計(jì)算機(jī)原理

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1、計(jì)算機(jī)原理 第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論 計(jì)算機(jī)發(fā)展階段：1.手工階段 2.機(jī)械計(jì)算階段 3.電子計(jì)算階段 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史：以器件作為劃分標(biāo)準(zhǔn): 第一代：電子管，第一臺(tái)：46年(ENIAC)； 第二代：晶體管； 第三代： 集成電路； 第四代： 大規(guī)模集成電路； 如微機(jī) 馮?諾依曼機(jī)思想體制包括： 1. 采用二進(jìn)制數(shù)字代碼形式表示各種信息。 2. 采用存儲(chǔ)程序控制工作方式 3. 計(jì)算機(jī)硬件由五大部件組成。 計(jì)算機(jī)硬件：運(yùn)算器、 控制器、 存儲(chǔ)器、 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備 輸入設(shè)備：將外界數(shù)據(jù)、命令輸入到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，常見(jiàn)的輸入設(shè)備有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀等。 存儲(chǔ)器：是用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)的

2、部件，它是一個(gè)記憶裝置，也是計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)“存儲(chǔ)程序控制”的基礎(chǔ)。 運(yùn)算器：是對(duì)信息進(jìn)行運(yùn)算和處理的部件。分兩類：算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。主要由算術(shù)邏輯運(yùn)算部件(ALU)和用來(lái)暫 存數(shù)據(jù)或存放運(yùn)算結(jié)果的一系列寄存器組成。 控制器：是整個(gè)計(jì)算機(jī)的控制、指揮部件，它控制計(jì)算機(jī)各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)地工作。主要任務(wù)有兩項(xiàng)：一是按照程 序要求，控制程序中指令的執(zhí)行順序；二是根據(jù)指令寄存器中的指令碼控制每一條指令的執(zhí)行。 輸出設(shè)備：是將計(jì)算機(jī)運(yùn)算結(jié)果的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換成人類或其他設(shè)備能接收和識(shí)別的形式的設(shè)備。常用的輸出設(shè)備 有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。 總線：計(jì)算機(jī)通過(guò)總線將五大類部件連接起來(lái)。主要任務(wù)是在

3、各部件之間傳送數(shù)據(jù)信息、地址信息和控制信息。 總線通常包括數(shù)據(jù)總線(Data Bus,DB)、地址總線(Address Bus,AB)和控制總線(Control Bus,CB) (1) 數(shù)據(jù)總線DB用來(lái)傳送數(shù)據(jù)信息，是雙向總線，CPU既可通過(guò)其從存儲(chǔ)器或輸入設(shè)備讀入數(shù)據(jù)，又可通過(guò)其將內(nèi) 部數(shù)據(jù)送至存儲(chǔ)器或輸出設(shè)備。 (2) 地址總線AB用于傳送CPU發(fā)出的地址信息，是單向總線，目的是指明與CPU交換信息的存儲(chǔ)單元或輸入輸出設(shè)備 (3) 控制總線CB用于傳送控制信號(hào)、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)信息等。有的是CPU向存儲(chǔ)器或外設(shè)發(fā)出的信息，有的則是存 儲(chǔ)器或外設(shè)向 CPU 發(fā)出的信息。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的

4、層次機(jī)構(gòu)： (1) 數(shù)據(jù)邏輯層：最底層是有邏輯門組成的邏輯電路，稱為數(shù)字邏輯層,完成計(jì)算機(jī)最基本的運(yùn)算操作和存儲(chǔ)功能 (2) 微程序設(shè)計(jì)層：是一個(gè)實(shí)在的硬件層，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令。 (3) 機(jī)器語(yǔ)言層：又稱為一般機(jī)器層，由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。 (4) 操作系統(tǒng)層：有操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)，而操作系統(tǒng)是有機(jī)器指令和廣義指令組成。 (5) 匯編語(yǔ)言層：它給程序員提供一種符號(hào)形式的語(yǔ)言，以減少程序員利用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)程序的復(fù)雜性。 (6) 高級(jí)語(yǔ)言層：由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持。比匯編語(yǔ)言更高級(jí),更接近于人類自然語(yǔ)言的高級(jí)語(yǔ)言所編寫(xiě)的。 不同層次之間的關(guān)系表現(xiàn)為：上一層是建立在下一層

5、的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。 計(jì)算機(jī)的基本性能衡量： 1.機(jī)器字長(zhǎng) 2.內(nèi)存容量 3.運(yùn)算速度。 第二章 數(shù)字邏輯基礎(chǔ) 三種基本運(yùn)算： 1. 邏輯“與”關(guān)系：只有當(dāng)決定一件事的所有條件全部具備時(shí)才會(huì)發(fā)生，表示為：Y=A?B或Y=AB 2. 邏輯“或”關(guān)系：在決定一件事情的所有條件中，只要具備任何一個(gè)就會(huì)發(fā)生，表示為： Y=A+B 3. 邏輯“非”關(guān)系：當(dāng)決定一件事情的條件不具備時(shí)才發(fā)生，表示為： Y = 常用復(fù)合邏輯運(yùn)算：與非、或非、異或分別是： 、 、 A B。 數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電路可分為兩大類：組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。 組合邏輯電路是指電路的輸出狀態(tài)只與當(dāng)前輸入狀態(tài)有關(guān)，而與電路的以

