第3章計(jì)算機(jī)硬件組成及工作原理

1、第三章計(jì)算機(jī)硬件組成及工作原理計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.1 計(jì)算機(jī)的硬件組成計(jì)算機(jī)的硬件組成 一臺完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)兩部分組成。計(jì)算機(jī)硬件（Hardware）是組成計(jì)算機(jī)的所有電子器件和機(jī)電裝置的總稱，是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。計(jì)算機(jī)軟件（Software）則是由計(jì)算機(jī)程序構(gòu)成的無形的東西，需要存儲在有形的硬件（如主存儲器、硬盤等）中，可以實(shí)現(xiàn)更高層的邏輯功能。本章主要內(nèi)容是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成及工作原理。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.1 計(jì)算機(jī)的硬件組成計(jì)算機(jī)的硬件組成 計(jì)算機(jī)一開始是作為一個計(jì)算工具出現(xiàn)的。如能脫離人的干預(yù)而自動地完成計(jì)算，它必須具備以

2、下幾個基本功能：要有能進(jìn)行運(yùn)算的部件運(yùn)算器；要有能記憶原始數(shù)據(jù)、運(yùn)算程序及運(yùn)算結(jié)果的部件存儲器；要有能發(fā)出各種控制信息，以便使計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作的部件控制器；1.要有能將原始數(shù)據(jù)及運(yùn)算程序輸入計(jì)算機(jī)，并將結(jié)果及其它信息輸出的部件輸入、輸出設(shè)備。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.1.1 計(jì)算機(jī)的主要部件計(jì)算機(jī)的主要部件 典型的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)就是由這五大部分構(gòu)成，這種模型最早是由數(shù)學(xué)家馮諾依曼提出的，故稱為馮諾依曼結(jié)構(gòu)。 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.1.2 計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu) 將五大基本部件，按某種方式連接起來就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)將五大基本部件，按某種方式連接起來就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)。在五大基本部件之

3、間，有著大量的信息需要交的硬件系統(tǒng)。在五大基本部件之間，有著大量的信息需要交換、傳送。目前許多計(jì)算機(jī)（主要指小、微型計(jì)算機(jī)）的各換、傳送。目前許多計(jì)算機(jī)（主要指小、微型計(jì)算機(jī)）的各大基本部件之間是用總線（大基本部件之間是用總線（BUS）連接起來的。）連接起來的。 總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互連機(jī)構(gòu)，是多個系統(tǒng)功能總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互連機(jī)構(gòu)，是多個系統(tǒng)功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助于總線連接，計(jì)算部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助于總線連接，計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)功能部件之間實(shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交換機(jī)在各系統(tǒng)功能部件之間實(shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交換，并在爭用資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作，并在

4、爭用資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作。 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.1.2 計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)總線的基本概念 1）為什么要使用總線 如何將計(jì)算機(jī)的若干功能部件連接起來如何將計(jì)算機(jī)的若干功能部件連接起來？全互聯(lián)形式 部件1部件2部件5部件3部件4問題：問題：隨著部件的隨著部件的增加，連線復(fù)雜。增加，連線復(fù)雜。如何解決？如何解決？計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.1.2 計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)總線的基本概念 2 2）解決方法）解決方法采用總線采用總線 總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)機(jī)構(gòu)，是多個系統(tǒng)功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳總送的公共通路?？偩€總線問題：如何確定數(shù)問題：如何確定數(shù)據(jù)的流向？據(jù)的流向？部件1部件2部

5、件3部件4部件5計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)部件13.1.2 計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)地址總線地址總線部件2部件3部件4000110111 01 0數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線1 01 01 0數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線的基本概念 3 3）數(shù)據(jù)送到哪里）數(shù)據(jù)送到哪里地址總線作用地址總線作用 通過地址總線確定數(shù)據(jù)的來源和去向。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.1.2 計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)總線的定義：總線的定義： 總線就是各種信號線的集合，是計(jì)算機(jī)各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址總線就是各種信號線的集合，是計(jì)算機(jī)各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路?？偩€通過分時共享的方式，將信息以一個或多和控制信息的公共通路

