计算机组成原理与汇编语言1ppt课件

.,计算机组成原理与汇编语言程序设计,.,使用教材,（2001年1月第1版）中央广播电视大学出版社,.,考试基本题型：1单选或多选题2改错题3分析题4简答题5.简单程序设计课程学习难度较大，但考试题型基本固定，要求坚持上课，听懂授课内容，做好习题!,.,授课计划：课程教学总教学时间为4天教学内容第1章：绪论第2章：计算机中的信息表示第3章：CPU原理第4章：典型CPU及指令系统举例第5章：汇编语言程序设计第6章：存储系统第7章：主机与外部设备的信息交换,.,本次课程简介,计算机的基本概念计算机系统的硬、软件组成计算机的工作过程计算机的发展与应用,.,第1章绪论1.1计算机的基本概念,计算机的定义,计算机是一台能存储程序和数据，并能自动执行程序的机器；是一种能对各种数字化信息进行处理，即协助人们获取信息、处理信息、存储信息和传递信息的工具。,.,JohnvonNeumann冯诺依曼,冯诺依曼体制的要点：采用二进制代码表示数据和指令采用存储程序工作方式，即事先编制程序、事先存储程序、自动连续地执行程序。由存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成计算机硬件系统。,.,现代计算机体系结构一、存储程序工作方式,事先编制程序(程序即指令的集合和有关的原始数据)事先存储程序自动、连续地执行程序(从存储器中逐条读入指令),.,二、信息的数字化表示,信息,.,信息的表示举例：1.数值：二进制代码，最高位代表符号位2.中文字符：国标码，如：啊16013.西文字符：ASCII码，如字母“A”010000014.图像：由像素点的明暗，色彩转换为0和1状态得到5.声音：可以由声波信号采样得到的0和1表示,.,1.2计算机系统的硬、软件硬件指可触摸到的物理设备的总称，由五大部件组成,（外）存储器,（内）存储器,中央处理器（CPU）,运算器,控制器,输入设备,输出设备,.,一、计算机硬件系统,接口,接口,系统总线,.,1.CPU：取指令和执行指令,(1)运算器的任务是对信息进行加工处理。,运算,暂存操作数和运算结果。,存放算术逻辑单元在工作中产生的状态信息。,暂存操作数或数据地址。,.,(2)控制器,控制器是计算机的神经中枢。,控制器按照计算机的工作节拍（主频）产生各种控制信号，以指挥整个计算机有条不紊地自动执行程序。,.,2.存储器,存储器是计算机的记忆装置。,.,主存储器的管理：划分为多个单元，每个单元存入8个二进制位,字节（Byte）：最常用的基本单位1字节=8个二进制位,地址编号,.,3.输入设备(如键盘、鼠标),字符键区功能键区数字键区,双键鼠标三键鼠标光电鼠标,.,4.输出设备,显示器CRT（阴极射线显像管）显示器液晶显示器打印机击打式打印机激光打印机喷墨打印机,.,5.总线,Bus(公共交通线路)地址总线数据总线控制总线,6.接口,总线与I/O设备之间的连接设备,.,二、计算机软件系统,系统软件操作系统编译程序、解释程序各种软件平台,应用软件(类型众多，应用广泛),.,(1)操作系统(最先配置的软件，核心软件)定义：操作系统是一个负责控制和管理计算机系统中所有硬件和软件资源的复杂的程序系统.是用户和计算机之间的接口，为用户提供软件的开发环境和运行环境，用户通过操作系统来使用计算机.,.,操作系统的功能,处理机管理存储管理I/O设备管理文件管理作业管理,.,操作系统的角色,OperateSystem：一种能让PC使用其它软件的软件。,管理管理硬件资源协调后台工作,服务提供用户与计算机的交互接口,.,几种常用的操作系统,.,(2)计算机语言的编译和解释程序,机器语言直接用0和1的语言，如加法为一串16位的二进制汇编语言用符号表示的语言，如ADD代表加法高级语言接近于人类自然语言的编程语言如C语言、BASIC、JAVA等,.,基本概念,源程序翻译程序汇编程序(汇编程序的翻译)编译程序(全部翻译后执行)解释程序(翻译一条执行一条)连接程序可执行程序,.,高级语言的上机过程,.,三、系统组成的层次结构,.,1.3计算机的工作过程一、处理问题的步骤,.,二、指令执行过程,1.