計 算 機 組 成 原 理 講 稿
主 講：王健
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第一章 概述
1.計算機由運算器、存儲器、控制器和輸入/輸出五個部件組成。
2.馮·諾依曼計算機的主要特點：
1）計算機由運算器、存儲器、控制器和輸入/輸出五個部件組成。
2）存儲器以二進制形式存儲指令和數據；
3）存儲程序工作方式；
4）五部件以運算器為中心進行組織；
第2章 數據的表示
1.在計算機系統中，凡是要進行處理（包括計算、查找、排序、分類、統計、合并等）、存儲和傳輸的信息，都是用二進制進行編碼的。
2.進位計數制及其各進位制數之間的轉換
3.定點與浮點表示的方法、特點
4.機器數的三種編碼表示方式：原碼、補碼和反碼。 定義、特點、用途。
5.浮點數的編碼表示及規格化
6.十進制數的二進制編碼表示即 BCD碼的特點
7.字符及漢字的編碼方法、特點
8.音頻、視頻的編碼方法及特點
9.數據校驗碼的用途
第3章 運算器與運算方法
1. 運算器基本組成和功能
2.半加器與全加器的邏輯設計
3.串行進位與并行進位的比較
4.補碼定點加、減法
5.原碼一位乘法
6.補碼一位乘法
7.浮點加、減法
第4章 存儲系統
1.存儲器的主要性能指標
2.存儲系統的層次結構
3.半導體讀寫存儲器RAM芯片的結構、組成及存儲器系統的構成
4.半導體只讀存儲器的特點及分類
5.高速緩沖存儲器Cache的工作原理、映射方式、替換算法，了解Pentium Cache 結構和Power PC Cache 結構。
. 虛擬存儲器的功能、基本管理方法、結構7.磁表面存儲器的性能指標、硬磁盤存儲器的基本組成、信息分布、硬盤容量和數據傳輸率的計算
第5章 指令系統
1. 指令格式、指令長度
2.常用的尋址方式種類、特點、用途
3.指令系統的地位、作用，指令類型
4.堆棧的定義、用途和堆棧存取方式
5. CISC與RISC指令各自的特點和比較
第6章 中央處理機組織
1. CPU的組成與操作（單總線組織的數據通路及四種基本功能。
2.控制器三種時序控制方式：同步、異步和聯合控制方式。
3.三種時序信號周期、節拍和脈沖的概念、作用
4.控制器的組成和功能
5.一條完整指令執行的控制步序列
6.決定CPU性能最重要的三個因素：指令的功能強弱、時鐘周期的長短、執行每條指令所需時鐘周期數。
7.指令流水的概念
8.組合邏輯控制器的構成與設計步驟
9.微程序控制器的原理、基本概念、基本組織和工作流程
10.微指令的兩種格式與3種編碼
11.兩種微指令地址的生成方法
12.微程序控制器和組合邏輯控制器的比較
第7章 總線及總線互連結構
1.總線的基本概念、作用和分類
2.總線的兩種傳輸方式--串行和并行的特點
3.總線裁決的意義及分類
4.總線定時方式的分類及特點
5.影響總線帶寬的因素
6.單總線結構和多總線分層結構的比較
第8章 輸入輸出設備
第9章 輸入輸出組織
1. I/O接口的功能、結構和分類
2. I/O端口編址的兩種方法的比較
3. 四種I/O數據傳送控制方式的比較
4.程序查詢方式的特點
5.中斷的概念、分類、中斷優先級，開關中斷和中斷屏蔽
6.中斷過程：中斷響應和中斷處理
7.中斷系統的基本結構和功能
8.中斷嵌套和向量中斷
9.DMA方式的概念和適用范圍
10.DMA方式和中斷方式的比較
11.DMA方式的概念和適用范圍
12.三種DMA方式的特點
13. DMA接口的結構和功能
14.通道的基本概念、用途和分類
第一章 概述
計算機是一種能對數字化信息進行自動高速運算的通用處理裝置。
1．1 計算機的定義和特性 信息 運算 處理
1.1.1 什么是計算機
1.1.2 計算機的特性
計算機的特性可以歸納為高速、通用、準確、 智能四大特性。
1．2 計算機的發展歷程
1.2.1 電子計算機的誕生
第一臺電子計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美國誕生。
①每秒5000次加法運算；
②每秒50次乘法運算；
③平方和立方計算；
④Sin和Cos函數數值運算；
⑤其它更復雜的計算。
1.2.2 第一代計算機 （20世紀40年代中到50年代末）
第一代計算機為電子管計算機，其邏輯元件采用電子 管，存儲器件為聲延遲線或磁鼓，典型邏輯結構為定 點運算。
計算機“軟件”一詞尚未出現，編制程序所用 工具為低級語言。
