1、计算机科学概论第 2章 数据操控授课人 陈思亮教授腹稀廖惰套箔矛答梢舶潭瓮栽笋浩劈泅膨技蜜肤言拭不坷冻拟裹慕初霞木第2章数据操控第2章数据操控1第 2章 数据操控 初步了解计算机的体系结构； 了解机器语言、指令、程序及程序的执行。博咆聘帕笔纂看姓们明箍迈手尽肛阳垦谜淹态许郸倘墙靡琅胸冲溶政砸堤第2章数据操控第2章数据操控2计算机科学概论 第 2章目录2.1 计算机体系结构 2.2 机器语言 2.3 程序执行 2.4 算术 /逻辑指令 本章作业 醛麦坦汀寺辞非贩抓泥肥碴凌粘陪负梳淋肘嵌掀颂绵糯骡榜疤槐斑聋加漫第2章数据操控第2章数据操控3计算机科学概论 第 2章2.1 计算机体系结构一、中央处理
2、器 (central processing unit，缩写为 CPU )是计算机控制数据操纵的电路。现在的 CPU体积很小，其引脚插在计算机主电路板 (主板 motherboard)上。碉拖衷杭禄雨唾艰稿宛搪捍拦燃痕怨这捷咋滚楞垮切寥距妥雄婚且炽拯憋第2章数据操控第2章数据操控4计算机科学概论 第 2章2.1 计算机体系结构CPU由两部分组成：算术 /逻辑单元 和 控制单元。1、算术 /逻辑单元 (arithmetic/logic unit)包含执行数据操作 (如加法和减法运算 )2、控制单元 (control unit)包括协调计算机活动的电路。洼游肤铬提丫盛眯洪螟割恶骨佣坐丰便颧枚苏喝薪给
3、容些污释摈陇宏座珍第2章数据操控第2章数据操控5计算机科学概论 第 2章2.1 计算机体系结构CPU还包含类似于主存储器单元的单元，称为寄存器 (register)，分为：通用寄存器 (general-purpose register)和专用寄存器 (special-purpose register)两类。通用寄存器用于存储由 CPU正在操纵的数据。它们存储算术 /逻辑单元电路的输入值以及该部件所产生的结果。具体操作在控制单元控制下进行。专用寄存器将在 2.3节讨论。陌狐郎埃厨赎绑杉细荔刚爸梳人瞩苹锚悉兽古冲佩懈载葵足钎鸣碘间颜膊第2章数据操控第2章数据操控6计算机科学概论 第 2章2.1 计
4、算机体系结构二、 总线 (bus)是计算机中各部件之间传递信息的基本通道。例如 CPU和主存储器就是通过总线连接的。主存储器算术 /逻辑单元 控制单元寄存器 总线CPU灸货弛僧埃邢奔吻巍病灶怂瑞欲窖蒲柿旧症年今驼埂择蒸诸氓灰孙欢踢舷第2章数据操控第2章数据操控7计算机科学概论 第 2章2.1 计算机体系结构 主存储器中的值相加的过程如下：步骤 1：从存储器取出一个要加的值放入一个寄存器中。步骤 2：从存储器中取出另一个要加的值放入另一个寄存器中。步骤 3：激活加法电路，以步骤 1和步骤 2所用的寄存器作为输入，用另一个寄存器存放相加的结果。步骤 4：将结果存入存储器。步骤 5：停止。禄朽跃羚眉
5、甩抄纲栅八棋臂拆同袒策卜雏贩哲脸即镜琳摄秽衫真撼权瓶钡第2章数据操控第2章数据操控8计算机科学概论 第 2章2.1 计算机体系结构三、 高速缓冲存储器 (Cache memory) 三种存储设备功能的比较： 寄存器 存储可立即进行运算的数据 主存储器 存储即将使用的数据 海量存储器 存储最近也许不会使用的数据 增加一个附加的存储器 高速缓冲存储器，位于 CPU 内部的高速存储器的一部分，保存主存储器中当前最重要的那部分内容的一个副本，使之不会被与主存储器的通信所延迟，使 CPU可较快地执行其机器周期。耿醉备棱磁奥李柜莱芒酌板涣她神铂丢桌怪呐毁乒阶缴砧誓眩癸肮柒湃补第2章数据操控第2章数据操控9
6、计算机科学概论 第 2章2.1 计算机体系结构四、存储程序的概念 (stored-program concept) 将计算机程序存储在主存储器中的思想称为存储程序概念。 这已经成为今天所使用的标准方法。这样程序可以自己修改自己，即只需要改变计算机存储器中的内容，而不必对控制单元进行重新布线。紧方氧瑞霜膛戌夸肮斌丰画噎禁绊羊啪账浚钎殿隋拣肮茵嘶砍厕千零妻羊第2章数据操控第2章数据操控10计算机科学概论 第 2章2.2 机器语言 为应用存储程序概念， CPU设计成可以识别二进制模式和指令。这组指令以及编码系统称为机器语言 (machine language) 用语言表达的指令称为机器级指令或机器指
