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第二章计算机的基本工作原理与指令系统.ppt

第二章计算机的基本工作原理与指令系统

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2012-03-10 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第二章计算机的基本工作原理与指令系统ppt》,可适用于IT/计算机领域

第二章计算机的基本工作原理与指令系统第二章计算机的基本工作原理与指令系统本章主要内容:计算机系统的硬件结构计算机的五大主要部件计算机的总线结构CPU的组成与基本工作原理CPU的组成与基本工作原理计算机中数据信息的表示典型CPU的总体结构第二章计算机的基本工作原理与指令系统第二章计算机的基本工作原理与指令系统内存的组成及读写原理内存组成和基本结构内存的读写典型微机的内存接口内存堆栈与堆栈操作指令系统指令系统简介指令系统的发展计算机的工作过程指令的执行过程加速程序执行的方法计算机的主要部件计算机的主要部件五大基本部件:输入设备主存储器辅助存储器输出设备运算器控制器输入输出程序原始数据运算结果指令数据线控制信号线存储器计算机的主要部件计算机的主要部件运算器功能:算术运算和逻辑运算其主要部件:ALU(算术逻辑部件)控制器功能:使计算机能自动地执行程序并使各部分协调工作存储器功能:用于保存程序和数据主存储器(内部存储器):存放当前所执行程序的指令和数据辅助存储器(外部存储器):存放暂不参加运算的程序的指令和数据注意:一切程序和数据必须进入内存才能被计算机执行和使用。输入设备:用于程序和数据输入(标准设备:键盘、鼠标)输出设备:用于程序和数据输出(标准设备:显示器、打印机)计算机的主要部件计算机的主要部件在计算机五大部分中运算器和控制器是最核心的部分通常做在一个器件上称作CPU(CenterProcessingUnit)。CPU=控制器运算器(寄存器组)只有主存(内存)可直接与CPU交换信息它与CPU组合可实现计算机的基本功能。主机=CPU主存储器输入输出(InputOutput)设备和外存合称“外围设备”。外设=IO辅助存储器计算机的总线结构计算机的总线结构微型计算机通常把各大部件都连接在单一的一组总线上各部件间的信息交换都经过这组总线因此称其为系统总线。这种结构提高了CPU的工作效率而且外设连接灵活易于扩充。但由于所有部件都挂在同一组总线上而总线又只能分时的工作故同一时刻只允许一对设备(或部件)之间传送信息这使信息传送的吞吐率受到限制此外总线的管理也比较复杂。系统总线CPU内存接口外部设备接口外部设备…单总线结构计算机的总线结构计算机的总线结构总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路分时地发送与接收各部件的信息。计算机的五大部件之间就是通过(Bus)连接实现信息交换的。根据总线所传输的信息通常把总线分为地址总线、数据总线和控制总线。简称三大总线。三大总线=数据总线地址总线控制总线地址总线(AB):单向用于向内存、输入输出设备传输地址信息。数据总线(DB):双方传输各种数据信息。控制总线(CB):传输控制信息中央处理器的基本组成与基本工作原理中央处理器的基本组成与基本工作原理中央处理机CPU中央处理机即CPU,是计算机中最核心的部件用于进行运算和控制。微机所用的CPU芯片是将运算器、控制器和寄存器集成在一个半导体基片内称为微处理器。CPU的基本功能:执行指令、负责控制微机的所有动作(运算、控制、计算机与设备间的数据传送)CPU的组成:CPU内部的电路可以划分为运算电路和控制电路两大部分。主要组成部件包括运算器、控制器和寄存器组。运算器(也称“算术逻辑单元ALU:ArithmeticLogicUnit)其功能实执行算术运算、逻辑运算(至少一个ALU专用浮点数计算芯片“协处理器”或“浮点处理器”)控制器:指令执行的顺序、控制各种部件的动作寄存器组(R):暂存数据、命令计算机中数据信息的表示计算机中数据信息的表示数字化信息编码的概念:在计算机中数字是以一串“”或“”的二进制代码来表示的这是一种计算机唯一能识别的机器语言。