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1、主要内容第第2章章 数据操控数据操控计算机体系结构计算机体系结构机器语言机器语言程序的执行程序的执行算术算术/ /逻辑指令逻辑指令与其他设备的通信与其他设备的通信其他体系结构其他体系结构计算机体系结构l计算机中实现计算机中实现控制数据操控控制数据操控的电路，是作为计算机的一个独立的电路，是作为计算机的一个独立的部分存在的，称为的部分存在的，称为中央处理器（中央处理器（CPUCPU）。l早期的早期的CPUCPU体积庞大，今天的体积庞大，今天的CPUCPU体积很小、集成度高。体积很小、集成度高。计算机体系结构CPUCPU的外部特征，以及在计算机中的物理位置的外部特征，以及在计算机中的物理位置CPU
2、主板主板计算机体系结构CPUCPU的组成的组成l算术算术/ /逻辑单元（逻辑单元（arithmetic/logic unitarithmetic/logic unit） ALUALU实现数据操作的电路，包括算术运算和布尔运算实现数据操作的电路，包括算术运算和布尔运算l控制单元（控制单元（control unitcontrol unit） CUCU协调计算机活动的电路，包括：发出运算指令，操作数的读取等。协调计算机活动的电路，包括：发出运算指令，操作数的读取等。l寄存器单元（寄存器单元（registerregister）通用寄存器通用寄存器（general-purpose registergen
3、eral-purpose register） 临时保存临时保存CPUCPU正在操作的数据。即：保存正在操作的数据。即：保存ALUALU电路的输入和运算的结电路的输入和运算的结果。果。专用寄存器专用寄存器（special-purpose registerspecial-purpose register） 程序计数器、指令寄存器程序计数器、指令寄存器计算机体系结构CPUCPU的工作原理的工作原理寄存器寄存器中央处理器中央处理器 CPU主存储器主存储器算术算术/逻逻辑单元辑单元控制控制单元单元总线总线CPU和主存储器通过和主存储器通过总线总线(BUS)连接连接 CPU和主存储器之间通常设置了和主存储
4、器之间通常设置了高速缓冲存储器高速缓冲存储器（cache memory）各类存储器的分工各类存储器的分工：P54步骤1：从主存储器中取出一个要加的数放入一个寄存器中。步骤2：从主存储器中取出另一个要加的数放入另一个寄存器中。步骤3：激活加法电路，以步骤1、2所用的寄存器为输入，用另一个寄存器存放相加结果步骤4：将该结果存入主存储器。步骤5：停止。RAM计算机体系结构存储程序的概念存储程序的概念l把计算机程序存放到主存储器里的思想把计算机程序存放到主存储器里的思想-存储程序概念存储程序概念l早期的计算机早期的计算机举例：类似举例：类似“音乐盒音乐盒”那时，要改变计算机执行的程序，等于重新制造一台
5、计算机那时，要改变计算机执行的程序，等于重新制造一台计算机l后来，人们认识到程序可以像数据一样进行编码，并存放到存储器中。后来，人们认识到程序可以像数据一样进行编码，并存放到存储器中。这样同一台计算机，可以执行很多种程序，而不需要改动计算机的硬件。这样同一台计算机，可以执行很多种程序，而不需要改动计算机的硬件。计算机体系结构 l中央处理器（中央处理器（Central Processing UnitCentral Processing Unit，CPUCPU）算术算术/ /逻辑部件（逻辑部件（arithmetic/logic unitarithmetic/logic unit）控制部件（控制部件
