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文档简介

1、计算机组成原理,主讲:张凯 数学与计算机科学系 20072008学年度,任课教师,张凯 数学与计算机科学系 主讲计算机组成原理汇编语言计算机网络计算机应用基础Auto-CAD技术多媒体课件制作 联系地址:教师楼一栋105室 手机:Email: 教学资源网站:80/zk,有关本门课程的介绍,计算机组成原理这门课程是计算机专业必修的核心课程,在升本考试、自学考试,甚至研究生入学考试中都是必考科目,它联系的范围非常广泛,涉及到电子电路,汇编语言,程序设计,单片机接口技术等方面,是学习计算机的基础课程。 湛江师范学院校本部招收专科升本科的入学

2、考试明确规定组成原理为考试科目。,有关教材的介绍,该教材就是校本部招收本科生的考试教材,根据我五年来的分析和观察,80的考点都能估中,另有20%的考点不在本书中,上课的时候会补充进来,希望大家注意上课的时候老师的板书,做好相关的笔记。 该教材每章后的练习题比较好,难度适中,符合教学大纲的要求。希望同学们能自己主动地在上课之前动手做一做,上课时再听老师讲解。,第一章 计算机系统结构概述,重点与考点:1、冯-诺依曼计算机体系结构(原理、组成、特点)2、进制运算与转换(二进制、十进制、八进制、十六进制、模运算)3、机器数与编码(原码、反码、补码和移码、特别是求Y的补码运算),第二章 存储系统,重点与

3、考点: 1、分级存储体系结构(三级存储体系机构、局部访问性原理、虚拟存储器)2、主存储器3、Cache存储器4、辅助存储器中的运算(密度、容量、寻址时间、数据传输率)5、硬盘的寻址,第三章 输入输出及其控制,重点与考点:1、外部设备的基本工作原理(打印机和显示器的工作原理)2、四种传输控制方式(直接传送控制、中断控制、DMA控制、通道控制)3、接口技术(多端口传输技术),第四章 总线系统,重点与考点:1、总线的分类(地址总线、数据总线、控制总线)2、几种系统总线标准(ISA总线、EISA总线、PCI总线、AGP)3、几种设备总线标准(串口、IDE、SCSI、USB、IEEE1394),第五章

4、CPU处理器,重点与考点: 1、 汇编语言基础知识(14个16位的寄存器、寻址方式、汇编语言的元素、汇编语言程序设计)2、微程序控制器(微程序控制器的组成、原理结构图、各组成部分的特点),第一章:计算机系统结构概述,Neumann计算机体系的确立 Neumann计算机的工作过程 现代计算机系统的组成 计算机中进制运算与转换 机器数与编码,一、Neumann计算机体系确立,人类使用工具的进步机械工具棍子、机器(四肢)测试工具各种仪器声纳(五官)计算工具手指石头贝壳算盘、计算机(大脑)。思考:“电脑”会取代人类统治世界吗? 计算器的发展手工时代机械时代电子时代,接上页,Neumann体系结构原理美

5、籍科学家冯诺依曼提出以二进制原理和程序存储控制原理为核心的通用数字电子计算机体系结构原理。 二进制原理1)通常所见的是十进制原理。2)二进制在计算机中运用是因为电子元器件只有开(高电平)和关(低电平)两种状态,所以可以用1和0来表示。,接上页,程序存储控制原理基本思想:计算机要完成自动解题任务,必须把事先设计的,用以描述计算机解题过程的程序和数据记住,然后再按照程序规定的步骤控制计算机的工作过程。 注意:这两个基本原理是第一章非常重要的知识点。,正确评价冯诺依曼的贡献 (John Louis von Neumann 1903-1957),冯诺依曼是大名鼎鼎、成就卓著的科学家。在现代数学、量子物

6、理学、逻辑学、气象学、军事学、经济学、决策论、博弈论以及计算机等学科做出了重大贡献。,计算机的五大功能和特点,1、计算机的五大功能 1)输入输出(I/O)功能 2)记忆功能 3)计算功能 4)逻辑判断功能 5)自我控制能力 2、Neumann计算机的特点计算过程自动化,有记忆功能,速度快,精确度高。,Neumann计算机的基本组成P20,I/O设备包括:打印机、显示器、键盘鼠标、扫描仪、光电笔、触摸屏、条形码阅读器等。 中央处理部件(CPU)包括:运算器、控制器、寄存器 存储器包括:内存储器小快贵,半导体器件 外存储器大慢便宜,磁材料器件特点:1)可擦写可覆盖;2)线性地址3)容量、价格、存取

7、速度是三大指标。,接上页,Neumann计算机以CPU为中心的体系结构,输入设备,控制器,运算器,存储器,输出设备,CPU,特别提醒(重点),问: Neumann计算机的基本组成?答: Neumann计算机由五大部分组成,分别是运算器、控制器、输入设备、输出设备、存储器。 问: Neumann计算机的基本组成及各组成部分的基本特点?并画出其原理图。答:组成(略);运算器是用来分析和处理数据的;控制器是用来协调控制软硬件资源的;输入输出设备是用来输入数据和输出结果的;存储器是用来存储数据和程序的。,二、Neumann计算机工作过程,什么叫程序?什么叫指令?P24 a + | b | = 程序流程