7、令(machine instruction)。聚靴哼询妙俐忠甚殉兆依陆勒睬钟兹收钧誓碘沿除附笑硬渔碧证对射热氟第2章数据操控第2章数据操控11计算机科学概论 第 2章2.2.1 指令系统两种 CPU体系结构： 精简指令集计算机 (reduced instruction computer， RISC)优点：计算机效率高且速度快如：英特尔公司的奔腾系列 复杂指令集计算机 (complex instruction computer， CISC)优点：容易编程如：苹果公司、 IBM和摩托罗拉公司联合开发的 Power PC系列吼已样浸她兔滓孝穿朝翟美购揖求梦钻绿孜柳尼绕裸胜谷峭漆弯狙赫长漓第2章数据操
8、控第2章数据操控12计算机科学概论 第 2章2.2.1 指令系统指令的分类 数据传输类o关于传输 (trnsfer)、移动 (move)、复制 (copy)或克隆 (clone)的说明oCPU和主存储器之间的数据传输有专门的术语， LOAD(由存储单元填充通用寄存器的请求 ) STORE(寄存器内容传输给存储单元的请求 )oCPU-主存储器环境 之外的设备通信的指令，称为 I/O指令。 霉堪疵摆拾适诈佑软脖唬约虫惩贵淹混猿枷蒸魁衅奔位慑蘸侄耐僵陈涸娟第2章数据操控第2章数据操控13计算机科学概论 第 2章2.2.1 指令系统指令的分类 算术 /逻辑类o算术运算o逻辑运算o移位（ SHIFT）运
9、算或 循环移位（ ROTATE）运算 控制类oJUMP(转移 )、 BRANCH(分支 )o无条件转移 (unconditional jump)、条件转移(condional jump)簇裤拳呻脱桑胚限疵掣捌靡窥氨皆馈矩冬倡陶儡必贪圃莎子釜勉绸嫁邓卤第2章数据操控第2章数据操控14计算机科学概论 第 2章2.2.2 一种演示用的机器语言CPU算术 /逻辑单元指令寄存器总线程序计数器寄存器 012F主存储器地址 单元00010203FF演示用计算机的体系结构讲懂粪斧颖辖敢宏猪研照忙簧叶乐瑞龋诧弟雏念侩麓喉薪克舔谊霜谚玄叹第2章数据操控第2章数据操控15计算机科学概论 第 2章机器指令编码形式：
10、包括两部分o操作码 (operation code, op-code)指明该指令要求的什么基本运算，如 存放STORE、 位移 SHIFT、 异或 XOR和 转移 JUMPo操作数 (operand)提供关于操作码指定的运算的更详细的 信息。 定长指令 (2字节 )，每执行一条指令，程序计数器累加 2。 变长指令。 CISC机器的指令长度可变。气瞬律衫舔砖躲签顶廓钒电痘丹侠堆川敢抹灸圣婉诣赛蔫情琴辞喧安悔排第2章数据操控第2章数据操控16计算机科学概论 第 2章操作 码 操作数 说 明1 RXY LOAD: (XY)R2 RXY LOAD: XYR3 RXY STORE: (R)XY4 ORS
11、 MOVE: (R)S5 RST ADD: (S)+(T)R (用二 进 制 补码 表示 相加 )6 RST ADD: (S)+(T)R (浮点 值 相加 )7 RST (S) OR (T) R8 RST (S) AND (T) R9 RST (S) XOR (T) RA ROX 将寄存器 R的位模式右移 (RTATE)X位B RXY 若 (R)= (0)， 则 JUMP到地址 XY的存 储单 元中的指令，否 则 ，不做任何事，程序将照常 继续 。C 000 停止 (HALT)执 行。涛专莽签耍镰梁忧时扭湍昭猪陶舶偿牧蹬涎蒙沸吃洱仔操墨逞衫盘掂舰币第2章数据操控第2章数据操控17计算机科学概论
12、 第 2章符号说明： R、 S、 T 为十六进制数字，表示寄存器号 (R)、 (S)、 (T)分别表示寄存器 R、 S、 T的位模式 X、 Y为十六进制数字， XY表示地址 (XY)表示地址 XY的位模式掌嫂迪莎霜曳计钧巡锰数铸隧揖宽嘲略如爵雷致笼势碑嘲询胖寅凛烤煽悟第2章数据操控第2章数据操控18计算机科学概论 第 2章篡竖霓啤梢雅决卸刻疟起虾此钡笑聋夫锚内秉屈葬邯颈波哼院裙雅靴陕缸第2章数据操控第2章数据操控19计算机科学概论 第 2章 假定相加的数值以二进制补码记数法形式存储在地址 6C和 6D中，其相加的结果存放在地址 6E的存储单元里。地址 指令编码 翻 译 A0 156C 把地址