6、前狀態(tài)無(wú)關(guān)，即輸出與輸入的關(guān)系具有即 時(shí)性，不具備記憶功能。常用的組合邏輯電路：全加器、譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器。 全加器：是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)相加的一種組合邏輯電路。 譯碼器：功能就是將指定的數(shù)碼翻譯為相應(yīng)的狀態(tài)輸出，使其輸出端中相應(yīng)的一路有信號(hào)輸出(電位或脈沖) 數(shù)據(jù)選擇器：又稱多路開(kāi)關(guān)(MUX)，它是以“與或門”或“與或非門”為主的邏輯電路，其作用是在選擇信號(hào)的作用 下，從多個(gè)輸入通道中選擇一個(gè)通道的數(shù)據(jù)作為輸出。它的作用相當(dāng)于一個(gè)具有多個(gè)輸入端的單刀多擲開(kāi)關(guān)。 觸發(fā)器： 1. RS觸發(fā)器：是最基本的觸發(fā)器，S是置位(Set)的意思，R是復(fù)位(Reset)的意思，是一個(gè)具有位置和復(fù)位功

7、能的 2. D觸發(fā)器：廣泛應(yīng)用于邏輯電路中，D觸發(fā)器只有一共數(shù)據(jù)D(Data)輸入端，因而不存在輸出值不確定的問(wèn)題， 其功能很簡(jiǎn)單，那就是D端是什么值，輸出端Q就是什么值,只有同步脈沖CLK到來(lái)之時(shí)，D觸發(fā)器才能實(shí)現(xiàn) 寄存器 1. 基本寄存器 2. 移位寄存器：不僅能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且具有移位的功能，按照數(shù)據(jù)移動(dòng)方向分為：?jiǎn)蜗蛞莆缓碗p向移位 3. 計(jì)數(shù)器：作用是記憶輸入脈沖的個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器是一種時(shí)序邏輯電路，其應(yīng)用十分廣泛，可用于定時(shí)、分頻、 進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。 計(jì)數(shù)器的分類： 1. 按構(gòu)成計(jì)數(shù)器的觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)次序分類：異步計(jì)數(shù)器和同步計(jì)數(shù)器 2. 按計(jì)數(shù)過(guò)程中計(jì)數(shù)器中數(shù)字的增減分類：

8、加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器(加減計(jì)數(shù)器) 3. 按計(jì)數(shù)器中數(shù)字的編碼方式分類：二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 第三章 計(jì)算機(jī)中的信息表示 信息可分為兩大類：數(shù)據(jù)信息和控制(指令)信息。 一個(gè)數(shù)無(wú)論采用何種進(jìn)位制表示，都包含兩個(gè)基本要素：基數(shù)與位權(quán)。 基數(shù)：任何一種計(jì)數(shù)制允許選用的基本數(shù)字符號(hào)的個(gè)數(shù)。 二進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)： 1.容易實(shí)現(xiàn) 2.工作可靠 3.運(yùn)算簡(jiǎn)單 4。便于邏輯運(yùn)算與邏輯設(shè)計(jì) H表示十六進(jìn)制數(shù)，B表示二進(jìn)制數(shù)，加D(或不加標(biāo)志)表示十進(jìn)制數(shù) 無(wú)符號(hào)和帶符號(hào)數(shù)的表示： 1) 無(wú)符號(hào)數(shù)的表示：就是整個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)的全部二進(jìn)制位均表示數(shù)值位(沒(méi)有符號(hào))，相當(dāng)于數(shù)的絕對(duì)值。

9、2) 帶符號(hào)數(shù)的表示：對(duì)于帶符號(hào)的正號(hào)“ +”或負(fù)號(hào)“-”，計(jì)算機(jī)是無(wú)法識(shí)別的，因此在計(jì)算機(jī)中需要把正、 負(fù)符號(hào)數(shù)碼化。一般用數(shù)的最高位表示數(shù)的正負(fù)，“0”表示正號(hào)，“1”表示負(fù)號(hào)。 一個(gè)數(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示形式稱為機(jī)器數(shù)，機(jī)器數(shù)又有三種不同的編碼：原碼、反碼和補(bǔ)碼。 (1) 原碼表示法：最高位為符號(hào)位， 0表示正數(shù)， 1表示為負(fù)數(shù) (2) 反碼表示法：正數(shù)的反碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼符號(hào)位不變，其余各位取反。 (3) 補(bǔ)碼表示法：正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同，最高為符號(hào)為,用0表示,負(fù)數(shù)其補(bǔ)碼位為1，其余各位“按位取反， 末位加 1” 3) 由真值、原碼轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼：數(shù)值位自低向高位，尾數(shù)的第

10、一個(gè)“ 1”及其右部的“0”保持不變，左部的各 位取反，負(fù)號(hào)用“ 1”表示。注意，X必須是負(fù)數(shù)。 4) 小數(shù)點(diǎn)位置的確定：定點(diǎn)表示與浮點(diǎn)表示。定點(diǎn)表示約定：所有數(shù)的小數(shù)點(diǎn)固定在同一位置不變。浮點(diǎn)表 示：小數(shù)點(diǎn)的位置可以任意浮動(dòng)。 十進(jìn)制數(shù)的編碼：在某些場(chǎng)合下，人民希望計(jì)算機(jī)能夠直接對(duì)十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。這時(shí)就要用到二進(jìn)制編碼的十進(jìn) 制數(shù)，簡(jiǎn)稱BCD碼。BCD碼只是用于二進(jìn)制代碼表示的十進(jìn)制數(shù)，并不是等價(jià)的二進(jìn)制數(shù)。 十進(jìn)制數(shù) 8421BCD 碼 十進(jìn)制數(shù) 8421BCD 碼 0 0000 5 0101 1 0001 6 0110 2 0010 7 0111