8、图的绘制,是学习计算机编程的基础功夫,但大多初学者偷懒,不愿画图,不能做好编程前重要的一个准备工作。,a + b 当b = 0时,a b 当b 0 时,程序设计流程图,a + |b| = ? 的流程图 P30,流程图的绘制是计算机编程的前期准备工作,注意:1、流程图的绘制方法。2、流程图中的图形各表示什么意义。,开始,Aa,Bb,B=0,yes,no,a - b,a + b,结束,输出,存数,表明已知条件,表明判断条件,三、计算机系统组成,计算机的软件和硬件硬件就是看得见摸得着的实体人的躯体软件就是摸不着,但必不可少,对硬件起支撑作用的部分。人的灵魂 所以,一个完整的计算机系统应当包括两个部分

9、:硬件部分与软件部分。 计算机系统的组成结构图如下页所示:,计算机系统组成结构图,硬件部分与软件部分,计算机系统,硬件部分,软件部分,外设,主机,系统软件,用户服务软件,系统维护软件,总线与硬件体系结构,总线(BUS),计算机各部件之间的连接线路,主要体现在主板、内存、显卡等各类板卡上,当前的计算机总线结构主要分为三类:,数据总线 DB,地址总线 AB,控制总线 CB,CPU,内存条,网卡,显卡,总线,总线,IBMPC系统结构,CPU是整个计算机的核心部件,CPU的发展带动着计算机产业的发展。 IBM公司,著名的美国计算机产商,在业界有“蓝色巨人”之称,其生产的机器通常是一系列的。 Inter

10、公司,主要以生产CPU著称,此外还有AMD、VIA、“中国芯” 等CPU芯片。 Inter 8086/8088 (8位机)学习机,游戏机Inter 80286 (16位机)对8086的改进Inter 80386/486/586 (32位机)Pentium奔腾,接上页,主板:提供计算机各个部件的接口 软件:,操作系统,MS-DOS UC-DOS CC-DOS,WINDOWS系列,UNIX LINUX,用户服务,数据库系统软件,事务处理软件,程序设计软件,系统维护,杀毒软件,PCTools,计算机的性能指标,CPU字长精确度 主频率运算速度 主存容量处理问题的能力 软硬件配置与性价比经济效益 RA

11、SIS特性计算机系统性能 兼容性通用性 说明:以上是计算机的性能指标以及与之相关的特点。,计算机技术的发展与趋势,电子元器件的进步电子管晶体管中小规模的集成电路大规模超大规模的集成电路 体系结构的发展以CPU为中心的体系结构 向 以存储器为中心的体系结构发展。 高效率、开放性、多媒体、智能化、网络化简称为“高、开、多、智、网”。,接上页,以CPU为中心的体系结构 以存储器为中心的体系结构,CPU,I/O,主存储器,I/O,输入设备,控制器,运算器,存储器,输出设备,CPU,存储器,练习与思考,对于计算机你了解多少?你打算如何来学习计算机专业课程? 在大学期间,你希望对计算机专业掌握了哪些方面的

12、知识,你最感兴趣的是哪个方面:网络工程、硬件维护维修、软件编程、电子商务或其它? 将来毕业走出学校,你志向从事哪个方面的工作?,信息表示与运算基础,计算机中的进制表示,二进制,十进制,八进制,十六进制,由0、1组成,逢二进一,后缀为 B,由0、1、9组成,逢十进一,后缀为 D,由0、1、7组成,逢八进一,后缀为 Q 或O,后缀为 D,由0、1、9、ABCDEF组成,逢十六进一,计算机中的基数与位权,基数 就是指该进制由多少个数组成 位权 就是指该进制的 i 次方,二进制 基数为2 ,位权为 2的i 次方,十进制 基数为10,位权为10的i次方,八进制 基数为8, 位权为8的i次方,十六进制 基

13、数为16,位权为16的i次方,常规的二进制规律,二进制通常从右向左数为第0位,第一位,以此类推到第N位,有N+1位 和位权有对应的关系,以小数点分界1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 10.5 0.25 0.125 0.0625,第0位 2,第1位 2,二进制与十进制的转换,二进制转换成十进制101.11101 B = ? D4+0+1+0.5+0.25+0.125+0+0.03125=5.90625 十进制转换成二进制29.375 D ? B29.375 D 11101.011 B,例子,29,2,14,1,2,7,0,2,1,3,2,1,1,29D = 1110

14、1 B 除2取余,0.375,2,0.75,2,2,1.5,0,1,1,1.0,1,0.375D = 0.011 B 乘2取整,0,.,二进制的运算法则,加法1110 101 000 减法110 101 乘法 除法,1)常规去乘除,2)利用移位去乘除,在汇编语言中讲,八/十六进制与二/十进制互换,八进制转换为二进制规律:一位八进制对应3位二进制如:八进制的5 对应 二进制 101 八进制转换为十进制规律:利用八进制的位权来计算如:八进制56 十进制 6*85*864046 十六进制转换为二进制规律:一位十六进制对应4位二进制如:十六进制的5 对应 二进制 0101,接上页,十六进制转换成十进制

