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1、HYPerHYPer第一章第一章计算机基础计算机基础主讲人：黄永平主讲人：黄永平1HYPerHYPer目录目录n计算机基本结构计算机基本结构n指令系统指令系统nCPUCPU执行过程执行过程n微型计算机系统微型计算机系统2 2一一.计算机基本结构计算机基本结构HYPerHYPer定义：一种存储事先已经编制好的程序并能连定义：一种存储事先已经编制好的程序并能连续而自动地取出这些程序来执行，只能对事续而自动地取出这些程序来执行，只能对事先已数字化的信息进行算术或逻辑运算的快先已数字化的信息进行算术或逻辑运算的快速工具。速工具。什么是计算机？什么是计算机？3 3一一.计算机基本结构计算机基本结构HYP
2、erHYPer1、算术、逻辑运算（我们在小学就已学完的加减乘除四则运算）2、信息的数字化（一架冰冷的机器所能听懂的唯一语言）3、存贮程序的工作方式（现代化的流水线）符合以上特征的即被称之为冯诺依曼体系结构的计算机计算机定义的概略解释计算机定义的概略解释4 4一一.计算机基本结构计算机基本结构HYPerHYPer冯冯诺依曼诺依曼体系结构的计算机（体系结构的计算机（1）到目前为止，几乎生产的所有计算机都是冯到目前为止，几乎生产的所有计算机都是冯诺诺依曼体系结构的计算机，这也是我们正在使用的诸依曼体系结构的计算机，这也是我们正在使用的诸如奔如奔2奔奔3之类的微机的体系结构。之类的微机的体系结构。（但
3、是现在的（但是现在的计算机科学家认为只有打破冯计算机科学家认为只有打破冯诺依曼体系，计算诺依曼体系，计算机的效率才能得到突破）机的效率才能得到突破）5 5一一.计算机基本结构计算机基本结构HYPerHYPer冯冯诺依曼诺依曼体系结构的计算机（体系结构的计算机（2）n采用二进制代码表示数据和指令。采用二进制代码表示数据和指令。n采用存储程序工作方式，即：采用存储程序工作方式，即：u事先编制程序。u实现存储程序。u自动、连续地执行程序。6 6一一.计算机基本结构计算机基本结构HYPerHYPer冯冯诺依曼诺依曼体系结构的计算机（体系结构的计算机（3）n由以下五大部件组成计算机硬件系统：由以下五大部
4、件组成计算机硬件系统：u运算器运算器（进行简单四则运算逻辑运算）（进行简单四则运算逻辑运算）u控制器控制器（命令自己或外部设备做这做那）（命令自己或外部设备做这做那）u存储器存储器（存储程序和数据）（存储程序和数据）u输入设备输入设备（外部的触角，眼，耳（外部的触角，眼，耳）u输出设备输出设备（执行机构，手，脚（执行机构，手，脚）脑脑脑脑CPUCPU7 7一一.计算机基本结构计算机基本结构HYPerHYPer各种计算机各种计算机超级巨型机超级巨型机大、中、小型机大、中、小型机笔记本笔记本微型机微型机手持式手持式不管外观不管外观与体积如与体积如何，计算何，计算机硬件系机硬件系统的组成统的组成都是
5、一样都是一样的。的。8 8一一.计算机基本结构计算机基本结构HYPerHYPer微机基本组成微机基本组成显示器显示器键盘键盘主机主机鼠标鼠标光驱光驱软驱软驱手写笔输入手写笔输入9 9一一.计算机基本结构计算机基本结构HYPerHYPer微机基本组成微机基本组成电源电源风扇风扇磁盘磁盘驱动驱动内存条内存条(RAM)(RAM)CPUCPU高速高速缓存缓存外设扩展槽外设扩展槽 SLOT SLOT显卡显卡声卡声卡猫猫/网卡网卡I/OI/O插口插口电源口电源口主板主板BIOS(ROM)BIOS(ROM)1010一一.计算机基本结构计算机基本结构HYPerHYPer外部设备外部设备微处理器微处理器(CPU
6、)存储器存储器 输入输入/输出输出 接口电路接口电路数据总线数据总线控制总线控制总线 地址总线地址总线基本结构基本结构1111HYPerHYPer一一.计算机基本结构计算机基本结构包括包括包括包括运算器运算器运算器运算器和和和和控制器控制器控制器控制器计算机硬件的核心计算机硬件的核心计算机硬件的核心计算机硬件的核心型号型号型号型号 Intel:486Intel:486、586586（奔腾）、（奔腾）、（奔腾）、（奔腾）、PIIPII、PIIIPIII、赛扬系、赛扬系、赛扬系、赛扬系列列列列 AMD:K6-2AMD:K6-2、K6-IIIK6-III、K7K7系列系列系列系列主频：主频：主频：主
