《《计算机组织与系统结构》-季福坤-电子教案 第2章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《计算机组织与系统结构》-季福坤-电子教案 第2章（64页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/5/24,第二章,1,第2章 计算机体系结构,本章学习目标 本章将介绍计算机指令系统与汇编语言的一些基本概念；计算机的基本组成；CPU的组成、存储器系统的组成、输入/输出系统等。通过本章的学习，应该重点掌握和理解以下内容： 了解计算指令系统 掌握计算机的总线结构、时钟与指令周期 掌握CPU的组成结构 掌握存储器系统的组成与接口电路 掌握I/O系统的组成与接口电路 了解一个简单的计算机系统模型,2019/5/24,第一章,2,2.1 计算机指令系统与汇编语言,2.2 基本的计算机组成,2.3 CPU的组成,2.4 存储器组成系统与接口,退出,第2章 计算机体系结构,2.5 输入/输出系
2、统及接口电路,2.6 一个简单的计算机模型,2.7 基于INTEL 8086/8088的计算机系统,2019/5/24,第一章,3,2.1.1 计算机指令与汇编语言,2.1.2 指令系统初步,退出,2.1 计算机指令系统与汇编语言,2019/5/24,第二章,4,2.1 计算机指令系统与汇编语言,2.1.1 计算机指令与汇编语言 计算机能直接识别和运行的软件程序通常由该计算机的指令代码组成。计算机的指令，就是要计算机执行某种操作的命令。 计算机的程序，就是人们把需要用计算机解决的问题变换成计算机能够识别的一串指令或语句。一般来说，可以选择三种同层次的计算机语言来编写程序，即机器语言、汇编语言和
3、高级语言。 机器语言是一种用二进制符号表示指令和数据，能被机器直接识别的计算机语言。在计算机出现的早期，人们都是使用机器语言编写程序的。它的缺点是不直观、不易理解和记忆，因此编写、阅读和修改机器语言程序比较繁琐。但机器语言程序是计算机惟一能够直接理解和执行的程序，具有执行速度快、占用内存少等特点。,1. 机器语言（Machine Language）,2019/5/24,第二章,5,汇编语言是一种采用助记符表示的程序设计语言，即用助记符来表示指令的操作码和操作数，用标号或符号代表地址、常量或变量。助记符一般都是用英文字母的缩写，以方便人们书写、阅读和检查。实际上，用汇编语言编写的汇编语言源程序就
4、是机器语言程序的符号表示，汇编语言源程序与其经过汇编所产生的目标程序（即机器语言程序）之间有明显的一一对应关系，所以也称汇编语言为符号语言。 用汇编语言编写的源程序需要翻译成目标程序才能被机器执行，这个翻译过程称为汇编，完成汇编任务的程序称为汇编程序。 不同的机器有不同的指令，每一种微处理器都有自己的汇编语言。所以用汇编语言编写的程序不能在其他类型的机器上运行。,2. 汇编语言（Assembly Language）,2019/5/24,第二章,6,如果说机器语言是面向机器的，那么高级语言（如BASIC、FORTRAN等）则是面向过程的语言。利用这些语言编程，程序员可以完全不考虑机器的结构特点，
5、不必了解和熟悉机器的指令系统，仅使用一些接近人们书写习惯的英语和数学表达式形式的语句去编制程序。这样编写的程序与问题本身的数学模型之间有着良好的对应关系，可在各种机器上执行（不同机器之间仅做少量的修改）。但是，这种用高级语言编写的源程序并不能在机器的直接执行，需要被翻译成对应的目标程序，机器才能运行。把具有这种翻译作用的程序称为解释程序或汇编程序。,3. 高级语言（High Language）,2019/5/24,第二章,7,2.1.2 指令系统初步 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而