6、?？偩€通過分時共享的方式，將信息以一個或多個源部件傳送到一個或多個目的個源部件傳送到一個或多個目的, ,是計(jì)算機(jī)中傳輸數(shù)據(jù)的公共通道。是計(jì)算機(jī)中傳輸數(shù)據(jù)的公共通道?？偩€的特性：總線的特性：分時分時和和共享共享是總線的兩個基本特性。是總線的兩個基本特性。共享是指多個部件連接在同一條總線上，各個部件之間都可以通過這條共享是指多個部件連接在同一條總線上，各個部件之間都可以通過這條總線來進(jìn)行信息的交換?？偩€來進(jìn)行信息的交換。分時是指同一時刻，總線上只能傳輸一個部件發(fā)送出來的信息。分時是指同一時刻，總線上只能傳輸一個部件發(fā)送出來的信息?？偩€的特點(diǎn)：總線的特點(diǎn)：高速：滿足高速：滿足CPUCPU的外部訪問要

7、求的外部訪問要求標(biāo)準(zhǔn)：使得不同的設(shè)備可以和計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)連接標(biāo)準(zhǔn)：使得不同的設(shè)備可以和計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)連接公共：全部外部設(shè)備共同使用公共：全部外部設(shè)備共同使用計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.1.2 計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 雙向傳送，它的線數(shù)即總線寬度。雙向傳送，它的線數(shù)即總線寬度。CPUCPU取指令時取指令時用于傳送指令代碼用于傳送指令代碼CPUCPU訪問存儲器時訪問存儲器時用于傳送數(shù)據(jù)用于傳送數(shù)據(jù)I/OI/O操作時操作時用于傳送外部數(shù)據(jù)用于傳送外部數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷時產(chǎn)生中斷時用于傳送中斷向量用于傳送中斷向量地址總線地址總線 傳送的是內(nèi)存（或傳送的是內(nèi)存（或I/OI/O接口）的地址信

8、號，單向傳送。它的接口）的地址信號，單向傳送。它的線數(shù)與系統(tǒng)采用的線數(shù)與系統(tǒng)采用的CPUCPU的地址線寬度一致，它決定了的地址線寬度一致，它決定了CPUCPU直接尋址的內(nèi)存直接尋址的內(nèi)存容量。容量?？刂瓶偩€控制總線 傳送的是傳送的是CPUCPU和其它控制芯片發(fā)出的各種控制信號，如：讀和其它控制芯片發(fā)出的各種控制信號，如：讀/ /寫周期寫周期W/RW/R、指令、指令/ /代碼傳送代碼傳送D/CD/C、存儲器或、存儲器或IOIO口訪問口訪問M/IOM/IO和系統(tǒng)復(fù)位和系統(tǒng)復(fù)位ResetReset等。等。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)總線的分類總線的分類片內(nèi)總線片內(nèi)總線 在在CPUCPU內(nèi)部，寄存器之間和算術(shù)邏

9、輯部件內(nèi)部，寄存器之間和算術(shù)邏輯部件ALUALU與控制部件之與控制部件之間傳輸數(shù)據(jù)所用的總線稱為片內(nèi)總線間傳輸數(shù)據(jù)所用的總線稱為片內(nèi)總線( (芯片內(nèi)部的總線芯片內(nèi)部的總線) )。片外總線片外總線 是是CPUCPU與內(nèi)存與內(nèi)存RAMRAM、ROMROM和輸入和輸入/ /輸出設(shè)備接口之間進(jìn)行通訊輸出設(shè)備接口之間進(jìn)行通訊的通路。本節(jié)主要介紹片外總線。系統(tǒng)總線、的通路。本節(jié)主要介紹片外總線。系統(tǒng)總線、I/OI/O總線、總線、外部總線都是片外總線。外部總線都是片外總線。系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線（也叫前端總線（也叫前端總線FSB）一般為一般為CPUCPU與存儲與存儲器器(L2 Cache)(L2 Cache)、芯

10、片組之間的連接總線。是、芯片組之間的連接總線。是CPUCPU的數(shù)據(jù)、的數(shù)據(jù)、指令等傳輸通道，也是指令等傳輸通道，也是I/OI/O總線的過度總線?？偩€的過度總線。I/OI/O總線總線主機(jī)與外部設(shè)備之間的連接總線。主機(jī)與外部設(shè)備之間的連接總線。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.1.3 典型的微型計(jì)算機(jī)組成典型的微型計(jì)算機(jī)組成典型的微型計(jì)算機(jī)組成典型的微型計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.2 中央處理器的組成與基本工作原理中央處理器的組成與基本工作原理 中央處理器CPU是整個計(jì)算機(jī)的核心，它包括運(yùn)算器和控制器。 3.2.1 中央處理器的功能 當(dāng)用計(jì)算機(jī)解決某個問題時，我們首先必須為它編寫程當(dāng)用計(jì)算機(jī)解決某個問題時

