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计算机组成原理教学课件王诚教授清华大学计算机系

应用过程的分类和扩展 为什么要学习计算机作文原理本课程计算机作文原理是计算机专业本科生的必修专业基础课。我系重视计算机应用人才的培养，并将本课程安排为计算机系统平台的内容之一。不仅设计计算机硬件系统的人应该学习这门课程，所有的计算机专业人士都应该了解它。如果你选择了计算机专业计算机原理教案下载，你将终生与计算机系统打交道，如果你想用好计算机，你应该学习这门课程，否则你将不会被认为是一个合格的计算机专业人士。计算机硬件系统不应被视为类似电视的产品，只需打开电源并选择频道即可观看节目。电脑里有很多知识，到处都会用到。是学习后续很多课程（系统结构、操作系统、编译原理、高级语言程序设计、计算机网络、数据库）的基础，在以后的工作中如何思考清楚以及如何解决很多遇到的问题都涉及到硬件电脑的问题。

这门课有多难，能不能学好，说计算机作文原理这门课不太难学是没有说服力的，也没有充分的理由和证据说不可能学好一点也不。从计算机作文原理的内容来看，确实没有太多高难度的原理，和生活中遇到的很多常见现象非常相似。它不像数学，没有太多的理论推导，也没有物理学中的高级理论，你不需要深思熟虑，接受它的规定​​和实施方案即可。如果很难，那就很难了。计算机的问题是我们从来没有接触过，更不用说亲眼看到了。在我们遇到它之前，我们怕三点，把原本简单的问题复杂化了；教师缺乏设计计算机系统的能力。工程背景进一步加剧了这种矛盾。学生应根据自己的实际水平和未来的工作需求，适当确定自己学习本课程的要求。课程教学定位及教学要求 计算机作文原理课程教学应以硬件和软件组成的总体上完整的系统平台为基础。毫无疑问，这是一门侧重硬件内容的课程，但需要兼顾一点基础的软件课程。只限于纯硬件（裸机）是一种非常过时的理解。至少你需要了解汇编语言和计算机系统操作使用的基本知识，并结合硬件的学习和使用。在教学过程中，要结合学习原理知识和应用原理解决实际问题，避免笼统地解释书本内容。解决问题，你可以先看看别人是如何利用已知原理来设计和实现实际系统的，然后再考虑你能在实际中做什么。工作使学习变得更有趣和有用。你可以先看看别人是如何使用已知原理来设计和实现实际系统的，然后再考虑你能在实际中做什么。工作使学习变得更有趣和有用。你可以先看看别人是如何使用已知原理来设计和实现实际系统的，然后再考虑你能在实际中做什么。工作使学习变得更有趣和有用。

学生可以向自己提出主要是学习基本原理并通过考试作为底线要求，以及一定应用能力的正常要求。硬件系统由5个功能部件组成，是课程的核心内容。硬件系统由5个功能部件组成。数据输入设备分担输入程序和原始数据的功能，数据存储单元分担存储程序和数据的功能，数据运算单元分担计算和处理数据的功能，结果输出设备分担数据的功能。输出运算处理的结果。控制器组件根据每条指令的运行功能的需要，为各组件或设备提供协同运行所需的控制信号，在整个硬件系统中起到指挥、协调和控制的作用。图的中间部分显示了计算机的三种总线。可以看出，计算机的五个功能部件通过这三种总线有机地连接起来，从而形成一个完整的、协调一致的运行（执行程序）的计算机硬件系统。一台计算机可以想象成一个处理数据的工厂，那么数据计算组件就是数据处理车间，数据存储组件就是存放原材料、半成品和产品的仓库，输入设备相当于运来原材料的卡车，输出设备相当于出货。在卡车的最终产品中，控制部件相当于工厂经理和承担领导和指挥职能的各种职能办公室。在领导的正确指挥下，如果原材料能源源不断地得到，厂里有存放的地方，车间可以按规定对这些原材料进行加工，加工后的产品可以顺利运出销售，那么工厂（电脑）纳入正常运行轨道。控制部件相当于厂长和承担领导指挥职能的各职能办公室。在领导的正确指挥下，如果原材料能源源不断地得到，厂里有存放的地方，车间可以按规定对这些原材料进行加工，加工后的产品可以顺利运出销售，那么工厂（电脑）纳入正常运行轨道。控制部件相当于厂长和承担领导指挥职能的各职能办公室。在领导的正确指挥下，如果原材料能源源不断地得到，厂里有存放的地方，车间可以按规定对这些原材料进行加工，加工后的产品可以顺利运出销售，那么工厂（电脑）纳入正常运行轨道。