取指和分析指令根据程序计数器中的地址访问主存，读出指令，送往指令寄存器IR；同时分析该指令的含义。,2.读取操作数根据指令中提供的操作数地址码访问主存,读出操作数，送入暂存器中。,3.运算根据指令中的操作码，对取出的操作数进行运算，结果送往某个寄存器。,4.后继指令地址程序指令计数器自动修改，指向下一条指令的地址。,.,例：一台电脑的基本配置,CPU主板内存硬盘、光驱、软驱显示器、键盘、鼠标声卡、显卡、网卡机箱电源、音箱MODEM,.,1.5计算机的发展与应用,.,第一台电子计算机-ENIAC(1946),重达30吨启动电力150千瓦18000个电子管保存80个字节占地170平方米,.,一.计算机的发展历程,第四代（1975至今）大规模集成电路几百万几亿（次/秒）C、VB、JAVA、foxpro、delphi,.,第一代电子计算机,电子器件电子管主存储器磁芯、磁鼓辅助存储器磁带、磁鼓处理方式机器语言、汇编语言运算速度(次/秒)50004万,.,第二代电子计算机,电子器件晶体管主存储器磁芯、磁鼓辅助存储器磁带、磁鼓、磁盘处理方式作业连续处理、编译语言运算速度(次/秒)几十万百万,.,第三代电子计算机,电子器件中、小规模集成电路主存储器磁芯、磁鼓、半导体存储器辅助存储器磁盘、磁鼓、磁带处理方式多道程序、实时处理运算速度(次/秒)百万几百万,.,第四代电子计算机,电子器件大规模、超大规模集成电路主存储器半导体存储器辅助存储器磁盘、磁带、光盘处理方式网络结构、实时、分时处理运算速度(次/秒)几百万几亿,.,二、计算机应用,科学计算数据处理和信息管理自动控制计算机辅助设计及辅助教学人工智能,.,第1章完,.,第2章计算机中的信息表示,本章学习内容：数值型数据的表示方法进位计数制带符号数的表示数的定点表示与浮点表示字符的表示指令信息的表示,.,一、进制的概念,十进制R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二进制R=2，可使用0,1八进制R=8，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六进制R=16，可使用0,9,A,B,C,D,E,F,“逢R进一，借一当R”,2.1.1进位计数制,.,二-十进制,又称为8421码或BCD码例：(137)10=(000100110111)BCD137(21)10=(00100001)BCD,“用4位二进制表示一位十进制数”,2.1.1进位计数制,.,常用进制之间的对应关系,.,二、各种进位制间的转换,十进制,R,进制,1.十进制整数转换成,R,进制的整数,“,除,R,取余,”,法，例1：,268,余,数,234,0,低位,217,0,28,1,24,0,22,0,21,0,0,1,高位,所以,68,10,1000100,2,信息的表示与存储,.,二、各种进位制间的转换,十进制,R,进制,1.十进制整数转换成,R,进制的整数,“,除,R,取余,”,法，例2：,2116,余,数,258,0,低位,229,0,214,1,27,0,23,1,21,1,0,1,高位,所以,116,10,1110100,2,信息的表示与存储,.,不同进位计数制间的转换,十进制,R,进制,2.十进制小数转换成,R,进制小数,“,乘,R,取整,”,法，例如：,高位,0.3125,2=0.625,0.625,2=1.25,0.25,2=0.5,0.5,2=1.0,所以,0.3125,10,=0.0101,2,信息的表示与存储,低位,.,不同进位计数制间的转换,十进制,R,进制,信息的表示与存储,275,.,各种进位制之间的转换,3.,R,进制十进制,各位数字与它的权相乘，其积相加。,例如,:,(11111111.11),2,=1*2,7,+1*2,6,+1*2,5,+1*2,4,+1*2,3,+1*2,2,+1*2,1,+1*2,0,+1*2,-1,+1*2,-2,=(255.75),10,(3506.2),8,=3*8,3,+5*8,2,+0*8,1,+6*8,0,+2*8,-1,=(1862.25),10,(0.2,A),16,=2*16,-1,+10*16,-2,=(0.1640625),10,信息的表示与存储,.,各种进位制之间的转换,3.,二,进制十进制,各位数字与它的权相乘，其积相加。