計算機科學概論(第10版)-第二章課件

第2章數(shù)據操控2.1計算機體系結構2.2機器語言2.3程序執(zhí)行2.4算術/邏輯指令2.5與其他設備的通信2.6其他體系結構章節(jié)要求主菜單練習第2章數(shù)據操控2.1計算機體系結構2.2機器語言2.章節(jié)要求：本章學習計算機如何操縱數(shù)據以及如何與外圍設備（如打印機和鍵盤）通信。為此，我們將研究計算機體系結構的基礎，學習計算機是如何利用稱為機器語言指令的編碼指令來進行編程工作的。本章知識只要求學生了解，不作其他的硬性要求。主菜單章節(jié)要求：本章學習計算機如何操縱數(shù)據以及如何與2.1計算機體系結構硬件軟件中央處理器運算器控制器存儲器內存外存ROMRAM輸入輸出設備系統(tǒng)軟件應用軟件磁盤光盤軟盤硬盤鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、投影儀、掃描儀、攝像頭、麥克風、音箱……計算機系統(tǒng)主菜單2.1計算機體系結構硬件軟件中央處理器運算器控制器存儲器內2.1.1中央處理器CPUCPU：算術/邏輯單元、控制單元和寄存器組（通用寄存器、專用寄存器）Arithmetical/LogicalUnit（ALU）運算器寄存器組控制器小而快速的存儲單元臨時保存數(shù)據和指令協(xié)調計算的步驟計算（算術和邏輯運算）主菜單2.1.1中央處理器CPUCPU：算術/邏輯單元、控制2.1.2存儲程序概念－馮.諾依曼結構1、計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大部分組成；2、以二進制形式將程序和數(shù)據存儲在存儲器中；3、采用“存儲程序”以便計算機能保存指令和數(shù)據以及能夠自動依次執(zhí)行指令。主菜單2.1.2存儲程序概念－馮.諾依曼結構1、計算機由運算器馮.諾依曼思想控制信號流數(shù)據流主菜單馮.諾依曼思想控制信號流數(shù)據流主菜單2.2機器語言機器語言（machinelanguage）為了應用存儲程序概念，CPU被設計成可以識別二進制模式編碼的指令。這組指令以及編碼系統(tǒng)統(tǒng)稱為機器語言。機器指令（machineinstruction）使用機器語言表達的指令稱為機器指令。主菜單2.2機器語言機器語言（machinelanguage）2.2.1指令系統(tǒng)精簡指令集計算機RISCCPU只需執(zhí)行最小的一組機器指令集。效率高、速度快。蘋果、IBM、摩托羅拉－PowerPC系列復雜指令集計算機CISCCPU能執(zhí)行大量復雜的指令。容易編程。英特爾－奔騰系列主菜單2.2.1指令系統(tǒng)精簡指令集計算機RISC主菜單機器指令的類型數(shù)據傳輸類包含請求在各個位置之間傳輸數(shù)據的指令。算術/邏輯類告訴控制單元請求在算術/邏輯單元內實現(xiàn)一個活動?？刂祁惏笇С绦驁?zhí)行而非數(shù)據操作的指令。主菜單機器指令的類型數(shù)據傳輸類主菜單2.2.2一種演示用的機器語言機器指令的編碼形式操作碼：指明該指令要求的是什么運算；操作數(shù)：提供關于操作碼指定運算的更詳細的信息。主菜單2.2.2一種演示用的機器語言機器指令的編碼形式主菜單2.3程序執(zhí)行指令寄存器（instructionregister）存儲正在執(zhí)行的指令；程序計數(shù)器（programcounter）包含下一個待執(zhí)行指令的地址。主菜單2.3程序執(zhí)行指令寄存器（instructionregi2.3.1程序執(zhí)行的一個例子指令編碼翻譯156C把地址為6C的存儲單元里的位模式載入寄存器5166D把地址為6D的存儲單元里的位模式載入寄存器65056把寄存器5和6的內容相加結果存入寄存器0

306E把寄存器0的內容存放到地址為6E的存儲單元中C000停止主菜單2.3.1程序執(zhí)行的一個例子指令編碼翻譯主菜存儲地址單元A015A16CA216A36DA450A556A630A76EA8C0A900主菜單存儲地址單元主菜單過程1、程序計數(shù)器指出了存放第一條指令的內存地址(M1)A0A1。M1156C