我之前所说的仅限于硬件。当然，号码必须有配套的软件系统。例如，工厂需要有管理体系和运营策略。3、第四章主要教学内容第三章解释数据表示和运算方法，是设计和实现计算机算术组件的理论基础。计算机使用信息的二进制编码。二进制编码和码制转换是数据运算的数学基础。整数的原码和补码表示是一种简化数据运算的方案，可以简化使用的硬件电路，提高运算速度。数据检错和纠错编码技术是提高硬件可靠性的有效措施。第 4 章解释了计算机的算术组件。有定点算术和浮点算术两种类型。它们是实现数据操作的执行组件。重点学习定点算术，它由三个主要部分组成：用于算术和逻辑运算的电路ALU，用于临时存储运算数据和中间结果的寄存器组REG，以及用于保存结果特征状态的标志寄存器。大致了解浮点运算符的组成和浮点数的运算方法就足够了。５、第六章主要教学内容第五章讲解指令系统和汇编语言程序设计。指令是计算机的最小功能单元，它是连接计算机硬件和软件的纽带，非常重要。了解影响指令字长的因素。指令格式设计、寻址方式选择是核心内容。有必要浏览典型指令系统的概述，更具体地了解TEC-2008计算机的指令系统，这是完成简单汇编语言编程的必要条件。

第 6 章介绍了计算机的控制器组件。控制器的作用是命令和控制计算机硬件系统执行程序，它应该根据指令的内容和指令的执行步骤，为各个部件提供其运行所需的控制信号。计算机设计者的任务是将每条指令的功能细分为若干个操作，分成若干个步骤，分配给相应的组件来完成。控制器分为两种类型：组合逻辑（更容易学习和理解）和微程序。第7章主要教学内容第7章解释了计算机的存储系统。目前的计算机内存系统是由三层结构组成的，比如缓存、主存和虚拟内存，统一的管理和调度系统。存储空间（以容纳最大的程序和数据），以及尽可能低的硬件成本（计算机制造商和用户都可以接受）。学习内存分类、可用设备的存储原理、读写过程的基本知识；了解内存性能指标；学习主存构建技术、与CPU的连接方法、读写时序关系；学习缓存构建技术和操作原理；对虚拟内存实现和基本术语的一般理解。对磁盘和光盘的原理组成和工作原理有基本的了解，了解磁盘阵列技术的特点以及对系统性能的影响。第八章主要教学内容第八章介绍了计算机的输入输出设备和系统。输入输出设备统称为外围设备，通过接口电路连接到总线上，再连接到上位机的CPU和内存。在通信协议的控制下，与主机系统实现信息的输入输出。

对常见输入和输出设备的工作原理有一个大致的了解就足够了。了解程序查询、程序中断和直接内存访问三种基本输入输出方式的特点、实现思路和所需的硬件支持；各类接口的功能和组成有很大的不同，需要了解它们组成中的共性功能和常用组件，通过浏览一些具体的接口示例来树立正确的概念，了解如何使用它们。总线是影响计算机系统性能的重要因素。涉及的概念很多，有不同的总线标准，与应用密切相关。有必要多加注意。* 1 2 3 这里所说的计算机系统是指电子数字通用计算机系统。这三个属性中的每一个都表示计算机系统的一个方面。“电子”一词是指使用电子电路（不同于机械、继电器等）来实现计算机硬件的关键逻辑功能；“数字”一词表示使用的电子电路是数字电路（不同于模拟电路），运算和处理数据是二进制离散数据（不同于连续电压或电流）；“通用”一词表示计算机本身是多才多艺的（不是专用于某一特定功能），具有完成各种运算或数据处理的能力。1、计算机系统概述 4 计算机系统由两部分组成：硬件和软件。硬件是指由中央处理器、存储器和外围设备等组成的实际设备。硬件的作用是完成每条指令所规定的功能。指令是计算机运行的最小功能单元，指令是指示计算机硬件执行某种运算处理功能的命令。

软件是为使用计算机而编写的各种系统和用户程序计算机原理教案下载，程序由一系列计算机指令组成。指令是用于设计程序的计算机语言。计算机提供的所有指令构成计算机的指令系统。指挥系统的设计质量关系到制造商和用户的利益。硬件和软件系统是相互依存的，有分工和互动，两者缺一不可，就像一个健康人的身体和精神智力和思维一样。计算机系统概述 5 汇编语言层 操作系统层 指令系统层 微架构层 数字逻辑层 高级语言层 应用层 最低两层属于硬件部分。硬件系统用于实现每条指令的功能，解决程序中指令之间的连接系统。以上三层属于软件部分。软件由许多指令组成，按照一定的规则组织起来，完成一定的数据操作或事务处理功能。指令系统位于硬件系统和软件系统之间。它是硬件和软件之间的接口部分，对这两个部分都有重要的影响。微架构层 软件系统 硬件系统 计算机系统层次 6 软件是为使用计算机而编写的各种系统和用户程序，一个程序由一系列计算机指令组成。计算机系统6层结构中给出的基本软件包括操作系统和三个层次的计算机语言。操作系统主要完成系统中软硬件资源的管理和调度分配，为程序员和计算机操作员提供各种服务。