6、且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。 在20 世纪50 年代和60年代早期，由于计算机采用电子管或晶体管，不但体积庞大，而且价格昂贵，因此大多数计算的硬件结构比较简单。所支持的指令系统一般只有定点加减、逻辑运算、数据传送和转移等十几至几十条指令，并且寻址方式简单。60 年代中期以后，随着集成电路的出现，计算机的价格不断下降，硬件功能不断增强，指令系统也越来越丰富。除了具有以上最基本的指令外，还增加了乘除法运算指令、浮点运算指令、十进制运算指令以及字符串处理指令等，指令数目多达一、二百条，寻址方式也趋于多样化。,2019/5/24,第二章,8,随着集成电路的发展和计算机应用领域的不断扩
7、大，计算的软件价格不断提高。为了继承已有的软件，减少软件的开发费用，人们迫切希望各种机器上的软件能够兼容，以便在旧机器上编制的各种软件能在新的、性能更好的机器上运行，因此60年代后期出现了系列（series）计算机.。所谓系列计算机，是指基本指令相同、基本体系结构相同的一系列计算机。 计算机发展至今，其硬件结构随着超大规模集成电路（VLSI）技术的飞速发展而越来越复杂化，所支持的指令系统也趋于多用途、强功能化。大多数计算机的指令系统多达几百条指令。我们称这些计算机为复杂指令系统计算机，简称CISC。然而，指令系统的过分复杂也会带来一些不利因素，如设计周期长，正确性难以保证且不易维护等，为此人们
8、提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机，简称RISC。,2019/5/24,第二章,9,一个完美的指令系统应满足以下要求： 1 指令系统的完备性，常用指令齐全，编程方便。 完备性使之用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便 。 2 指令系统的有效性，程序占用内存空间少，运行速度快。 有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。高效率主要表现在程序占用内存空间少、执行速度快。 3指令系统的规整性，指令和数据使用规则统一，易学易记 规整性包括指令系统的对称性、均匀性、指令格式和数据格式的一致性。对称性
9、是指在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可以同等对待，所有的指令都可以使用各种寻址方式；均匀性是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型；指令格式和数据格式的一致性是指指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。 4指令系统的兼容性，同一系列的低档计算机的程序能在新的高档机上直接运行。 系列机之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。,2019/5/24,第二章,10,下面以8088指令系统为例，简要介绍它的指令格式、指令种类及指令功能。 1. 指令格式 8088指令系统的指令类型较多，功能很强。各种指令由于功能不同，需要指令码提供的信
10、息也不同。为了满足不同功能的要求又要尽量减少指令所占的空间，8088指令系统采用了一种灵活的、由16个字节组成的变字长的指令格式，包括操作码、寻址方式以及操作数三个部分。通常指令的第一字节为操作码（OPCODE），用以规定操作的类型；第二个字节规定操作数的寻址方式(MOD)。接着以后的36字节可以是： 无其他字节； 一个两字节的有效地址EA（使用于直接寻址方式）； 一个8/16位的位移量； 一个8/16位的立即数；,2019/5/24,第二章,11, 一个8/16位的位移量，其后再跟8/16为立即数； 一个两字节的偏移地址，再跟一个两字节的段地址（用于段间程序 直接转移）。 2. 指令种类及指
11、令功能 8088的指令系统大致可分为以下六种类型： 1) 数据传送指令 2) 算术运算指令 3) 位操作指令 4) 串操作指令 5）程序控制指令 6) 处理器控制指令,2019/5/24,第一章,12,2.2.1 总线结构,2.2.2 计算机的时钟与指令周期,退出,2.2 基本的计算机组成,2019/5/24,第二章,13,2.2 基本的计算机组成,多数计算机系统，都有相同的基本结构。基本组成包括三个主要部件：CPU、存储器子系统和I/O子系统。这些部件的一般组成如图2-1所示。,图2-1 一般计算机的组成,2019/5/24,第二章,14,2.2.1 总线结构 总线（Bus）是连接两个或多个
