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1、第三章数据处理计算机应用基础本讲稿第一页，共三十六页3.1 机器指令机器指令l软件的软件的主体主体是程序，程序的是程序，程序的核心核心是算法。是算法。l算法算法：描述求解特定问题的操作步骤的集：描述求解特定问题的操作步骤的集合。合。l计算机唯一可以理解的程序设计语言计算机唯一可以理解的程序设计语言机器语言。机器语言。l用用0、1编码来表示的基本操作编码来表示的基本操作机器指机器指令。令。本讲稿第二页，共三十六页3.1.1 算法中的基本操作算法中的基本操作二进制求和的算法步骤为：二进制求和的算法步骤为：将被加数放于内存单元将被加数放于内存单元x中中将加数放于内存单元将加数放于内存单元y中中把把x
2、中的数值加上中的数值加上y中的数值的，其和存放中的数值的，其和存放在内存单元在内存单元sum中中本讲稿第三页，共三十六页l那么，将会有那么，将会有两个问题两个问题：l如果每次处理的数据都要通过去查找内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。又放回内存单元中，可以想象效率很低。l并且我们是采用并且我们是采用0，1编码来编写机器指编码来编写机器指令的，那么编码长度将会很长。令的，那么编码长度将会很长。本讲稿第四页，共三十六页l如何处理这两个问题呢？我们引入寄存器如何处理这两个问题呢？我们引入寄存器
3、的概念的概念l寄存器寄存器：是：是CPU内的组成部份，是有限存内的组成部份，是有限存储容量的高速存储部件，它们可用来储容量的高速存储部件，它们可用来暂存暂存指令、数据和地址。指令、数据和地址。本讲稿第五页，共三十六页l引入寄存器后，二进制数求和的算法步骤引入寄存器后，二进制数求和的算法步骤如下：如下：从内存单元从内存单元x中取出被加数放于寄存器中取出被加数放于寄存器A寄存器寄存器A中的数值加上从内存单元中的数值加上从内存单元y中的中的数值，其和存于寄存器数值，其和存于寄存器A中中把寄存器把寄存器A中的数值存于内存单元中的数值存于内存单元sum中中本讲稿第六页，共三十六页3.1.2 机器指令机器
4、指令l方法就是：我们将这些基本操作编码为计方法就是：我们将这些基本操作编码为计算机可识别和处理的命令，即算机可识别和处理的命令，即机器指令机器指令。l一条由一条由0、1编码而成的机器指令由两部分编码而成的机器指令由两部分组成：组成：包含有指出操作类型的包含有指出操作类型的操作码操作码以及指出操作数地址的以及指出操作数地址的地址码地址码本讲稿第七页，共三十六页指令的基本格式指令的基本格式l按一条指令所包含的地址码的个数，指令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、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。单内存地址和零内存地址指令。（a）三地
5、址指令三地址指令：操作码操作码()d1d2d3本讲稿第八页，共三十六页l它所实现的功能是：它所实现的功能是：从源地址从源地址d1和和d2中取出两个操作数，进中取出两个操作数，进行行操作（例如加法操作），并将结果送操作（例如加法操作），并将结果送入目标地址入目标地址d3中。中。可记为：可记为：d3（d1）（d2）本讲稿第九页，共三十六页（b）二地址指令二地址指令：其功能可记为：其功能可记为：d2（d1）（d2）d1d2本讲稿第十页，共三十六页（c）单地址指令单地址指令：其功能可记为：其功能可记为：A（A）（d）d本讲稿第十一页，共三十六页（d）零地址指令零地址指令：这是一种特殊的没有地址码的指令
6、，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。如空操作指令、停机指令等。本讲稿第十二页，共三十六页l前面讨论的两个二进制数相加的算法为：前面讨论的两个二进制数相加的算法为：从内存单元从内存单元100000中取出被加数放于寄中取出被加数放于寄存器存器A中中寄存器寄存器A中的数值加上从内存单元中的数值加上从内存单元100001中的数值，其和存于寄存器中的数值，其和存于寄存器A中中把寄存器把寄存器A中的数值存于内存单元中的数值存于内存单元100010中中结束程序运行结束程序运行本讲稿第十三页，共三十六页l这里我们假设，操作码部分用高这里我们假设，操作码部分用高4位来表示，操作数位来表示
