1、主要內(nèi)容第第2章章 數(shù)據(jù)操控?cái)?shù)據(jù)操控 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言 程序的執(zhí)行程序的執(zhí)行 算術(shù)算術(shù)/ /邏輯指令邏輯指令 與其他設(shè)備的通信與其他設(shè)備的通信 其他體系結(jié)構(gòu)其他體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)l 計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)操控控制數(shù)據(jù)操控的電路，是作為計(jì)算機(jī)的一個(gè)獨(dú)的電路，是作為計(jì)算機(jī)的一個(gè)獨(dú)立的部分存在的，稱為立的部分存在的，稱為中央處理器（中央處理器（CPUCPU）。l 早期的早期的CPUCPU體積龐大，今天的體積龐大，今天的CPUCPU體積很小、集成度高。體積很小、集成度高。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)CPUCPU的外部特征，以及在計(jì)算機(jī)中的物理位置的外部特征，以及在計(jì)算機(jī)中

2、的物理位置CPU主板主板計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)CPUCPU的組成的組成l 算術(shù)算術(shù)/ /邏輯單元（邏輯單元（arithmetic/logic unitarithmetic/logic unit） ALUALU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作的電路，包括算術(shù)運(yùn)算和布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作的電路，包括算術(shù)運(yùn)算和布爾運(yùn)算l 控制單元（控制單元（control unitcontrol unit） CUCU協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)活動(dòng)的電路，包括：發(fā)出運(yùn)算指令，操作數(shù)的讀取等。協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)活動(dòng)的電路，包括：發(fā)出運(yùn)算指令，操作數(shù)的讀取等。l 寄存器單元（寄存器單元（registerregister） 通用寄存器通用寄存器（general-purpose

3、 registergeneral-purpose register） 臨時(shí)保存臨時(shí)保存CPUCPU正在操作的數(shù)據(jù)。即：保存正在操作的數(shù)據(jù)。即：保存ALUALU電路的輸入和運(yùn)算的電路的輸入和運(yùn)算的結(jié)果。結(jié)果。 專用寄存器專用寄存器（special-purpose registerspecial-purpose register） 程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)CPUCPU的工作原理的工作原理寄存器寄存器中央處理器中央處理器 CPU主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器算術(shù)算術(shù)/邏邏輯單元輯單元控制控制單元單元總線總線CPU和主存儲(chǔ)器通過(guò)和主存儲(chǔ)器通過(guò)總線總線(BUS)連接連接 CPU和主存

4、儲(chǔ)器之間通常設(shè)置了和主存儲(chǔ)器之間通常設(shè)置了高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器（cache memory）各類存儲(chǔ)器的分工各類存儲(chǔ)器的分工：P54步驟1：從主存儲(chǔ)器中取出一個(gè)要加的數(shù)放入一個(gè)寄存器中。步驟2：從主存儲(chǔ)器中取出另一個(gè)要加的數(shù)放入另一個(gè)寄存器中。步驟3：激活加法電路，以步驟1、2所用的寄存器為輸入，用另一個(gè)寄存器存放相加結(jié)果步驟4：將該結(jié)果存入主存儲(chǔ)器。步驟5：停止。RAM計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)程序的概念存儲(chǔ)程序的概念l把計(jì)算機(jī)程序存放到主存儲(chǔ)器里的思想把計(jì)算機(jī)程序存放到主存儲(chǔ)器里的思想-存儲(chǔ)程序概念存儲(chǔ)程序概念l早期的計(jì)算機(jī)早期的計(jì)算機(jī)舉例：類似舉例：類似“音樂(lè)盒音樂(lè)盒”那時(shí)，要改變計(jì)算機(jī)執(zhí)

5、行的程序，等于重新制造一臺(tái)計(jì)算機(jī)那時(shí)，要改變計(jì)算機(jī)執(zhí)行的程序，等于重新制造一臺(tái)計(jì)算機(jī)l后來(lái)，人們認(rèn)識(shí)到程序可以像數(shù)據(jù)一樣進(jìn)行編碼，并存放到存儲(chǔ)器中。后來(lái)，人們認(rèn)識(shí)到程序可以像數(shù)據(jù)一樣進(jìn)行編碼，并存放到存儲(chǔ)器中。這樣同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，可以執(zhí)行很多種程序，而不需要改動(dòng)計(jì)算機(jī)的硬件。這樣同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，可以執(zhí)行很多種程序，而不需要改動(dòng)計(jì)算機(jī)的硬件。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) l中央處理器（中央處理器（Central Processing UnitCentral Processing Unit，CPUCPU） 算術(shù)算術(shù)/ /邏輯部件（邏輯部件（arithmetic/logic unitarithmetic/logic

6、unit） 控制部件（控制部件（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專用寄存器（專用寄存器（special-purpose registerspecial-purpose register）l主板（主板（motherboardmotherboard）l總線（總線（busbus）l高速緩沖存儲(chǔ)器（高速緩沖存儲(chǔ)器（cache memorycache memory）本節(jié)涉及到的概念本節(jié)涉及到的概念計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

7、P P5454 問(wèn)題與練習(xí)問(wèn)題與練習(xí)機(jī)器語(yǔ)言l 機(jī)器語(yǔ)言（機(jī)器語(yǔ)言（machine languagemachine language）CPUCPU能辨認(rèn)的能辨認(rèn)的二進(jìn)制模式二進(jìn)制模式編碼的指令和編碼系統(tǒng)統(tǒng)稱為機(jī)器語(yǔ)言編碼的指令和編碼系統(tǒng)統(tǒng)稱為機(jī)器語(yǔ)言l 機(jī)器指令（機(jī)器指令（machine instructionmachine instruction）用機(jī)器語(yǔ)言表達(dá)的指令稱為用機(jī)器語(yǔ)言表達(dá)的指令稱為機(jī)器指令機(jī)器指令 ? ?問(wèn)題：現(xiàn)在常用的一些程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，例如問(wèn)題：現(xiàn)在常用的一些程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，例如C C、JavaJava、C+C+等和機(jī)器語(yǔ)言有什么關(guān)系？等和機(jī)器語(yǔ)言有什么關(guān)系？-編譯編譯1. 1