11、，我們首先必須為它編寫程序。程序是一個指令序列，這個序列明確告訴計(jì)算機(jī)應(yīng)該執(zhí)序。程序是一個指令序列，這個序列明確告訴計(jì)算機(jī)應(yīng)該執(zhí)行什么操作，在什么地方找到用來操作的數(shù)據(jù)。一旦把程序行什么操作，在什么地方找到用來操作的數(shù)據(jù)。一旦把程序裝入內(nèi)存儲器，就可以由計(jì)算機(jī)來自動完成取出指令和執(zhí)行裝入內(nèi)存儲器，就可以由計(jì)算機(jī)來自動完成取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。專門用來完成此項(xiàng)工作的計(jì)算機(jī)部件稱為中央指令的任務(wù)。專門用來完成此項(xiàng)工作的計(jì)算機(jī)部件稱為中央處理器，通常簡稱處理器，通常簡稱CPU。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.2.1 中央處理器的功能中央處理器的功能CPUCPU如下四方面的基本功能：如下四方面的基本功能：1

12、)指令控制指令控制 程序的順序控制稱為指令控制。由于程序程序的順序控制稱為指令控制。由于程序是一個指令序列，這些指令的相互順序不能任意顛倒，必須是一個指令序列，這些指令的相互順序不能任意顛倒，必須嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序進(jìn)行。嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序進(jìn)行。 2)操作控制操作控制 一條指令的功能往往是由若干個操作信號一條指令的功能往往是由若干個操作信號的組合來實(shí)現(xiàn)的，因此，的組合來實(shí)現(xiàn)的，因此，CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應(yīng)的部件，從而控指令的操作信號，把各種操作信號送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動作。制這些部件按指令的

13、要求進(jìn)行動作。3)時間控制時間控制 對各種操作實(shí)施時間上的定時稱為時間控對各種操作實(shí)施時間上的定時稱為時間控制。在計(jì)算機(jī)中，各種指令的操作信號以及一條指令的整個制。在計(jì)算機(jī)中，各種指令的操作信號以及一條指令的整個執(zhí)行過程都受到時間的嚴(yán)格定時。執(zhí)行過程都受到時間的嚴(yán)格定時。4)數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工 數(shù)據(jù)加工就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯數(shù)據(jù)加工就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理。運(yùn)算處理。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)2.3.1 CPU組成組成 控制器和運(yùn)算合稱為中央處理單元(Central Processing Unit)，簡稱CPU。CPU是使整部計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)作的最核心、最重要的組件。 其作用就是當(dāng)計(jì)算機(jī)系

14、統(tǒng)開始運(yùn)行時，CPU從內(nèi)存中讀取操作它的軟件的指令與數(shù)據(jù)，透過ALU運(yùn)算出結(jié)果后存回內(nèi)存，同時由主機(jī)板，與外界的I/O外圍溝通，達(dá)到數(shù)據(jù)處理的目的。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.2.2 CPU的基本組成的基本組成 CPU內(nèi)部包括控制單元、運(yùn)算器、寄存器組等組成。內(nèi)部包括控制單元、運(yùn)算器、寄存器組等組成。 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.2.2 CPU的基本組成的基本組成 運(yùn)算器稱為ALU(Arithmatic Logical Unit)，它由部件及邏輯電路組成，其功能進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.2.2 CPU的基本組成的基本組成控制器發(fā)出各種控制信號，使整個運(yùn)行過程自動進(jìn)行。 程序計(jì)數(shù)器PC，又稱

