计算机组成原理第一章.ppt

计算机组成原理 主讲 张凯数学与计算机科学系2007 2008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 13590059258Email newwz2008 教学资源网站 http 221 4 246 180 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 JohnLouisvonNeumann1903 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 P24a b 程序流程图的绘制 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 A a B b 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 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 IBM PC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公司 主要以生产CPU著称 此外还有AMD VIA 中国芯 等CPU芯片 Inter8086 8088 8位机 学习机 游戏机Inter80286 16位机 对8086的改进Inter80386 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 DOSUC DOSCC DOS WINDOWS系列 UNIXLINUX 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 PC Tools 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RASIS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102451225612864321684210 50 250 1250 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 11101B D4 0 1 0 5 0 25 0 125 0 0 03125 5 90625十进制转换成二进制29 375D B29 375D 11101 011B 例子 29 2 14 1 2 7 0 2 1 3 2 1 1 29D 11101B除2取余 0 375 2 0 75 2 2 1 5 0 1 1 1 0 1 0 375D 0 011B乘2取整 0 二进制的运算法则 加法1 1 101 0 10 0 0减法1 1 01 0 1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 8 5 8 6 40 46十六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同样的道理 也是利用位权来转换如 十六进制56 十进制6 16 5 16 6 80 86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 3579D 0011010101111001B0011010101111001B举个例子4687D 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 101 101 01 商 机器数 有符号数与无符号数的区别无符号数1111B 15有符号数1111B 7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是有区别的 真值与机器数 原码 真值机器数 101101011 101111011 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X 1011 X 原 01011则 X 反 X 原 01011负数的反码令X 1011 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X 0 1101 Y 0 0001 求X Y X 原 1 1101 Y 原 1 0001 X 反 1 0010 Y 反 1 1110 Y 反 1 111011 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X 1011 X 原 01011则 X 补 X 原 X 反 01011负数的补码令X 1011 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X 0 1101 Y 0 0001 求X Y X 原 1 1101 Y 原 1 0001 X 反 1 0010 Y 反 1 1110 X 补 1 0011 Y 补 1 1111则 X 补 1 0011 Y 补 1 111111 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X 1100 Y 1011 求X Y 思路 X Y 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1 Y的补码3 最后X的补码 Y 的补码 还原成为真值X Y 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1 18 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 K 3 步骤一 M X 1100步骤二 G X 1011K 3步骤三 M X X G X 1100000 1011 1110 010R 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 000R 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 Y 10110 求X Y 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1 2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87个字符构成 包括 26个大写字母 26小写字母10个数字0 925个特殊字符如 等ASCII码表 查出来的ASCII码是7位的 但是在进行数据传输的时候 通常会在最高位加上一位奇偶校验码 构成8位一个字节 通过观察ASCII码表 发现ASCII码大小顺序从小到大为 特殊字符 数字 大写字母 小写字母 如 A 和 a 的ASCII码比较 逻辑运算的开关电路 逻辑与运算AND110101AND101010100000真值表 A B X 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 逻辑运算的开关电路 逻辑或运算OR110101OR101010111111真值表 A B X 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 逻辑运算的开关电路 逻辑非运算NOT110101NOT001010真值表 A X 0 1 0 1 逻辑运算的开关电路 逻辑异或运算XOR110101XOR101010011111真值表 A B X 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 机器数的浮点和定点表示法 一般来说 一个任意二进制数N可以表示成 N M 2其中 E为阶码 M为尾数 有效数字 阶码与数表示的范围有关 阶码部分占的位数越多 能表示的数的范围就越大 尾数与数的精确度有关 尾数部分的有效位减少 则精确度降低 E 作业 第一章作业第1题 第4题 第6题 第23题 第36题要求做在作业本上 请学习委员把作业放在系3 301教师办公室