15、同样的道理,也是利用位权来转换如:十六进制 56 十进制 6*165*1668086 计算机中的进制转换最最简单的方法你知道吗?,二十进制码 BCD码,原理:用四位二进制来表示一位十进制数如:3579 D 0011 0101 0111 1001 B 0011 0101 0111 1001 B 举个例子4687 D = ? B,模运算(MOD),与常规的加减乘除的区别 在运算上的区别(难点)参考P12规律:1)运算时不考虑进位和借位;2)实际上得到的结果为各列数相加后除以2得到的余数。,模2运算,模2运算:只看该列1的个数,是奇数个1,结果为1,是偶数个1,结果为0; 实际上是奇数个1相加除以2

16、到的余数为1;偶数个1相加得到的结果为0。 规律:1)运算时不考虑进位和借位;2)实际上得到的结果为各列数相加后除以2得到的余数。,接上页,模2加,1110,1011,0101,模2减,1110,1011,0101,不考虑进位,不考虑借位,模2乘,模2除,101,110,110,000,110,11110,10000,101,101,101,010,000,100,101,01,余数,10000/101=10101,商,机器数,有符号数与无符号数的区别无符号数1111B15有符号数1111B7 无符号数=有符号数,但相同位数的情况下,二者表示的数的范围大小是相同的。注意:有符号数中 0和0是有

17、区别的。 真值与机器数(原码)真值 机器数1011 010111011 11011,用0 正号 ,用1 负号 ,接上页,两个数加法运算出现的情况正数正数符号位不变正数负数符号位取决于负数的绝对值负数负数符号位肯定为两位问题出现了。在计算机中,只能有1位符号位 为了解决以上出现的问题,在计算机中引入了反码和补码的概念。,反码,正数的反码令X1011 【X】原01011则【X】反 【X】原01011 负数的反码令X1011 【X】原11011 则【X】反10100 说明:负数的反码,是保持符号位不变,其它数值部分按位取反。,反码的运算,令X0.1101,Y0.0001,求X+Y? 【X】原1.11

18、01 【Y】原1.0001 【X】反1.0010 【Y】反1.1110【Y】反1.1110 11.0000,1,1.0001,【X+Y】反=1.0001,【X+Y】原=1.1110,X + Y =0.1110,补码,正数的补码令X1011 【X】原01011则【X】补 【X】原 【X】反 01011 负数的补码令X1011 【X】原11011 【X】反10100 则【X】补 10101 说明:负数的补码,是保持符号位不变,其它数值部分按位取反,然后再末尾加1。,补码的运算,令X0.1101,Y0.0001,求X+Y? 【X】原1.1101 【Y】原1.0001 【X】反1.0010 【Y】反1

19、.1110 【X】补1.0011 【Y】补1.1111则: 【X】补1.0011 【Y】补1.1111 11.0010,进位舍去,【X+Y】补=1.0010,【X+Y】反=1.0001,X + Y = 0.1110,【X+Y】原=1.1110,求Y的补码(非常重要),已知X1100,Y1011,求XY?思路: XY X(Y)1)求出X的补码2)求出Y的补码把Y的补码包括符号为在内全部取反再在末尾加1Y的补码 3)最后X的补码(Y )的补码,还原成为真值XY?得到结果。,数据传输中的差错检测,奇偶校验码(略) 海明码(略) CRC循环冗余校验码(重点)1)根据已知条件求CRC码2)校验传输的数据

20、是否出错 以上常考7分的计算题(5分2分),CRC循环冗余校验码(步骤),1)已知有效信息M(X),可以表达为一个多项式 2)已知生成多项式G(X),由G(X)的位数1求出K值。 3)用M(X)*X / G(X) 商余数R(X)注意:这里是模2除;余数的位数和K值一致 4)CRC码 M(X)*X R(X) 差错校验5)CRC码/G(X) ,K,K,0 数据传输正确,不为0 数据传输有误,求CRC码,例118 :对4位有效信息1100作循环冗余校验码,选择生成多项式G(X)为1011(K3)步骤一:M(X)1100步骤二:G(X)1011 K3步骤三: M(X)*X / G(X) 1100000

21、/1011 1110.010 R(X) 010 注意R(X) 的位数和K一致步骤四:CRC码 M(X)*X R(X) 1100010 差错校验 CRC码/G(X)1100010/1011 1110.000 R(X)000,所以传输无错。,K,K,练习,已知有效信息码为1001,而G(X)生成多项式为X X 1,求有效信息的CRC码?并检测结构是否有误差? 已知X=11001,Y10110,求XY?,3,补充的几个知识点,移码移码是在补码的基础上,将符号位取反。如:X的补码11010,则X的移码01010 几个典型数据的编码P7 表格 12所示。127、127、0、0、1、1、128注意:1)原码、反码的0、0是不同的。2)补码、移码的0、0是相同的,但只有补码的0、0唯一等于0。3)求8位二进制数128的补码采用 128 127 1的方法求。,ASCII码,ASCII码(美国信息交换标准代码) 由

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