所有需要计算机加以处理的数、字母、文字、图形、图象、声音等信息以及控制操作等命令(人读数据)都必须采用二进制编码(机读数据)来表示和处理。也就是说:在计算机内一切信息必须进行数字化编码(即用二进制代码形式)才能在机内传送、存储和处理。人们输入到计算机中的各种信息都要通过系统自动转换成计算机能处理的二进制数处理完成后系统把这些处理过的二进制数再自动还原成各种信息。即:输入→处理→输出(多类型信息)(二进制)(多类型信息)可用数码进位基数…KABCDEF逢K进逢进逢进逢进逢进KK进制十六进制八进制二进制十进制常用数制:二进制数的表示进制数之间的转换进制数之间的转换十六进制数→二进制数方法:将每位十六进制数用其对应的位二进制数代替即可。例:EH=B=BDH=B=B总结:总结:二进制表示的数位多不便于书写、阅读十进制数与二进制数之间的转换需计算不直观八进制、十六进制数与二进制数间转换方便、直观相对于二进制数八进制、十六进制数书写、阅读相对方便。原码、反码和补码为了使减法变成加法计算机中对负数引入原码、反码、补码三种表示方式(对于正数没有区别):原码:在数的绝对值前加入表示负号的()原→反码:保持原码的符号位不变其他各位取反()反→补码:保持原码的符号位不变其他各位取反后在最低位加()补→S符号位小数点|N|<定点整数S小数点|N|<=n––n位定点数表示方法例:表示表示–。例:表示表示–。定点小数浮点数表示方法浮点数表示方法例:(B)=×=×=×规范格式:尾数最高位为表示:–×表示:×表示:–×十进制数的表示十进制数的表示BCD码:二进制编码的十进制数(BinaryCodeDecimal)一般用四位二进制代码来表示一位十进制数使用最广泛的是码通常称其为标准BCD码(NBCD码)在X微处理器中干脆就称之为BCD码。码的主要特点:简单直观。从高到低各位的权分别为、、、。不允许出现~。这六个代码在码中是非法码。BCD码与二进制数之间转换没有直接关系必须先转换成十进制,然后转换成二进制。例:B=D=,,BCD,,BCD=D=B非数值数据的表示非数值数据的表示通常是指字符、字符串、图形符号和汉字等各种数据它们通常不用来表示数值的大小因此又称为非数值数据一般情况下不对它们进行算术运算。()ASCⅡ目前在微机上使用最广泛的是ASCⅡ(AmericanStandardCodeInformationInterchange,美国标准信息交换码以被ISO认定为国际标准)可表示种字符的位基本ASCⅡ码(国际通用)和可表示种字符的位扩充ASCⅡ码(可重新定义)。ASCⅡ码可分为:显示字符(例如键盘字符键的编码“”为“A”为)和控制字符(例如return、backspace键的编码分别为、)。ASCII字符编码表ASCII字符编码表非数值数据的表示(续)非数值数据的表示(续)()汉字编码汉字是一种象形文字无法直接用标准西文键盘输入必须经过转换间接输入汉字的字数也较多不能用单字节的ASCⅡ(个字符)来表示。因此按照不同的目的和需要产生了多种汉字编码系统与汉字输入方法。目前采用两个字节(可以表示K字符)的汉字编码方案。由于汉字的应用范围较广(东南亚国家)汉字的编码字符集不相同中国大陆常用GBGBK码台湾BIG。非数值数据的表示(续)非数值数据的表示(续)汉字的字数繁多字形复杂读音多变常用汉字有个左右。要在计算机中表示汉字最方便的方法是为每个汉字安排一个二进制编码而且要使这些编码与西文字元和其它字符有明显的区别。年我国国家标准总局公布了GB即《信息交换用汉字编码字符基本集》简称汉字国际码。该标准共收集常用汉字个其中一级汉字按拼音排序有个二级汉字按部首排序有个另外还有各种图形符号个共计个。GB规定每个汉字图形符号都用两个字节表示每个字节只使用低七位编码因此最多能表示出×=个汉字。非数值数据的表示(续)非数值数据的表示(续)因为汉字处理系统要保证中西文的兼容当系统中同时存在ASCII码和汉字国际码时将会产生二义性。例如:从内存中读出两个字节的内容为H和H它既可以表示汉字“啊”的国际码又可以表示西文“”和“!”