,例如,:,(10101111.11),2,=1*2,7,+0*2,6,+1*2,5,+0*2,4,+1*2,3,+1*2,2,+1*2,1,+1*2,0,+1*2,-1,+1*2,-2,=(175.75),10,信息的表示与存储,(1011)2=1*23+1*21+1*20=8+2+1=(11)10,(0.1011)2=1*2-1+1*2-3+1*2-4=0.5+0.125+0.0625=(0.6875)10,.,不同进位计数制间的转换,4.,二、十六进制的相互转换,l,每位十六进制数相当于四位二进制数,(1011010.10),2,=(,0101,1010,.,1000,),2,=(5,A.8),16,信息的表示与存储,.,不同进位计数制间的转换,R进制,十,进制,信息的表示与存储,(42.25)10=(01000010.00100101)BCD4225,(0AC.E)16=10*161+12*160+14*16-1=(172.875)10,.,采用二进制的优点,1.数的状态简单，容易表示；0和1两个状态很容易实现。,信息的表示与存储,2.运算规则简单；加法规则0+0=01+0=0+1=11+1=10乘法规则0*0=01*0=0*1=01*1=1,3.逻辑判断方便；0和1两个状态对应逻辑命题中的“是”“否”。,.,真值-用正负符号加绝对值表示数值，如+5，-13.2机器数-机器中用符号位表示正负号，1表示负号，0表示正号,一、原码表示法,表示方法：当X0，原码即X本身，符号位为0当X0，原码即符号位为1加上整数部分的绝对值,例：X1011则X原01011X1011则X原11011,2.1.2带符号数的表示,注意事项：真值0有0和0之分，原码分别可表示为0.0000和1.0000因而原码表示法的缺点就是0的表示不唯一。并且原码加减法比较复杂。,.,二、补码表示法,2.1.2带符号数的表示,表示方法：当X0，补码原码，符号位为0当X0，补码原码除符号位外取反加1,例：X+1011则X补01011X-1011则X补11011原取反0100加1+110101,又例：-1的补码假设用8位二进制表示则为10000001取反11111110加1+111111111,.,二、补码表示法练习,：例P56第6题,.,3、由补码求原码、真值,2.1.2带符号数的表示,转换方法：当X0，补码原码，不需要转换当X0，原码补码除符号位外取反加1,例：X补1011则X原01011X补10101则X原10101补取反1010加1+111011原=-1011真值,又例：-1的补码为8位二进制表示则为11111111取反10000000加1+110000001原,.,3、根据补码求真值练习,设X补=11100111求其十进制真值。,：P56第8题,.,补码表示法特点：,0的表示唯一，每个数的补码都是唯一的；补码的符号位可直接参与运算，不需单独处理。,例：5-(-6)的运算过程5的补码00000101，-6的原码10000110取反11111001加1得到补码11111010则00000101-1111101000001011即+11,2.1.2带符号数的表示,.,三、反码表示法,2.1.2带符号数的表示,表示方法：当X0，反码原码，符号位为0当X0，反码原码除符号位外取反,例：X1011则X反01011X-1011则X反11011原取反10100,反码的特点：0的表示不唯一，+0补=00000-0补=11111，运算不方便；也能化减为加，但不常用。只要了解。,.,定点整数:共n位,2.1.3数的定点表示与浮点表示,在计算机中如何表示小数点的位置，就分为定点和浮点两种。数据中小数点的位置固定不变的称为定点数。,定点小数:共n+1位,符号位,假想小数点,.,一、定点表示法(三种类型的定点数),1.