11、3 0011 8 1000 4 0100 9 1001 漢字的編碼有輸入碼、內(nèi)碼、字形碼三種形式。 漢字輸入碼：用于鍵盤(pán)輸入，拼音、五筆、自然碼等。 漢字內(nèi)部碼：機(jī)內(nèi)碼，供計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)、處理、傳輸用的代碼。每個(gè)碼用兩個(gè)字節(jié)表示，每個(gè)字節(jié)的最高位為1， 以區(qū)別于 ASCII 碼。 漢字交換碼：用于不同計(jì)算機(jī)漢字系統(tǒng)之間或漢字系統(tǒng)與通信系統(tǒng)之間進(jìn)行漢字交換。 漢字字形碼：也稱字模。用于點(diǎn)陣形式輸出時(shí)描述漢字字形的編碼。點(diǎn)陣越大，描述的字形越細(xì)致美觀，但其字形 碼所占字節(jié)數(shù)也越多。如16X16點(diǎn)陣，要用32個(gè)字節(jié)，而24X24點(diǎn)陣則要用72個(gè)字節(jié)。 漢字的輸入碼分為三類：數(shù)

12、字編碼、拼音碼和字形碼。 數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼即是一種常用的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)的數(shù)據(jù)編碼。 數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼：最簡(jiǎn)單且應(yīng)用廣泛的檢錯(cuò)碼是采用一位校驗(yàn)位的奇偶校驗(yàn)。 指令是指示計(jì)算機(jī)硬件執(zhí)行某種操作的命令。指令系統(tǒng)主要包括指令格式、尋址方式、指令類型與指令功能等內(nèi)容 操作碼0P 地址碼D 1. 操作碼指明了計(jì)算機(jī)應(yīng)進(jìn)行什么性質(zhì)的操作，如加、減、乘、除四則運(yùn)算或數(shù)據(jù)傳送、移位等操作。 2. 地址碼指明了操作的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)存放的地址。根據(jù)指令碼中提供操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)，又可以把指令格式分為： 零地址(又稱為無(wú)操作指令)、一地址指令(又稱為單操作數(shù)指令)、二地址指令(又稱為雙操作數(shù)指令)和三地址指令 (又稱為三

13、操作數(shù)指 ⑵一地址指令格式：操作碼0P 地址碼D (2)二地址指令格式： 操作碼0P 地址碼D1 地址碼D2 在雙操作指令中，從操作數(shù)的物理位置來(lái)說(shuō)，又可分為三種類型： 1)寄存器一寄存器(RR)型指令2)存儲(chǔ)器-寄存器(SS)型指令3)寄存器-存儲(chǔ)器(RS)型指令 ⑶三地址指令格式： 操作碼0P 地址碼D1 地址碼D2 地址碼D3 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 因此 操作結(jié)束后，D2、D3中的內(nèi)容均未被破壞 增加一個(gè)地址后使得指令碼加長(zhǎng)，增加了存放空間，加大了取指令時(shí)間。 這種指令格式只在字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型機(jī)上采用，小型、微型機(jī)上一般不使用。 指令字長(zhǎng)度：在指令系統(tǒng)設(shè)

14、計(jì)上出現(xiàn)兩種相反的趨勢(shì)：一種是采用可變長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，讓指令功能盡可能豐富，稱 為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(CISC)；另一種是采用定長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，只選取簡(jiǎn)單、常用的指令，稱為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC) 尋址方式：指令中以什么方式提供操作數(shù)或操作數(shù)地址。 立即尋址：操作數(shù)跟著操作碼后面，指令的地址字段直接給出了操作數(shù)。操作數(shù)S與地址碼D的關(guān)系：S=Do 特點(diǎn)：CPU將數(shù)據(jù)和指令一起從寄存器取出，不必再訪問(wèn)存儲(chǔ)器，從而提高了指令的執(zhí)行速度。 缺點(diǎn)：因?yàn)椴僮鲾?shù)是指令的一部分，不能被修改，而且立即數(shù)的大小受到指令長(zhǎng)度的限制，所以靈活性差，一 般用于給某一寄存器或存儲(chǔ)單元賦初值或提供一個(gè)常數(shù)。 寄存器尋

15、址：指令的地址碼字段給出某一個(gè)通用寄存器的編號(hào)(地址)，改寄存器中存放著操作數(shù)。其中IR表示存 放指令的寄存器， 為存放操作數(shù)的寄存器，操作數(shù)S與寄存器的關(guān)系為：S=() 優(yōu)點(diǎn)： 1.從寄存器中存取數(shù)據(jù)比從存儲(chǔ)器單元中存取快得多。 2.由于寄存器的數(shù)量較少，其地址碼字段比存儲(chǔ)單元地址字段要短得多。幾乎所有的計(jì)算機(jī)都采用了。 直接尋址：指令的地址碼字段直接給出的操作數(shù)的有效地址EAo用這個(gè)有效地址訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器，便可從指定 的存儲(chǔ)單元中獲的操作數(shù)。又叫絕對(duì)尋址方式。操作數(shù) S 與地址碼 D 的關(guān)系為： S=(D) 寄存器間接尋址：指令中的地址碼給出了某一通用寄存器的編號(hào)，以該寄存器中的內(nèi)

16、容為有效地址EA,用這個(gè) 有效地址訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器，變可從指定的存儲(chǔ)單元中獲得操作數(shù)。操作數(shù)S與寄存器 的關(guān)系為：S=(()) 特點(diǎn)：指令碼較短，并且在取指后只需一次訪存便可得到操作數(shù)，是一種使用廣泛的尋址方式。 存儲(chǔ)器間接尋址：這是一種與寄存器間接尋址類似的間接尋址方式。間接尋址與直接尋址相比，更加靈活。 優(yōu)點(diǎn)：1?擴(kuò)大了尋址范圍，可用指令中的短地址訪問(wèn)大的存儲(chǔ)空間。 2?可將存儲(chǔ)單元(或寄存器)作為程序的地址指針，用以指示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置。當(dāng)操作數(shù)的地址需 要改變時(shí)，不必修改指令，只需修改存放有效地址的那個(gè)存儲(chǔ)單元(或寄存器)的內(nèi)容即可。 1． 2． 3． (1) 零地址指

