《南京大学计算机组成原理》课件.ppt

南京大学计算机组成原理

课程概述与教学安排本课程将系统讲解计算机组成原理的核心概念，包括计算机系统的层次结构、冯·诺依曼模型、指令系统、存储系统、输入输出系统等。教学内容分为理论讲解、实验操作和课程设计三个部分。理论讲解主要介绍计算机组成的基本原理和设计方法，实验操作通过实际操作加深对理论知识的理解，课程设计则综合运用所学知识，设计一个简单的计算机系统。每周安排3学时理论课和2学时实验课。课程考核方式包括平时成绩（30%）、实验成绩（30%）和期末考试成绩（40%）。平时成绩主要考察课堂参与度、作业完成情况等。实验成绩主要考察实验报告质量、实验操作技能等。期末考试成绩主要考察对课程理论知识的掌握程度。鼓励学生积极参与讨论，提出问题，共同进步。理论课程系统讲解计算机组成原理的核心概念，包括计算机系统的层次结构、冯·诺依曼模型、指令系统、存储系统、输入输出系统等。实验操作

计算机系统的层次结构计算机系统是一个复杂的层次结构，从上到下依次为应用软件、操作系统、系统软件、指令集体系结构（ISA）、硬件五个层次。每个层次都建立在下一层的基础之上，并向上层提供服务。应用软件是用户直接使用的软件，操作系统管理计算机的资源，系统软件提供一些公共的服务，指令集体系结构定义了计算机可以执行的指令，硬件是计算机系统的物理基础。理解计算机系统的层次结构，有助于我们更好地理解计算机系统是如何运作的。不同层次之间的接口是至关重要的，例如，应用软件通过操作系统提供的接口来访问硬件资源。指令集体系结构是硬件和软件之间的桥梁，它定义了软件可以使用的指令，以及硬件如何执行这些指令。在设计计算机系统时，需要充分考虑各个层次之间的接口，以确保系统的正确性和高效性。应用软件用户直接使用的软件操作系统管理计算机的资源系统软件提供公共的服务硬件

冯·诺依曼计算机模型冯·诺依曼计算机模型是现代计算机的基础，它定义了计算机的基本结构和工作方式。冯·诺依曼模型包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分。其中，存储器用于存储程序和数据，运算器用于执行算术和逻辑运算，控制器用于控制程序的执行，输入设备用于将数据输入计算机，输出设备用于将计算机的计算结果输出。冯·诺依曼模型的特点是采用二进制、存储程序和顺序执行。尽管现代计算机在冯·诺依曼模型的基础上进行了很大的改进，但其基本结构和工作方式仍然遵循冯·诺依曼模型的思想。理解冯·诺依曼模型，有助于我们更好地理解计算机的工作原理。例如，程序存储的概念使得计算机可以自动执行程序，而不需要人工干预。顺序执行的概念使得计算机可以按照指令的顺序执行程序，从而完成复杂的计算任务。运算器执行算术和逻辑运算控制器控制程序的执行存储器存储程序和数据输出设备

计算机性能评价指标计算机性能评价指标是衡量计算机系统性能的重要标准。常用的性能评价指标包括吞吐量、响应时间、CPU利用率、内存利用率、磁盘利用率等。吞吐量是指单位时间内计算机系统处理的任务数量，响应时间是指计算机系统对用户请求的响应时间，CPU利用率是指CPU的忙碌程度，内存利用率是指内存的使用情况，磁盘利用率是指磁盘的使用情况。选择合适的性能评价指标，可以帮助我们更好地了解计算机系统的性能瓶颈，并进行优化。不同的应用场景对计算机性能的要求不同。例如，对于科学计算应用，吞吐量是一个重要的性能指标，因为科学计算应用通常需要处理大量的数据。对于交互式应用，响应时间是一个重要的性能指标，因为交互式应用需要快速响应用户的请求。在选择计算机系统时，需要根据具体的应用场景，选择合适的性能评价指标。1吞吐量单位时间内处理的任务数量2响应时间对用户请求的响应时间3CPU利用率CPU的忙碌程度4内存利用率内存的使用情况

数制与编码：二进制运算计算机中使用二进制表示数据，因此二进制运算是计算机组成原理的重要组成部分。二进制运算包括加法、减法、乘法、除法等。二进制加法遵循逢二进一的原则，二进制减法需要考虑借位，二进制乘法可以通过移位和加法实现，二进制除法可以通过移位和减法实现。掌握二进制运算，有助于我们更好地理解计算机是如何进行计算的。二进制运算在计算机中有着广泛的应用。例如，计算机中的算术逻辑单元（ALU）就是通过二进制运算来实现各种算术和逻辑操作的。在进行程序设计时，也需要了解二进制运算的规则，才能编写出高效的程序。例如，可以使用位运算来实现一些高效的算法。加法逢二进一1减法考虑借位2乘法移位和加法3除法移位和减法4

数制与编码：补码表示法补码是一种常用的有符号数的表示方法，它可以将减法运算转换为加法运算，简化了计算机的设计。补码的计算方法是，正数的补码等于其原码，负数的补码等于其反码加1。例如，+5的补码-5的补码使用补码表示法，可以避免出现+0和-0两种表示方法。