无符号定点整数:n+1位表数范围：02n+1-1(n+1位数据位)例如：用16位二进制表示无符号定点整数，则能表示的最大整数为1111111111111111，即216-1，65535,2.1.3数的定点表示与浮点表示,在计算机中如何表示小数点的位置，就分为定点和浮点两种。,2.带符号定点整数:n+1位补码表数范围：-2n2n-1最高位符号位，n位数据位。例如：用16位二进制补码表示带符号定点整数，则能表示的最小整数为-215，-32768能表示的最大整数为215-1，32767,.,3.带符号定点小数:纯小数，即小数位位置固定在符号位之后n+1位补码表数范围：-11-2-n(n位数据位)例如：用16位二进制表示带符号定点小数，则能表示的数为1.0000000000000000.111111111111111即：-11-2-15绝对值小于1的纯小数,2.1.3数的定点表示与浮点表示,定点数的特点:表数范围有限，如果运算结果超过表示范围，就称为溢出。小于最小值称为负溢，大于最大值称为正溢。主要用于早期的计算机，最节省硬件。现在一般用来表示浮点数的尾数部分。,.,带符号定点小数练习:P56第10题,若定点小数字长16位，含1位符号位，补码表示，写出下列典型值的二进制代码和十进制真值。(1)非零最小正数(2)最大正数(3)绝对值最小负数(4)绝对数最大负数,.,二、浮点表示法,浮点数是指小数点在数据中的位置可以左右移动的数据。实际是由一个定点整数和一个定点小数组成。,2.1.3数的定点表示与浮点表示,1.浮点数格式通常表示为N=REM,E符号位阶码EM符号位尾数M,R是阶码的底，如尾数为二进制，则阶码为2；E是阶码，即比例因子RE的指数部分；M是尾数，为带符号定点小数。尾数部分必须采用规格化约定，即尾数部分绝对值要大于或等于0.5。若不对尾数部分作出明确规定，同一浮点的表示就不是唯一的。如：0.5可以表示为0.05*101，也可以表示为50*10-2因而规定计算机内浮点数的尾数部分用定点小数形式给出，且当尾数不为0时，其绝对值就大于或等于0.5。例如一个十进制实数123.45就可表示为1.2345*102,.,2.1.3数的定点表示与浮点表示,2.移码(增码)讨论浮点数的关键是确定浮点数的阶码部分的编码方法。在多数通用计算机中，浮点的阶码部分一般采用整数形式的移码表示。这种方法可以更方便地比较两数阶码的大小。定义如下：若阶码是m+1位，则：X移=2m+XX是阶码的真值例2-28阶码共8位，则移码=27+XX=(-128)10=27+(-27)=00000000X=(-1)10=27-1=01111111X=(+1)10=27+1=10000001X=(127)10=27+(27-1)=11111111,.,2.1.3数的定点表示与浮点表示,3.移码的性质：最高一位为符号位，1代表正号，0代表负号对移码一般只进行加减运算，两个浮点乘除时，是尾数相乘除，而阶码相加减的。移码表示中0有唯一的编码，即10000.0。表示范围与精度：表示范围取决于阶码的位数，相对精度取决于尾数的位数。见P37页表2-2。,.,2.1.3数的定点表示与浮点表示,4.IEEE754标准浮点格式：见P37页图2-2,(37.25)10的IEEE754短浮格式：第1步：(37.25)10=(100101.01)2第2步：尾数1.0010101阶码真值+5第3步：阶码移码表示5+27=101+10000000=10000101第4步：尾数表示00101010000000000000000第5步：数的符号位0第6步：IEEE754短浮格式01000010100101010000000000000000数的符号阶码尾数,.,一、西文信息的数字化,ASCII码是美国信息交换标准代码。(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)包括09十个数字，大小写英文字母及专用符号等95种可打印字符。每个ASCII字符用七位编码。,Computer,0100001101101111011011010111000001110101011101000110010101110010,7654321,2.2字符表示,.,二、汉字编码简介,字符代码化（输入码）,数字码拼音码字形码,.,汉字交换码,国标码：国家标准信息交换用汉字编码。