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控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M1R0R5R62、計算機取出M1中的指令，將它放到指令寄存器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M1156CR0R5R63、計算機執(zhí)行指令寄存器中的指令，將內容取到ALU的寄存器R5中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M1156CR0100R5R64、程序計數(shù)器指向存有下一條指令的內存地址(M2)A2A3。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M2R0100R5R6主菜單過程1、程序計數(shù)器指出了存放第一條指令的內存地址(M1)A05、計算機取出M2中的指令，將它放到指令寄存器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M2166DR0100R5R66、計算機執(zhí)行該指令，將內容取出并送到ALU的寄存器R6中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M2166DR0100R5200R67、計算機取出M3中的指令，將它放到指令寄存器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M35056R0100R1200R28、計算機執(zhí)行該指令，將結果放到寄存器R0中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M35056R0300100R1200R2主菜單5、計算機取出M2中的指令，將它放到指令寄存器中。M119、計算機取出M4中的指令，將它放到指令寄存器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M4306ER0300100R1200R210、計算機執(zhí)行該指令，將R0中的內容放到地址為6E的存儲單元中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M4306ER0300100R1200R211、計算機取出M5中的指令，將它放到指令寄存器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M5C000R0300100R1200R212、計算機執(zhí)行該指令，停止，程序完成。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M5C000R0300100R1200R2主菜單9、計算機取出M4中的指令，將它放到指令寄存器中。M112.3.2程序與數(shù)據許多程序同時存儲在主存儲器中只要地址不同，就沒有問題；數(shù)據也存儲在主存儲器中執(zhí)行程序的時候會有影響嗎？計算機無法識別是程序還是數(shù)據但這樣使得一個程序可以操縱其它程序主菜單2.3.2程序與數(shù)據許多程序同時存儲在主存儲器中主菜單2.4算術/邏輯指令算術/邏輯指令組由算術、邏輯、移位等運算指令組成。主菜單2.4算術/邏輯指令算術/邏輯指令組由算術、邏輯2.4.1邏輯運算