15、指令計(jì)數(shù)器、指令指針（IP） 指令寄存器IR，存放從內(nèi)存中取出的待執(zhí)行的指令。 指令譯碼器ID，又稱操作碼譯碼器或指令功能分析解釋器。 地址形成部件 微操作信號發(fā)生器 時序部件計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)2.3.1 CPU組成組成計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.2.3 指令及指令周期指令及指令周期1.指令 指令系統(tǒng)指的是一個CPU所能夠處理的全部指令的集合，是一個CPU的根本屬性。指令系統(tǒng)決定了一個CPU能夠運(yùn)行什么樣的程序。不同的CPU、不同的指令集，構(gòu)成了不同的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件和軟件之間的橋梁，是匯編程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。指令系統(tǒng)包含了許多執(zhí)行各種類型操作的指令，每條指令完成一種特定的操作。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

16、完成的每項(xiàng)工作，往往需要一系列相應(yīng)的指令。 所有采用高級語言編出的程序，都需要翻譯（編譯或解釋）成為機(jī)器語言后才能運(yùn)行，這些機(jī)器語言中所包含的就是一條條的指令。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.2.3 指令及指令周期指令及指令周期2.指令周期 就是執(zhí)行一條指令所需要的時間，即就是執(zhí)行一條指令所需要的時間，即CPU從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行這條指令的時間總和一般由若干個機(jī)器周期組成，是從取指令、分析指令這條指令的時間總和一般由若干個機(jī)器周期組成，是從取指令、分析指令到執(zhí)行完所需的全部時間。指令不同，所需的機(jī)器周期數(shù)也不同。到執(zhí)行完所需的全部時間。指令不同，所需的機(jī)器周期數(shù)也不同。計(jì)算機(jī)

17、硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.2.4 CPU的工作過程的工作過程 CPU的工作過程實(shí)際上就是指令的執(zhí)行過程，一條指令執(zhí)行的基本過程分為：取指令階段、分析及取數(shù)階段和執(zhí)行階段。 取指令取指令 將現(xiàn)行指令從內(nèi)存中取出來并送至指令寄存器中去。具體的操作為： 將程序計(jì)數(shù)器PC中的內(nèi)容通過地址總線AB送至內(nèi)存地址寄存器AR。 向內(nèi)存發(fā)讀命令。 從內(nèi)存中取出的指令經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR、數(shù)據(jù)總線DB送到指令寄存器IR中去。 將PC的內(nèi)容遞增，為取下一條指令做好準(zhǔn)備。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.2.4 CPU的工作過程的工作過程 分析及取數(shù)分析及取數(shù)指令譯碼器ID識別和區(qū)分不同的指令類型及各種獲取操作數(shù)的方法無操作數(shù)指令，即轉(zhuǎn)執(zhí)行階

18、段。帶操作數(shù)指令需要讀取操作數(shù)， 執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行階段完成指令規(guī)定的各種操作，形成穩(wěn)定的運(yùn)算結(jié)果，并將其存儲起來。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.2.4 CPU的工作過程的工作過程1指令執(zhí)行的基本過程演示指令執(zhí)行的基本過程演示 為了使大家進(jìn)一步了解指令執(zhí)行過程，我們以一條8086指令 ADD AL,0300H為例。這里我們設(shè)定指令執(zhí)行前: AL)=00001111B,CS=3000H,IP=0100H,DS=2000H,20300H=01010000B計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)1. 指令的格式 一條指令一般包括兩個部分：操作碼和地址碼。操作碼其實(shí)就是指令序列號，用來告訴CPU需要執(zhí)行的是那一

19、條指令。地址碼則復(fù)雜一些，主要包括源操作數(shù)地址、目的地址和下一條指令的地址。在某些指令中，地址碼可以部分或全部省略，比如一條空指令就只有操作碼而沒有地址碼。10100001 0000000000100000操作碼地址碼計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 2. 指令的分類指令的分類 一臺計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)可以有上百條指令，這些指令按其功能可以分成幾種類型： 數(shù)據(jù)傳送類指令 算術(shù)邏輯運(yùn)算類指令3) 程序控制類指令 4) 輸入/輸出類指令計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 3. 尋址方式尋址方式 尋址方式是指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，它對于豐富程序設(shè)計(jì)手段、方便程序編制、提高程序的質(zhì)量、減