语言的三个层次分别是机器语言（二进制代码语言）、汇编语言（符号语言）和高级语言（算法语言），使用它们来设计程序的难易程度和效率差别很大。计算机中的基础软件系统 7 以计算从 1 到 10 的累加和为例，看一下 3 级语言的程序示例，简要介绍机器语言程序内部的执行过程计算机。BASIC 程序 汇编语言程序 机器语言程序（十六进制） 10 sum=02000: sub R15, R1501FF 20 for i=1 to 10sub R1, R10111 30 sum=sum+imvrd R0, 0A8800 000A 40 next iinc R10910 50 print sumadd R15 , R100F1 60 endcmp R1,

例如，在一个 32 位字长的计算机系统中，一个整数和一条指令通常用一个 32 位的二进制数来表示，称为一个字。运算器、存储器、数据和地址总线通​​常设计为 32 位。字长对计算机的处理能力和运行性能有重大影响。较长的字长有利于提高计算机的性能，但需要更多的硬件，计算机系统的价格也会更高。３、计算机系统的主要技术和性能指标7（2）CPU速度衡量CPU速度，通常有两种方式。第一种方式是使用CPU频率，即每秒提供的次数CPU 时钟脉冲通常以赫兹 (Hz) 表示，例如 500MHz。但是，对于不同厂家、不同系列的电脑系统，仅用CPU频率来描述运行速度可能并不准确。第二种方法是使用 CPU 每秒可以执行的指令数，单位是 MIPS（百万指令每秒）。计算公式可推导如下：T=CPI×T_IC×I，其中T为执行程序所用的时间，CPI为执行一条指令所使用的CPU时钟的平均数，T_IC为执行一条指令的时间长度CPU时钟，也就是CPU频率f的1/f的倒数，I是这个程序的指令数，3个值的乘积等于这个程序的总运行时间T。由此我们得到: I = T / (CPI×1/f) = T×f/CPI。

如果有办法让这台计算机的CPI尽可能接近1，它的性能可以提高近4倍，这就是精简指令系统计算机（RISC）所追求的目标。如果进一步细化，可以通过以下方法计算程序中所有指令的平均CPI：根据指令的执行步数，相似指令的数量×此类指令的CPI对所有指令进行分类，以及然后计算各种指令的CPI。计算计算机结果的累积和，然后将累积和除以指令总数，得到平均 CPI，可以表示为 CPI 平均值 = ∑CPIj×Ij / I，其中 j 为指令类型数（从0 到 n)。MFLOPS 可以用来表示浮点数指令的运算速度。计算机系统的主要技术和性能指标7（3）存储容量和读写速度计算机中的内存通常包括内部存储器和外部存储器两大类。内部存储器也称为主存储器，通常实现用半导体器件，读写速度快，价格较高，容量通常较小，如几百MB或几到十GB，可由CPU通过指令直接访问。外部存储器是也称为辅助存储器、海量存储器等，主要包括磁盘设备、CD-ROM设备、磁带设备等，读写速度要慢很多，价格较低，容量大，如几个< @十、几百GB或者几十TB，外存的信息需要通过操作系统批量地（而不是字）与内存进行交换。内部存储器的读写周期通常是几十纳秒到一两百纳秒，而在外部存储器中读写数百字节数据的时间通常是几毫秒到十几毫秒，而时间连续读取辅助存储器中的大量数据所需的平均每个数据可能要短得多。

通常还要关心单位时间内可以读写到主存的数据总量，以及单位时间可以交换到辅存的数据总量。在当前的计算机系统中已经采取了许多技术措施来增加内存容量和速度。计算机系统的主要技术和性能指标 7（4）输入输出设备的进出速度 计算机的输入输出设备是计算机系统中比较复杂的部分，不同的设备有不同的组成和工作原理，与电脑主机相连。控制方式也有很多不同，除了电子电路外，还涉及精密机械、光学、激光、电磁转换等诸多知识。不同的输入输出设备的运行速度是不同的，比如针式打印机每秒只能打印几个字符，而激光打印机可以打印多行甚至几页打印纸的信息，键盘输入主要取决于人的打字速度。显示器的屏幕尺寸、分辨率等级、显示字符或图形的不同内容、屏幕刷新频率等对系统性能有重要影响。目前，输入输出设备种类繁多，远远超出了传统输入输出设备的概念，尤其是随着多媒体技术的发展和应用，大量的电子设备已经成为现代计算机。

9 10 11 12 13 计算器、控制器和存储器通常使用电子电路实现，并安装在称为计算机主机的金属柜或印刷电路板上。计算部件和控制部件统称为中央处理器（CPU，center processing unit），也称为计算机的处理器。输入设备和输出设备通常与精密机械设备和电子电路一起制成，也可以统称为输入和输出设备，也称为计算机外围设备。计算器是计算机的五个功能部件之一。在控制器的指挥和控制下，完成分配给它的操作和处理功能。* * *