8、. 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)l問(wèn)題：計(jì)算機(jī)的指令是不是越多越好？一臺(tái)計(jì)算機(jī)的問(wèn)題：計(jì)算機(jī)的指令是不是越多越好？一臺(tái)計(jì)算機(jī)的CPUCPU究竟應(yīng)該包究竟應(yīng)該包含多少條指令才比較合適？含多少條指令才比較合適？l一旦一臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)幾個(gè)經(jīng)過(guò)精心挑選的任務(wù)，那么添加更多一旦一臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)幾個(gè)經(jīng)過(guò)精心挑選的任務(wù)，那么添加更多的特性是不會(huì)增加該計(jì)算機(jī)的理論能力的。的特性是不會(huì)增加該計(jì)算機(jī)的理論能力的。l換句話說(shuō)，超越某一點(diǎn)后，附加的特性只能增加便利性，不會(huì)增加換句話說(shuō)，超越某一點(diǎn)后，附加的特性只能增加便利性，不會(huì)增加該計(jì)算機(jī)的基本能力。該計(jì)算機(jī)的基本能力。機(jī)器語(yǔ)言 例：計(jì)算機(jī)例：計(jì)算機(jī)A：+、-、*、/ 計(jì)算

9、機(jī)計(jì)算機(jī)B：+、-、*、/、平方、開(kāi)方、立方等、平方、開(kāi)方、立方等1. 1. 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)l利用以上原則的不同程度，導(dǎo)致出現(xiàn)了兩種利用以上原則的不同程度，導(dǎo)致出現(xiàn)了兩種CPUCPU的體系結(jié)構(gòu)（兩種指的體系結(jié)構(gòu)（兩種指令系統(tǒng)）：令系統(tǒng)）：精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISCRISC):): CPU CPU只需要執(zhí)行最小的機(jī)器指令集。只需要執(zhí)行最小的機(jī)器指令集。復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISCCISC):): CPU CPU能夠執(zhí)行大量復(fù)雜的指令。能夠執(zhí)行大量復(fù)雜的指令。 Intel Intel公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的CPUCPU是是CISCCISC結(jié)構(gòu)的，而結(jié)構(gòu)的，而IBM

10、PowerPCIBM PowerPC是是RISCRISC結(jié)結(jié)構(gòu)的。構(gòu)的。機(jī)器語(yǔ)言 機(jī)器語(yǔ)言1. 1. 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令分成指令分成3 3大類：大類：l數(shù)據(jù)傳輸類數(shù)據(jù)傳輸類l算術(shù)算術(shù)/ /邏輯運(yùn)算類邏輯運(yùn)算類l控制類控制類寄存器寄存器中央處理器中央處理器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器算術(shù)算術(shù)/邏邏輯部件輯部件控制部件控制部件總線總線CPU和主存儲(chǔ)器通過(guò)總線連接和主存儲(chǔ)器通過(guò)總線連接 機(jī)器語(yǔ)言步驟1：從主存儲(chǔ)器中取出一個(gè)要加的數(shù)放入一個(gè)寄存器中。步驟2：從主存儲(chǔ)器中取出另一個(gè)要加的數(shù)放入另一個(gè)寄存器中。步驟3：激活加法電路，以步驟1、2所用的寄存器為輸入，用另一個(gè)寄存器存放相加結(jié)果步驟4：將該結(jié)果存入主存儲(chǔ)

11、器。步驟5：停止。1. 1. 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸指令：指令：l請(qǐng)求在各個(gè)位置之間傳輸數(shù)據(jù)的指令請(qǐng)求在各個(gè)位置之間傳輸數(shù)據(jù)的指令l右圖中步驟右圖中步驟1 1、2 2、4 4屬于傳輸指令屬于傳輸指令注意：注意：l這里的這里的“傳輸傳輸”實(shí)際上指的是實(shí)際上指的是“復(fù)制復(fù)制”，通常不用，通常不用“movemove”或或“transfertransfer”l術(shù)語(yǔ)術(shù)語(yǔ)“LOADLOAD”、“STORESTORE”通常用來(lái)指通常用來(lái)指在在CPUCPU和主存儲(chǔ)器之間和主存儲(chǔ)器之間傳輸數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)。lI/OI/O指令指令是一類特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令，單獨(dú)列為一類。指是一類特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令，單獨(dú)列為

12、一類。指在在CPUCPU和其它設(shè)備和其它設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)。間傳輸數(shù)據(jù)。機(jī)器語(yǔ)言1. 1. 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)算術(shù)算術(shù)/ /邏輯運(yùn)算指令：邏輯運(yùn)算指令：l負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，即告訴控制部件請(qǐng)求在，即告訴控制部件請(qǐng)求在算術(shù)算術(shù)/ /邏輯部件內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)活動(dòng)邏輯部件內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)活動(dòng)l右圖中步驟右圖中步驟3 3屬于算術(shù)屬于算術(shù)/ /邏輯運(yùn)算指令邏輯運(yùn)算指令注意：注意：l邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算ANDAND、OROR、NOTNOT、XORXOR通常是基于通常是基于位位的運(yùn)算。的運(yùn)算。因此邏輯運(yùn)算指令可以完成對(duì)某一個(gè)寄存器中特定的若干位操作，而對(duì)其他位因此邏輯運(yùn)算指令可以完成對(duì)某一個(gè)寄存器中特定的若干位操作，而