20、少訪問主存的次數(shù)以及壓縮程序占用的內(nèi)存空間等方面都起著重要作用。每臺計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)都有自己的一套尋址方式。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)3.3.立即尋址立即尋址 立即尋址是將操作數(shù)直接傳送給寄存器的一種尋址方式操作數(shù)緊跟在操作碼之后，作為指令的一部分。立即數(shù)可以是字節(jié)（8位）、字（16位）、雙字（32位），其低位字節(jié)放在低地址單元，高位字節(jié)放在高地址單元。例如：MOV AL，0CAH MOV AX，2100H低地址低地址高地址高地址操作碼操作碼34H12H12HAX34H計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)4.4.寄存器尋址寄存器尋址 寄存器尋址是用于寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送，

21、源和目的寄存器必須使用相同的位數(shù)。例如：MOV BL，AL MOV BX，AX MOV BL，AX MOV BX，AH計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 5. 5.直接尋址直接尋址 指令所需操作數(shù)在某存儲單元中，指令中形式地址字段給出的就是該存儲單元的地址。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)6.6.寄存器間接尋址寄存器間接尋址 指令所需操作數(shù)在存儲單元之中，采用這種尋址方式時，應(yīng)事先把操作數(shù)的偏移地址存入一個寄存器（Rm）中。寄存器間接尋址是把形式地址字段指定寄存器的內(nèi)容作為操作數(shù)的有效地址，由該地址所指定的存儲單元的內(nèi)容作為操作數(shù)。操作碼寄存器編號m指令 內(nèi)存地址 RmR1R

22、2 Rn寄存器組 操作數(shù) 內(nèi)部存儲器計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) CPU的工作過程實(shí)際上就是指令的執(zhí)行過程，一條指令執(zhí)行的基本過程分為：取指令階段、分析及取數(shù)階段和執(zhí)行階段。 取指令取指令 將現(xiàn)行指令從內(nèi)存中取出來并送至指令寄存器中去。具體的操作為： 將程序計(jì)數(shù)器PC中的內(nèi)容通過地址總線AB送至內(nèi)存地址寄存器AR。 向內(nèi)存發(fā)讀命令。 從內(nèi)存中取出的指令經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR、數(shù)據(jù)總線DB送到指令寄存器IR中去。 將PC的內(nèi)容遞增，為取下一條指令做好準(zhǔn)備。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例1. 1. 數(shù)據(jù)傳送指令數(shù)據(jù)傳送指令包括一般傳送指令包括一般傳送指令M

23、OVMOV、堆棧指令、堆棧指令PUSHPUSH和和POPPOP等。等。 MOVMOV指令指令MOVMOV指令是指令是數(shù)據(jù)復(fù)制數(shù)據(jù)復(fù)制指令指令應(yīng)當(dāng)保持?jǐn)?shù)據(jù)寬度（應(yīng)當(dāng)保持?jǐn)?shù)據(jù)寬度（位數(shù)）一致位數(shù)）一致寄存器寄存器reg 存儲器存儲器mem段寄存器段寄存器sreg，CS除外除外立即數(shù)立即數(shù)data計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例MOVMOV指令舉例指令舉例MOV AL，0CAH；立即尋址立即尋址MOV AL，0CAH；直接尋址，直接尋址，(DS)MOV BL，AL；寄存器尋址，寄存器尋址，(AL)MOV CX，BX；寄存器間接尋址，寄存器間接尋址，(DS)，(BX)M

24、OV CX，100H+BP ；寄存器相對尋址，寄存器相對尋址，(SS)，(BP)MOV CX，BXSI；基址變址尋址，基址變址尋址，(DS)，(BX)，(SI)MOV CX，10H+BP+SI；相對基址變址尋址，相對基址變址尋址，(SS)，(BP)，(SI)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 PUSH/POPPUSH/POP指令指令PUSHFPUSH AXPUSH BX.POP BXPOP AXPOPF計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例2. 2. 算術(shù)運(yùn)算指令算術(shù)運(yùn)算指令包括加法、減法、乘法、除法、加包括加法、減法、乘法、除法、加1

25、1、減、減1 1、求補(bǔ)、比較等。、求補(bǔ)、比較等。 加、減和比較指令加、減和比較指令A(yù)DD BX,DXADD BX,DXADDC AX,CXADDC AX,CX；(AX)(BX)= (AX)(BX)+(CX)(DX),32(AX)(BX)= (AX)(BX)+(CX)(DX),32位二進(jìn)制數(shù)加法位二進(jìn)制數(shù)加法ADD AL,BLADD AL,BLDDADDAMOV CL,ALMOV CL,ALMOV AL,AHMOV AL,AHADDC AL,BHADDC AL,BHDDADDAMOV AH,ALMOV AH,ALMOV AL,CLMOV AL,CL；(AX)= (AX)+(BX),4(AX)=