的ASCII码。因此汉字国际码不能直接存储必须加以适当处理和变换这样就出现了汉字机内码。常用汉字机内码为两个字节的代码它是在相应汉字国际码的每个字节最高位上加“”即:汉字机内码=汉字国标码H。上述“啊”字的汉字国际码是H其汉字机内码则是BAH。现代微机系统中的数据类型举例(Pentium微处理器)现代微机系统中的数据类型举例(Pentium微处理器)现在微机系统中通常设有支持浮点运算的浮点部件(FPU)。对应以后嵌入于CPU内部。⑴无符号二进制数字节:位数存放在任何逻辑地址上的位二进制数。字:位数存放在任何字节地址开始的个相邻字节。双字:位数存放在任何字节地址开始的个相邻字(个相邻字节)。⑵带符号的二进制定点整数所有带符号的数都以补码形式表示符号位是最高位(MSB)。字节:补码表示的位带符号数。字整数(字):补码表示的位带符号数。短整数(双字):补码表示的位带符号数。长整数(四倍字):补码表示的位带符号数。CPU支持前种浮点部件(FPU)支持后种。现代微机系统中的数据类型举例(Pentium微处理器)现代微机系统中的数据类型举例(Pentium微处理器)⑶浮点数由FPU支持数据格式基于IEEE标准它与前面介绍的浮点数格式有一些差别。⑷BCD数BCD数分成压缩的BCD数(BCD数)和非压缩的BCD数(UBCD数)。压缩的BCD数是每个字节包含两位十进制数其低位在~位上高位在~位上而非压缩的BCD数每个字节仅包含一位十进制数在~位上。CPU支持两种BCD数而FPU只支持压缩的BCD数。(()串数据包括字节串、字符串和双字符串。Pentium中只有CPU支持串数据。()指针数据包括近指针和远指针两种。近指针位远指针位。算术运算与逻辑运算算术运算与逻辑运算()算术运算加法:=,=,=,=(向高位进位)减法:=,=,=,=(向高位借位)乘法:×=,×=,×=,×=在计算机中:乘法运算和除法运算是通过转换为加减法运算来实现的。()基本的逻辑运算逻辑或:v=,v=,v=,v=逻辑与:^=,^=,^=,^=逻辑非:!=!=其它的逻辑运算均可转换为这三种基本的逻辑运算。中央处理器的基本构成中央处理器的基本构成指令寄存器(IR)指令译码器(ID)操作控制器(OC)寄存器组(IR)通用寄存器组堆栈指针(SP)程序计数器(PC)累加器(ACC)累加器锁存器暂存器标志寄存器(FR)地址缓存器数据缓存器内部总线控制器运算器控制总线(CB)地址总线(AB)数据总线(DB)ALU是运算器的核心它是以全加器为基础辅以移位寄存器及相应的控制逻辑组合而成的电路在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除几各种逻辑运算。累加器是一个特殊的通用寄存器他总是提供送入ALU的两个运算操作数之一且运算后的结果又总是返回累加器。暂存器的作用保从将要送入ALU运算的操作数器。寄存器组用于暂存数据、命令指令寄存器组用于存放要执行的指令。根据指令内容发出控制信号。标志寄存器主要用于存放ALU操作结果的状态和特征:包括两部分内容:状态标志如:进位标志、结果为零标志等大多数运算类指令的执行将会影响到这些标志位。控制标志如:中断标志、陷阱标志等。。.运算器.运算器⑴累加器A:N位的寄存器用于保存运算过程中的有关数据。⑵暂存器:N位寄存器接收来自累加器和数据总线的数据。⑶加法器Σ:由N个全加器构成。加法器的两个输入:累加器A、暂存器加法器的输出:送入累加器A也可以发送给数据总线DB。控制器控制器⑴程序计数器PC又称指令计数器⑵指令寄存器IR存放从内存中取出的待执行的指令。⑶指令译码器ID又称操作码译码器或指令功能分析解释器。⑷地址形成部件⑸微操作信号发生器指令的执行都可分解成一系列微操作控制信号。微操作信号发生器的根据指令译码器的输出和时序部件提供的定时信号确定完成该指令所需要的步骤以及完成每一步骤所需要的控制信号组合。⑹时序部件给出定时信号以确定产生控制信号的具体时间。CPU中的寄存器CPU中的寄存器按功能分有通用寄存器和专用寄存器:⑴通用寄存器存放原始数据和运算结果作为变址寄存器、计数器、地址指针等。