国标码采用双字节的编码方式。,国标码收入6763个汉字，682个西文字符、图符，构成9494的矩阵。（每一行为“区”，每一列为“位”：国标区位码）,机内码,“啊”：区位码“1601”“1001H”,0001000000000001,1001000010000001,“啊”：机内码“B0A1H”,.,汉字的输出（字库）,72,128,288,.,2.3指令信息的表示,2.3.1指令格式2.3.2常见寻址方式2.3.3指令类型,.,2.3指令信息的表示2.3.1指令格式,1.指令中的基本信息首先要明确的是，计算机内部对CPU而言，哪些是需要它去寻址的地方。只有三个地方：主存储器（内存条）：CPU内部的寄存器（见书上P115）：外部设备的端口。这些地方是编上地址的，而编上地址的目的就是为了让CPU去访问。指令从何而来？指令从来不会自动生成，总是有人去事先按照特定的目的去编制好并且必须事先存储在主存储器中，这一点我们在绪论部分就已经讲过。因为是按一定的逻辑顺序事先存储好的程序，所以自然而然就面临程序存在什么地方？数据又存在什么地方？的问题。,.,2.3指令信息的表示2.3.1指令格式,（1）操作码：指令中的若干位代码构成操作码，它表明该指令所要完成的操作是什么。它也是区别不同指令的主要依据。,.,（2）操作数或操作数地址：指令应给出操作数（参与操作的数据）的有关信息。一般采用给出操作数存放的地址，即指令代码给出操作数地址信息，并指明CPU如何根据它们去寻找操作数（寻址方式）。（3）存放运算结果的地址。（4）后继指令地址。即给出当现行指令执行完后，到何处读取下一条指令的信息。,.,2.3指令信息的表示2.3.1指令格式,2.指令中的地址结构显地址与隐地址其实地址不存在什么隐地址还是什么显地址，他们之间的区别就是象我们在日常生活中经常讲的诸如“去上课”“回家”，无需加上你的目的地，大家会自然而然的认为你说的话中所应该去的地方。在计算机中，有些指令就是固定于某些地址处，所以根本无须在指令中指出在什么地方，这就叫做隐地址。大家再考虑一下什么地方适合做隐地址？只有CPU内的寄存器和内存的情况下，那一个存储部件更适合做隐地址的地方呢？当然只有CPU内的寄存器最适合。因为内存条是所有程序数据存放的场所，而且内存条在不同的机器上有的买的多有的买的少，而CPU是计算机所必须有的，而且内存条在CPU的外面，远不如在CPU内部的寄存器的存储速度快，所以隐地址一般都是在CPU内的寄存器，而很少是主存储器我们现在按照指令格式的发展历史罗列一下指令的进化过程。,.,显地址：在指令代码中明显地给出地址，这地址称为显地址。隐地址：事先隐含约定操作数在某个寄存器中或在堆栈之中，而指令中并不给出地址码，这种隐含约定的地址称为隐地址。,采用隐地址（隐含约定），以简化地址结构，即减少指令中的显地址址数。例：对于常规的双操作数的运算，指令本应给予出4个地址，它们是两个操作数的存放地址、运算结果存放地址和后继指令地址。由于这种地址结构所需的位数太多，所以采用隐地址。,.,按地址结构，实用指令分类：（1）三地址指令格式：功能：（A1）OP（A2）A3指令分别按A1与A2地址读取操作数，按操作码OP进行运算操作，然后将结果存入A3地址所指定的主存单元或寄存器。（PC）+nPC隐含约定由程序计数器PC提供后继指令地址。,A1、A2分别是操作数1、2所在地的地址,A3是运算结果存放地址,（A1）是按A1地址读取的内容即操作数1,.,（2）二地址指令格式：功能：（A1）OP（A2）A1（PC）+nPC指令分别按A1与A2地址读取操作数，按操作码OP进行运算操作，然后将结果存入A1地址所指定的主存单元或寄存器。,由A2地址提供的操作数，在运算后仍保存在原处，称为源操作数，A2称为源地址。,A1是最终存放结果的目的地，由A1提供的操作数称为目的操作数。,.,（3）一地址指令格式：当OP为加1、减1、求反、求补时，指令为只有目的操作数的单操作数指令，即：按A地址读取操作数，进行OP指定的操作，结果存回原地址。