13、對(duì)其他位沒(méi)有影響沒(méi)有影響-掩碼掩碼l除邏輯運(yùn)算，還有一類對(duì)寄存器內(nèi)容左右移動(dòng)的運(yùn)算除邏輯運(yùn)算，還有一類對(duì)寄存器內(nèi)容左右移動(dòng)的運(yùn)算: :移位運(yùn)算移位運(yùn)算(SHIFT)(SHIFT)、循環(huán)移位運(yùn)算（循環(huán)移位運(yùn)算（ROTATEROTATE）。步驟1：從存儲(chǔ)器中取出一個(gè)要加的數(shù)放入一個(gè)寄存器中。步驟2：從存儲(chǔ)器中取出另一個(gè)要加的數(shù)放入另一個(gè)寄存器中。步驟3：激活加法電路，以步驟1、2所用的寄存器為輸入，用另一個(gè)寄存器存放相加結(jié)果步驟4：將該結(jié)果存存儲(chǔ)器。步驟5：停止。機(jī)器語(yǔ)言1. 1. 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)控制指令：控制指令：l指導(dǎo)程序執(zhí)行的指令，而不作數(shù)據(jù)操作指導(dǎo)程序執(zhí)行的指令，而不作數(shù)據(jù)操作l右圖中步

14、驟右圖中步驟5 5屬于控制指令屬于控制指令注意：注意：l常見(jiàn)的控制指令：轉(zhuǎn)移（常見(jiàn)的控制指令：轉(zhuǎn)移（JUMPJUMP）、分支（）、分支（BRANCHBRANCH）l轉(zhuǎn)移有兩種形式：轉(zhuǎn)移有兩種形式：無(wú)條件轉(zhuǎn)移無(wú)條件轉(zhuǎn)移有條件轉(zhuǎn)移有條件轉(zhuǎn)移，例如：，例如：P56P56，圖，圖2.32.3的步驟的步驟3 3步驟1：從存儲(chǔ)器中取出一個(gè)要加的數(shù)放入一個(gè)寄存器中。步驟2：從存儲(chǔ)器中取出令一個(gè)要加的數(shù)放入另一個(gè)寄存器中。步驟3：激活加法電路，以步驟1、2所用的寄存器為輸入，用另一個(gè)寄存器存放相加結(jié)果步驟4：將該結(jié)果存存儲(chǔ)器。步驟5：停止。一個(gè)演示用的機(jī)器語(yǔ)言1.1.機(jī)器的體系結(jié)構(gòu)機(jī)器的體系結(jié)構(gòu) 機(jī)器有機(jī)器有

15、1616個(gè)通用寄存器個(gè)通用寄存器。每個(gè)寄存器的長(zhǎng)度為一字節(jié)（每個(gè)寄存器的長(zhǎng)度為一字節(jié)（8 8位）。位）。為了在為了在指令中標(biāo)識(shí)寄存器，每個(gè)寄存器各賦予一個(gè)惟一的四位模式表示其寄存器號(hào)。指令中標(biāo)識(shí)寄存器，每個(gè)寄存器各賦予一個(gè)惟一的四位模式表示其寄存器號(hào)。所以寄存器所以寄存器0 0由由00000000（十六進(jìn)制（十六進(jìn)制0 0）標(biāo)識(shí)，寄存器）標(biāo)識(shí)，寄存器4 4由由01000100（十六進(jìn)制（十六進(jìn)制4 4）標(biāo)識(shí)。）標(biāo)識(shí)。 機(jī)器主存有機(jī)器主存有256256個(gè)單元個(gè)單元。每個(gè)單元賦予一個(gè)范圍在。每個(gè)單元賦予一個(gè)范圍在0 0到到255255之間的整數(shù)地之間的整數(shù)地址。所以一個(gè)地址能夠用址。所以一個(gè)地址能

16、夠用0000000000000000到到1111111111111111范圍內(nèi)（或范圍內(nèi)（或0000到到FFFF范圍的十六范圍的十六進(jìn)制值）的一個(gè)八位模式來(lái)表示。進(jìn)制值）的一個(gè)八位模式來(lái)表示。一個(gè)演示用的機(jī)器語(yǔ)言2. 2. 示例性的機(jī)器語(yǔ)言示例性的機(jī)器語(yǔ)言 附錄附錄算術(shù)算術(shù)/ /邏輯部件邏輯部件中央處理器中央處理器寄存器寄存器012F總線總線主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器地址地址單元單元00000101020203030404FFFF控制部件控制部件程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器指令寄存器指令寄存器（1）共有）共有16個(gè)通用寄存器，個(gè)通用寄存器，256個(gè)主存儲(chǔ)單元。個(gè)主存儲(chǔ)單元。（2）分別用二進(jìn)制編號(hào)，用十六進(jìn)制表示

17、。）分別用二進(jìn)制編號(hào)，用十六進(jìn)制表示。一個(gè)演示用的機(jī)器語(yǔ)言2. 2. 示例性的機(jī)器語(yǔ)言示例性的機(jī)器語(yǔ)言指令及其構(gòu)成：指令及其構(gòu)成：l該計(jì)算機(jī)的每一條指令都是一個(gè)二進(jìn)制序列；該計(jì)算機(jī)的每一條指令都是一個(gè)二進(jìn)制序列；l這個(gè)二進(jìn)制序列可被分為兩部分：這個(gè)二進(jìn)制序列可被分為兩部分：操作碼、操作數(shù)操作碼、操作數(shù)l操作碼指名該指令將進(jìn)行什么操作操作碼指名該指令將進(jìn)行什么操作，例如：，例如：STORESTORE、ADDADD、XORXOR等等l操作數(shù)給出了參與本次運(yùn)算的更詳細(xì)的信息操作數(shù)給出了參與本次運(yùn)算的更詳細(xì)的信息。操作碼操作碼操作數(shù)操作數(shù)一條指令的組成一條指令的組成一個(gè)演示用的機(jī)器語(yǔ)言2. 2. 示例

