计算机组成原理课件第章

计算机组成原理课件第章计算机系统概述数字逻辑基础计算机中的数据表示运算方法与运算器指令系统与寻址方式存储系统与主存储器计算机系统概述01计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路等阶段。随着技术的不断进步，计算机的性能不断提高，应用领域也不断扩展。计算机是一种能自动、高速、精确地进行信息处理的电子设备。计算机的定义与发展计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统包括中央处理器、存储器、输入输出设备等。软件系统包括系统软件和应用软件两大类。计算机系统的组成010204计算机的工作原理计算机的工作原理可以概括为“存储程序控制”。程序和数据以二进制代码形式存储在存储器中。中央处理器从存储器中取出指令，并执行指令，从而完成各种操作。计算机通过输入输出设备与外部环境进行信息交换。03数字逻辑基础02介绍二进制、十进制、十六进制等数制的基本概念及相互转换方法。数制的基本概念计算机中的数制数据编码阐述计算机内部采用二进制的原因，以及二进制数在计算机中的表示和运算。介绍ASCII码、Unicode码等数据编码方式，以及它们在计算机中的应用。030201数制与编码阐述逻辑变量和逻辑函数的概念，以及逻辑函数的表示方法。逻辑变量与逻辑函数介绍与、或、非三种基本逻辑运算，以及它们的运算规则和性质。逻辑运算阐述逻辑代数的基本定律，如交换律、结合律、分配律等，以及逻辑代数的三个基本规则，即代入规则、反演规则和对偶规则。逻辑代数的基本定律和规则逻辑代数基础介绍与门、或门、非门等基本逻辑门电路的工作原理和实现方法。基本逻辑门电路阐述由基本逻辑门电路组合而成的复合逻辑门电路，如与非门、或非门、异或门等。复合逻辑门电路介绍逻辑门电路在数字系统中的应用，如组合逻辑电路的设计和实现等。逻辑门电路的应用逻辑门电路计算机中的数据表示03

数值数据的表示定点数表示法约定小数点的位置，从而确定数据的整数部分和小数部分。浮点数表示法采用科学计数法表示，由尾数、基数和指数三部分组成。原码、反码和补码用于表示有符号整数，解决负数在计算机中的表示问题。ASCII码用于信息交互，表示英文字母、数字、标点符号等字符。汉字编码包括输入码、交换码、内码和字形码，用于汉字的输入、存储、传输和显示。Unicode编码统一不同字符集的编码方式，实现跨平台、跨语言的数据交换。非数值数据的表示03循环冗余校验（CRC）利用生成多项式为数据添加冗余位，接收端通过计算CRC值来检测数据是否在传输过程中出错。01奇偶校验通过添加校验位，使得数据中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。02海明校验在数据中添加多个校验位，通过校验位和数据位之间的特定关系来检测和纠正错误。数据校验运算方法与运算器04定点数是小数点位置固定不变的数，可用符号位和数值位来表示。根据小数点位置的不同，定点数可分为定点整数和定点小数。定点数的表示定点数的运算包括定点数的加减、乘除等运算。在运算过程中，需要考虑溢出、符号扩展等问题。定点数的运算定点数的表示与运算浮点数是小数点位置可变的数，由阶码和尾数两部分组成。阶码表示小数点的位置，尾数表示数的有效数字。浮点数的运算包括浮点数的加减、乘除等运算。在运算过程中，需要考虑对阶、尾数运算、规格化、舍入等问题。浮点数的表示与运算浮点数的运算浮点数的表示运算器的组成运算器是实现算术运算和逻辑运算的部件，由算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、数据总线等部件组成。运算器的设计运算器的设计需要考虑运算速度、精度、功耗等因素。为了提高运算速度，可采用并行运算、流水线等技术；为了提高精度，可采用高精度算法、误差校正等技术；为了降低功耗，可采用低功耗设计、动态电压调整等技术。运算器的组成与设计指令系统与寻址方式05指令格式指令由操作码和地址码两部分组成，操作码指明操作的性质，地址码则给出操作数的地址或立即数。寻址方式寻址方式是指确定本条指令的数据地址以及下一条要执行的指令地址的方法。常见的寻址方式有立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址等。指令格式与寻址方式根据程序计数器PC中的值从存储器中取出一条指令，同时修改PC的内容，使其指向下一条指令的地址。取指周期对取出的指令进行分析，确定指令的操作性质和操作数的地址。分析周期根据分析的结果，执行相应的操作。如果是转移指令，则修改PC的内容，实现程序的跳转。执行周期指令的执行过程通过改进指令系统结构、提高指令执行速度、减少指令执行时间等方法来优化指令系统性能。指令优化在设计指令系统时，需要考虑指令的完整性、规整性、对称性、独立性和兼容性等因素，以保证系统的性能和易用性。同时，还需要考虑如何实现高效的编译和汇编程序，以及如何处理异常和中断等问题。指令设计指令的优化与设计存储系统与主存储器06存储系统的层次结构寄存器位于CPU内部，速度最快，容量最小，用于暂存指令和数据。高速缓存（Cache）位于CPU和主存之间，速度较快，容量较小，用于缓存CPU频繁访问的数据和指令。主存储器（MainMemory）位于CPU之外，速度较慢，容量较大，用于存储程序和数据。外存储器（SecondaryStora…如磁盘、光盘等，速度最慢，容量最大，用于长期保存信息。主存储器的组成与操作数据寄存器（MDR）用于暂存从主存读出的信息或写入主存的信息。地址寄存器（MAR）用于存放欲访问的存储单元的地址。存储体由大量存储单元组成，每个存储单元可存放一个字节或多个字节的信息。地址译码器将地址寄存器中的地址转换为对应存储单元的选择信号。读写控制电路根据CPU的命令控制主存的读写操作。存取时间从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间，分为读出时间和写入时间。存储容量存储器可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位。存储周期连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间，通常略大于存取时间。存储器的性能指标与优化存储器带宽采用高速器件采用