26、(AX)+(BX),4位位BCDBCD加法加法計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 乘法乘法/ /除法指令除法指令乘法和除法指令必須區(qū)分有符號數(shù)和無符號數(shù)，符號數(shù)：IMUL、 IDIV；無符號數(shù)：MUL、 DIVMUL BL ；(AL)=0B4H,(BL)=11H；(AX)=0BF4H,CF=OF=10B4H 11H0B4H + 0B4H 0BF4H計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 3. 3. 基本邏輯指令基本邏輯指令與（AND）、或（OR）、異或（XOR）、非（NOT）和測試（TEST）指令4. 4. 移位元與循環(huán)指令移

27、位元與循環(huán)指令SHLSARSHRCCC00目標(biāo)寄存器或存儲器SALC0SHLSARSHRCCC00目標(biāo)寄存器或存儲器SALC0ROLRCLRORRCRCCCC目標(biāo)寄存器或存儲器ROLRCLRORRCRCCCC目標(biāo)寄存器或存儲器計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 5. 5. 程控指令程控指令用于控制程序的執(zhí)行方向，使程序具有測試、分析與判斷的能力。包括：轉(zhuǎn)移控制指令轉(zhuǎn)移控制指令、子程序調(diào)用和返回指令子程序調(diào)用和返回指令、中斷中斷控制指令控制指令等。 轉(zhuǎn)移控制指令轉(zhuǎn)移控制指令無條件轉(zhuǎn)移MOV BX，5HJMP ROUT1MOV AX，55HROUT1：AD

28、D AX，10H；(AX)= (AX)+10H計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 ADD AX,-5HJZ ROUT1ADD AX，10HROUT1：若執(zhí)行前(AX)= 5H，則執(zhí)行結(jié)果(AX)=0。若執(zhí)行前(AX)5H，則執(zhí)行結(jié)果(AX)=(AX)+10H計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 程序循環(huán)指令程序循環(huán)指令MOV CX，0AHMOV AL，0MOV SI，2000HLP：ADD AL，SIINC SILOOP LPMOV SI，AL執(zhí)行后（2200AH）= 37H1234567890AH(DS)=20

29、00H22000H2200AH數(shù)據(jù)段0BH執(zhí)行前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 子程序調(diào)用和返回指令子程序調(diào)用和返回指令 子程序是一組可以公用的指令序列，只要知道子程序的入口地址就能調(diào)用它。 中斷控制指令中斷控制指令當(dāng)出現(xiàn)某些特殊情況，必須暫?，F(xiàn)在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一組專門的程序進(jìn)行某些處理，處理結(jié)束后又返回到原程序繼續(xù)運(yùn)行。中斷包括：硬件中斷，是由外部設(shè)備發(fā)出的中斷請求信號。軟件中斷。是由內(nèi)部驅(qū)動或由內(nèi)部事件引發(fā)的中斷。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 6. 6. 輸入輸入/ /輸出指令輸出指令輸入/

30、輸出（I/O）指令用來實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外部設(shè)備之間的信息交換。指令中應(yīng)給出I/O端口地址（Port） ，這些端口地址與內(nèi)存的存儲單元地址無關(guān)，是另一個獨(dú)立的地址空間。直接端口尋址：指令中可以直接給出端口地址，最多只能尋址256個端口；間接端口尋址：由DX寄存器間接給出端口地址，最多可以尋址65536個端口。指令必須使用AL（8位）、AX（16位）傳遞數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 輸入指令輸入指令I(lǐng)N AL，50H執(zhí)行后，(AL)= 1MOV DX，278HIN AL，DX執(zhí)行后，(AL)= 0AH12340AH050H278HI/O端口0BH執(zhí)行