7、频：66MHz66MHz、100MHz100MHz、133MHz133MHz1.CPU1.CPU1.CPU1.CPU（中央处理器）（中央处理器）（中央处理器）（中央处理器）12程序计数器程序计数器 PC指令寄存器指令寄存器 IR处理器状态字处理器状态字PSW 堆栈指示器堆栈指示器 SP指令译码器指令译码器 IDI/O 控制逻辑控制逻辑工作寄存器工作寄存器地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器 ALU 控制器控制器HYPerHYPer一一.计算机基本结构计算机基本结构CPUCPUCPUCPU基本结构基本结构基本结构基本结构13 微处理器微处理器包括包括运算器、控制器、寄存器组运算器、控制器、寄
8、存器组三大部分三大部分,一般被集一般被集 成在一个大规模集成芯片上成在一个大规模集成芯片上,如如80888088、80 x8680 x86等等等等,它是计算机的核它是计算机的核 心部件心部件,具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能,它直接决定了计算机的主要性能它直接决定了计算机的主要性能.n ALU ALU 运算器的核心部件是算逻单元运算器的核心部件是算逻单元ALUALU，所有的算术运算所有的算术运算,逻辑运算和移位操作都是由逻辑运算和移位操作都是由ALUALU完成的完成的.n 控制器控制器 CPU CPU的指挥机关的指挥机关,完成
9、指令的读入、寄存、译码和执行。完成指令的读入、寄存、译码和执行。n程序计数器程序计数器 PCPC 用于保存下一条要执行的指令的地址。用于保存下一条要执行的指令的地址。n指令寄存器指令寄存器 IR IR 保存从存储器中读入的当前要执行的指令。保存从存储器中读入的当前要执行的指令。n指令译码器指令译码器 ID ID 对指令寄存器对指令寄存器 IRIR中保存的指令进行译码分析。中保存的指令进行译码分析。n堆栈指示器堆栈指示器 SP SP 对堆栈进行操作时提供地址。对堆栈进行操作时提供地址。n处理器状态字处理器状态字PSWPSW 暂存处理器当前的状态。暂存处理器当前的状态。HYPerHYPer一一.计
10、算机基本结构计算机基本结构14n工作寄存器组工作寄存器组 暂存寻址和计算过程的信息暂存寻址和计算过程的信息.n 地址寄存器地址寄存器 地址寄存器用于操作数的寻址。地址寄存器用于操作数的寻址。n 数据寄存器数据寄存器 数据寄存器用来暂存操作数和中间运算数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。结果。nI/OI/O控制逻辑控制逻辑 包括包括CPUCPU中输入中输入/输出操作有关的逻输出操作有关的逻辑，其作辑，其作 用是处理输入用是处理输入/输出的操作。输出的操作。HYPerHYPer一一.计算机基本结构计算机基本结构152.2.2.2.存储器存储器存储器存储器 用于存放程序代码及有关数据用于存放程序
11、代码及有关数据.HYPerHYPer一一.计算机基本结构计算机基本结构n n计计计计算算算算机机机机存存存存取取取取数数数数据据据据的的的的部部部部件件件件，常常常常用用用用半半半半导导导导体体体体做做做做成成成成，存存存存储储储储器器器器中中中中存存存存放放放放二二二二进进进进制制制制单单单单元元元元，每每每每个个个个存存存存储储储储单单单单元元元元有有有有一一一一个个个个编编编编号号号号，称称称称为为为为地地地地址址址址，计计计计算算算算机是根据地址来访问存储器的。机是根据地址来访问存储器的。机是根据地址来访问存储器的。机是根据地址来访问存储器的。n n 存存存存储储储储器器器器的的的的主
12、主主主要要要要技技技技术术术术指指指指标标标标有有有有存存存存储储储储容容容容量量量量和和和和速速速速度度度度。速速速速度度度度可可可可用用用用存存存存取取取取时间和存储周期来衡量时间和存储周期来衡量时间和存储周期来衡量时间和存储周期来衡量.存存存存取取取取时时时时间间间间TATATATA是是是是指指指指从从从从启启启启动动动动一一一一次次次次存存存存储储储储器器器器操操操操作作作作（读读读读/写写写写）到到到到完完完完成成成成该该该该操作所需的时间。操作所需的时间。操作所需的时间。操作所需的时间。存存存存储储储储周周周周期期期期TmTmTmTm是是是是指指指指连连连连续续续续两两两两次次次次
13、访访访访问问问问存存存存储储储储器器器器所所所所需需需需的的的的最最最最小小小小时时时时间间间间间间间间隔隔隔隔。通通通通常常常常TmTmTmTm比比比比TATATATA稍稍稍稍大大大大，这这这这是是是是由由由由于于于于存存存存储储储储器器器器的的的的积积积积压压压压部部部部分分分分都都都都必必必必须须须须有有有有一一一一段稳定恢复的时间，所以读出后不能立即进行访问。段稳定恢复的时间，所以读出后不能立即进行访问。段稳定恢复的时间，所以读出后不能立即进行访问。段稳定恢复的时间，所以读出后不能立即进行访问。162.2.2.2.存储器存储器存储器存储器 用于存放程序代码及有关数据用于存放程序代码及有