17、令格式：操作碼0P 缺點(diǎn)：間接尋址在取值之后至少需要兩次訪問(wèn)存儲(chǔ)器才能取出操作數(shù)，降低了取操作數(shù)的速度，尤其是在多重 間接尋址時(shí)，尋找操作數(shù)要?jiǎng)澐窒喈?dāng)多的時(shí)間，甚至可能發(fā)生間址循環(huán)。 6． 變址尋址：就是把變址寄存器 的內(nèi)容(變址值)與指令中給出的形式地址 D 相加，形成操作數(shù)的有效地址 EA， 即EA=( )+D，操作數(shù)S與地址碼和變址寄存器的關(guān)系為：S=(( )+D)。變址尋址速度比直接尋址慢，因?yàn)镃PU 必須執(zhí)行一次加法操作才能獲得有效地址。 7. 相對(duì)尋址：方式是變址尋址的特列。它以程序計(jì)數(shù)器PC為變址器，與指令提供的形式地址相加，從而得到有效 地址EA。有效地址與形式地址D和程

18、序計(jì)數(shù)器PC器的關(guān)系為：EA=(PC)+D。 有2個(gè)特點(diǎn)：1.地址不固定，它隨PC值的變化而變化，并且總是相差一個(gè)固定值。因此，無(wú)論程序裝入存儲(chǔ)器 的任何地方，只要這個(gè)差值不變，均能正確運(yùn)行。2.D可正可負(fù)，通常用補(bǔ)碼表示，如果D為n位，則這種方 式的尋址范圍為(PC)-2n-1?+2n-l -1，即從當(dāng)前指令之前的2n-1個(gè)字節(jié)到指令之后的2n-1 -1個(gè)字節(jié)。 8. 基址尋址：與變址相似，應(yīng)用場(chǎng)合不同，主要用于邏輯地址到物理地址的變換，用以解決程序在存儲(chǔ)器中的定 位和擴(kuò)大尋址空間等問(wèn)題。 指令的類型及基本功能： 1. 數(shù)據(jù)傳送指令：用于實(shí)現(xiàn)寄存器與寄存器、寄存器與存儲(chǔ)器單元以及兩存

19、儲(chǔ)器單元之間的數(shù)據(jù)傳送操作。 數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)從源地址傳送到目的地址，而源地址中的數(shù)據(jù)保持不變。 (1) 通用數(shù)據(jù)傳送指令：可以一次傳送一個(gè)數(shù)據(jù)，也可以傳送一批數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送。 (2) 堆棧及堆棧操作指令：具有“先進(jìn)后出”的特性。因而在中斷服務(wù)程序、子程序調(diào)用過(guò)程中廣泛用于 保存 返回地址、字體標(biāo)志及現(xiàn)場(chǎng)信息等。另一個(gè)重要作用是在子程序調(diào)用時(shí)利用堆棧在主程序與子程序之間傳 遞參數(shù)。 2. 運(yùn)算類指令 (1) 算術(shù)運(yùn)算指令：設(shè)有二進(jìn)制加、減、比較和求補(bǔ)等最基本的運(yùn)算指令，乘、除法運(yùn)算指令，浮點(diǎn)運(yùn)算 指令 以及十進(jìn)制運(yùn)算指令等。 (2) 邏輯運(yùn)算指令：與、或、非、異或和測(cè)試等

20、邏輯運(yùn)算指令，測(cè)試、位清除，位求反等指令。 3. 移位操作指令 (1) 算術(shù)移位：對(duì)象是帶符號(hào)數(shù)，左移時(shí)，末位補(bǔ) 0；右移時(shí)，必須保持操作數(shù)的符號(hào)不變。當(dāng)左移一位 時(shí)， 如不產(chǎn)生溢出，則數(shù)值乘2；而右移一位時(shí)，如不考慮因移出舍去的末位尾數(shù)，則數(shù)值除 2。 (2) 邏輯移位：操作數(shù)為無(wú)符號(hào)的數(shù)。算術(shù)移位與邏輯移位的主要差別在于右移時(shí)，填入最高位的數(shù)據(jù)不 同。算術(shù)右移保持最高位(符號(hào)位)不變，而邏輯右移最高位補(bǔ)零。算術(shù)、邏輯移位指令還用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單乘、除運(yùn) 算。 (3) 循環(huán)移位：按是否與進(jìn)位位C 一起循環(huán)，又分為小循環(huán)(自身循環(huán))與大循環(huán)(帶進(jìn)位循環(huán))，主要用于實(shí) 現(xiàn)循環(huán)式控制、高低位字

21、節(jié)互換等。 4. 字符串處理指令：就是一種非數(shù)值處理指令，一般包括字符串傳送、字符串轉(zhuǎn)換、字符串比較、字符串查 找、字符串匹配、字符串抽取和替換。對(duì)需要大量字符串進(jìn)行各種處理的文字編輯和排版時(shí)非常有用。 5. 輸入/輸出指令：從廣義的角度看，輸入/輸出(I/O)指令可以歸入數(shù)據(jù)傳送類指令。I/O指令主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)CPU 與外部設(shè)備之間的信息交換，包括輸入/輸出數(shù)據(jù)、CPU向外設(shè)發(fā)控制命令或外設(shè)向CPU報(bào)告工作狀態(tài)等。 操作碼OP 寄存器R 地址碼A 6. 程序控制指令：用于控制程序的執(zhí)行順序，并使程序具有測(cè)試、分析與判斷的能力。主要包括轉(zhuǎn)移指令、 子程序調(diào)用和返回指令等。 (1