18、性的機(jī)器語(yǔ)言示例性的機(jī)器語(yǔ)言l ? ?問(wèn)題：在實(shí)際的計(jì)算機(jī)指令集中，操作碼占幾位取決于什么？問(wèn)題：在實(shí)際的計(jì)算機(jī)指令集中，操作碼占幾位取決于什么？l對(duì)應(yīng)著每一種操作碼的位模式，操作數(shù)都有不同的解釋。對(duì)應(yīng)著每一種操作碼的位模式，操作數(shù)都有不同的解釋。操作碼操作碼操作數(shù)操作數(shù)實(shí)際的位模式（實(shí)際的位模式（16位）位）十六進(jìn)制形式（十六進(jìn)制形式（4個(gè)數(shù)字）個(gè)數(shù)字）一條指令的組成一條指令的組成一個(gè)演示用的機(jī)器語(yǔ)言2. 2. 示例性的機(jī)器語(yǔ)言示例性的機(jī)器語(yǔ)言l在我們的在我們的示例計(jì)算機(jī)中，機(jī)器語(yǔ)言一共有示例計(jì)算機(jī)中，機(jī)器語(yǔ)言一共有1212條基本指令條基本指令；因此，操；因此，操作碼需占作碼需占4 4位。位

19、。l總的機(jī)器指令都是兩字節(jié)長(zhǎng)。頭總的機(jī)器指令都是兩字節(jié)長(zhǎng)。頭4 4位是操作碼，后位是操作碼，后1212位組成操作數(shù)字位組成操作數(shù)字段。段。l1212位組成操作數(shù)位組成操作數(shù)由三個(gè)十六進(jìn)制數(shù)表示，分別代表不同的含義。由三個(gè)十六進(jìn)制數(shù)表示，分別代表不同的含義。l詳見(jiàn)附錄詳見(jiàn)附錄C C一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器語(yǔ)言 說(shuō)明：說(shuō)明：l 字母字母R R、S S及及T T在表示寄存器標(biāo)識(shí)符的那些字段處用來(lái)替代十六進(jìn)制數(shù)字，在表示寄存器標(biāo)識(shí)符的那些字段處用來(lái)替代十六進(jìn)制數(shù)字， R R、S S、T T代表的是寄存器的地址代表的是寄存器的地址 它們因指令的具體應(yīng)用而異。它們因指令的具體應(yīng)用而異。l 字母字母X X及及Y Y用

20、來(lái)在變量字段替代十六進(jìn)制數(shù)字，而用來(lái)在變量字段替代十六進(jìn)制數(shù)字，而不代表寄存器不代表寄存器。一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器語(yǔ)言操作碼操作碼操作數(shù)操作數(shù)說(shuō)明說(shuō)明1RXY以地址為以地址為XY的存儲(chǔ)單元的位模式加載（的存儲(chǔ)單元的位模式加載（LOAD）寄存器）寄存器R。例：例：14A3使得地址使得地址A3的存儲(chǔ)單元內(nèi)容放入寄存器的存儲(chǔ)單元內(nèi)容放入寄存器4。2RXY以位模式以位模式XY 加載（加載（LOAD）寄存器）寄存器R。例：例：20A3使得值使得值A(chǔ)3放入寄存器放入寄存器0。3RXY將寄存器將寄存器R的位模式存放（的位模式存放（STORE）于地址為）于地址為XY的存儲(chǔ)單元。的存儲(chǔ)單元。例：例：35B1使得寄存器使

21、得寄存器5的內(nèi)容放入地址為的內(nèi)容放入地址為B1的存儲(chǔ)單元。的存儲(chǔ)單元。4ORS將寄存器將寄存器R的位模式移入（的位模式移入（MOVE）寄存器）寄存器S。例：例：40A4使得寄存器使得寄存器A的內(nèi)容復(fù)制到寄存器的內(nèi)容復(fù)制到寄存器4。5RST寄存器寄存器S與寄存器與寄存器T的位模式作為補(bǔ)碼表示相加（的位模式作為補(bǔ)碼表示相加（ADD），求和結(jié)果），求和結(jié)果放在寄存器放在寄存器R。例：例：5726使得寄存器使得寄存器2與寄存器與寄存器6的二進(jìn)制值相加，和放入寄存器的二進(jìn)制值相加，和放入寄存器7。6RST寄存器寄存器S與寄存器與寄存器T的位模式作為浮點(diǎn)表示值相加（的位模式作為浮點(diǎn)表示值相加（ADD），浮

22、點(diǎn)結(jié)），浮點(diǎn)結(jié)果放在寄存器果放在寄存器R。例：例：634E使寄存器使寄存器4與寄存器與寄存器E的浮點(diǎn)值相加，結(jié)果放入寄存器的浮點(diǎn)值相加，結(jié)果放入寄存器3。一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器語(yǔ)言操作碼操作碼操作數(shù)操作數(shù)說(shuō)明說(shuō)明7RST寄存器寄存器S與寄存器與寄存器T的位模式做或（的位模式做或（OR）操作，結(jié)果放在寄）操作，結(jié)果放在寄存器存器R。例：例：7CB4使得寄存器使得寄存器B與寄存器與寄存器4的內(nèi)容做或操作，結(jié)果放的內(nèi)容做或操作，結(jié)果放入寄存器入寄存器C。8RST寄存器寄存器S與寄存器與寄存器T的位模式做與（的位模式做與（AND）操作，結(jié)果放在寄）操作，結(jié)果放在寄存器存器R。例：例：8045使得寄存器使得寄存