14、关数据.HYPerHYPer内存储器内存储器内存储器内存储器硬盘硬盘硬盘硬盘软盘软盘软盘软盘光盘光盘光盘光盘RAMRAM（内存）（内存）（内存）（内存）外存储器外存储器外存储器外存储器一一.计算机基本结构计算机基本结构172.2.2.2.存储器存储器存储器存储器 用于存放程序代码及有关数据用于存放程序代码及有关数据.地地 址址 译译 码码 器器地址地址 内容内容 FF00单元单元 01单元单元 02单元单元 03单元单元 .FF单元单元 11010011 10100010 00100110 10011101 :11100001ABDB控制控制CB00 01 02 03 04 HYPerHYPe
15、r存储器基本原理存储器基本原理存储器基本原理存储器基本原理存储单元存储单元一一.计算机基本结构计算机基本结构18存储器由若干存储单元、地址译码器及相应的控制电路组成。存储器由若干存储单元、地址译码器及相应的控制电路组成。存储单元的内容：存储单元的内容：存储器由若干个单元组成，每个单元可存放存储器由若干个单元组成，每个单元可存放 8 8 位二进制信息（通常也用两位十六进制数表示），这就是它位二进制信息（通常也用两位十六进制数表示），这就是它们的内容。们的内容。存储单元的地址：存储单元的地址：为区分不同的单元，对这些单元分别编了号，为区分不同的单元，对这些单元分别编了号，这些编号即它们的地址。这些
16、编号即它们的地址。存储器的读写操作：存储器的读写操作：存储器中的不同存储单元，是由地址总线存储器中的不同存储单元，是由地址总线上送来的地址，经过存储器中的地址译码器译码，选中该单元，上送来的地址，经过存储器中的地址译码器译码，选中该单元，然后根据控制总线上的控制命令（或读或写），进行相应的读然后根据控制总线上的控制命令（或读或写），进行相应的读写操作。写操作。HYPerHYPer一一.计算机基本结构计算机基本结构19存储器存储器存储器存储器HYPerHYPer 1Byte=8 bit 1 KB=2 21010 Byte 1 MB=2 21010 KB 1 GB=2 21010 MB 1 TB=
17、2 21010 GB 1 PB=2 21010 TB一一.计算机基本结构计算机基本结构203.3.3.3.输入输出接口电路输入输出接口电路输入输出接口电路输入输出接口电路 由于外部设备如键盘、显示器、软盘、硬盘、打印机等，由于外部设备如键盘、显示器、软盘、硬盘、打印机等，在数据格式、运行速度等方面与在数据格式、运行速度等方面与 CPU CPU 不匹配，故在连接时，不匹配，故在连接时，需通过需通过 输入输出接口电路使外部设备与之相连。输入输出接口电路使外部设备与之相连。HYPerHYPer一一.计算机基本结构计算机基本结构21输入设备输入设备输入设备输入设备-输入设备是给计算机输入信息的设备。输
18、入住处通过输入设备转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器中保存。常用的输入设备有键盘、鼠标器和光笔。键盘键盘扫描仪扫描仪鼠标鼠标手写笔手写笔数码相机数码相机摄像头摄像头一一.计算机基本结构计算机基本结构HYPerHYPer22输出设备输出设备输出设备输出设备-输出设备是输出计算结果的设备。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图机等。音箱音箱显示器显示器打印机打印机投影仪投影仪一一.计算机基本结构计算机基本结构HYPerHYPer234.4.总线总线 总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各种公共信息线的集合，采用总线结构便于部件
19、和设备的扩充。种公共信息线的集合，采用总线结构便于部件和设备的扩充。对微机而言，总线可以对微机而言，总线可以 分为以下四类：分为以下四类：片内总线片内总线这种总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接这种总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接ALUALU、CUCU和寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂家自和寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂家自己确定。己确定。片间总线片间总线微处理器、存储器芯片、微处理器、存储器芯片、I/OI/O接口芯片等之间的连接总线。接口芯片等之间的连接总线。片间总线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。片间总线通常包