⑵专用寄存器程序计数器PC指令寄存器IR等状态标志寄存器主要包括两部分内容:状态标志如:进位标志、结果为零标志等大多数运算类指令的执行将会影响到这些标志位。控制标志如:中断标志、陷阱标志等。典型CPU的总体结构典型CPU的总体结构的内部结构:⑴执行部件EU⑴执行部件EUEU负责执行全部指令从BIU的指令队列中取得指令经控制单元译码、产生完成该指令所需的各种控制信号完成规定的操作。ALU进行算术、逻辑运算或计算出存储单元的位偏移地址送给BIU由BIU生成位的实际物理地址再与外部总线交换数据。EU的通用寄存器组暂存指令所要求的操作数据。⑵总线接口部件BIU⑵总线接口部件BIU负责CPU与内存、IO端口之间的信息传送。BIU从内存取指令送到指令队列CPU执行指令时BIU要配合EU的请求完成EU与内存单元或者IO端口中间的数据传送。BIU根据EU计算出来的位偏移地址及段寄存器提供的段首址通过地址产生器生成位的物理地址。BIU的指令队列缓冲器由个位的寄存器组成采用“先进先出”的原则顺序存放个字节的指令码每当指令队列中空出两个字节后BIU便自动地执行取指令操作。EU和BIU是两个独立的工作部件在大多数情况下它们能并行重叠操作在EU执行指令的同时BIU也在进行取指令、读操作数或存入结果数据的操作。寄存器结构寄存器结构内存的存储单元内存的存储单元存储单元:存放存储字或存储字节的内存空间。存储单元是CPU对主存可访问操作的最小存储单位。存储地址:存储单元的编号称为地址地址和存储单元之间有一对一的对应关系。一个存储单元可能存放一个字也可能存放一个字节这是由计算机的结构确定的。字节编址:最小寻址单位是一个字节相邻的存储单元地址指向相邻的存储字节。字编址:最小寻址单位是一个字相邻的存储单元地址指向相邻的存储字。对存储器的分段管理对存储器的分段管理根地址线:地址范围H~FFFFFH机器字长位:仅能表示地址范围H~FFFFHH~FHH~FHH~FH…FFFFH~FFFFFH段起始地址:低位均为(XXXX的形式)段的大小:小于K物理地址和逻辑地址物理地址和逻辑地址物理地址=段地址偏移地址物理地址:每个存储单元唯一的位地址逻辑地址:段地址:段起始地址的高位偏移地址:段内相对于段起始地址的偏移值(位)(有效地址EA)指令系统指令系统指令是微处理器执行某种操作的命令微处理器全部指令的集合称为指令系统。指令有两种书写格式:机器指令和符号指令。机器指令指令的二进制数描述硬件只能识别机器指令用机器指令书写的程序可以直接运行符号指令用规定的助记符和规定的书写格式书写的指令与机器指令一一对应需要翻译成机器指令才能运行MOVAL,指令的组成指令的组成操作码字段(OP)用来指明操作的性质及功能。地址码字段(A)操作数的地址或直接给出操作数。机器语言:用二进制代码表示的指令是唯一可以被CPU直接识别和执行的程序。汇编程序:赋予每条指令一种利于记忆的符号(助记符)用助记符指令编写的程序就是汇编程序。指令类型指令类型通常CPU的指令系统可以有上百条指令按功能可以分成:⑴数据传送类指令⑵算术、逻辑运算类指令⑶程序控制类指令⑷输入输出类指令指令系统的发展指令系统的发展指令系统的发展方向指令系统是伴随着计算机系统结构的完善和性能的提高而发展起来的指令系统的发展有两种不同的途径和方向:一种是一步增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能。按此方向发展指令系统日益庞大和复杂用这种途径设计成CPU的计算机称为复杂指令系统计算机(ComplexInstructionSetComputer)简称CISC。另一种是通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计的复杂度提高指令的执行速度。按此方向发展指令系统日益缩小和精简用这种途径设计成CPU的计算机即为精简指令系统计算机(ReducedInstructionSetComputer)简称RISC。.从CISC到RISC传统的计算机多属于CISCCISC的特点:指令系统多达几百条指令许多指令的功能异常复杂具有多种寻址方式。计算机的研制周期变得很长同时也增加了设计失误的可能性。