AND運算：與運算OR運算：或運算XOR運算：異或運算NOT運算：非運算主菜單2.4.1邏輯運算

AND運算：與運算主菜單2.4.2循環(huán)移位及移位運算循環(huán)移位（circularshift）將右（左）側移出的位放置在左（右）端的空位上；邏輯移位（logicalshift）丟棄移出邊界的位，用0填充空位；算術移位（arithmeticshift）同邏輯移位，但是保留符號位不變。主菜單2.4.2循環(huán)移位及移位運算循環(huán)移位（circulars2.4.3算術運算減法運算可以通過加法運算來實現(xiàn)乘法運算是反復進行加法運算的結果除法運算就是反復的進行減法運算主菜單2.4.3算術運算減法運算可以通過加法運算來實現(xiàn)主菜單2.5與其它設備的通信主存儲器和CPU與存儲系統(tǒng)、打印機、鍵盤、監(jiān)視器、數(shù)碼相機以及其他計算機的通信主菜單2.5與其它設備的通信主存儲器和CPU與存儲系統(tǒng)、打2.5.1控制器的作用控制器（controler）負責計算機和其它設備通信的中間設備。端口（port）通?？刂破魍ㄟ^端口與外圍設備相連接。標準USBFireWire存儲映射輸入/輸出（memory-mappedI/O）CPU與外圍設備的通信來自控制器而不是存儲器主菜單2.5.1控制器的作用控制器（controler）主菜單2.5.2直接內存存取直接內存存取DMA(directmemoryaccess)控制器在CPU不使用總線的短時間里實現(xiàn)與主存的通信。優(yōu)點：DMA和CPU的活動可以同時執(zhí)行，提高計算機的性能；缺點：使計算機總線的通信復雜化。馮.諾依曼瓶頸：CPU與控制器競爭總線存取時，中央總線可能稱為障礙。主菜單2.5.2直接內存存取直接內存存取DMA(directm2.5.3握手握手（handshaking）保存計算機和外圍設備之間交換設備狀態(tài)的信息，協(xié)調它們之間的活動。狀態(tài)字（statusword）由外圍設備生成并發(fā)送給控制器的一個位模式，各個二進制位反映了該設備的各種狀態(tài)。主菜單2.5.3握手握手（handshaking）主菜單2.5.4流行的通信媒介并行通信（parallelcommunication）若干位同時傳輸，每個位都在自己的線路上；串行通信（serialcommunication）在一條信號線上一個信號接一個信號的傳輸。主菜單2.5.4流行的通信媒介并行通信（parallelcom2.5.5通信速率常用的計量單位Bps:BitspersecondKbps:Kilo-bps(1,000bps)Mbps:Mega-bps(1,000,000bps)Gbps:Giga-bps(1,000,000,000bps)帶寬（bandwidth）一條通信路徑的傳輸速率以及所能容納的信息。主菜單2.5.5通信速率常用的計量單位主菜單2.6其它體系結構流水線一個機器周期內各步驟重疊進行。多處理器計算機SISD：單指令流單數(shù)據流MIMD：多指令流多數(shù)據流SIMD：單指令流多數(shù)據流主菜單2.6其它體系結構流水線主菜單2.6.1流水線吞吐量：機器在給定時間內可以完成的工作總量流水線技術：在不要求提高執(zhí)行速度的前提下，增加計算機吞吐量的一個例子主菜單2.6.1流水線吞吐量：機器在給定時間內可以完成的工作總2.6.2多處理器計算機多處理器體系結構的一個變體是將多個處理器連接起來，使得它們一起執(zhí)行同一個指令序列，每個處理器都有各自的數(shù)據集。主菜單2.6.2多處理器計算機多處理器體系結構的一個變體鞏固練習（1）、機器指令可以分為三類：數(shù)據傳輸類、控制類。算術/邏輯類、01001101。（2）、位串01101010循環(huán)右移三位：主菜單1、填空題鞏固練習（1）、機器指令可以分為三類：數(shù)據傳輸類、控制類。算計算機中控制數(shù)據操縱的電路稱為（）主菜單2、單選題計算機中控制數(shù)據操縱的電路稱為（）主菜單2、單選題下列是邏輯運算的是（）主菜單3、多選題下列是邏輯運算的是（）主菜單3、多選題Thankyou!Thankyou!第2章數(shù)據操控2.1計算機體系結構2.2機器語言2.3程序執(zhí)行2.4算術/邏輯指令2.5與其他設備的通信2.6其他體系結構章節(jié)要求主菜單練習第2章數(shù)據操控2.1計算機體系結構2.2機器語言2.章節(jié)要求：本章學習計算機如何操縱數(shù)據以及如何與外圍設備（如打印機和鍵盤）通信。為此，我們將研究計算機體系結構的基礎，學習計算機是如何利用稱為機器語言指令的編碼指令來進行編程工作的。本章知識只要求學生了解，不作其他的硬性要求。主菜單章節(jié)要求：本章學習計算機如何操縱數(shù)據以及如何與2.1計算機體系結構硬件軟件中央處理器運算器控制器存儲器內存外存ROMRAM輸入輸出設備系統(tǒng)軟件應用軟件磁盤光盤軟盤硬盤鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、投影儀、掃描儀、攝像頭、麥克風、音箱……計算機系統(tǒng)主菜單2.1計算機體系結構硬件軟件中央處理器運算器控制器存儲器內2.1.1中央處理器CPUCPU：算術/邏輯單元、控制單元和寄存器組（通用寄存器、專用寄存器）Arithmetical/LogicalUnit（ALU）運算器寄存器組控制器小而快速的存儲單元臨時保存數(shù)據和指令協(xié)調計算的步驟計算（算術和邏輯運算）主菜單2.1.1中央處理器CPUCPU：算術/邏輯單元、控制2.1.2存儲程序概念－馮.諾依曼結構1、計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大部分組成；2、以二進制形式將程序和數(shù)據存儲在存儲器中；3、采用“存儲程序”以便計算機能保存指令和數(shù)據以及能夠自動依次執(zhí)行指令。主菜單2.1.2存儲程序概念－馮.諾依曼結構1、計算機由運算器馮.諾依曼思想控制信號流數(shù)據流主菜單馮.諾依曼思想控制信號流數(shù)據流主菜單2.2機器語言機器語言（machinelanguage）為了應用存儲程序概念，CPU被設計成可以識別二進制模式編碼的指令。這組指令以及編碼系統(tǒng)統(tǒng)稱為機器語言。機器指令（machineinstruction）使用機器語言表達的指令稱為機器指令。主菜單2.2機器語言機器語言（machinelanguage）2.2.1指令系統(tǒng)精簡指令集計算機RISCCPU只需執(zhí)行最小的一組機器指令集。效率高、速度快。蘋果、IBM、摩托羅拉－PowerPC系列復雜指令集計算機CISCCPU能執(zhí)行大量復雜的指令。容易編程。英特爾－奔騰系列主菜單2.2.1指令系統(tǒng)精簡指令集計算機RISC主菜單機器指令的類型數(shù)據傳輸類包含請求在各個位置之間傳輸數(shù)據的指令。算術/邏輯類告訴控制單元請求在算術/邏輯單元內實現(xiàn)一個活動?？刂祁惏笇С绦驁?zhí)行而非數(shù)據操作的指令。主菜單機器指令的類型數(shù)據傳輸類主菜單2.2.2一種演示用的機器語言機器指令的編碼形式操作碼：指明該指令要求的是什么運算；操作數(shù)：提供關于操作碼指定運算的更詳細的信息。主菜單2.2.2一種演示用的機器語言機器指令的編碼形式主菜單2.3程序執(zhí)行指令寄存器（instructionregister）存儲正在執(zhí)行的指令；程序計數(shù)器（programcounter）包含下一個待執(zhí)行指令的地址。主菜單2.3程序執(zhí)行指令寄存器（instructionregi2.3.1程序執(zhí)行的一個例子指令編碼翻譯156C把地址為6C的存儲單元里的位模式載入寄存器5166D把地址為6D的存儲單元里的位模式載入寄存器65056把寄存器5和6的內容相加結果存入寄存器0