20、括数据总线、地址总线和控制总线。内总线内总线 内总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线内总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线.内总线有内总线有不同的总线标准，如不同的总线标准，如 S-100 S-100总线总线(IEEE-696(IEEE-696标标),STD),STD总线总线,IBM-PC,IBM-PC总线标准等，总线标准等，采用不同总线标准的功能板无法连接在一起。采用不同总线标准的功能板无法连接在一起。HYPerHYPer一一.计算机基本结构计算机基本结构24 外总线外总线 用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的通用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的通
21、信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准可遵循。信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准可遵循。如并行总线如并行总线IEEE-488IEEE-488标准，串行总线标准，串行总线RS-232RS-232标准等。标准等。四类总线之间的关系如图所示。四类总线之间的关系如图所示。CPU 片内总线片内总线 M I/O 片间总线片间总线 I/O接口板接口板 外部设备外部设备内总线内总线外总线外总线HYPerHYPer一一.计算机基本结构计算机基本结构25n 地址、控制、数据地址、控制、数据总线：u地址总线：地址总线：用于传送用于传送 CPU 要访问的存储单元的地址或要访问的存储单元的地址或 I
22、/O 端口地址，地址总线的位数决定了端口地址，地址总线的位数决定了 CPU 可以直接寻址可以直接寻址的地址范围。的地址范围。u控制总线：控制总线：用来传送控制信号。用来传送控制信号。u数据总线：数据总线：用于用于 CPU 与存储器、与存储器、CPU 与外设之间传送与外设之间传送信息。信息。HYPerHYPer一一.计算机基本结构计算机基本结构26 上面我们所讲述的是计算机的硬件。光有硬件，只是有了计上面我们所讲述的是计算机的硬件。光有硬件，只是有了计算的可能，计算机要真正能够进行计算，还必须要有软件的配合。算的可能，计算机要真正能够进行计算，还必须要有软件的配合。例如：例如：4+5 4+5 这
23、种简单运算这种简单运算,需要以下几个步骤需要以下几个步骤:把第一个数从它所在的存储单元中取出来把第一个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器送至运算器;把第二个数从它所在的存储单元中取出来把第二个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器送至运算器;相加相加;把加完的结果送至存储器中指定的存储单元把加完的结果送至存储器中指定的存储单元.所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作.n 指令指令-我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来来,就是指令。就是指令。通常通常一条指令一条指令对应着对应着
24、一种基本操作一种基本操作,但是计算但是计算机怎么能够辨别和执行这些操作呢机怎么能够辨别和执行这些操作呢?这是由设计时设计人员赋予这是由设计时设计人员赋予它的它的指令系统指令系统决定的决定的.一个计算机能执行什么样的操作一个计算机能执行什么样的操作,能做多少能做多少种操作种操作,是由设计计算机时所规定的指令系统决定的。是由设计计算机时所规定的指令系统决定的。HYPerHYPer二二.指令系统指令系统27n指令系统指令系统 -一条指令对应着一种基本操作一条指令对应着一种基本操作,计算机所能计算机所能执行的全部指令执行的全部指令,就是计算机的指令系统就是计算机的指令系统 .这是计算机所固有这是计算机