1.2.3 第二代計算機（50年代中后期到60年代中）
第二代計算機為晶體管計算機。這一代計算機除了邏 輯元件采用晶體管以外，其內存儲器由磁芯構成，磁 鼓與磁帶成為外存儲器。
計算機典型邏輯結構實現了浮點運算， 并提出了變址、中斷、I/O處理等新概念。
計算機軟件也得到了發展，出現了多種 高級語言及其編譯程序。
1.2.4 第三代計算機（60年代中到70年代中）
第三代計算機為集成電路計算機，其邏輯元件與存儲器 均由集成電路實現，這是微電子與計算機技術相結合的 一大突破。
微程序控制、高速緩存、虛擬存儲器、流水 線等先進計算機技術開始使用。另一大特點是大型/巨 型機與小型機同時發展。
1.2.5 第四代計算機（70年代中期開始—）
大規模（LSI）和超大規模（VLSI）集成電路 及微處理器為這一代計算機的典型特征。
并行處理技術的研究與應用以及眾多巨型機的產生也成 為這一時期計算機發展的特點。
四代機時期的一個重要特點是計算機網絡的發展與廣泛 應用。
1.2.6 新一代計算機 新器件和非馮·諾依曼結構已成為新一代計算機的公認標志。
1．3 計算機的組成與結構
1.3.1 計算機系統的層次結構
6應用系統算法和數字模型
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5各種應用程序
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4高級程序編譯,解釋程序
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3操作系統
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2指令系統
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1微程序控制,PLA控制
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0邏輯硬件
1.3.2 計算機硬件
計算機硬件是指構成計算機的元器件、 部件、設備、以及它們的設計與實現技術。
馮·諾依曼計算機的主要特點： 1）計算機由運算器、存儲器、控制器和輸入/輸出五個 部件組成。
本書討論的范圍涉及第0、1、2共3層， 主要內容如下：
1. 高速的算術、邏輯運算方法及ALU的 邏輯設計；
2. 高速的指令執行過程及指令部件的設計與實現， 是采用組合邏輯技術、或微程序設計技術，還是 PLA技術；
是復雜指令集計算機（CISC），還是 精簡指令集計算機（RISC）；
3. 提高存儲器容量與速度的方法，以及如何解決 “CPU-Cache-MM-外存”之間的匹配問題；
4. 高效率的輸入/輸出方法、組織，以及它們之間的 互聯技術；
5. 計算機五大部件（運算器、控制器、存儲器、輸入 和輸出）之間的相互作用、高效接口（總線）；
2）存儲器以二進制形式存儲指令和數據；
3）存儲程序工作方式；
4）五部件以運算器為中心進行組織；
1.3.3 計算機軟件
1. 軟件的作用
一般來說，計算機的工作總是由存儲程序來控制的。
軟件的具體作用為：
①在計算機系統中起著指揮和管理的作用。
②是計算機用戶和硬件的接口界面。
③是計算機體系結構設計的主要依據。
2. 軟件的發展過程 三個階段：
1)從第一臺計算機上的第一個程序出現到 實用的高級語言出現為第一階段（1946-1956年）。
2)從實用的高級程序設計語言出現到軟件工程出現 以前為第二階段（1956-1968年）。
3)軟件工程出現以后迄今一直為第三階段（1965—）。
3. 軟件的分類
① 系統軟件：操作系統、編譯程序。
② 支撐軟件：數據庫、各類接口軟件和工具組。
③ 應用軟件：
1．4 計算機的分類與應用
1.4.1 計算機的分類
按計算機所處理對象的表示形式不同可以 分成模擬計算機與數字計算機兩類。
計算機按其用途來分可以分成專用機和通用機兩類。
其中，通用計算機按其規模、性能和價格來分，又可分為巨型機、大型機、小型機、工作站、微型機等多種類型。
1.4.2 計算機應用 計算機信息處理技術包括了對各種信息媒體的獲取、 表示、加工與表現方法和技術，大致有以下幾個方 面內容：
1．語言與文字的處理。
2．計算機圖形學與數字圖象處理。
3．多媒體技術。
4．計算機輔助技術。
5．計算機信息系統。
6．計算機控制。 計算機應用技術的發展方向為集成化、網絡化、智能化