22、) 轉(zhuǎn)移指令：又分為無(wú)條件轉(zhuǎn)移和條件轉(zhuǎn)移指令 (2) 子程序調(diào)用指令：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。 (3) 子程序返回指令：從子程序轉(zhuǎn)向主程序的指令稱為返回指令，其助記符一般為RET，子程序最后執(zhí)行 的一條指令一定是返回指令。 7. 其他指令 (1) 特權(quán)指令：具有特殊權(quán)限的指令。在多用戶、多任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，特權(quán)指令是不可少的，它主要 用于系統(tǒng)資源的分配和管理工作。 (2) 陷阱與陷阱指令：陷阱實(shí)際上是一種意外事故中斷，中斷的目的不是為請(qǐng)求 CPUD 的正常處理，而是 為了通知 CPU 所出現(xiàn)的故障，并根據(jù)故障情況轉(zhuǎn)入相應(yīng)的故障處理程序。 第四

23、章 運(yùn)算方法及運(yùn)算器 1. 補(bǔ)碼加減運(yùn)算 ⑴補(bǔ)碼加法運(yùn)算公式：［X］補(bǔ)+ ［Y］補(bǔ)=［X+Y］補(bǔ) (2)補(bǔ)碼減法運(yùn)算公式：［X］補(bǔ)-［Y］補(bǔ)=［X］補(bǔ)+ ［-Y］補(bǔ)=［X-Y］補(bǔ) 補(bǔ)碼運(yùn)算規(guī)則： (1) 參加補(bǔ)碼運(yùn)算的操作數(shù)均為補(bǔ)碼； (2) 符號(hào)位一起參加運(yùn)算，符號(hào)位向前的進(jìn)位自然丟掉； (3) 加法：兩補(bǔ)碼直接相加；減法：將減數(shù)連同符號(hào)位一起按位變反末位加 1 后再與被減數(shù)相加； (4) 運(yùn)算結(jié)果仍為補(bǔ)碼。 2. 溢出判斷方法 在確定了運(yùn)算字長(zhǎng)和數(shù)據(jù)的表示方法后，一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能表示的數(shù)據(jù)范圍也就相應(yīng)決定了，若運(yùn)算結(jié)果超出所 能表示的范圍，就會(huì)產(chǎn)生溢出。若字長(zhǎng)8位，采用補(bǔ)碼

24、表示，則定點(diǎn)整數(shù)的表示范圍是-128?+127。 兩個(gè)異號(hào)數(shù)相加不會(huì)產(chǎn)生溢出， 只有兩個(gè)同號(hào)數(shù)相加(包括兩個(gè)異號(hào)數(shù)相減) 才可能發(fā)生溢出。 運(yùn)算結(jié)果為 正且大于所能表示的最大正數(shù)， 稱為正溢； 運(yùn)算結(jié)果為負(fù)且小于所能表示的最小負(fù)數(shù)，稱為負(fù)溢。 判斷溢出方法： (1) 進(jìn)位檢測(cè)方法：符號(hào)位的進(jìn)位是0，最高數(shù)值位的進(jìn)位是1，異或結(jié)果是1，表示溢出。 (2) 變形補(bǔ)碼檢測(cè)方法：每個(gè)操作數(shù)在運(yùn)算時(shí)都采用兩個(gè)符號(hào)位，正數(shù)用00表示，負(fù)數(shù)用11表示，兩個(gè)符號(hào) 位與數(shù)值位一起參加運(yùn)算。若運(yùn)算結(jié)果的兩個(gè)符號(hào)位的代碼一直，表示沒(méi)有溢出；若運(yùn)算結(jié)果的兩個(gè)符號(hào) 位的代碼不一致，表示溢出。 3. 補(bǔ)碼加、減

25、法運(yùn)算器 運(yùn)算器的基本組成：主要由算術(shù)邏輯單元、通用寄存器、狀態(tài)字寄存器和有關(guān)的判斷邏輯、局部控制電路和內(nèi)部總 線等組成。 ALU 屬于運(yùn)算器部件。 第五章 中央處理器 CPU 的功能： 程序控制：保證按一定的順序執(zhí)行程序。 操作控制：產(chǎn)生每條指令的操作控制信號(hào)，控制執(zhí)行部件完成指令要求的操作。 時(shí)間控制：對(duì)各種操作及指令的執(zhí)行進(jìn)行時(shí)間上的控制。 數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算。 CPU的組成：CPU由運(yùn)算器及控制器組成。 運(yùn)算器：是計(jì)算機(jī)的加工處理部件，是CPU的重要組成部分。運(yùn)算器執(zhí)行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào) 來(lái)指揮的，它是計(jì)算機(jī)的執(zhí)行部件。 控制器：主要由

26、程序計(jì)數(shù)器(PC)、指令寄存器(IR)、指令譯碼器(ID)、微命令發(fā)生器(0C)和時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器等組成，它 負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)并控制計(jì)算機(jī)各功能部件執(zhí)行程序的指令序列。 控制器的基本功能是：取指令 ——> 分析指令 ——> 執(zhí)行指令 CPU 中的主要寄存器： 1. 通用寄存器 2. 專用寄存器，至少有 5個(gè)主要的專用寄存器： (1) 程序計(jì)數(shù)器PC：提供后續(xù)指令地址，控制程序的執(zhí)行順序。程序順序執(zhí)行時(shí)，后續(xù)指令地址由PC+1 得到；程序轉(zhuǎn)移時(shí)，后續(xù)指令地址由轉(zhuǎn)移指令提供并送往PC;因此PC有加1計(jì)數(shù)功能，并可編程訪問(wèn)。 (2) 指令寄存器IR：存放當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。 (3) 狀態(tài)字寄

