計算機基礎(chǔ)知識

第一章 計算機基礎(chǔ),一.計算機基本結(jié)構(gòu),二、指令系統(tǒng),三、CPU執(zhí)行過程,五、微型計算機系統(tǒng),四、CPU的主要性能指標(biāo),一.計算機基本結(jié)構(gòu),外部設(shè)備,微處理器 (CPU),存儲器,輸入/輸出 接口電路,數(shù)據(jù)總線,控制總線,地址總線,1.微處理器(CPU),微處理器包括運算器、控制器、寄存器組三大部分,一般被集成在一個大規(guī)模集成芯片上,如8088、80x86等等,它是計算機的核心部件,具有計算、控制、數(shù)據(jù)傳送、指令譯碼及執(zhí)行等重要功能,它直接決定了計算機的主要性能. ALU 運算器的核心部件是算邏單元ALU，所有的算術(shù) 運算, 邏輯運算和移位操作都是由ALU完成的. 控制器 CPU的指揮機關(guān),完成指令的讀入、寄存、譯 碼和執(zhí)行。 程序計數(shù)器 PC 用于保存下一條要執(zhí)行的指令的地址。 指令寄存器 IR 保存從存儲器中讀入的當(dāng)前要執(zhí)行的指令。 指令譯碼器 ID 對指令寄存器 IR中保存的指令進(jìn)行譯碼分析。 堆棧指示器 SP 對堆棧進(jìn)行操作時提供地址。 處理器狀態(tài)字PSW 暫存處理器當(dāng)前的狀態(tài)。, 工作寄存器組 暫存尋址和計算過程的信息. 地址寄存器 地址寄存器用于操作數(shù)的尋址。 數(shù)據(jù)寄存器 數(shù)據(jù)寄存器用來暫存操作數(shù)和中間運算結(jié)果。 I/O控制邏輯 包括CPU中輸入/輸出操作有關(guān)的邏輯， 其作用是處理輸入/輸出的操作。,2.存儲器 用于存放程序代碼及有關(guān)數(shù)據(jù).,存儲器由若干存儲單元、地址譯碼器及相應(yīng)的控制電路組成。 存儲單元：存儲器由若干個單元組成，每個單元可存放 8 位二進(jìn)制信息 （通常也用兩位十六進(jìn)制數(shù)表示）。 存儲單元的地址：為區(qū)分不同的單元，對這些單元分別編了號，這些編 號即它們的地址。 存儲器的讀寫操作：存儲器中的不同存儲單元，是由地址總線上送來的 地址，經(jīng)過存儲器中的地址譯碼器譯碼，選中該單 元，然后根據(jù)控制總線上的控制命令（或讀或?qū)懀?進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作。 3.輸入輸出接口電路 由于外部設(shè)備如鍵盤、顯示器、軟盤、硬盤、打印機等，在數(shù)據(jù)格式、運行速度等方面與 CPU 不匹配，故在連接時，需通過輸入輸出接口電路使外部設(shè)備與之相連。,4.總線 總線是微型計算機中模塊到模塊之間傳輸信息的通道，是各種公共信息 線的集合，采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴充。 對微機而言，總線可以 分為以下四類：,CPU 片內(nèi)總線,M,I/O,片間總線,I/O接口板,外部設(shè)備,內(nèi)總線,外總線,片內(nèi)總線這種總線是微處理器的內(nèi)總線，在微處理器內(nèi)用來連接ALU、 CU和寄存器組等邏輯功能單元。這種總線沒有具體標(biāo)準(zhǔn)，由 芯片生產(chǎn)廠家自己確定。 片間總線微處理器、存儲器芯片、I/O接口芯片等之間的連接總線。片 間總線通常包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。 內(nèi)總線 內(nèi)總線是微型計算機系統(tǒng)內(nèi)連接各插件板的總線(系統(tǒng)總線） 內(nèi)總線有不同的總線標(biāo)準(zhǔn)，如 S-100總線(IEEE-696標(biāo)), STD總線,IBM-PC總線，ISA總線、PCI總線標(biāo)準(zhǔn)等，采用 不同總線標(biāo)準(zhǔn)的功能板無法連接在一起。 外總線 用于微型計算機系統(tǒng)之間或者微型計算機與外部設(shè)備之間的 通信。外總線技術(shù)已經(jīng)很成熟，各種應(yīng)用要求皆有標(biāo)準(zhǔn)可遵 循。如并行總線IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)，串行總線RS-232標(biāo)準(zhǔn)等。 IEEE1394，USE（通用串行總線）。,按總線傳送信息的類別: 可以把總線分成控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線。 總線也包括電源線和地線。 地址總線：用于傳送 CPU 要訪問的存儲單元的地址或 I/O 端口地址，地址總線的位數(shù)決定了 CPU 可以 直接尋址的地址范圍。 