7、，操作数部分部分12位用前位用前2位编码寄存器的编号，后位编码寄存器的编号，后10位用来表位用来表示内存单元地址。（寄存器编号为示内存单元地址。（寄存器编号为00表示寄存器表示寄存器A）15 12 11 10 9 0操作码操作码寄存器寄存器编号编号内存单元地址内存单元地址本讲稿第十四页，共三十六页同时假设：同时假设：指令指令操作码操作码取数操作取数操作0001存数操作存数操作0010加法操作加法操作0011结束操作结束操作0000本讲稿第十五页，共三十六页从内存单元从内存单元100000中取出被加数放于寄中取出被加数放于寄存器存器A中中该操作的机器指令为：该操作的机器指令为：0001 00 0
8、000100000本讲稿第十六页，共三十六页寄存器寄存器A中的数值加上从内存单元中的数值加上从内存单元100001中的数值，其和存于寄存器中的数值，其和存于寄存器A中中该操作的机器指令为：该操作的机器指令为：0011 00 0000100001本讲稿第十七页，共三十六页把寄存器把寄存器A中的数值存于内存单元中的数值存于内存单元100010中中该操作的机器指令为：该操作的机器指令为：0010 00 0000100010本讲稿第十八页，共三十六页结束程序运行结束程序运行该操作的机器指令为：该操作的机器指令为：0000 00 0000000000本讲稿第十九页，共三十六页l计算机进行数据计算机进行数
9、据处理时，既要有处理时，既要有程序，也要有数程序，也要有数据。因此，通常据。因此，通常把内存单元分为把内存单元分为程序区和数据区。程序区和数据区。00000 0000000000 000010001000000000 000100010000000000 000110011000000000 001000010000100000 001010010000000000 001100010001000000 001110000000000000 0100000000000程序区程序区本讲稿第二十页，共三十六页000010000000000101000010000100000111000010001
10、000001100数据区数据区本讲稿第二十一页，共三十六页3.1.3 指令系统指令系统l我们把一台计算机的机器指令集合称为该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。计算机的指令系统。l当两台计算机对于相同的机器指令形式的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，我们称这两台计程序理解和处理相同时，我们称这两台计算机是算机是在机器指令级别兼容在机器指令级别兼容，否则，称在，否则，称在机器指令级别不兼容。机器指令级别不兼容。l把机器指令的位数称为计算机的把机器指令的位数称为计算机的字长字长。显。显然，计算机字长越长性能越好。然，计算机字长越长性能越好。本讲稿第二十二页
11、，共三十六页3.2 中央处理器中央处理器l有条不紊地执行机器指令形式的程序是由有条不紊地执行机器指令形式的程序是由中央处理器中央处理器来完成的。来完成的。l具有如下四个方面的基本功能：具有如下四个方面的基本功能：指令控制指令控制：程序的顺序控制：程序的顺序控制操作控制操作控制：CPU管理并产生由内存取出的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每条指令的操作信号来控制各个部件时间控制时间控制：对各种操作实施时间上的定时：对各种操作实施时间上的定时数据加工数据加工：对数据进行算术和逻辑运算：对数据进行算术和逻辑运算本讲稿第二十三页，共三十六页3.2.1 CPU的基本构成的基本构成l
12、传统的传统的CPU由运算器和控制器两大部分组由运算器和控制器两大部分组成。但随着浮点运算器、成。但随着浮点运算器、cache等纷纷移等纷纷移入入CPU内部，因此内部，因此CPU的基本部分变成了的基本部分变成了运算器、运算器、cache和控制器和控制器。本讲稿第二十四页，共三十六页l运算器运算器：相对于控制器而言，它是接受控：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，所以它是来指挥的，所以它是执行部件执行部件。l主要有两个主要有两个功能功能：执行所有的算术运
13、算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，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。如零值测试或两个值的比较。本讲稿第二十五页，共三十六页l运算器包括：运算器包括：通用寄存器：由触发器及其输入控制电路通用寄存器：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所组成，用来存放当前操作要临时存放的数据。数据。变址寄存器：用来存放变址操作时的变址变址寄存器：用来存放变址操作时的变址基址数据。基址数据。加法器部件：主要由加法器和相关控制电加法器部件：主要由加法器和相关控制电路组成。路组成。本讲稿第二十六页，共三十六页l控制器控制器：是统一指挥和控制计算机