27、存器：用來(lái)存放程序狀態(tài)字(PSW)。程序狀態(tài)字用于記錄現(xiàn)行程序的運(yùn)行狀態(tài)和機(jī)器的工作方 式，是參與控制程序執(zhí)行的重要依據(jù)之一。 (4) 存儲(chǔ)器地址寄存器(MAR)與存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器(MDR)： MAR是用來(lái)保存當(dāng)前CPU所要訪問(wèn)的內(nèi)存單元或 I/O設(shè)備的地址。MDR用來(lái)暫時(shí)存放CPU與存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備之間待傳送的數(shù)據(jù)，作用：1?起CPU和 存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備直接信息傳送中轉(zhuǎn)站的作用。2?緩沖及補(bǔ)償CPU和內(nèi)存、I/O設(shè)備之間在操作速度上 的差別。3?在單累加器結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器中還可兼作為操作數(shù)寄存器。 時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器的基本組成： 1?脈沖源2?節(jié)拍信號(hào)發(fā)生器(又稱脈沖分配器)3.CPU周期

28、信號(hào)發(fā)生器4?啟/?？刂七壿?微程序設(shè)計(jì)的基本思想：將機(jī)器指令的操作(從取指令到執(zhí)行)分解為若干個(gè)更基本的微操作序列，并將有關(guān)的微操作 控制信號(hào)按一定規(guī)則進(jìn)行信息編碼(代碼化)，形成控制字(微指令)。將這些微指令按時(shí)間先后排列起來(lái)構(gòu)成微程序， 并存入一個(gè)只讀的控制存儲(chǔ)器 CM 中。這樣，每條機(jī)器指令與一段微程序相對(duì)應(yīng)，從 CM 中取出微指令，經(jīng)譯碼后 便可產(chǎn)生相應(yīng)的微命令，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令要求的信息傳送和加工。 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)： 1. 微指令編碼 (1) 直接表示法(不譯碼法)：就是由微操作控制字段中的每一位代表一個(gè)微命令。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單直觀，其輸出直 接用于控制；缺點(diǎn)：信息效率太低，微指令

29、字較長(zhǎng)，使得控制存儲(chǔ)器容量較大。 (2) 分段直接編碼法：是把一組互斥的微命令信號(hào)組成一個(gè)小組(即一個(gè)字段)，然后通過(guò)小組(字段)譯碼器對(duì)每 一個(gè)微命令信號(hào)進(jìn)行譯碼，譯碼輸出作為微操作控制信號(hào)。分段直接編碼法可使微指令字大大縮短，但由于增 加了譯碼電路，使微程序的執(zhí)行速度稍稍減慢。目前在微程序控制器設(shè)計(jì)中使用比較普遍。 (3) 分段間接編碼法：如果一個(gè)字段的含義不僅卻決于本字段編碼還兼由其他字段 (或位)參與解釋，即一種字 段編碼具有多重定義。這種方法能使微指令編碼更為靈活多樣，可進(jìn)一步提供信息的表示效率。 (4) 混合編碼法：直接表示法與分段編碼法混合使用，以便能綜合考慮微指令字長(zhǎng)、靈

30、活性和執(zhí)行微程序速度 等方面的要求。 2. 微地址的確定方法： (1) 計(jì)數(shù)器方式(增量方式)：用程序計(jì)數(shù)器PC來(lái)產(chǎn)生機(jī)器指令地址的方法相類似。在順序執(zhí)行微指令時(shí)，后繼 微地址由現(xiàn)行微地址加上一個(gè)增量來(lái)產(chǎn)生；在非順序執(zhí)行微指令時(shí)，由微指令的順序控制字段產(chǎn)生轉(zhuǎn)移微地址。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，易于掌握，編制微程序容易，微指令的順序控制字段較短，微地址產(chǎn)生機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：不能實(shí) 現(xiàn)兩路以上的并行微程序轉(zhuǎn)移，因而不利于提供微程序的執(zhí)行速度，靈活性較差。 (2) 斷定方式：后繼地址可由微程序設(shè)計(jì)者給定，或者根據(jù)微指令所規(guī)定的測(cè)試結(jié)果直接決定后繼微地址的全 部或部分地址值。 現(xiàn)代CPU設(shè)計(jì)技術(shù)： 1.

31、 流水 CPU 1) 并行處理技術(shù)：計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)可貫穿于信息加工的各個(gè)步驟，主要有三種形式： (1)時(shí)間并行 (2)空間并行 (3)時(shí)間并行和空間并行 2) 流水CPU： (1)流水CPU的時(shí)空?qǐng)D(2)流水線分類：①指令流水線②算術(shù)流水線③處理機(jī)流水線 3) 流水線中的主要問(wèn)題： (1)資源相關(guān)沖突 (2)數(shù)據(jù)相關(guān)沖突 (3) 控制相關(guān)沖突：常用兩種處理技術(shù)：延遲轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)法。 2. 多媒體CPU： 1) 多媒體技術(shù)的主要問(wèn)題：多媒體技術(shù)解決的主要問(wèn)題包括： (1)圖像與聲音的壓縮技術(shù) (2)適應(yīng)多媒體技術(shù) 的軟件技術(shù) (3)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的技術(shù) 2) MMX技術(shù)

