計(jì) 算 機(jī) 組 成 原 理 講 稿
主 講：王健
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第一章 概述
1.計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和輸入/輸出五個(gè)部件組成。
2.馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)：
1）計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和輸入/輸出五個(gè)部件組成。
2）存儲(chǔ)器以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)；
3）存儲(chǔ)程序工作方式；
4）五部件以運(yùn)算器為中心進(jìn)行組織；
第2章 數(shù)據(jù)的表示
1.在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，凡是要進(jìn)行處理（包括計(jì)算、查找、排序、分類、統(tǒng)計(jì)、合并等）、存儲(chǔ)和傳輸?shù)男畔ⅲ际怯枚M(jìn)制進(jìn)行編碼的。
2.進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其各進(jìn)位制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換
3.定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示的方法、特點(diǎn)
4.機(jī)器數(shù)的三種編碼表示方式：原碼、補(bǔ)碼和反碼。 定義、特點(diǎn)、用途。
5.浮點(diǎn)數(shù)的編碼表示及規(guī)格化
6.十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼表示即 BCD碼的特點(diǎn)
7.字符及漢字的編碼方法、特點(diǎn)
8.音頻、視頻的編碼方法及特點(diǎn)
9.數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼的用途
第3章 運(yùn)算器與運(yùn)算方法
1. 運(yùn)算器基本組成和功能
2.半加器與全加器的邏輯設(shè)計(jì)
3.串行進(jìn)位與并行進(jìn)位的比較
4.補(bǔ)碼定點(diǎn)加、減法
5.原碼一位乘法
6.補(bǔ)碼一位乘法
7.浮點(diǎn)加、減法
第4章 存儲(chǔ)系統(tǒng)
1.存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)
2.存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
3.半導(dǎo)體讀寫存儲(chǔ)器RAM芯片的結(jié)構(gòu)、組成及存儲(chǔ)器系統(tǒng)的構(gòu)成
4.半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器的特點(diǎn)及分類
5.高速緩沖存儲(chǔ)器Cache的工作原理、映射方式、替換算法，了解Pentium Cache 結(jié)構(gòu)和Power PC Cache 結(jié)構(gòu)。
. 虛擬存儲(chǔ)器的功能、基本管理方法、結(jié)構(gòu)7.磁表面存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)、硬磁盤存儲(chǔ)器的基本組成、信息分布、硬盤容量和數(shù)據(jù)傳輸率的計(jì)算
第5章 指令系統(tǒng)
1. 指令格式、指令長(zhǎng)度
2.常用的尋址方式種類、特點(diǎn)、用途
3.指令系統(tǒng)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(diǎn)和比較
第6章 中央處理機(jī)組織
1. CPU的組成與操作（單總線組織的數(shù)據(jù)通路及四種基本功能。
2.控制器三種時(shí)序控制方式：同步、異步和聯(lián)合控制方式。
3.三種時(shí)序信號(hào)周期、節(jié)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(zhí)行的控制步序列
6.決定CPU性能最重要的三個(gè)因素：指令的功能強(qiáng)弱、時(shí)鐘周期的長(zhǎng)短、執(zhí)行每條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)。
7.指令流水的概念
8.組合邏輯控制器的構(gòu)成與設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)
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(diǎn)
3.總線裁決的意義及分類
4.總線定時(shí)方式的分類及特點(diǎn)
5.影響總線帶寬的因素
6.單總線結(jié)構(gòu)和多總線分層結(jié)構(gòu)的比較
第8章 輸入輸出設(shè)備
第9章 輸入輸出組織
1. I/O接口的功能、結(jié)構(gòu)和分類
2. I/O端口編址的兩種方法的比較
3. 四種I/O數(shù)據(jù)傳送控制方式的比較
4.程序查詢方式的特點(diǎn)
5.中斷的概念、分類、中斷優(yōu)先級(jí)，開關(guān)中斷和中斷屏蔽
6.中斷過程：中斷響應(yīng)和中斷處理
7.中斷系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)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(diǎn)
13. DMA接口的結(jié)構(gòu)和功能
14.通道的基本概念、用途和分類
第一章 概述
計(jì)算機(jī)是一種能對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行自動(dòng)高速運(yùn)算的通用處理裝置。
1．1 計(jì)算機(jī)的定義和特性 信息 運(yùn)算 處理
1.1.1 什么是計(jì)算機(jī)
1.1.2 計(jì)算機(jī)的特性
計(jì)算機(jī)的特性可以歸納為高速、通用、準(zhǔn)確、 智能四大特性。
1．2 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程
1.2.1 電子計(jì)算機(jī)的誕生
第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美國(guó)誕生。
①每秒5000次加法運(yùn)算；
②每秒50次乘法運(yùn)算；
③平方和立方計(jì)算；
④Sin和Cos函數(shù)數(shù)值運(yùn)算；
⑤其它更復(fù)雜的計(jì)算。
1.2.2 第一代計(jì)算機(jī) （20世紀(jì)40年代中到50年代末）
第一代計(jì)算機(jī)為電子管計(jì)算機(jī)，其邏輯元件采用電子 管，存儲(chǔ)器件為聲延遲線或磁鼓，典型邏輯結(jié)構(gòu)為定 點(diǎn)運(yùn)算。
計(jì)算機(jī)“軟件”一詞尚未出現(xiàn)，編制程序所用 工具為低級(jí)語言。
1.2.3 第二代計(jì)算機(jī)（50年代中后期到60年代中）
第二代計(jì)算機(jī)為晶體管計(jì)算機(jī)。這一代計(jì)算機(jī)除了邏 輯元件采用晶體管以外，其內(nèi)存儲(chǔ)器由磁芯構(gòu)成，磁 鼓與磁帶成為外存儲(chǔ)器。