12、设备的公共通信通路。总线的关键特征是共享传输介质。多种设备连接到总线上，一个设备发出的信号可以被其他所有连接到总线上的设备所接收。计算机的部件都是连接在总线上的。为了将信息从一个部件传到另一个部件，源部件先将数据输出到总线上，然后目的部件再从总线上接收这些数据。计算机各部件之间的通信当然可以采用专用传输线路直接两两相连，但随着计算机系统复杂性的不断增长，使用总线可以提高效率。同时与大量的直接连接相比，总线使用较少的电路板空间，耗能更少，并且在芯片或组成CPU的芯片组上需要较少的引脚。,2019/5/24,第二章,15,计算机系统含有多种总线，它们在计算机系统的各个层次提供部件之间的通路，大致可
13、分为三类： 1 内部总线：指CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。 2 系统总线：指CPU同计算机系统的其他具有高速传输功能的部件，如存储器、通道等互相连接的总线。 I/O总线：指中、低速I/O设备之间互相连接的总线。 最常见的计算机互连结构使用一个或多个系统总线。系统总线通常包含50100条分立的导线，每条总线被赋予一个特定的含义或功能。按其传送的信号可分为地址总线、数据总线和控制总线3类。,2019/5/24,第二章,16,地址总线（address bus）是计算机传送地址信息的信号线，与其他总线不同，地址总线地单向的，即地址总线总是从CPU上接收信息，而CPU从不读取地址总线，地址
14、总线的位数决定存储空间的大小。当CPU从存储器读取数据或指令，或写数据到存储器时，它必须指明将要访问的存储器单元地址。CPU输出地址到地址总线上，而存储器从地址总线上读取地址，并且用它来访问正确的存储单元。每个I/O设备，如键盘、显示器或磁盘，同样都有一个唯一的地址。当访问某个I/O设备时，CPU将此设备的地址放到地址总线上。每一设备均从总线上读取地址并且判断自己是不是要访问的设备。 数据总线（data bus）是用来传输数据和代码信息的信号线。数据线的宽度与计算机的字长及内存单元的位宽是一致的，它是双向的，以便在CPU与存储器、I/O设备之间进行数据的往返传输。当CPU从存储器中读取信息时，
15、它首先把存储器地址输出到地址总线上，然后存储器输出数据到数据总线上，这样CPU就可以从数据总线上读取数据了。当,2019/5/24,第二章,17,CPU向存储器中写数据时，它首先输出地址到地址总线上，然后输出数据到数据总线上，这样存储器就可以从数据总线上读取数据并将它存储到正确的单元中。对I/O设备读写数据的过程也是如此。 控制总线（control bus）是用来传送状态和控制信号的信号线，用来实现命令、状态的传送，中断、直接存储器存取的控制，以及提供系统使用的时钟和复位信号等，控制和状态的传送是相互的，但就每一根控制线而言则是单向的。地址总线由n根线构成，n根线联合传送一个n位的地址值。控制
16、总线是单根控制信号的集合。这些信号用来指示数据是要读入CPU还是要从CPU写出，CPU是要访问存储器还是I/O设备，I/O设备还是存储器已就绪要传送数据等等。虽然图2-1中的控制总线看起来是双向的，但实际上主要是单向信号的集合。 大多数信号是从CPU输出到存储器及I/O子系统的，只有少数是从这些子系统输出到CPU的。,2019/5/24,第二章,18,2.2.2 计算机的时钟与指令周期 CPU执行指令的过程可简单概括如下：首先取指令，CPU从寄存器读取指令，然后将指令译码，辨识该指令要执行什么操作，最后，是控制电路发出若干控制信号，控制有关部件执行这条指令所表示的操作。流程图如图2-2所示。 首先，CPU把指令的地址放到地址总线上，然后，存储器子系统从总线上输入该地址并予以译码，并访问指定的存储单元。 CPU为存储器留出充足的时间来对地址译码和访问所需的存储单元，当CPU准备好可以从存储器或I/O设备读取数据时，它就在控制总线上发出一个读（READ）。根据CPU的不同，读信号可能是高电平有效（信号
