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文檔簡介

第三章數據處理計算機應用基礎第一頁,共三十六頁,2022年,8月28日3.1機器指令軟件的主體是程序,程序的核心是算法。算法:描述求解特定問題的操作步驟的集合。計算機唯一可以理解的程序設計語言——機器語言。用0、1編碼來表示的基本操作——機器指令。第二頁,共三十六頁,2022年,8月28日3.1.1算法中的基本操作二進制求和的算法步驟為:①將被加數放于內存單元x中②將加數放于內存單元y中③把x中的數值加上y中的數值的,其和存放在內存單元sum中第三頁,共三十六頁,2022年,8月28日那么,將會有兩個問題:①如果每次處理的數據都要通過去查找內存地址找到某個內存單元來取數,處理后又放回內存單元中,可以想象效率很低。②并且我們是采用0,1編碼來編寫機器指令的,那么編碼長度將會很長。第四頁,共三十六頁,2022年,8月28日如何處理這兩個問題呢?我們引入寄存器的概念寄存器:是CPU內的組成部份,是有限存儲容量的高速存儲部件,它們可用來暫存指令、數據和地址。

第五頁,共三十六頁,2022年,8月28日引入寄存器后,二進制數求和的算法步驟如下:①從內存單元x中取出被加數放于寄存器A②寄存器A中的數值加上從內存單元y中的數值,其和存于寄存器A中③把寄存器A中的數值存于內存單元sum中第六頁,共三十六頁,2022年,8月28日3.1.2機器指令方法就是:我們將這些基本操作編碼為計算機可識別和處理的命令,即機器指令。一條由0、1編碼而成的機器指令由兩部分組成:①包含有指出操作類型的操作碼②以及指出操作數地址的地址碼第七頁,共三十六頁,2022年,8月28日指令的基本格式按一條指令所包含的地址碼的個數,指令格式可分為:三內存地址、二內存地址、單內存地址和零內存地址指令。(a)三地址指令:操作碼(θ)d1d2d3第八頁,共三十六頁,2022年,8月28日它所實現的功能是:從源地址d1和d2中取出兩個操作數,進行θ操作(例如加法操作),并將結果送入目標地址d3中。可記為:d3←(d1)θ(