记作：OP（A）A当OP为加、减、乘、除时，隐含约定目的地的双操作数指令，即按指令给出的源地址A可读取源操作数，从累加器AC的寄存器中读取目的操作数，运算结果存放在AC中。记作：（AC）OP（A）AC,一是可用处理单操作数运算；二是可用来处理隐含约定目的地的双操作数运算,.,（4）零地址指令格式：当OP为空操作、停机指令时，不需要操作数的指令；对累加器AC内容进行操作，而AC为隐含约定；记作：OP（AC）AC对堆栈栈顶单元内容进行操作,指令中只给出操作码，没有显地址。,堆栈是一种按“后进先出”存取顺序的存储组织，每次存取的对象是栈顶单元，该单元是浮动的，由一个堆栈指针SP寄存器给出栈顶单元地址。,.,3.操作码结构,（1）固定长度操作码：操作码位数一定且位置固定。（2）可变长度操作码当指令中的地址部分位数较多时，让操作码的位数少；当指令的地址部分位数减少时，可让操作码的位数增多，以增加指令的种类。（3）单功能型或复合型操作码单功能型操作码即让操作码只表示一种操作含义，主要是为了能够快速地识别并执行操作码；复合型操作码即将操作码分为几个部分，可产生多种组合，使操作含义更加丰富。,操作码的位数决定了操作类型的多少，同时当指令字长有限时，地址部分的位数与操作码的位数相互制约。,.,4.指令字长,（1）变字长指令将操作码放在指令字的第一个字节，当读出操作码后即可判定后的操作数指令。（2）固定字长指令是为了提高执行的速度，采取精简指令系统。,当指令字长有限时，地址部分的位数与操作码的位数相互制约。因此，指令字长的设计有两种方法。主存是按编字节编址，所以指令字长为字节的整数倍,.,2.3.2常见寻址方式,寻址方式：指令中以什么方式提供操作数或操作数地址。CPU根据指令约定的寻址方式对地址字段的有关信息作出解释，以找到操作数。一条指令之中可以有多种寻址方式。寻址方式的种类：（1）立即寻址（2）直接寻址类（3）间接寻址类（4）变址类,.,1.立即寻址,立即寻址方式：由指令直接给出操作数，在取出指令的同时就取出了可立即使用的操作数，这种寻址方式称为。立即数的存放方式：在指令之中在指令之后,.,2.直接寻址,直接寻址：指令直接给出操作数地址，根据该地址可从主存中读取操作数。主存指令寻址的过程：,绝对地址：最后读取操作作数的有效地址。,操作数地址操作数,A,M,主存储器,适合于寻找固定地址的操作数,.,3.寄存器寻址（直接）,寄存器寻址：是在指令中给出寄存器号，在该寄存器内存放着操作数示意图：指令RO指令给出的寄存器号是RO，从RO中可直接读取操作数S寻址过程：寄存器号操作数,R,操作数S,.,4.间接寻址（简称：间址）,间接寻址：指令给出存放操作数的主存单元的地址。其中：存放操作数地址的主存单元称为间址单元，间址单元本身的地址码称为操作数地址的地址。示意图；见教材P46页指令中给出地址A1，据此访问间址单元，从中读取地址A2，按A2再访问一次主存，读取操作数S。寻址过程：间址单元地址操作数地址操作数,M,M,通过多层读取来提供地址的可变性。,.,5.寄存器间址及其变型,寄存器间址方式：操作数在主存中，由指令给出寄存器号，被指定的寄存器中存放着操作数有效地址。由寄存器提供地址和修改寄存器内容，比从主存的读出和修改快得多。采用寄存器间址方式能减少指令中一个地址码的位数。,.,示意图；见教材P47页指令中在地址段给出的是寄存器号RO，从RO中读出的是操作数地址A，按A地址访问主存，从中读取操作数S。寻址过程：寄存器号操作数地址操作数,R,M,M,.,寄存器间址方式的两种变型：（1）自增型寄存器间址：先操作（从寄存器中取地址）后修改（加1）助记符：（R）+寻址过程：寄存器号操作数地址操作数R内容加1（2）自减型寄存器间址：先修改（指针内容减1）后操作（从主存读取操作数）助记符：-（R）寻址过程：寄存器号寄存器内容减1为操作数地址操作数,R,M,R,M,.,6.变址寻址,变址寻址：是指令的地址部分给出一个形式地址，并指定一个寄存器作为变址寄存器；寄存器的内容与形式地址相加，得到操作数有效地址；按照有效地址访问某主存单元，该单元内容为操作数。是通过地址