計(jì)算機(jī)典型邏輯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了浮點(diǎn)運(yùn)算， 并提出了變址、中斷、I/O處理等新概念。
計(jì)算機(jī)軟件也得到了發(fā)展，出現(xiàn)了多種 高級(jí)語言及其編譯程序。
1.2.4 第三代計(jì)算機(jī)（60年代中到70年代中）
第三代計(jì)算機(jī)為集成電路計(jì)算機(jī)，其邏輯元件與存儲(chǔ)器 均由集成電路實(shí)現(xiàn)，這是微電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的 一大突破。
微程序控制、高速緩存、虛擬存儲(chǔ)器、流水 線等先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)開始使用。另一大特點(diǎn)是大型/巨 型機(jī)與小型機(jī)同時(shí)發(fā)展。
1.2.5 第四代計(jì)算機(jī)（70年代中期開始—）
大規(guī)模（LSI）和超大規(guī)模（VLSI）集成電路 及微處理器為這一代計(jì)算機(jī)的典型特征。
并行處理技術(shù)的研究與應(yīng)用以及眾多巨型機(jī)的產(chǎn)生也成 為這一時(shí)期計(jì)算機(jī)發(fā)展的特點(diǎn)。
四代機(jī)時(shí)期的一個(gè)重要特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與廣泛 應(yīng)用。
1.2.6 新一代計(jì)算機(jī) 新器件和非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)已成為新一代計(jì)算機(jī)的公認(rèn)標(biāo)志。
1．3 計(jì)算機(jī)的組成與結(jié)構(gòu)
1.3.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
6應(yīng)用系統(tǒng)算法和數(shù)字模型
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5各種應(yīng)用程序
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4高級(jí)程序編譯,解釋程序
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3操作系統(tǒng)
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2指令系統(tǒng)
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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(jì)算機(jī)硬件
計(jì)算機(jī)硬件是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的元器件、 部件、設(shè)備、以及它們的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)： 1）計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和輸入/輸出五個(gè) 部件組成。
本書討論的范圍涉及第0、1、2共3層， 主要內(nèi)容如下：
1. 高速的算術(shù)、邏輯運(yùn)算方法及ALU的 邏輯設(shè)計(jì)；
2. 高速的指令執(zhí)行過程及指令部件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)， 是采用組合邏輯技術(shù)、或微程序設(shè)計(jì)技術(shù)，還是 PLA技術(shù)；
是復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC），還是 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）；
3. 提高存儲(chǔ)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(lián)技術(shù)；
5. 計(jì)算機(jī)五大部件（運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入 和輸出）之間的相互作用、高效接口（總線）；
2）存儲(chǔ)器以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)；
3）存儲(chǔ)程序工作方式；
4）五部件以運(yùn)算器為中心進(jìn)行組織；
1.3.3 計(jì)算機(jī)軟件
1. 軟件的作用
一般來說，計(jì)算機(jī)的工作總是由存儲(chǔ)程序來控制的。
軟件的具體作用為：
①在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中起著指揮和管理的作用。
②是計(jì)算機(jī)用戶和硬件的接口界面。
③是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。
2. 軟件的發(fā)展過程 三個(gè)階段：
1)從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的第一個(gè)程序出現(xiàn)到 實(shí)用的高級(jí)語言出現(xiàn)為第一階段（1946-1956年）。
2)從實(shí)用的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言出現(xiàn)到軟件工程出現(xiàn) 以前為第二階段（1956-1968年）。
3)軟件工程出現(xiàn)以后迄今一直為第三階段（1965—）。
3. 軟件的分類
① 系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、編譯程序。
② 支撐軟件：數(shù)據(jù)庫、各類接口軟件和工具組。
③ 應(yīng)用軟件：
1．4 計(jì)算機(jī)的分類與應(yīng)用
1.4.1 計(jì)算機(jī)的分類
按計(jì)算機(jī)所處理對(duì)象的表示形式不同可以 分成模擬計(jì)算機(jī)與數(shù)字計(jì)算機(jī)兩類。
計(jì)算機(jī)按其用途來分可以分成專用機(jī)和通用機(jī)兩類。
其中，通用計(jì)算機(jī)按其規(guī)模、性能和價(jià)格來分，又可分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、工作站、微型機(jī)等多種類型。
1.4.2 計(jì)算機(jī)應(yīng)用 計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)包括了對(duì)各種信息媒體的獲取、 表示、加工與表現(xiàn)方法和技術(shù)，大致有以下幾個(gè)方 面內(nèi)容：
1．語言與文字的處理。
2．計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與數(shù)字圖象處理。
3．多媒體技術(shù)。
4．計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)。
5．計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)。
6．計(jì)算機(jī)控制。 計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)榧苫?、網(wǎng)絡(luò)化、智能化