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1、第三章 数据处理,3.1 机器指令,软件的主体是程序，程序的核心是算法。 算法：描述求解特定问题的操作步骤的集合。 计算机唯一可以理解的程序设计语言机器语言。 用0、1编码来表示的基本操作机器指令。,3.1.1 算法中的基本操作,二进制求和的算法步骤为： 将被加数放于内存单元x中 将加数放于内存单元y中 把x中的数值加上y中的数值的，其和存放在内存单元sum中,那么，将会有两个问题： 如果每次处理的数据都要通过去查找内存地址找到某个内存单元来取数，处理后又放回内存单元中，可以想象效率很低。 并且我们是采用0，1编码来编写机器指令的，那么编码长度将会很长。,如何处理这两个问题呢？我们引入寄存器的
2、概念 寄存器：是CPU内的组成部份，是有限存储容量的高速存储部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。,引入寄存器后，二进制数求和的算法步骤如下： 从内存单元x中取出被加数放于寄存器A 寄存器A中的数值加上从内存单元y中的数值，其和存于寄存器A中 把寄存器A中的数值存于内存单元sum中,3.1.2 机器指令,方法就是：我们将这些基本操作编码为计算机可识别和处理的命令，即机器指令。 一条由0、1编码而成的机器指令由两部分组成： 包含有指出操作类型的操作码 以及指出操作数地址的地址码,指令的基本格式,按一条指令所包含的地址码的个数，指令格式可分为：三内存地址、二内存地址、单内存地址和零内存地址指令。
3、（a）三地址指令：,它所实现的功能是： 从源地址d1和d2中取出两个操作数，进行操作（例如加法操作），并将结果送入目标地址d3中。 可记为： d3 （d1 ）（ d2）,（b）二地址指令： 其功能可记为： d2 （d1 ）（ d2）,（c）单地址指令： 其功能可记为： A （A ）（ d）,（d）零地址指令： 这是一种特殊的没有地址码的指令，如空操作指令、停机指令等。,前面讨论的两个二进制数相加的算法为： 从内存单元100000中取出被加数放于寄存器A中 寄存器A中的数值加上从内存单元100001中的数值，其和存于寄存器A中 把寄存器A中的数值存于内存单元100010中 结束程序运行,这里我们
4、假设，操作码部分用高4位来表示，操作数部分12位用前2位编码寄存器的编号，后10位用来表示内存单元地址。（寄存器编号为00表示寄存器A）,同时假设：,从内存单元100000中取出被加数放于寄存器A中 该操作的机器指令为： 0001 00 0000100000,寄存器A中的数值加上从内存单元100001中的数值，其和存于寄存器A中 该操作的机器指令为： 0011 00 0000100001,把寄存器A中的数值存于内存单元100010中 该操作的机器指令为： 0010 00 0000100010,结束程序运行 该操作的机器指令为： 0000 00 0000000000,计算机进行数据处理时，既要有
5、程序，也要有数据。因此，通常把内存单元分为程序区和数据区。,程序区,数据区,3.1.3 指令系统,我们把一台计算机的机器指令集合称为该计算机的指令系统。 当两台计算机对于相同的机器指令形式的程序理解和处理相同时，我们称这两台计算机是在机器指令级别兼容，否则，称在机器指令级别不兼容。 把机器指令的位数称为计算机的字长。显然，计算机字长越长性能越好。,3.2 中央处理器,有条不紊地执行机器指令形式的程序是由中央处理器来完成的。 具有如下四个方面的基本功能： 指令控制：程序的顺序控制 操作控制：CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号来控制各个部件 时间控制：对各种操作实施时间上的定时 数据加
6、工：对数据进行算术和逻辑运算,3.2.1 CPU的基本构成,传统的CPU由运算器和控制器两大部分组成。但随着浮点运算器、cache等纷纷移入CPU内部，因此CPU的基本部分变成了运算器、cache和控制器。,运算器：相对于控制器而言，它是接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。 主要有两个功能： 执行所有的算术运算 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。,运算器包括： 通用寄存器：由触发器及其输入控制电路所组成，用来存放当前操作要临时存放的数据。 变址寄存器：用来存放变址操作时的变址基址数据。 加法器部件
7、：主要由加法器和相关控制电路组成。,控制器：是统一指挥和控制计算机各个部件按时序协调操作的中心部件。 具备下列功能： 根据指令在存储器中存放的地址，取出指令，并分析指令，以判别取出的是什么指令。 根据判别的结果，按一定的时序发出控制该指令的操作控制信号。,当执行完一条指令后，便自动从存储器中取出下一条要执行的指令。 控制器包括： 程序计数器：用来存放即将要执行的机器指令在内存中的地址。 地址形成器：实现程序计数器的内容自动加1、转移地址的形成、以及根据指令所提供的信息形成操作数的有效地址。,指令寄存器：用来存放从寄存器取出的指令。 操作码译码器：又称指令译码器。用来实现对指令操作码（ ）的译码
8、。 操作控制器：按照每条指令的功能要求，向CPU的上述部件及计算机的其他组成部件发送控制信号。,3.2.2 CPU的工作原理,3.2.3 机器指令的寻址方式,机器指令中的地址码不一定是操作数的真正存放地址，它是根据指令的操作码和地址码所提供的信息，按一定的规则形成的，称这一规则为寻址方式。,由寻址方式形成的操作数的真正存放地址， 称为操作数的有效地址，用符号EA表示。 常见的寻址方式有以下5种： 直接寻址方式：x=001，则EA=d。 d即为操作数的有效地址。 间接寻址方式： x=010，则EA=（d）。 d为操作数地址的地址。,相对寻址方式： x=011，则EA=PC+d。 PC指程序计数器
9、。 变址寻址方式： x=100，则EA=IX+d。 IX指变址寄存器。 立即寻址方式： x=101。 形式地址d的数值即为操作数。,3.3 逻辑运算和逻辑指令,机器指令实现的逻辑运算，我们简称为逻辑指令。 逻辑指令通常会在两种情况下用到： 机器状态的检测。 程序设计中的组合条件判断。,3.4 计算机的组成3.4.1计算机硬件的基本组成,（1）计算机系统的硬件组成 参考书上P45 图3-6 （2）总线：各部件之间的数据传送通道。 分为：地址总线（ABUS）、数据总线（DBUS）、控制总线（CBUS）。,片内总线：指在一个芯片内链接各个逻辑单元的总线。 补充知识： 片间总线：指链接一台计算机各组成芯片（CPU、主存储器、I/O接口等芯片）的总线。,