31、前計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.3 80X86 80X86指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 輸出指令輸出指令MOV AL，0AAHOUT 50H，AL執(zhí)行后，(端口50H)= 0AAHMOV AL，55HMOV DX，278HOUT DX，AL執(zhí)行后，(端口278H)= 55H0AAH23455H050H278HI/O端口0BH執(zhí)行后計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)的發(fā)展1. 1. 指令系統(tǒng)的發(fā)展方向指令系統(tǒng)的發(fā)展方向指令系統(tǒng)是伴隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完善和性能的提高而發(fā)展起來的，指令系統(tǒng)的發(fā)展有兩種不同的途徑和方向：一種是一步增強(qiáng)原有指令的功能以及設(shè)置更為復(fù)雜的新指令取代原先由軟件子程

32、序完成的功能。按此方向發(fā)展，指令系統(tǒng)日益龐大和復(fù)雜，用這種途徑設(shè)計(jì)成CPU的計(jì)算機(jī)稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（Complex Instruction Set Computer），簡稱CISC。另一種是通過減少指令種類和簡化指令功能來降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高指令的執(zhí)行速度。按此方向發(fā)展，指令系統(tǒng)日益縮小和精簡，用這種途徑設(shè)計(jì)成CPU的計(jì)算機(jī)即為精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（Reduced Instruction Set Computer），簡稱RISC。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)的發(fā)展2 2從從CISCCISC到到RISCRISC傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)多屬于CISC，CISC的特點(diǎn)：指令系統(tǒng)

33、多達(dá)幾百條指令，許多指令的功能異常復(fù)雜，具有多種尋址方式。計(jì)算機(jī)的研制周期變得很長，同時也增加了設(shè)計(jì)失誤的可能性。而且由于復(fù)雜指令需進(jìn)行復(fù)雜的操作，有時還可能降低系統(tǒng)的執(zhí)行速度?！?0-80律”計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.3.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)的發(fā)展RISC設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則： 只選擇使用頻度高的指令，指令數(shù)目一般不超過100條。 尋址方式種類少，一般不超過2種，指令格式力求一致。 所有或大多數(shù)指令在單個機(jī)器周期內(nèi)完成。 擴(kuò)大通用寄存器的數(shù)目，一般不少于32個。 盡量減少訪問內(nèi)存，除存（Load）、取（Store）指令外，其它指令一律只對寄存器操作。 為提高指令執(zhí)行速度，大多數(shù)指令用硬連線控制

34、實(shí)現(xiàn)，少數(shù)指令才用微程序?qū)崿F(xiàn)。 優(yōu)化編譯，簡單有效地支持高級語言的實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.4 匯編語言匯編語言匯編語言是一種面向CPU指令系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語言，用匯編語言編寫的程序稱作匯編程序或匯編語言源程序。用匯編語言編寫的一條匯編程序語句由四個域組成：名字 操作符 操作數(shù) ：注釋一個完整的程序則包括段定義、數(shù)據(jù)定義、程序段定義和程序指令語句以及正確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 指令語句包括：指令、標(biāo)號和注釋。偽指令語句是為匯編語言和連接程序提供的含有必要控制信息的管理性語句。匯編時，偽指令不會產(chǎn)生目標(biāo)代碼。偽指令語句對應(yīng)的偽操作在匯編過程中完成。宏指令語句由標(biāo)號、宏指令和注釋組成，是按照宏指令定義規(guī)則組

35、成的一組指令語句和偽指令語句的集合。計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)3.4 匯編語言匯編語言工具軟件工具軟件編輯程序：文本編輯器匯編程序：MASM連接程序：LINK調(diào)試程序：DEBUG生成的文件生成的文件匯編原程序：*.ASM目標(biāo)文件：*.OBJ列表文件：*.LST交叉引用表：*.CRF可執(zhí)行程序：*.EXE連接映象：*.MAP計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)2.5.1 2.5.1 指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程 1 1指令執(zhí)行的基本過程指令執(zhí)行的基本過程一條指令分為：取指令階段、分析及取數(shù)階段和執(zhí)行階段。 取指令取指令將現(xiàn)行指令從內(nèi)存中取出來并送至指令寄存器中去。具體的操作為： 將程序計(jì)數(shù)器PC中的內(nèi)容通過地址總線AB送至內(nèi)存地址寄存器AR。 向內(nèi)存發(fā)讀命令。 從內(nèi)存中取出的指令經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR、數(shù)據(jù)總線DB送到指令寄存器IR中去。 將PC的內(nèi)容遞增，為取下一條指令做好準(zhǔn)備。計(jì)算機(jī)硬件