計 算 機(jī) 組 成 原 理 講 稿
主 講：王健
http://www.seuyc.com.cn/course/kcjg/jsjzcyl/jsjzz.htm
第一章 概述
1.計算機(jī)由運(yùn)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(jī)的主要特點(diǎn)：
1）計算機(jī)由運(yùn)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(jìn)制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；
3）存儲程序工作方式；
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.在計算機(jī)系統(tǒng)中，凡是要進(jìn)行處理（包括計算、查找、排序、分類、統(tǒng)計、合并等）、存儲和傳輸?shù)男畔ⅲ际怯枚M(jìn)制進(jìn)行編碼的。
2.進(jìn)位計數(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
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 存儲系統(tǒng)
1.存儲器的主要性能指標(biāo)
2.存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
3.半導(dǎo)體讀寫存儲器RAM芯片的結(jié)構(gòu)、組成及存儲器系統(tǒng)的構(gòu)成
4.半導(dǎo)體只讀存儲器的特點(diǎn)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(jié)構(gòu)和Power PC Cache 結(jié)構(gòu)。
. 虛擬存儲器的功能、基本管理方法、結(jié)構(gòu)7.磁表面存儲器的性能指標(biāo)、硬磁盤存儲器的基本組成、信息分布、硬盤容量和數(shù)據(jù)傳輸率的計算
第5章 指令系統(tǒng)
1. 指令格式、指令長度
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.控制器三種時序控制方式：同步、異步和聯(lián)合控制方式。
3.三種時序信號周期、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性能最重要的三個因素：指令的功能強(qiáng)弱、時鐘周期的長短、執(zhí)行每條指令所需時鐘周期數(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，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
計算機(jī)是一種能對數(shù)字化信息進(jìn)行自動高速運(yùn)算的通用處理裝置。
1．1 計算機(jī)的定義和特性 信息 運(yùn)算 處理
1.1.1 什么是計算機(jī)
1.1.2 計算機(jī)的特性
計算機(jī)的特性可以歸納為高速、通用、準(zhǔn)確、 智能四大特性。
1．2 計算機(jī)的發(fā)展歷程
1.2.1 電子計算機(jī)的誕生
第一臺電子計算機(jī)ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美國誕生。
①每秒5000次加法運(yùn)算；
②每秒50次乘法運(yùn)算；
③平方和立方計算；
④Sin和Cos函數(shù)數(shù)值運(yùn)算；
⑤其它更復(fù)雜的計算。
1.2.2 第一代計算機(jī) （20世紀(jì)40年代中到50年代末）
第一代計算機(jī)為電子管計算機(jī)，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(jié)構(gòu)為定 點(diǎn)運(yùn)算。
計算機(jī)“軟件”一詞尚未出現(xiàn)，編制程序所用 工具為低級語言。
1.2.3 第二代計算機(jī)（50年代中后期到60年代中）
第二代計算機(jī)為晶體管計算機(jī)。這一代計算機(jī)除了邏 輯元件采用晶體管以外，其內(nèi)存儲器由磁芯構(gòu)成，磁 鼓與磁帶成為外存儲器。
計算機(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。
計算機(jī)軟件也得到了發(fā)展，出現(xiàn)了多種 高級語言及其編譯程序。
1.2.4 第三代計算機(jī)（60年代中到70年代中）
第三代計算機(jī)為集成電路計算機(jī)，其邏輯元件與存儲器 均由集成電路實(shí)現(xiàn)，這是微電子與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的 一大突破。
微程序控制、高速緩存、虛擬存儲器、流水 線等先進(jìn)計算機(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)同時發(fā)展。
1.2.5 第四代計算機(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 為這一時期計算機(jī)發(fā)展的特點(diǎn)。
四代機(jī)時期的一個重要特點(diǎn)是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與廣泛 應(yīng)用。
1.2.6 新一代計算機(jī) 新器件和非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)已成為新一代計算機(jī)的公認(rèn)標(biāo)志。
1．3 計算機(jī)的組成與結(jié)構(gòu)
1.3.1 計算機(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
---------------------
5各種應(yīng)用程序
---------------------
4高級程序編譯,解釋程序
---------------------
3操作系統(tǒng)
---------------------
2指令系統(tǒng)
---------------------
1微程序控制,PLA控制
---------------------
0邏輯硬件
1.3.2 計算機(jī)硬件
計算機(jī)硬件是指構(gòu)成計算機(jī)的元器件、 部件、設(shè)備、以及它們的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
馮·諾依曼計算機(jī)的主要特點(diǎn)： 1）計算機(jī)由運(yùn)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(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；
2. 高速的指令執(zhí)行過程及指令部件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)， 是采用組合邏輯技術(shù)、或微程序設(shè)計技術(shù)，還是 PLA技術(shù)；
是復(fù)雜指令集計算機(jī)（CISC），還是 精簡指令集計算機(jī)（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(lián)技術(shù)；
5. 計算機(jī)五大部件（運(yùn)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(jìn)制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；
3）存儲程序工作方式；
4）五部件以運(yùn)算器為中心進(jìn)行組織；
1.3.3 計算機(jī)軟件
1. 軟件的作用
一般來說，計算機(jī)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(jī)系統(tǒng)中起著指揮和管理的作用。
②是計算機(jī)用戶和硬件的接口界面。
③是計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)。
2. 軟件的發(fā)展過程 三個階段：
1)從第一臺計算機(jī)上的第一個程序出現(xiàn)到 實(shí)用的高級語言出現(xiàn)為第一階段（1946-1956年）。
2)從實(shí)用的高級程序設(shè)計語言出現(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 計算機(jī)的分類與應(yīng)用
1.4.1 計算機(jī)的分類
按計算機(jī)所處理對象的表示形式不同可以 分成模擬計算機(jī)與數(shù)字計算機(jī)兩類。
計算機(jī)按其用途來分可以分成專用機(jī)和通用機(jī)兩類。
其中，通用計算機(jī)按其規(guī)模、性能和價格來分，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 計算機(jī)應(yīng)用 計算機(jī)信息處理技術(shù)包括了對各種信息媒體的獲取、 表示、加工與表現(xiàn)方法和技術(shù)，大致有以下幾個方 面內(nèi)容：
1．語言與文字的處理。
2．計算機(jī)圖形學(xué)與數(shù)字圖象處理。
3．多媒體技術(shù)。
4．計算機(jī)輔助技術(shù)。
5．計算機(jī)信息系統(tǒng)。
6．計算機(jī)控制。 計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)榧苫⒕W(wǎng)絡(luò)化、智能化