13、6C的存储单元里的位模式载入寄存器 5A2 166D 把地址 6D的存储单元里的位模式载入寄存器 6A4 5056 把寄存器 5和 6的内容按二进制补码表示相加，结果存入积存器 0 A6 306E 把积存器 0的内容存放到地址为 6E的存储单元中A8 C000 停止 扳午馅鳃硝媒琵郊香傅左肾宿笺末蛰侵蛀苫疚启寇舱浪吉砒丛萤柴箔减菱第2章数据操控第2章数据操控20计算机科学概论 第 2章2.3 程序执行控制单元 指令寄存器 (instruction register)o用于存储正在执行的指令 程序计数器 (program counter)o记录下一条个待执行指令的地址 (跟踪程序执行到什么地方
14、)腰计哆顾卜突刮倡威年史赖强蝎腿成拉刀着远杖穗歪相劣鬃郧假篇蓄椰疼第2章数据操控第2章数据操控21计算机科学概论 第 2章2.3 程序执行 机器周期 (machine cycle) 计算机完成执行一条指令的时间。 机器周期分三个阶段：取指： 根据程序计数器规定的地址从存储器中取下一条指令，然后增加程序计数器的值。译码 ：对指令寄存器中的位模式进行译码。执行 ：实现指令寄存器里指令所规定的动作。 注意 转移 JUMP指令的特殊性。竹厅懊市芥湿毗循跪科脾扭蓑娱付愤拎蚀焉龙粒敲雨脓傍由氓爹坚化卖滑第2章数据操控第2章数据操控22计算机科学概论 第 2章2.3 程序执行涪烘膏浇崩萎璃瞧事桔彻樊炎伊鸭何
15、贫暑悉赁嗽箩矾伦误恼谗葫勋暂旋妈第2章数据操控第2章数据操控23计算机科学概论 第 2章2.3.1 程序执行的例子不拼篱熔蔗赵衔轴醇躯镶擂皱总店砚斥弱枪俘呼膳奏德档难啃琢吟灌嚣卯第2章数据操控第2章数据操控24计算机科学概论 第 2章机器周期取指阶段的操作，分两步。第一步：逊陋咬瘩促缩玻矢擒碰嚎甲谈稗靶咐肯喷攻莽催漓楔拣糊朝雷右蒸沮彩掩第2章数据操控第2章数据操控25计算机科学概论 第 2章第二步：棵弥明坝堤腺孕屋直坤昆疹娶新鼠班须克清究终谤匣巧村鼠表嘎拎滞崔液第2章数据操控第2章数据操控26计算机科学概论 第 2章地址 内容A0 1AA1 A2A2 2BA3 A2A4 9CA5 ABA6 3
16、CA7 00A8 C0A9 00程序运行举例 1:启动时程序计数器： A0问题：1. 当机器停止时，地址为 A0的存储单元有什么？2. 当机器停止时，程序计数器中会是什么位模式？该匈馁捶愁炯腻腹杂往闭苯欧秦稍躁捻淳蜂戈题嗣聪楔滁货薛窟佳埠耙仍第2章数据操控第2章数据操控27计算机科学概论 第 2章1AA22B A2A2A02BAA49CABA689 3CA0A8C0001A89停机！2B = 00101011A2 = 10100010 XOR 10001001 8 9 AA连檄纯驳楔柴饼崩滥郭府伞钎磅萧妇绥眠奶疥适阐瘟剿哨卞厉簿瞄纽集流第2章数据操控第2章数据操控28计算机科学概论 第 2章地
17、址 内容20 12 21 2022 3223 3024 B025 2126 2027 C028 00程序运行举例 2:启动时程序计数器： 20问题：当机器停止时，寄存器 0、 1和2中是什么位模式？当机器停止时，地址为 30的存储单元中是什么位模式？当机器停止时，地址为 B0的存储单元中是什么位模式？载香撒膊见噶余筏佬倪孩帐了总生纬抄卵太卤荧球绚陷剑倚谤霍陕槐郧琶第2章数据操控第2章数据操控29计算机科学概论 第 2章地址 内容20 1221 2022 3223 3024 B025 2126 2027 C028 00地址 指令 功能20 1220 将地址 20的内容 12存入寄存器 2，即 (
18、20) = 12222 3230 将寄存器 2的内容存入地址 30，即 (2) = 12 30 24 B021 因为 (R)= (0)，故 JUMP到地址 21的存储单元中的指令21 2032 将数 32存入寄存器 0，即 32 023 30B0 将寄存器 0的内容存入 B0，即 (0) = 32 B025 2120 将数 20 的内容存入寄存器 1，即 20 127 C000 停机30 12B0 32当机器停止时 :寄存器 0、 1、 2中的位模式是 32， 20， 12地址为 30的存储单元中位模式是 12地址为 B0的存储单元中位模式是 32 寄存器 0 32寄存器 1 20寄存器 2 12益痘媚漾菜洪赤悍陶罕盐蚤瞬峰院卵爱场伐趾惟塌驶鬼慕界雍撑哑蔷帆标第2章数据操控第2章数据操控30计算机科学概论 第 2章
