計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)課件-計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

1.微處理器(CPU)程序計(jì)數(shù)器PC處理器狀態(tài)字PSW堆棧指示器SP指令寄存器IR指令譯碼器IDI/O控制邏輯工作寄存器地址寄存器數(shù)據(jù)寄存器ALU控制器微處理器包括運(yùn)算器、控制器、寄存器組三大部分,一般被集成在一個(gè)大規(guī)模集成芯片上,如8088、80x86等等,它是計(jì)算機(jī)的核心部件,具有計(jì)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(jì)算機(jī)的主要性能.ALU——運(yùn)算器的核心部件是算邏單元ALU，所有的算術(shù) 運(yùn)算,邏輯運(yùn)算和移位操作都是由ALU完成的.控制器——CPU的指揮機(jī)關(guān),完成指令的讀入、寄存、譯 碼和執(zhí)行。程序計(jì)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(chǔ)器中讀入的當(dāng)前要執(zhí)行的指令。指令譯碼器ID——對(duì)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(duì)堆棧進(jìn)行操作時(shí)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(jì)算過(guò)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(lái)暫存操作數(shù)和中間運(yùn)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(chǔ)器用于存放程序代碼及有關(guān)數(shù)據(jù).地址

內(nèi)容00

01

02

03

04地

址

譯

碼

器FFFF單元110100111010001000單元01單元00100110

02單元03單元10011101::11100001ABDB控制CB存儲(chǔ)器由若干存儲(chǔ)單元、地址譯碼器及相應(yīng)的控制電路組成。存儲(chǔ)單元：存儲(chǔ)器由若干個(gè)單元組成，每個(gè)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(chǔ)單元的地址：為區(qū)分不同的單元，對(duì)這些單元分別編了號(hào)，這些編號(hào)即它們的地址。存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作：存儲(chǔ)器中的不同存儲(chǔ)單元，是由地址總線上送來(lái)的地址，經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)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(xiě)操作。3.輸入輸出接口電路由于外部設(shè)備如鍵盤(pán)、顯示器、軟盤(pán)、硬盤(pán)、打印機(jī)等，在數(shù)據(jù)格式、運(yùn)行速度等方面與

CPU

不匹配，故在連接時(shí)，需通過(guò)輸入輸出接口電路使外部設(shè)備與之相連。4.總線CPU片內(nèi)總線MI/O片間總線I/O接口板總線是微型計(jì)算機(jī)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(kuò)充。對(duì)微機(jī)而言，總線可以分為以下四類(lèi)：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(lái)連接ALU、CU和寄存器組等邏輯功能單元。這種總線沒(méi)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(chǔ)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(jì)算機(jī)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(wú)法連接在一起。外總線——用于微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或者微型計(jì)算機(jī)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(lèi)別:可以把總線分成控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線?？偩€也包括電源線和地線。地址總線：用于傳送CPU要訪問(wèn)的存儲(chǔ)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(lái)傳送控制信號(hào)。數(shù)據(jù)總線：用于CPU與存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)的硬件。光有硬件，只是有了計(jì)算的可能，計(jì)算機(jī)要真正能夠進(jìn)行計(jì)算，還必須要有軟件的配合。例如：

4

+

5

這種簡(jiǎn)單運(yùn)算,需要以下幾個(gè)步驟:①把第一個(gè)數(shù)從它所在的存儲(chǔ)單元中取出來(lái),送至運(yùn)算器;②把第二個(gè)數(shù)從它所在的存儲(chǔ)單元中取出來(lái),送至運(yùn)算器;③相加;④把加完的結(jié)果送至存儲(chǔ)器中指定的存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)執(zhí)行的各種操作用命令的形式寫(xiě)下來(lái),就是指令.通常一條指令對(duì)應(yīng)著一種基本操作,但是計(jì)算機(jī)怎么能夠辨別和執(zhí)行這些操作呢?這是由設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)人員賦予它的指令系統(tǒng)決定的.一個(gè)計(jì)算機(jī)能執(zhí)行什么樣的操作,能做多少種操作,是由設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)所規(guī)定的指令系統(tǒng)決定的.指令系統(tǒng)

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一條指令對(duì)應(yīng)著一種基本操作,計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部 指令,就是計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)

.

這是計(jì)算機(jī)所固有的.程序

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我們?cè)谑褂糜?jì)算機(jī)時(shí),必須把我們要解決的問(wèn)題編成一條條指令,這些指令的集合就稱(chēng)為程序.(這些指令必須是我們所用的計(jì)算機(jī)能識(shí)別和執(zhí)行的指令,也即每一條指令必須是一臺(tái)特定的計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)中具有的指令.)源程序---用戶為解決自己的問(wèn)題所編的程序,稱(chēng)為源程序.指令形式

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指令通常分成操作碼(Opcode)和操作數(shù)(Operand).操作碼——表示計(jì)算機(jī)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?yàn)橛?jì)算機(jī)只認(rèn)得二進(jìn)制數(shù)碼,所以計(jì)算機(jī)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(lái)表示.如前面例子.①把第一個(gè)數(shù)從它所在的存儲(chǔ)單元中取出來(lái),送至運(yùn)算器;②把第二個(gè)數(shù)從它所在的存儲(chǔ)單元中取出來(lái),送至運(yùn)算器;③相加;④把加完的結(jié)果送至存儲(chǔ)器中指定的存儲(chǔ)單元.10100000

0000000000100000A0

0020MOV

AL,[2000H]10101000

00101110BL,[2001H]0000000100100000A8

1E0120MOV00000000

1101100000

D8ADD

AL,BL10100010

0000000000110000A2

0030MOV

[3000H],AL機(jī)器語(yǔ)言

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計(jì)算機(jī)發(fā)展的初期,就是用指令的機(jī)器碼直接來(lái)編制用 戶的源程序,這就是機(jī)器語(yǔ)言階段.匯編語(yǔ)言

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由于機(jī)器碼是由一連串的

0

和

1

組成的,不好記憶,容 易出錯(cuò),因而后來(lái)人們用一些助記符(Mnemonic)來(lái)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(yǔ)言階段.程序的存放

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要求機(jī)器能自動(dòng)執(zhí)行這些程序,就必須把這些程序存 放到存儲(chǔ)器的某個(gè)區(qū)域.

計(jì)算機(jī)在執(zhí)行時(shí)把這些指令

一條條取出來(lái)加以執(zhí)行.三、CPU執(zhí)行過(guò)程操作：將兩個(gè)數(shù)7和10相加.指令：mov

al,

7add

al,

10mov

[20h],

alhlt機(jī)器指令：1011

0000B0h(

mov

al,

7

)0000

011107h0000

010004h(

add

al,

10

)0000

10100Ah1010

0010A2h(

mov

[20h],

al

)0010

000020h1111

0100F4h(

hlt

)四、CPU主要性能指標(biāo)數(shù)據(jù)寬度（字長(zhǎng)）：CPU的字長(zhǎng)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(jiàn)的CPU字長(zhǎng)有8位、16位、32位和64位。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(yùn)算速度CPU的運(yùn)算速度通常用每秒執(zhí)行基本指令的條數(shù)來(lái)表示，常用單位為MIPS（Million

Instruction

Per

Second）。通常情況下：386