6、（control unitcontrol unit）寄存器（寄存器（registerregister）l通用寄存器（通用寄存器（general-purpose registergeneral-purpose register）l专用寄存器（专用寄存器（special-purpose registerspecial-purpose register）l主板（主板（motherboardmotherboard）l总线（总线（busbus）l高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（cache memorycache memory）本节涉及到的概念本节涉及到的概念计算机体系结构P P5454 问题与练习问题与
7、练习机器语言l机器语言（机器语言（machine languagemachine language）CPUCPU能辨认的能辨认的二进制模式二进制模式编码的指令和编码系统统称为机器语言编码的指令和编码系统统称为机器语言l机器指令（机器指令（machine instructionmachine instruction）用机器语言表达的指令称为用机器语言表达的指令称为机器指令机器指令 ? ?问题：现在常用的一些程序设计语言，例如问题：现在常用的一些程序设计语言，例如C C、JavaJava、C+C+等和机器语言有什么关系？等和机器语言有什么关系？-编译编译1. 1. 指令系统指令系统l问题：计算机的
8、指令是不是越多越好？一台计算机的问题：计算机的指令是不是越多越好？一台计算机的CPUCPU究竟应该包究竟应该包含多少条指令才比较合适？含多少条指令才比较合适？l一旦一台计算机能够实现几个经过精心挑选的任务，那么添加更多的一旦一台计算机能够实现几个经过精心挑选的任务，那么添加更多的特性是不会增加该计算机的理论能力的。特性是不会增加该计算机的理论能力的。 l换句话说，超越某一点后，附加的特性只能增加便利性，不会增加该换句话说，超越某一点后，附加的特性只能增加便利性，不会增加该计算机的基本能力。计算机的基本能力。机器语言 例：计算机例：计算机A：+、-、*、/ 计算机计算机B：+、-、*、/、平方、
9、开方、立方等、平方、开方、立方等1. 1. 指令系统指令系统 l利用以上原则的不同程度，导致出现了两种利用以上原则的不同程度，导致出现了两种CPUCPU的体系结构（两种指的体系结构（两种指令系统）：令系统）：精简指令集计算机（精简指令集计算机（RISCRISC):): CPU CPU只需要执行最小的机器指令集。只需要执行最小的机器指令集。复杂指令集计算机（复杂指令集计算机（CISCCISC):): CPU CPU能够执行大量复杂的指令。能够执行大量复杂的指令。 Intel Intel公司生产的公司生产的CPUCPU是是CISCCISC结构的，而结构的，而IBM PowerPCIBM Power
10、PC是是RISCRISC结结构的。构的。机器语言 机器语言1. 1. 指令系统指令系统指令分成指令分成3 3大类：大类：l数据传输类数据传输类l算术算术/ /逻辑运算类逻辑运算类l控制类控制类寄存器寄存器中央处理器中央处理器主存储器主存储器算术算术/逻逻辑部件辑部件控制部件控制部件总线总线CPU和主存储器通过总线连接和主存储器通过总线连接 机器语言步骤1：从主存储器中取出一个要加的数放入一个寄存器中。步骤2：从主存储器中取出另一个要加的数放入另一个寄存器中。步骤3：激活加法电路，以步骤1、2所用的寄存器为输入，用另一个寄存器存放相加结果步骤4：将该结果存入主存储器。步骤5：停止。1. 1. 指
11、令系统指令系统数据传输数据传输指令：指令：l请求在各个位置之间传输数据的指令请求在各个位置之间传输数据的指令l右图中步骤右图中步骤1 1、2 2、4 4属于传输指令属于传输指令注意：注意：l这里的这里的“传输传输”实际上指的是实际上指的是“复制复制”，通常不用，通常不用“movemove”或或“transfertransfer”l术语术语“LOADLOAD”、“STORESTORE”通常用来指通常用来指在在CPUCPU和主存储器之间和主存储器之间传输数据。传输数据。lI/OI/O指令指令是一类特殊的数据传输指令，单独列为一类。指是一类特殊的数据传输指令，单独列为一类。指在在CPUCPU和其它设