23、器4與寄存器與寄存器5的內(nèi)容做與操作，結(jié)果放入的內(nèi)容做與操作，結(jié)果放入寄存器寄存器0。9RST寄存器寄存器S與寄存器與寄存器T的位模式做異或（的位模式做異或（EXCLUSIVE OR）操）操作，結(jié)果放在寄存器作，結(jié)果放在寄存器R。例：例：95F3使得寄存器使得寄存器F與寄存器與寄存器3的內(nèi)容做異或操作，結(jié)果放的內(nèi)容做異或操作，結(jié)果放入寄存器入寄存器5。一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器語(yǔ)言操作碼操作碼操作數(shù)操作數(shù)說(shuō)明說(shuō)明AROX將寄存器將寄存器R的位模式循環(huán)（的位模式循環(huán)（ROTATE）右移一位，做）右移一位，做X次。次。每次把低端開(kāi)始的那個(gè)位放入高端。每次把低端開(kāi)始的那個(gè)位放入高端。例：例：A403使得寄存器使

24、得寄存器4的內(nèi)容循環(huán)右移的內(nèi)容循環(huán)右移3位。位。BRXY若寄存器若寄存器R的位模式等于寄存器的位模式等于寄存器0的位模式，則跳轉(zhuǎn)（的位模式，則跳轉(zhuǎn)（JUMP）到位于地址到位于地址XY的存儲(chǔ)單元中的指令。否則繼續(xù)正常執(zhí)行順序。的存儲(chǔ)單元中的指令。否則繼續(xù)正常執(zhí)行順序。（跳轉(zhuǎn)是通過(guò)在執(zhí)行周期將（跳轉(zhuǎn)是通過(guò)在執(zhí)行周期將XY復(fù)制進(jìn)程序計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。）復(fù)制進(jìn)程序計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。）例：例：B43C先比較寄存器先比較寄存器4及寄存器及寄存器0的內(nèi)容。如果兩者相等，的內(nèi)容。如果兩者相等，則把模式則把模式3C置入程序計(jì)數(shù)器，所以下一條執(zhí)行的指令將是這置入程序計(jì)數(shù)器，所以下一條執(zhí)行的指令將是這個(gè)存儲(chǔ)器地址中的那條。

25、否則，不做任何別的事情，程序照個(gè)存儲(chǔ)器地址中的那條。否則，不做任何別的事情，程序照常繼續(xù)。常繼續(xù)。C000停止（停止（HALT）執(zhí)行。）執(zhí)行。例：例：C000使得程序執(zhí)行停止。使得程序執(zhí)行停止。機(jī)器語(yǔ)言運(yùn)算對(duì)象的這運(yùn)算對(duì)象的這部分標(biāo)識(shí)接收部分標(biāo)識(shí)接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器單元的地址單元的地址運(yùn)算對(duì)象的這部分標(biāo)運(yùn)算對(duì)象的這部分標(biāo)識(shí)哪個(gè)寄存器的值需識(shí)哪個(gè)寄存器的值需要儲(chǔ)存要儲(chǔ)存運(yùn)算碼運(yùn)算碼3表示把表示把一個(gè)寄存器中的一個(gè)寄存器中的內(nèi)容存儲(chǔ)到一個(gè)內(nèi)容存儲(chǔ)到一個(gè)存儲(chǔ)器單元中存儲(chǔ)器單元中指令指令指令指令35A7的譯碼的譯碼 2. 2. 示例性的機(jī)器語(yǔ)言示例性的機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器指令的譯碼（解碼）：機(jī)器指令的

26、譯碼（解碼）：機(jī)器語(yǔ)言2. 2. 示例性的機(jī)器語(yǔ)言示例性的機(jī)器語(yǔ)言根據(jù)附錄根據(jù)附錄C C，解釋下列指令序列的含義：，解釋下列指令序列的含義：l156C156Cl166D166Dl50565056l306E306ElC000C000機(jī)器語(yǔ)言P P5858 問(wèn)題與練習(xí)問(wèn)題與練習(xí)程序執(zhí)行l(wèi)程序：指令的有序集合程序：指令的有序集合 l計(jì)算機(jī)必須將程序復(fù)制到計(jì)算機(jī)必須將程序復(fù)制到CPUCPU中才能執(zhí)行。即在中才能執(zhí)行。即在CPUCPU中解碼和執(zhí)行。中解碼和執(zhí)行。l程序的執(zhí)行順序和他們?cè)诖鎯?chǔ)器中保存的順序是一致的，除非程序程序的執(zhí)行順序和他們?cè)诖鎯?chǔ)器中保存的順序是一致的，除非程序中包含中包含JUMPJUM

27、P指令。指令?，F(xiàn)實(shí)中：現(xiàn)實(shí)中：程序被存放在硬盤(pán)中，當(dāng)執(zhí)行時(shí)，先被加載到內(nèi)存里，然后再一條程序被存放在硬盤(pán)中，當(dāng)執(zhí)行時(shí)，先被加載到內(nèi)存里，然后再一條條的復(fù)制到條的復(fù)制到CPUCPU的控制器中執(zhí)行。的控制器中執(zhí)行。程序執(zhí)行控制部件中的兩個(gè)控制部件中的兩個(gè)專用寄存器專用寄存器：l程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器中包含了程序計(jì)數(shù)器中包含了下一條要執(zhí)行的指令的地址要執(zhí)行的指令的地址l指令寄存器指令寄存器指令寄存器用于保存指令寄存器用于保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令執(zhí)行的指令算術(shù)算術(shù)/ /邏輯部件邏輯部件中央處理器中央處理器寄存器寄存器012F總線總線主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器地址地址單元單元0000010102020303