32、：是一種多媒體擴(kuò)展結(jié)構(gòu)技術(shù)，它極大提高了計(jì)算機(jī)在多媒體和通信應(yīng)用方面的功能。MMX技 術(shù)集成到Pentium CPU時(shí)，主要體現(xiàn)在：采用4種新的數(shù)據(jù)類型，使用8個(gè)64位寬的MMX寄存器，增設(shè)了 57 條新的MMX指令。 3) 動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)：通過(guò)預(yù)測(cè)程序流來(lái)調(diào)整指令的執(zhí)行，并分析程序的數(shù)據(jù)流來(lái)選擇指令執(zhí)行的最佳順序。 第六章 存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)系統(tǒng) 存儲(chǔ)器的分類： 1. 按存儲(chǔ)介質(zhì)分類： ⑴ 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)介質(zhì)為TTL或MOS半導(dǎo)體器件。一般都是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路芯片用作內(nèi)部存 儲(chǔ)器，如內(nèi)存條。 (2) 磁表面存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)介質(zhì)為磁性材料，一般用作外部存儲(chǔ)器，如磁盤(pán)、磁帶等。 (

33、3) 光材料存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)介質(zhì)為金屬或磁性材料，但都是通過(guò)激光束來(lái)讀/寫(xiě)信息，如光盤(pán)。 2. 按存取方式分類： ⑴隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)：存儲(chǔ)器中任何單元都可以被隨機(jī)存取，每個(gè)存儲(chǔ)單元的存取時(shí)間都相同，且存取 時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理地址無(wú)關(guān)。 (2) 順序存取存儲(chǔ)器：只能按照某種順序讀/寫(xiě)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器，存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理地址有關(guān)。 (3) 直接存取存儲(chǔ)器：若存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)時(shí)，第一步直接指向整個(gè)存儲(chǔ)器中的某個(gè)區(qū)域(如磁盤(pán)上的磁道)；第 二步在該區(qū)域內(nèi)順序檢索或等待，直至找到目的地后再進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。磁盤(pán)和部分光盤(pán)就是這一類存儲(chǔ)器。 ⑷ 只讀存儲(chǔ)器(ROM)：若存儲(chǔ)器中的內(nèi)容不能

34、被刷新，個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容只能讀出不能寫(xiě)入。 3. 按信息的可保護(hù)性分類： (1) 易失性存儲(chǔ)器：斷電后信息即消失的存儲(chǔ)器。一般的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器除 ROM 外大部分是易失性存儲(chǔ)器。 (2) 非易失性存儲(chǔ)器：斷電后仍能保存信息的存儲(chǔ)器，如磁盤(pán)、磁帶和光盤(pán)。主要用于計(jì)算機(jī)的外存，用來(lái)保 護(hù)長(zhǎng)久使用的信息。 ROM 也是一種特色的非易失性存儲(chǔ)器。 4. 按所處位置及功能分類： ⑴ 內(nèi)部存儲(chǔ)器：又稱內(nèi)存，位于主機(jī)內(nèi)部，其容量小，速度快，能被CPU直接訪問(wèn)。包括高速緩沖存儲(chǔ)器和 主存儲(chǔ)器，一般用半導(dǎo)體材料大規(guī)模集成。 (2) 外部存儲(chǔ)器：又稱輔存或后援存儲(chǔ)器，位于主機(jī)外部。目前常用的外部存儲(chǔ)器包

35、括硬盤(pán)、光盤(pán)和 U 盤(pán)。 主存的性能指標(biāo)主要有：存儲(chǔ)容量、存儲(chǔ)時(shí)間、存儲(chǔ)周期和存儲(chǔ)器帶寬。 基本存儲(chǔ)元：一個(gè)基本存儲(chǔ)元能夠存儲(chǔ) 1 位二進(jìn)制信息，能夠讀出和寫(xiě)入。它的基本結(jié)構(gòu)是由幾個(gè)相反器和控制門 組成一個(gè)可控制的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 讀/寫(xiě)控制 選擇 > 存儲(chǔ)兀 數(shù)據(jù)線 只讀存儲(chǔ)器：最大特點(diǎn)就是只讀不寫(xiě)，具有非易失性。 ROM 的分類： 1. 掩模式ROM:這類ROM所存入的數(shù)據(jù)，在芯片制造過(guò)程中就已經(jīng)確定了，因而使用時(shí)只能讀出，不能改寫(xiě)。 優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，價(jià)格便宜，適宜大批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)：不能重寫(xiě)。只能專用，可向生產(chǎn)廠家定制。 2. 一次性編程ROM(PROM)：在出廠時(shí)，所有存儲(chǔ)單元均

36、設(shè)置成“0”(或?yàn)椤?1”)。用戶根據(jù)需要可自行將其中某 些存儲(chǔ)元改為“1”或“0”。只能進(jìn)行一次性改寫(xiě)，一旦編程完畢，其內(nèi)容便是永久性，無(wú)法進(jìn)行更改。由于可 靠性差，只能一次編程，目前已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰。 3. 多次可編程ROM:這類ROM有光擦除編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)和電擦除編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)兩類。這兩 類可以分別用紫外光照或電的方法擦除原來(lái)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，然后再用電的方法重新寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)，可重復(fù)使用。 EEPROM 缺點(diǎn)就是編程時(shí)間太長(zhǎng)。 4?閃速存儲(chǔ)器(Flash)：新型閃速(Flash)EEPROM，它的存儲(chǔ)元電路是CMOS單晶體管EEPROM存儲(chǔ)單元基礎(chǔ)上制造 的，因

