解：1.完成“ADD B, C”指令所需的微操作命令及节拍安排如下：2.完成“SUB E,@H”指令所需的微操作命令及节拍安排如下：取值周期T0PC→Bus→MAR，1→RT1 M (MAR)→MDR；（PC）+1→PCT2 MDR→Bus→IR ; OP(IR) →微操作命令形成部件间接周期T0H→Bus→MAR，1→RT1 M (MAR)→MDR执行周期T0MDR→Bus→R1T1(E) -( R1)→ALU→R2；E通过总线送ALUT2R2→Bus→E3.完成“STA @mem”指令所需的微操作命令及节拍安排如下：取值周期T0PC→Bus→MAR，1→RT1 M (MAR)→MDR；（PC）+1→PCT2MDR→Bus→IR ; OP(IR) →微操作命令形成部件间接周期T0Ad(IR)→Bus→MAR，1→RT1 M (MAR)→MDR执行周期T0MDR→Bus→MAR，1→WT1ACC→Bus→MDRT2MDR→M (MAR)。