306E把寄存器0的內容存放到地址為6E的存儲單元中C000停止主菜單2.3.1程序執(zhí)行的一個例子指令編碼翻譯主菜存儲地址單元A015A16CA216A36DA450A556A630A76EA8C0A900主菜單存儲地址單元主菜單過程1、程序計數(shù)器指出了存放第一條指令的內存地址(M1)A0A1。M1156C

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控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M1R0R5R62、計算機取出M1中的指令，將它放到指令寄存器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M2R0100R5R6主菜單過程1、程序計數(shù)器指出了存放第一條指令的內存地址(M1)A05、計算機取出M2中的指令，將它放到指令寄存器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令寄存器M2166DR0100R5R66、計算機執(zhí)行該指令，將內容取出并送到ALU的寄存器R6中。M1156C

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AND運算：與運算OR運算：或運算XOR運算：異或運算NOT運算：非運算主菜單2.4.1邏輯運算

AND運算：與運算主菜單2.4.2循環(huán)移位及移位運算循環(huán)移位（circularshift）將右（左）側移出的位放置在左（右）端的空位上；邏輯移位（logicalshift）丟棄移出邊界的位，用0填充空位；算術移位（arithmeticshift）同邏輯移位，但是保留符號位不變。主菜單2.4.2循環(huán)移位及移位運算循環(huán)移位（circulars2.4.3算術運算減法運算可以通過加法運算來實現(xiàn)乘法運算是反復進行加法運算的結果除法運算就是反復的進行減法運算主菜單2.4.3算術運算減法運算可以通過加法運算來實現(xiàn)主菜單2.5與其它設備的通信主存儲器和CPU與存儲系統(tǒng)、打印機、鍵盤、監(jiān)視器、數(shù)碼相機以及其他計算機的通信主菜單2.5與其它設備的通信主存儲器和CPU與存儲系統(tǒng)、打2.5.1控制器的作用控制器（controler）負責計算機和其它設備通信的中間設備。端口（port）通?？刂破魍ㄟ^端口與外圍設備相連接。標準USBFireWire存儲映射輸入/輸出（memory-mappedI/O）CPU與外圍設備的通信來自控制器而不是存儲器主菜單2.5.1控制器的作用控制器（controler）主菜單2.5.2直接內存存取直接內存存取DMA(directmemoryaccess)控制器在CPU不使用總線的短時間里實現(xiàn)與主存的通信。優(yōu)點：DMA和CPU的活動可以同時執(zhí)行，提高計算機的性能；缺點：使計算機總線的通信復雜化。馮.諾依曼瓶頸：C