12、备和其它设备间传输数据。间传输数据。机器语言1. 1. 指令系统指令系统算术算术/ /逻辑运算指令：逻辑运算指令：l负责数据的运算负责数据的运算，即告诉控制部件请求在，即告诉控制部件请求在算术算术/ /逻辑部件内实现一个活动逻辑部件内实现一个活动l右图中步骤右图中步骤3 3属于算术属于算术/ /逻辑运算指令逻辑运算指令注意：注意：l逻辑运算逻辑运算ANDAND、OROR、NOTNOT、XORXOR通常是基于通常是基于位位的运算。的运算。因此逻辑运算指令可以完成对某一个寄存器中特定的若干位操作，而对其他位因此逻辑运算指令可以完成对某一个寄存器中特定的若干位操作，而对其他位没有影响没有影响-掩码掩
13、码l除逻辑运算，还有一类对寄存器内容左右移动的运算除逻辑运算，还有一类对寄存器内容左右移动的运算: :移位运算移位运算(SHIFT)(SHIFT)、循环移位运算（循环移位运算（ROTATEROTATE）。步骤1：从存储器中取出一个要加的数放入一个寄存器中。步骤2：从存储器中取出另一个要加的数放入另一个寄存器中。步骤3：激活加法电路，以步骤1、2所用的寄存器为输入，用另一个寄存器存放相加结果步骤4：将该结果存存储器。步骤5：停止。机器语言1. 1. 指令系统指令系统控制指令：控制指令：l指导程序执行的指令，而不作数据操作指导程序执行的指令，而不作数据操作l右图中步骤右图中步骤5 5属于控制指令属
14、于控制指令注意：注意：l常见的控制指令：转移（常见的控制指令：转移（JUMPJUMP）、分支（）、分支（BRANCHBRANCH）l转移有两种形式：转移有两种形式：无条件转移无条件转移有条件转移有条件转移，例如：，例如：P56P56，图，图2.32.3的步骤的步骤3 3步骤1：从存储器中取出一个要加的数放入一个寄存器中。步骤2：从存储器中取出令一个要加的数放入另一个寄存器中。步骤3：激活加法电路，以步骤1、2所用的寄存器为输入，用另一个寄存器存放相加结果步骤4：将该结果存存储器。步骤5：停止。一个演示用的机器语言1.1.机器的体系结构机器的体系结构 机器有机器有1616个通用寄存器个通用寄存器
15、。每个寄存器的长度为一字节（每个寄存器的长度为一字节（8 8位）。位）。为了在指为了在指令中标识寄存器，每个寄存器各赋予一个惟一的四位模式表示其寄存器号。令中标识寄存器，每个寄存器各赋予一个惟一的四位模式表示其寄存器号。所以寄存器所以寄存器0 0由由00000000（十六进制（十六进制0 0）标识，寄存器）标识，寄存器4 4由由01000100（十六进制（十六进制4 4）标识。）标识。 机器主存有机器主存有256256个单元个单元。每个单元赋予一个范围在。每个单元赋予一个范围在0 0到到255255之间的整数地址。之间的整数地址。所以一个地址能够用所以一个地址能够用00000000000000
16、00到到1111111111111111范围内（或范围内（或0000到到FFFF范围的十六进制范围的十六进制值）的一个八位模式来表示。值）的一个八位模式来表示。一个演示用的机器语言2. 2. 示例性的机器语言示例性的机器语言 附录附录算术算术/ /逻辑部件逻辑部件中央处理器中央处理器寄存器寄存器012F总线总线主存储器主存储器地址地址单元单元00000101020203030404FFFF控制部件控制部件程序计数器程序计数器指令寄存器指令寄存器（1）共有）共有16个通用寄存器，个通用寄存器，256个主存储单元。个主存储单元。（2）分别用二进制编号，用十六进制表示。）分别用二进制编号，用十六进制表示。一个演示用的机器语言2. 2. 示例性的机器语言示例性的机器语言指令及其构成：指令及其构成：l该计算机的每一条指令都是一个二进制序列；该计算机的每一条指令都是一个二进制序列；l这个二进制序列可被分为两部分：这个二进制序列可被分为两部分：操作码、操作数操作码、操作数l操作码指名该指令将进行什么操作操作码指名该指令将进行什么操作，例如：，例如：STORESTORE、ADDADD、XORXOR等等
