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计算机组成原理教案

一、概述

计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门基础课程，主要介

绍计算机硬件系统的原理和结构。本节课程将系统讲解计算机组成原

理的相关知识，包括计算机系统的层次结构、指令系统、数据表示、

计算机运算、控制单元、存储器等内容。

二、计算机系统的层次结构

1.计算机系统的五大组成部分

计算机系统由五大组成部分构成，包括输入设备、输出设备、运算

器、控制器和存储器。其中，输入设备用于接收外部信息，输出设备

用于显示处理结果，运算器执行程序运算，控制器控制程序执行，存

储器存储数据和程序。

2.计算机系统的层次结构

计算机系统的层次结构分为硬件层和软件层，硬件层包括处理器、

存储器、输入输出设备等；软件层包括系统软件和应用软件。硬件层

和软件层相互配合，共同完成计算机系统的功能。

三、指令系统

1.指令系统的基本概念

指令系统是计算机执行程序的基本单位，包括指令集合、地址寻址

方式、指令格式等。指令集合是计算机可以执行的指令的集合，地址

寻址方式是指令中操作数的寻址方式，指令格式定义了指令的组成形

式。

2.指令执行过程

指令的执行过程包括取指、分析指令、执行指令和结果存储等步骤。

取指是从存储器中读取指令，分析指令是对指令进行解码，执行指令

是根据指令操作码执行相应操作，结果存储是将执行结果存储到指定

位置。

四、数据表示

1.数字系统

数字系统是计算机数据的表示方式，常用的数字系统包括二进制、

八进制、十进制和十六进制等。在计算机系统中，二进制是最基本的

数据表示方式。

2.数据表示格式

数据在计算机中以位、字节、字等单位来表示，位是最小的数据单

元，字节由8位组成，字由若干字节构成。在计算机中，数据的表示

格式包括无符号数表示和有符号数表示。

五、计算机运算

1.计算机的算术逻辑单元

计算机的算术逻辑单元(ALU)是计算机执行算术和逻辑运算的核心

组件，包括加法、减法、与、或、非等运算。ALU通过控制单元的指

令执行相应的运算操作。

2.运算指令的执行

运算指令包括算术运算指令和逻辑运算指令，算术运算指令用于执

行加减乘除等算术运算，逻辑运算指令用于执行与或非等逻辑运算。

计算机根据指令集中的运算指令执行相应的运算操作。

六、控制单元

1.控制单元的功能

控制单元是计算机系统中指挥各个部件协调工作的核心部件，控制

单元通过时序控制器执行指令的取指、分析和执行过程。控制单元负

责控制计算机系统的工作流程，保证指令的正确执行。

2.控制单元的实现方式

控制单元通过微程序控制和硬布线控制两种方式实现，微程序控制

是通过预设的微指令序列控制指令的执行流程，硬布线控制是通过电

路连接控制指令的执行过程。控制单元的实现方式影响计算机系统的

性能和灵活性。

七、存储器

1.存储器的种类

存储器包括内部存储器和外部存储器，内部存储器用于存储数据和

程序，外部存储器用于扩展计算机的存储容量。内部存储器包括寄存

器、高速缓存和主存储器，外部存储器包括磁盘、光盘和闪存等。

2.存储器的访问方式

存储器的访问方式包括随机访问和串行访问，随机访问是根据地址

直接读写数据，串行访问是按照顺序读写数据。存储器的访问方式影

响计算机系统的数据传输效率和响应速度。

总结

通过本课程的学习，学生可以全面了解计算机组成原理的相关知识，

包括计算机系统的层次结构、指令系统、数据表示、计算机运算、控

制单元和存储器等内容。掌握这些知识有助于学生深入理解计算机工

作原理，提高计算机系统设计和应用能力。希望学生通过努力学习，

能够在计算机领域取得更大的成就。