28、0404FFFF控制部件控制部件程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器指令寄存器指令寄存器程序執(zhí)行l(wèi)從整體上看，由控制部件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)一個(gè)程序的執(zhí)行。對(duì)于程序中的從整體上看，由控制部件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)一個(gè)程序的執(zhí)行。對(duì)于程序中的每一條指令的執(zhí)行，控制部件要完成的工作都可以被分為三個(gè)基本每一條指令的執(zhí)行，控制部件要完成的工作都可以被分為三個(gè)基本的步驟。的步驟。取指令取指令譯碼譯碼執(zhí)行執(zhí)行l(wèi)控制部件是通過(guò)重復(fù)執(zhí)行一個(gè)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)它的工作的，該算法引導(dǎo)控制部件是通過(guò)重復(fù)執(zhí)行一個(gè)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)它的工作的，該算法引導(dǎo)它完成一個(gè)稱為它完成一個(gè)稱為機(jī)器周期機(jī)器周期的三步處理。的三步處理。l一條指令的執(zhí)行時(shí)間一條指令的執(zhí)行時(shí)間 - - 一個(gè)機(jī)器

29、周期一個(gè)機(jī)器周期1個(gè)機(jī)器周期內(nèi)的工作程序執(zhí)行機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行一條指令的算法機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行一條指令的算法1. 按程序計(jì)數(shù)按程序計(jì)數(shù)器指示的地址器指示的地址從存儲(chǔ)器中讀從存儲(chǔ)器中讀出一條指令，出一條指令，然后增加程序然后增加程序計(jì)數(shù)器的值。計(jì)數(shù)器的值。2. 對(duì)指令寄對(duì)指令寄存器中的位存器中的位模式進(jìn)行譯模式進(jìn)行譯碼。碼。3. 實(shí)現(xiàn)指令寄存器里實(shí)現(xiàn)指令寄存器里指令所規(guī)定的動(dòng)作。指令所規(guī)定的動(dòng)作。讀讀取取執(zhí)行執(zhí)行譯碼譯碼在我們的示例計(jì)算機(jī)中，計(jì)數(shù)器的值應(yīng)該加2程序執(zhí)行 運(yùn)算對(duì)象運(yùn)算對(duì)象的這部分的這部分是要放在是要放在程序計(jì)數(shù)程序計(jì)數(shù)器的值。器的值。運(yùn)算對(duì)象的這部分指運(yùn)算對(duì)象的這部分指示要與寄存器示要與寄

30、存器0比較比較的寄存器。的寄存器。運(yùn)算碼運(yùn)算碼B表示，表示，如果指定的寄存如果指定的寄存器的內(nèi)容與寄存器的內(nèi)容與寄存器器0的內(nèi)容相同，的內(nèi)容相同，那么改變程序計(jì)那么改變程序計(jì)數(shù)器的值。數(shù)器的值。指指令令轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行比較特殊，例如：指令轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行比較特殊，例如：指令B258B258的譯碼的譯碼 1、轉(zhuǎn)移指令需用到指令規(guī)定的運(yùn)算對(duì)象之外的寄存器、轉(zhuǎn)移指令需用到指令規(guī)定的運(yùn)算對(duì)象之外的寄存器2、轉(zhuǎn)移指令是唯一能夠改變程序計(jì)數(shù)器的值的指令、轉(zhuǎn)移指令是唯一能夠改變程序計(jì)數(shù)器的值的指令程序執(zhí)行 1. 1. 程序執(zhí)行的一個(gè)例子程序執(zhí)行的一個(gè)例子l156C156Cl166D166Dl50565056l3

31、06E306ElC000C000假定該程序存放在從假定該程序存放在從地址地址A0A0開(kāi)始的連續(xù)的開(kāi)始的連續(xù)的地址里地址里程序執(zhí)行1. 1. 程序執(zhí)行的一個(gè)例子程序執(zhí)行的一個(gè)例子程序的執(zhí)行1. 1. 程序執(zhí)行的一個(gè)例子程序執(zhí)行的一個(gè)例子程序的執(zhí)行1. 1. 程序執(zhí)行的一個(gè)例子程序執(zhí)行的一個(gè)例子l156C156Cl166D166Dl50565056l306E306ElC000C000? ?程序存放在程序存放在A0-A9A0-A9，它所操作的數(shù)據(jù)它所操作的數(shù)據(jù)放在哪里？放在哪里？程序的執(zhí)行2 2. . 程序程序與數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)l 程序和數(shù)據(jù)都存放在主存儲(chǔ)器中程序和數(shù)據(jù)都存放在主存儲(chǔ)器中，機(jī)器本身不知道哪

32、里是程序，機(jī)器本身不知道哪里是程序，哪里是數(shù)據(jù)。哪里是數(shù)據(jù)。l 如果錯(cuò)誤的把一段數(shù)據(jù)的起始地址填寫(xiě)到程序計(jì)數(shù)器中，控制如果錯(cuò)誤的把一段數(shù)據(jù)的起始地址填寫(xiě)到程序計(jì)數(shù)器中，控制部件將會(huì)把這段數(shù)據(jù)當(dāng)作程序去執(zhí)行。部件將會(huì)把這段數(shù)據(jù)當(dāng)作程序去執(zhí)行。 程序和數(shù)據(jù)同時(shí)存放在存儲(chǔ)器中的優(yōu)點(diǎn)：程序和數(shù)據(jù)同時(shí)存放在存儲(chǔ)器中的優(yōu)點(diǎn)：l 一個(gè)程序可以操作自身，使之具有學(xué)習(xí)的能力。一個(gè)程序可以操作自身，使之具有學(xué)習(xí)的能力。l 一個(gè)程序也可以把其它的程序當(dāng)作數(shù)據(jù)操作。一個(gè)程序也可以把其它的程序當(dāng)作數(shù)據(jù)操作。程序的執(zhí)行P P6262 問(wèn)題與練習(xí)問(wèn)題與練習(xí)算術(shù)/邏輯指令 循環(huán)移位和移位運(yùn)算循環(huán)移位和移位運(yùn)算l 循環(huán)移位循環(huán)