控制總線：用來傳送控制信號。 數(shù)據(jù)總線：用于 CPU 與存儲器、 CPU 與外設(shè)之間傳送信息。,二、指令系統(tǒng) 上面我們所講述的是計算機的硬件。光有硬件，只是有了計算的可能， 計算機要真正能夠進(jìn)行計算，還必須要有軟件的配合。 例如： 4 + 5 這種簡單運算,需要以下幾個步驟: 把第一個數(shù)從它所在的存儲單元中取出來,送至運算器; 把第二個數(shù)從它所在的存儲單元中取出來,送至運算器; 相加; 把加完的結(jié)果送至存儲器中指定的存儲單元. 所有這些取數(shù)、送數(shù)、相加、存數(shù)等等都是一種操作. 指令-我們把要求計算機執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫下來,就是指令. 通常一條指令對應(yīng)著一種基本操作,但是計算機怎么能夠辨 別和執(zhí)行這些操作呢?這是由設(shè)計時設(shè)計人員賦予它的指令系統(tǒng) 決定的.一個計算機能執(zhí)行什么樣的操作,能做多少種操作,是 由設(shè)計計算機時所規(guī)定的指令系統(tǒng)決定的., 指令系統(tǒng) - 一條指令對應(yīng)著一種基本操作,計算機所能執(zhí)行的全部 指令,就是計算機的指令系統(tǒng) . 這是計算機所固有的. 程序 - 我們在使用計算機時,必須把我們要解決的問題編成一條條指 令,這些指令的集合就稱為程序. (這些指令必須是我們所用的計算機能識別和執(zhí)行的指 令,也即每一條指令必須是一臺特定的計算機的指令系統(tǒng)中 具有的指令.) 源程序 - 用戶為解決自己的問題所編的程序, 稱為源程序. 指令形式 - 指令通常分成操作碼(Opcode)和操作數(shù)(Operand). 操作碼表示計算機執(zhí)行什么操作； 操作數(shù)指明參加操作的數(shù)本身或操作數(shù)所在的內(nèi)存中的位置. 因為計算機只認(rèn)得二進(jìn)制數(shù)碼,所以計算機指令系統(tǒng)中的所有指令,都必須以二進(jìn)制編碼的形式來表示.如前面例子., 把第一個數(shù)從它所在的存儲單元中取出來,送至運算器; 把第二個數(shù)從它所在的存儲單元中取出來,送至運算器; 相加; 把加完的結(jié)果送至存儲器中指定的存儲單元. 10100000 00000000 00100000 A0 00 20 MOV AL,2000H 10101000 00101110 00000001 00100000 A8 1E 01 20 MOV BL,2001H 00000000 11011000 00 D8 ADD AL,BL 10100010 00000000 00110000 A2 00 30 MOV 3000H,AL 機器語言 - 計算機發(fā)展的初期,就是用指令的機器碼直接來編制用 戶的源程序,這就是機器語言階段. 匯編語言 - 由于機器碼是由一連串的 0 和 1 組成的,不好記憶,容 易出錯,因而后來人們用一些助記符(Mnemonic)來代替 操作碼,如上所示.這樣,每條指令有明顯的特征,易于理 解記憶,這便是匯編語言階段., 程序的存放 - 要求機器能自動執(zhí)行這些程序,就必須把這些程序存 放到存儲器的某個區(qū)域. 計算機在執(zhí)行時把這些指令 一條條取出來加以執(zhí)行.,三、CPU執(zhí)行過程,操作 ： 將兩個數(shù) 7 和 10 相加. 指令： mov al, 7 add al, 10 mov 20h, al hlt 機器指令：1011 0000 B0h ( mov al, 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 ),四、CPU主要性能指標(biāo) 1. 數(shù)據(jù)寬度（字長）： CPU的字長指CPU一次所能處理的二進(jìn)制的位數(shù)，一般等于CPU數(shù)據(jù) 總線的寬度。 常見的CPU字長有8位、16位、32位和64位。 2. 尋址能力 指CPU能直接存取數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址的范圍，它由CPU的地址總線的數(shù) 目決定。 8088CPU地址總線為20根，可直接尋址的物理地址為220=1M. 80286CPU地址總線為24根，可直接尋址的物理地址為222=16M. 386/486/586CUP地址總線為32根，可直接尋址的物理地址為 232=4G.,3. 運算速度 CPU的運算速度通常用每秒執(zhí)行基本指令的條數(shù)來表示，常用單位為 MIPS（Million Instruction Per Second）。 通常情況下： 386CPU運算速度3.