d2)第九頁,共三十六頁,2022年,8月28日(b)二地址指令:其功能可記為:d2←(d1)θ(

d2)θd1d2第十頁,共三十六頁,2022年,8月28日(c)單地址指令:其功能可記為:A

←(A

)θ(

d)θd第十一頁,共三十六頁,2022年,8月28日(d)零地址指令:這是一種特殊的沒有地址碼的指令,如空操作指令、停機指令等。θ第十二頁,共三十六頁,2022年,8月28日前面討論的兩個二進制數相加的算法為:①從內存單元100000中取出被加數放于寄存器A中②寄存器A中的數值加上從內存單元100001中的數值,其和存于寄存器A中③把寄存器A中的數值存于內存單元100010中④結束程序運行第十三頁,共三十六頁,2022年,8月28日這里我們假設,操作碼部分用高4位來表示,操作數部分12位用前2位編碼寄存器的編號,后10位用來表示內存單元地址。(寄存器編號為00表示寄存器A)1512111090操作碼寄存器編號內存單元地址第十四頁,共三十六頁,2022年,8月28日同時假設:指令操作碼取數操作0001存數操作0010加法操作0011結束操作0000第十五頁,共三十六頁,2022年,8月28日①從內存單元100000中取出被加數放于寄存器A中該操作的機器指令為:0001000000100000第十六頁,共三十六頁,2022年,8月28日②寄存器A中的數值加上從內存單元100001中的數值,其和存于寄存器A中該操作的機器指令為:0011000000100001第十七頁,共三十六頁,2022年,8月28日③把寄存器A中的數值存于內存單元100010中該操作的機器指令為:0010000000100010第十八頁,共三十六頁,2022年,8月28日④結束程序運行該操作的機器指令為:0000000000000000第十九頁,共三十六頁,2022年,8月28日計算機進行數據處理時,既要有程序,也要有數據。因此,通常把內存單元分為程序區和數據區。0000000000000000000100010000000000001000100000000000001100110000000000010000100001000000010100100000000000011000100010000000011100000000000000100000000000程序區第二十頁,共三十六頁,2022年,8月28日000010000000000101000010000100000111000010001000001100數據區第二十一頁,共三十六頁,2022年,8月28日3.1.3指令系統我們把一臺計算機的機器指令集合稱為該計算機的指令系統。當兩臺計算機對于相同的機器指令形式的程序理解和處理相同時,我們稱這兩臺計算機是在機器指令級別兼容,否則,稱在機器指令級別不兼容。把機器指令的位數稱為計算機的字長。顯然,計算機字長越長性能越好。第二十二頁,共三十六頁,2022年,8月28日3.2中央處理器有條不紊地執行機器指令形式的程序是由中央處理器來完成的。具有如下四個方面的基本功能:ⅰ指令控制:程序的順序控制ⅱ操作控制:CPU管理并產生由內存取出的每條指令的操作信號來控制各個部件ⅲ時間控制:對各種操作實施時間上的定時ⅳ數據加工:對數據進行算術和邏輯運算第二十三頁,共三十六頁,2022年,8月28日3.2.1CPU的基本構成傳統的CPU由運算器和控制器兩大部分組成。但隨著浮點運算器、cache等紛紛移入CPU內部,因此CPU的基本部分變成了運算器、cache和控制器。第二十四頁,共三十六頁,2022年,8月28日運算器:相對于控制器而言,它是接受控制器的命令而進行動作,即運算器所進行的全部操作都是由控制器發出的控制信號來指揮的,所以它是執行部件。主要有兩個功能:①執行所有的算術運算②執行所有的邏輯運算,并進行邏輯測試,如零值測試或兩個值的比較。第二十五頁,共三十六頁,2022年,8月28日運算器包括:⑷通用寄存器:由觸發器及其輸入控制電路所組成,用來存放當前操作要臨時存放的數據。⑸變址寄存器:用來存放變址操作時的變址基址數據。⑹加法器部件:主要由加法器和相關控制電路組成。第二十六頁,共三十六頁,2022年,8月28日控制器:是統一指揮和控制計算機各個部件按時序協調操作的中心部件。具備下列功能:①根據指令在存儲器中存放的地址,取出指令,并分析指令,以判別取出的是什么指令。②根據判別的結果,按一定的時序發出控制該指令的操作控制信號。第二十七頁,共三十六頁,2022年,8月28日③當執行完一條指令后,便自動從存儲器中取出下一條要執行的指令。控制器包括:⑴程序計數器:用來存放即將要執行的機器指令在內存中的地址。⑵地址形成器:實現程序計數器的內容自動加1、轉移地址的形成、以及根據指令所提供的信息形成操作數的有效地址。第二十八頁,共三十六頁,2022年,8月28日⑶指令寄存器:用來存放從寄存器取出的指令。⑺操作碼譯碼器:又稱指令譯碼器。用來實現對指令操作碼(θ)的譯碼。⑻操作控制器:按照每條指令的功能要求,向CPU的上述部件及計算機的其他組成部件發送控制信號。第二十九頁,共三十六頁,2022年,8月28日3.2.2CPU的工作原理第三十頁,共三十六頁,2022年,8月28日3.2.3機器指令的尋址方式機器指令中的地址碼不一定是操作數的真正存放地址,它是根據指令的操作碼和地址碼所提供的信息,按一定的規則形成的,稱這一規則為尋址方式。151211980θxd操作碼尋址方式內存地址第三十一頁,共三十六頁,2022年,8月28日

由尋址方式形成的操作數的真正存放地址,稱為操作數的有效地址,用符號EA表示。常見的尋址方式有以下5種:①直接尋址方式:x=001,則EA=d。d即為操作數的有效地址。②間接尋址方式:x=010,則EA=(d)。d為操作數地址的地址。第三十二頁,共三十六頁,2022年,8月28日③相對尋址方式:x=011,則EA=PC+d。PC指程序計數器。④變址尋址方式:x=100,則EA=IX+d。IX指變址寄存器。⑤立即尋址方式:x=101。形式地址d的數值即為操作數。第三十三頁,共三十六頁,2022年,8月28日3.3邏輯運算和邏輯指令機器指令實現的邏輯運算,我們簡稱為邏輯指令。邏輯指令通常會在兩種情況下用到:①機器狀態的檢測。②程序設計中的組合條件判斷。第三十四頁,共三十六頁,2022年,8月28日3.4計算機的組成

3.4.1計算機硬件的基本組成(1)計算機系統

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