33、移位（circular shiftcircular shift或或rotationrotation）l 邏輯移位邏輯移位（logical shiftlogical shift）l 算術(shù)移位算術(shù)移位（arithmetic shiftarithmetic shift）位模式位模式A3循環(huán)右移循環(huán)右移1位位 由由A3（十六進(jìn)制）（十六進(jìn)制）表示的位模式表示的位模式各位向右移各位向右移1位。位。最右面的位最右面的位“移出移出”了，把它填在另一了，把它填在另一端的空位上端的空位上最后的位模式，它最后的位模式，它用用D1（十六進(jìn)制）（十六進(jìn)制）表示表示與其他設(shè)備的通信l CPUCPU與主存儲(chǔ)器組成了一個(gè)計(jì)

34、算機(jī)的與主存儲(chǔ)器組成了一個(gè)計(jì)算機(jī)的核心核心 在這一節(jié)中，我們將稱這個(gè)核心為計(jì)算機(jī)在這一節(jié)中，我們將稱這個(gè)核心為計(jì)算機(jī)l 在本節(jié)中，我們將研究在本節(jié)中，我們將研究“計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)”如何與外部設(shè)備通信的如何與外部設(shè)備通信的 例如：磁盤(pán)、打印機(jī)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、監(jiān)視器等例如：磁盤(pán)、打印機(jī)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、監(jiān)視器等與其他設(shè)備的通信1. 1. 控制器的作用控制器的作用 一臺(tái)一臺(tái)“計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)”（核心）與其他設(shè)備之間的通信通常是由（核心）與其他設(shè)備之間的通信通常是由我們稱為控制器的中間設(shè)備處理的。我們稱為控制器的中間設(shè)備處理的。l 對(duì)于個(gè)人計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，控制器就是一塊電路板，它是插在計(jì)對(duì)于個(gè)人計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，控制器就是一

35、塊電路板，它是插在計(jì)算機(jī)的主板上的。算機(jī)的主板上的。l 每個(gè)控制器本身通常就是一個(gè)小的計(jì)算機(jī)，它有自己的存儲(chǔ)每個(gè)控制器本身通常就是一個(gè)小的計(jì)算機(jī)，它有自己的存儲(chǔ)電路和電路和CPUCPU。與其他設(shè)備的通信與其他設(shè)備的通信與其他設(shè)備的通信l 控制器把信息和數(shù)據(jù)在兩種形式之間轉(zhuǎn)換控制器把信息和數(shù)據(jù)在兩種形式之間轉(zhuǎn)換： 一是與計(jì)算機(jī)內(nèi)部特征相適應(yīng)的形式一是與計(jì)算機(jī)內(nèi)部特征相適應(yīng)的形式 二是與所連接的外部設(shè)備相適應(yīng)的形式二是與所連接的外部設(shè)備相適應(yīng)的形式l 每個(gè)控制器都是為特定類型的設(shè)備設(shè)計(jì)的，彼此不能通用。每個(gè)控制器都是為特定類型的設(shè)備設(shè)計(jì)的，彼此不能通用。 甚至是同一類型的兩個(gè)外部設(shè)備，它們彼此的控

36、制器也不相同。甚至是同一類型的兩個(gè)外部設(shè)備，它們彼此的控制器也不相同。例如：老式磁盤(pán)系統(tǒng)的控制器對(duì)新式硬盤(pán)就不適用。例如：老式磁盤(pán)系統(tǒng)的控制器對(duì)新式硬盤(pán)就不適用。與其他設(shè)備的通信 CPUCPU與控制器的種通信方式：與控制器的種通信方式：（1 1）端口端口 在某些計(jì)算機(jī)中，機(jī)器語(yǔ)言提供了在某些計(jì)算機(jī)中，機(jī)器語(yǔ)言提供了額外的運(yùn)算碼額外的運(yùn)算碼用于控用于控制器的制器的LOADLOAD和和STORE-STORE-這些運(yùn)算碼我們稱之為這些運(yùn)算碼我們稱之為I/OI/O指令。指令。 I/OI/O指令通過(guò)編址系統(tǒng)來(lái)標(biāo)識(shí)各種各樣的控制器。指令通過(guò)編址系統(tǒng)來(lái)標(biāo)識(shí)各種各樣的控制器。賦給賦給每個(gè)控制器一個(gè)唯一的地址，

37、我們稱為每個(gè)控制器一個(gè)唯一的地址，我們稱為I/OI/O地址，也叫做端地址，也叫做端口口與其他設(shè)備的通信 （2 2） 存儲(chǔ)器映射輸入存儲(chǔ)器映射輸入/ /輸出輸出在這種方式中，在這種方式中，CPUCPU使用與存儲(chǔ)器通信使用與存儲(chǔ)器通信相同的運(yùn)算碼相同的運(yùn)算碼來(lái)來(lái)和各種控制器通信和各種控制器通信 CPUCPU如何區(qū)分當(dāng)前通信的對(duì)象是某個(gè)控制器還是主存如何區(qū)分當(dāng)前通信的對(duì)象是某個(gè)控制器還是主存儲(chǔ)器呢？?jī)?chǔ)器呢？ 每個(gè)控制器被設(shè)計(jì)成響應(yīng)唯一的一組主存儲(chǔ)器的地址，每個(gè)控制器被設(shè)計(jì)成響應(yīng)唯一的一組主存儲(chǔ)器的地址，而主存儲(chǔ)器被設(shè)計(jì)成忽略對(duì)這些地址的引用（而主存儲(chǔ)器被設(shè)計(jì)成忽略對(duì)這些地址的引用（即：主即：主存儲(chǔ)器