而且由于复杂指令需进行复杂的操作有时还可能降低系统的执行速度。“%%律”RISC设计应遵循的原则:①只选择使用频度高的指令指令数目一般不超过条。②寻址方式种类少一般不超过种指令格式力求一致。③所有或大多数指令在单个机器周期内完成。④扩大通用寄存器的数目一般不少于个。⑤尽量减少访问内存除存(Load)、取(Store)指令外其它指令一律只对寄存器操作。⑥为提高指令执行速度大多数指令用硬连线控制实现少数指令才用微程序实现。⑦优化编译简单有效地支持高级语言的实现。汇编程序汇编程序工具软件编辑程序:文本编辑器汇编程序:MASM、ASM连接程序:LINK生成的文件汇编原程序:*ASM目标文件:*OBJ列表文件:*LST交叉引用表:*CRF可执行程序:*EXE连接映象:*MAP指令的执行过程指令的执行过程.指令执行的基本过程一条指令分为:取指令阶段、分析及取数阶段和执行阶段。⑴取指令将现行指令从内存中取出来并送至指令寄存器中去。具体的操作为:①将程序计数器PC中的内容通过地址总线AB送至内存地址寄存器AR。②向内存发读命令。③从内存中取出的指令经数据寄存器DR、数据总线DB送到指令寄存器IR中去。④将PC的内容递增为取下一条指令做好准备。加速程序执行的方法加速程序执行的方法对程序的执行控制一般有三种方式:顺序控制:一条指令执行完后方可取出下一条指令来执行。超前控制:一条指令尚未执行完提前将要执行的下一条指令取出。流水线控制:将多条指令重叠操作。顺序方式控制简单但速度慢机器各部件的利用率低。现代计算机多采用指令预取、重叠控制、流水线等方法。内存组成内存组成存储单元的地址和内容:存储器以字节(bit)为单位存储信息每个字节单元有一个地址从编号顺序加地址用二进制数表示(无符号整数写成十六进制)一个字要占用相继的两个字节低位字节存入低地址高位字节存入高地址机器以偶地址访问(读写)存储器字单元地址用它的低地址来表示内存组成内存组成三级存储系统计算机系统中规模较大的存储器往往分成若干级称为存储系统。内存储器(主存储器)外存储器(辅助存储器)高速缓冲存储器(Cache)Cache通常在CPU的外部以上的微处理器中为了进一步提高CPU的运行效率在CPU的内部又设置了一个Cache。Cache对用户是透明的。CPU内部的Cache称为一级Cache(LCache)CPU外部的Cache称为二级Cache(LCache)内存组成内存组成.内存储器的的基本结构⑴存储体k个存储单元(n位)组成全部存储单元统一编号。⑵地址寄存器AR⑶地址译码器⑷数据寄存器DR⑸读写电路⑹控制逻辑电路使内存在严格的时序逻辑中执行读或写操作。汇编程序汇编程序汇编语言是一种面向CPU指令系统的程序设计语言用汇编语言编写的程序称作汇编程序或汇编语言源程序。用汇编语言编写的一条汇编程序语句由四个域组成:名字操作符操作数:注释一个完整的程序则包括段定义、数据定义、程序段定义和程序指令语句以及正确的数据结构。指令语句包括:指令、标号和注释。伪指令语句是为汇编语言和连接程序提供的含有必要控制信息的管理性语句。汇编时伪指令不会产生目标代码。伪指令语句对应的伪操作在汇编过程中完成。宏指令语句由标号、宏指令和注释组成是按照宏指令定义规则组成的一组指令语句和伪指令语句的集合。指令的执行过程指令的执行过程⑵分析及取数指令译码器ID识别和区分不同的指令类型及各种获取操作数的方法无操作数指令即转执行阶段。带操作数指令需要读取操作数⑶执行执行阶段完成指令规定的各种操作形成稳定的运算结果并将其存储起来。一段程序的执行过程一段程序的执行过程计算abc=(a、b、c为三个原始的数据)为简化设计指令和数据放在同一段中。完成这个任务至少需要五条指令:第一步执行取数指令从内存号单元取出数a送入累加器A中第二步执行加法指令从内存号单元取出数b与累加器中的a一起送到运算器中相加结果ab保留在累加器中第三步执行减法指令将累加器中的内容与从内存号单元取出的数c一起送到运算器中相减结果abc保留在累加器中第四步执行存数指令把累加器的内容存至内存号单元第五步执行停机指令计算机停止工作。

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