《计算机组成》课件.pptVIP

计算机组成欢迎来到计算机组成课程，这是一门探索计算机系统基础架构的核心课程。通过本课程，您将深入了解计算机硬件的基本原理、组织结构以及工作机制，掌握从微观电路到宏观系统的完整知识体系。本课程将带您探索计算机的核心组件如何协同工作，理解信息如何在系统内部表示、存储和处理，以及计算机系统如何执行指令并完成各种复杂任务。

课程简介1课程目标通过本课程学习，学生将掌握计算机系统的基本组成原理，理解计算机硬件的工作机制，能够分析计算机系统的性能指标，并了解计算机体系结构的发展趋势。这些知识将为后续专业课程学习和计算机系统设计打下坚实基础。2课程内容课程内容涵盖计算机系统概述、数据表示与运算、存储系统、指令系统、中央处理器、总线系统、输入/输出系统等核心知识点，系统地介绍计算机硬件的基本组成和工作原理。3学习方法建议采用理论结合实践的学习方法，除了理解课堂讲解的理论知识外，还需要通过实验和编程练习巩固所学内容。同时，阅读相关专业书籍和论文，关注计算机硬件的必威体育精装版发展动态。

计算机系统概述1第一代计算机(1945-1955)以电子管为主要元件，体积庞大，耗电量大，可靠性低，主要用于军事计算。代表机型有美国的ENIAC和EDVAC等。这一时期计算机的运算速度大约为每秒几千次。2第二代计算机(1955-1965)以晶体管为主要元件，体积和耗电量大幅减少，可靠性提高，开始用于科学计算和商业应用。这一时期，高级编程语言如FORTRAN和COBOL开始出现。3第三代计算机(1965-1975)以中小规模集成电路为主要元件，体积进一步减小，性能显著提升，操作系统技术开始成熟。代表产品有IBMSystem/360系列。4第四代计算机(1975至今)以大规模和超大规模集成电路为主要元件，微处理器技术兴起，个人计算机普及，网络技术发展迅速，计算能力呈指数级增长。

冯·诺依曼体系结构存储程序原理程序和数据都以二进制形式存储在存储器中，计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令并执行。这一原理使得计算机可以灵活地执行不同的任务，只需要更换程序而无需更改硬件结构。五大基本组成部分冯·诺依曼提出计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。这种结构奠定了现代计算机的基础架构，至今仍被广泛采用。二进制编码计算机内部采用二进制表示和处理数据，这使得电子线路设计简单，能够利用开和关两种状态表示信息，并且便于实现逻辑运算和数值计算。顺序执行指令指令按照其在程序中的顺序被逐条执行，除非遇到特定的跳转指令。这种简单的控制流程使得程序设计和执行变得直观和可预测。

计算机硬件组成运算器负责执行各种算术运算和逻辑运算，是计算机的核心计算部件。主要包括算术逻辑单元(ALU)、各种寄存器以及数据通路。运算器能够执行加、减、乘、除等基本算术运算，以及与、或、非等逻辑运算。控制器负责解释指令并产生各种控制信号，协调计算机各部件工作。控制器根据指令的操作码，确定要执行的操作，并发出相应的控制信号，指导运算器、存储器和输入/输出设备完成相应的操作。存储器用于存储程序和数据，分为主存储器和辅助存储器。主存储器包括内存(RAM)和只读存储器(ROM)，具有高速度但容量有限；辅助存储器如硬盘、光盘等，容量大但速度较慢。输入/输出设备输入设备用于将外部信息输入计算机，如键盘、鼠标；输出设备用于将计算机处理结果输出，如显示器、打印机。I/O设备通过相应的接口与计算机主机相连，实现数据交换。

计算机性能指标CPU时钟周期CPU执行最基本操作所需的时间单位，通常以纳秒(ns)或皮秒(ps)为单位。时钟周期越短，CPU的基本操作速度越快。1主频CPU内部时钟的频率，表示CPU每秒钟执行的时钟周期数，单位为赫兹(Hz)。主频越高，CPU在单位时间内完成的基本操作越多。2CPI每条指令执行所需的平均时钟周期数，反映了指令执行的效率。CPI越小，表示指令执行效率越高。3MIPS每秒执行的百万条指令数，是衡量计算机处理速度的重要指标。MIPS值越高，表示计算机每秒能处理的指令越多。4FLOPS每秒执行的浮点运算次数，主要用于衡量科学计算领域的计算机性能。现代超级计算机的性能已达到PFlops(每秒千万亿次浮点运算)级别。5

数据的表示与运算数据表示的基本问题计算机内部所有信息都必须以二进制形式表示，包括数值数据、字符数据、图像数据等。不同类型的数据采用不同的编码方式，通过特定的转换规则将人类可理解的信息转换为计算机可处理的二进制形式。数据表示的层次结构计算机中的数据表示可分为多个层次：最底层是物理信号层，通常以电压高低表示二进制值；中间层是逻辑层，将二进制序列解释为不同类型的数据；最上层是应用层，以人类可理解的形式呈现数据。数据运算的基本原理计算机中的数据运算是在二进制系统下进行的，包括算术运算和逻