37、此具有非易失性。具有隨機(jī)存取的特點(diǎn)，又具有 EEPROM 高密度性、非易失性的特性，因此它成為代替 便攜式微機(jī)中的軟磁盤(pán)的一種理想工具。 高速存儲(chǔ)器： 1. 雙端口存儲(chǔ)器：一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩個(gè)端口(端口1 和端口 2)。雙端口存儲(chǔ)器有兩組數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總 線，從而形成了兩個(gè)端口。每個(gè)端口都有各自獨(dú)立的地址寄存器(MAR)、地址譯碼器、數(shù)據(jù)緩沖器(MDR)和讀/寫(xiě)控 制電路，從而可以通過(guò)兩個(gè)端口同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，以提高存儲(chǔ)器的存取速度。 2. 多模塊交叉存儲(chǔ)器：多模塊順序編址存儲(chǔ)器的特點(diǎn)：某個(gè)模塊進(jìn)行存取時(shí)，其他模塊不工作；某個(gè)模塊出現(xiàn)故 障時(shí)，其他模塊可以照常工作。優(yōu)點(diǎn)

38、：通過(guò)增加模塊來(lái)擴(kuò)充存儲(chǔ)器容量比較方便；缺點(diǎn)：各模塊串行工作存儲(chǔ)器 的存取速度受到了限制。多模塊交叉編址存儲(chǔ)器特點(diǎn)：連續(xù)地址分布在相鄰的不同模塊內(nèi)，同一個(gè)模塊內(nèi)的地址 都是不連續(xù)的。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)連續(xù)字的成塊傳送可實(shí)現(xiàn)多模塊并行存取，大大提高了存儲(chǔ)器的帶寬。 3. 相聯(lián)存儲(chǔ)器：格式：KEY, DATA 程序局部性原理：當(dāng) CPU 從主存中取出指令和數(shù)據(jù)時(shí)，在一個(gè)較短的時(shí)間間隔內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址往往局限在主 存空間的某個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)。這種對(duì)局部范圍的存儲(chǔ)器地址頻繁訪問(wèn),而對(duì)此范圍以外的地址甚少訪問(wèn)的現(xiàn)象,稱 為程序訪問(wèn)的局部性。 虛擬存儲(chǔ)器：是建立在主存/外存層次上的，由操作系統(tǒng)存儲(chǔ)管理軟件及

39、附加硬件裝置(存儲(chǔ)器管理部件MMU)組成的 存儲(chǔ)體系。它以透明的方式給用戶提供了一個(gè)訪問(wèn)速度接近(略慢)于主存儲(chǔ)器,而存儲(chǔ)空間比實(shí)際主存空間大得多的 虛擬存儲(chǔ)器。此時(shí)，程序中的地址稱為虛擬地址(虛地址)或邏輯地址，程序的地址空間稱為虛擬地址空間。 第七章 輸入輸出系統(tǒng) 接口的基本功能：(1)設(shè)備選擇功能⑵數(shù)據(jù)緩沖功能⑶具有接收、解釋并執(zhí)行CPU命令的功能⑷聯(lián)絡(luò)功能 (5) 中斷管理功能 (6)可編程功能 常用的I/O控制方式有：程序直接控制方式、程序中斷控制方式、直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式、I/O通道控制方式和 (輸入/輸出控制方式) I/O 處理機(jī)方式等五種。 中斷過(guò)程包括：中

40、斷請(qǐng)求、中斷排隊(duì)(判優(yōu)) 、中斷響應(yīng)、中斷服務(wù)和中斷返回階段。 CPU響應(yīng)中斷的條件：有中斷請(qǐng)求信號(hào)；CPU允許接受中斷請(qǐng)求；當(dāng)前一條指令執(zhí)行完畢，這是CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求 的時(shí)間限制條件，以保證現(xiàn)行程序執(zhí)行的完整性。 DMA 傳送方式： DMA 與主存交換數(shù)據(jù)時(shí)可采用三種傳送方式： 1. CPU停止訪問(wèn)主存的DMA傳送方式 2. 周期挪用的DMA傳送方式 3. DMAC與CPU交替訪問(wèn)主存的DMA傳送方式 DMA 方式的特點(diǎn)： (1) DMA使主存既可被CPU訪問(wèn)，同時(shí)頁(yè)可被快速外設(shè)直接訪問(wèn) (2) 需要在主存中開(kāi)設(shè)專用緩沖區(qū)，即使提供或接收外設(shè)的數(shù)據(jù) (3) 在傳輸數(shù)據(jù)塊時(shí)，主存地址的確定、數(shù)據(jù)的傳送及計(jì)數(shù)控制器的計(jì)數(shù)等工作均由硬件(而不是CPU指令)完成 (4) CPU 交出總線控制權(quán)，其程序現(xiàn)場(chǎng)不受影響，無(wú)需進(jìn)行保存和恢復(fù) (5) 在DMA數(shù)據(jù)傳送開(kāi)始前要通過(guò)程序進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)束后要通過(guò)中斷方式進(jìn)行傳送后處理 (6) CPU幾乎完全與外設(shè)并行工作，提供了系統(tǒng)的效率?但是要求設(shè)置DMA控制器，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件開(kāi)銷大 其他傳送控制方式： 1.通道方式 2.外圍處理機(jī)方式 3.網(wǎng)絡(luò)方式 常用輸入設(shè)備：1?鍵盤(pán)2?鼠標(biāo)3?條碼、磁卡、IC卡閱讀器4?掃描儀5?多媒體輸入設(shè)備 常用通訊設(shè)備： 1.調(diào)制解調(diào)器 2.網(wǎng)絡(luò)適配器