14、各个部：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。件按时序协调操作的中心部件。l具备下列功能：具备下列功能：根据指令在存储器中存放的地址，取出指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，并分析指令，以判别取出的是什么指令。令。根据判别的结果，按一定的时序发出控制根据判别的结果，按一定的时序发出控制该指令的操作控制信号。该指令的操作控制信号。本讲稿第二十七页，共三十六页当执行完一条指令后，便自动从存储器中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。取出下一条要执行的指令。l控制器包括：控制器包括：程序计数器：用来存放即将要执行的机器
15、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。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地址形成器：实现程序计数器的内容自动加加1、转移地址的形成、以及根据指令所、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。提供的信息形成操作数的有效地址。本讲稿第二十八页，共三十六页指令寄存器：用来存放从寄存器取出的指指令寄存器：用来存放从寄存器取出的指令。令。操作码译码器：又称操作码译码器：又称指令译码器指令译码器。用来实。用来实现对指令操作码现对指令操作码（）的译码。的译码。操作控制器：按照每条指令的功能要求，操作控制器：按照每条指令的功能要求，向向CPU的上述部
16、件及计算机的其他组成部的上述部件及计算机的其他组成部件发送控制信号。件发送控制信号。本讲稿第二十九页，共三十六页3.2.2 CPU的工作原理本讲稿第三十页，共三十六页3.2.3 机器指令的寻址方式机器指令的寻址方式l机器指令中的地址码机器指令中的地址码不一定不一定是操作数的真正存放地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，称这一规则为息，按一定的规则形成的，称这一规则为寻址方寻址方式式。15 1211 98 0 xd操作码操作码寻址方寻址方式式内存地址内存地址本讲稿第三十一页，共三十六页由寻址方式形成的操作
17、数的真正存放地址，由寻址方式形成的操作数的真正存放地址，称为称为操作数的有效地址操作数的有效地址，用符号，用符号EA表示。表示。常见的寻址方式有以下常见的寻址方式有以下5种：种：直接寻址方式：直接寻址方式：x=001，则，则EA=d。d即为操作数的有效地址。即为操作数的有效地址。间接寻址方式：间接寻址方式：x=010，则，则EA=（d）。d为操作数地址的地址。为操作数地址的地址。本讲稿第三十二页，共三十六页相对寻址方式：相对寻址方式：x=011，则，则EA=PC+d。PC指程序计数器。指程序计数器。变址寻址方式：变址寻址方式：x=100，则，则EA=IX+d。IX指变址寄存器。指变址寄存器。立
18、即寻址方式：立即寻址方式：x=101。形式地址形式地址d的数值即为操作数。的数值即为操作数。本讲稿第三十三页，共三十六页3.3 逻辑运算和逻辑指令逻辑运算和逻辑指令l机器指令实现的逻辑运算，我们简称为机器指令实现的逻辑运算，我们简称为逻逻辑指令辑指令。l逻辑指令通常会在两种情况下用到：逻辑指令通常会在两种情况下用到：机器状态的检测。机器状态的检测。程序设计中的组合条件判断。程序设计中的组合条件判断。本讲稿第三十四页，共三十六页3.4 计算机的组成计算机的组成3.4.1计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成（1）计算机系统的硬件组成）计算机系统的硬件组成 参考书上参考书上P45 图图3-6（2）总线：各部件之间的数据传送通道。）总线：各部件之间的数据传送通道。分为：分为：地址总线地址总线（ABUS）、）、数据总线数据总线（DBUS）、）、控制总线控制总线（CBUS）。）。本讲稿第三十五页，共三十六页l片内总线片内总线：指在一个芯片内链接各个逻辑：指在一个芯片内链接各个逻辑单元的总线。单元的总线。补充知识：补充知识：l片间总线：指链接一台计算机各组成芯片片间总线：指链接一台计算机各组成芯片（CPU、主存储器、主存储器、I/O接口等芯片）的接口等芯片）的总线。总线。本讲稿第三十六页，共三十六页