38、不能使用這些地址）。存儲(chǔ)器不能使用這些地址）。與其他設(shè)備的通信 存儲(chǔ)器映射輸入存儲(chǔ)器映射輸入/ /輸出輸出與其他設(shè)備的通信2.2.直接內(nèi)存存取直接內(nèi)存存取-DMA-DMA 控制器直接存取主存儲(chǔ)器的能力稱為控制器直接存取主存儲(chǔ)器的能力稱為-DMA-DMA 如圖如圖2.132.13中所示，控制器是連接在總線上的，當(dāng)中所示，控制器是連接在總線上的，當(dāng)CPUCPU不使不使用總線時(shí)，控制器可以利用總線與主存儲(chǔ)器通信。用總線時(shí)，控制器可以利用總線與主存儲(chǔ)器通信。 DMA DMA的好處在于，它大大提高了計(jì)算機(jī)的性能的好處在于，它大大提高了計(jì)算機(jī)的性能與其他設(shè)備的通信馮馮諾依曼瓶頸諾依曼瓶頸 位模式必須在位模

39、式必須在CPUCPU與主存儲(chǔ)器、與主存儲(chǔ)器、CPUCPU與控制器、各個(gè)控制器與控制器、各個(gè)控制器與主存儲(chǔ)器之間進(jìn)行傳送。與主存儲(chǔ)器之間進(jìn)行傳送。 協(xié)調(diào)總線上的數(shù)據(jù)傳輸就是一個(gè)重要的研究課題。協(xié)調(diào)總線上的數(shù)據(jù)傳輸就是一個(gè)重要的研究課題。 即使是杰出的設(shè)計(jì)，即使是杰出的設(shè)計(jì)，中央總線也可能成為中央總線也可能成為CPUCPU與控制器競(jìng)爭(zhēng)與控制器競(jìng)爭(zhēng)總線存取的障礙總線存取的障礙 這種障礙稱為這種障礙稱為 馮諾依曼瓶頸馮諾依曼瓶頸l DMA DMA的使用對(duì)于增加計(jì)算機(jī)總線所處理的通信量有決定性的影響。的使用對(duì)于增加計(jì)算機(jī)總線所處理的通信量有決定性的影響。與其他設(shè)備的通信3.3.握手握手l 在計(jì)算機(jī)兩個(gè)部

40、件之間的數(shù)據(jù)傳輸很少是單向的。在計(jì)算機(jī)兩個(gè)部件之間的數(shù)據(jù)傳輸很少是單向的。 例如：例如： 打印機(jī)打印機(jī)l 握手：計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間交換設(shè)備狀態(tài)的信息，協(xié)調(diào)握手：計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間交換設(shè)備狀態(tài)的信息，協(xié)調(diào)它們之間的活動(dòng)的過(guò)程。它們之間的活動(dòng)的過(guò)程。l 握手通常涉及一個(gè)握手通常涉及一個(gè)狀態(tài)字狀態(tài)字 狀態(tài)字是一個(gè)位模式狀態(tài)字是一個(gè)位模式，由外部設(shè)備生成并發(fā)送給控制器。，由外部設(shè)備生成并發(fā)送給控制器。它的各個(gè)二進(jìn)制為反映了該設(shè)備的各種狀態(tài)。它的各個(gè)二進(jìn)制為反映了該設(shè)備的各種狀態(tài)。與其他設(shè)備的通信l 4.4.流行的通信媒介流行的通信媒介 計(jì)算機(jī)設(shè)備間的通信的兩種方式：串行、并行計(jì)算機(jī)設(shè)備間的通信的兩

41、種方式：串行、并行 并行通信并行通信：若干信號(hào)同時(shí)傳輸，每個(gè)信號(hào)都在各自的：若干信號(hào)同時(shí)傳輸，每個(gè)信號(hào)都在各自的“線路線路”上。即：上。即：數(shù)據(jù)在多個(gè)信道上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)在多個(gè)信道上同時(shí)傳輸。數(shù)據(jù)線數(shù)目與傳輸數(shù)據(jù)相同。數(shù)據(jù)線數(shù)目與傳輸數(shù)據(jù)相同。速度快，但是鏈路復(fù)雜。如：計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線。速度快，但是鏈路復(fù)雜。如：計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線。 串行通信串行通信：指在一條信號(hào)線上一個(gè)信號(hào)節(jié)一個(gè)信號(hào)地傳輸。即：指在一條信號(hào)線上一個(gè)信號(hào)節(jié)一個(gè)信號(hào)地傳輸。即：數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在一個(gè)信道上一位一位依次傳輸在一個(gè)信道上一位一位依次傳輸。數(shù)據(jù)線數(shù)目與與傳輸數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)。數(shù)據(jù)線數(shù)目與與傳輸數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是只需要一條相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)路徑，

42、可以優(yōu)點(diǎn)是只需要一條相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)路徑，可以在短距離內(nèi)提供相對(duì)高速在短距離內(nèi)提供相對(duì)高速的的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸。與其他設(shè)備的通信串行通信并行通信與其他設(shè)備的通信流行的通信媒介流行的通信媒介 MODEMMODEM（調(diào)制解調(diào)器）（調(diào)制解調(diào)器） DSL DSL（數(shù)字用戶電路）（數(shù)字用戶電路） OPTICAL FIBRE OPTICAL FIBRE （光纖）（光纖） CATV(CATV(有線電視有線電視) ) WIRELESS COMMUNICATION WIRELESS COMMUNICATION （無(wú)線通信）（無(wú)線通信）與其他設(shè)備的通信 5. 5. 數(shù)據(jù)通信速率數(shù)據(jù)通信速率 傳輸數(shù)據(jù)位的速率是以每秒傳輸數(shù)據(jù)位的速率是以每秒比特比特?cái)?shù)（數(shù)（bits per secondbits per second，bpsbps）度量的。度量