25、所固有的的.n程序程序 -我们在使用计算机时我们在使用计算机时,必须把我们要解决的问题必须把我们要解决的问题编成一条条指令编成一条条指令,这些指令的集合就称为程序这些指令的集合就称为程序.(.(这些指令必须这些指令必须是我们所用的计算机能识别和执行的指令是我们所用的计算机能识别和执行的指令,也即每一条指令必也即每一条指令必须是一台特定的计算机的指令系统中具有的指令须是一台特定的计算机的指令系统中具有的指令.).)n源程序源程序 -用户为解决自己的问题所编的程序用户为解决自己的问题所编的程序,称为源程称为源程序序.n指令形式指令形式 -指令通常分成操作码指令通常分成操作码(OpcodeOpcod
26、e)和操作数和操作数(Operand).(Operand).操作码表示计算机执行什么操作操作码表示计算机执行什么操作,操作数指明参加操作数指明参加操作的数本身或操作数所在的内存中的位置操作的数本身或操作数所在的内存中的位置.因为计算机只认得二进制数码因为计算机只认得二进制数码,所以计算机指令系统中的所以计算机指令系统中的所有指令所有指令,都必须以二进制编码的形式来表示都必须以二进制编码的形式来表示.如前面例子如前面例子.HYPerHYPer二二.指令系统指令系统28 因为计算机只认得二进制数码因为计算机只认得二进制数码,所以计算机指令系统中的所以计算机指令系统中的所有指令所有指令,都必须以二进
27、制编码的形式来表示都必须以二进制编码的形式来表示.如前面例子。如前面例子。把第一个数从它所在的存储单元中取出来把第一个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器送至运算器;把第二个数从它所在的存储单元中取出来把第二个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器送至运算器;相加相加;把加完的结果送至存储器中指定的存储单元把加完的结果送至存储器中指定的存储单元.A0 00 20 MOV AL,2000H A0 00 20 MOV AL,2000H A8 1E 01 20 MOV BL,2001H A8 1E 01 20 MOV BL,2001H 00 D8 ADD AL,BL 00 D8 ADD AL,
28、BL A2 00 30 MOV 3000H,AL A2 00 30 MOV 3000H,AL HYPerHYPer二二.指令系统指令系统29n机器语言机器语言 -计算机发展的初期计算机发展的初期,就是用指令的机器码直接来就是用指令的机器码直接来编制用户的源程序编制用户的源程序,这就是机器语言阶段。这就是机器语言阶段。n汇编语言汇编语言 -由于机器码是由一连串的由于机器码是由一连串的 0 0 和和 1 1 组成的组成的,不好不好记忆记忆,容易出错容易出错,因而后来人们用一些助记符因而后来人们用一些助记符(Mnemonic)(Mnemonic)来代替操来代替操作码作码,如上所示。这样如上所示。这样
29、,每条指令有明显的特征每条指令有明显的特征,易于理解记忆易于理解记忆,这这便是汇编语言阶段。便是汇编语言阶段。n程序的存放程序的存放 -要求机器能自动执行这些程序要求机器能自动执行这些程序,就必须把这些就必须把这些程序存放到存储器的某个区域程序存放到存储器的某个区域.计算机在执行时把这些指令一条计算机在执行时把这些指令一条条取出来加以执行。条取出来加以执行。HYPerHYPer二二.指令系统指令系统30操作操作：将两个数将两个数 7 和和 10 相加相加.指令：指令：mov al,7 add al,10 mov 20h,al hlt 机器指令：机器指令：1011 0000 B0h(mov al
30、,7)0000 0111 07h 0000 0100 04h(add al,10)0000 1010 0Ah 1010 0010 A2h(mov 20h,al)0010 0000 20h 1111 0100 F4h(hlt)HYPerHYPer三三.CPU执行过程执行过程 31HYPerHYPerB0h(mov al,7)07h 04h(add al,10)0Ah A2h(mov 20h,al)20h F4h(hlt)三三.CPU执行过程执行过程 32运算器运算器 控制器控制器 寄存器组寄存器组 内存储器内存储器 总线总线 输入输出输入输出 接口电路接口电路外部设备外部设备 软件软件微微处理器理器 微型微型计算机算机微型微型计算机系算机系统 HYPerHYPer四四.微型计算机系统微型计算机系统33