计算机组成原理与汇编语言程序设计第1章

1、计算机组成原理与汇编语言计算机组成原理与汇编语言程序设计程序设计（第（第3版）版）第第 1 章章本课程的主要内容本课程的主要内容n第第1章章 绪论绪论n第第2章章 计算机中的信息表示计算机中的信息表示n第第3章章 微体系结构层微体系结构层CPU组织组织n第第4章章 指令系统层指令系统层n第第5章章 汇编语言层汇编语言层n第第6章章 存储系统存储系统n第第7章章 输入输入/输出系统输出系统主要内容：主要内容： 计算机的基本概念计算机的基本概念 计算机计算机系统硬、软件组成系统硬、软件组成 层次结构模型层次结构模型 计算机的工作过程计算机的工作过程 数字数字计算机的特点与性能指标计算机的特点与性能

2、指标 计算机的发展与应用计算机的发展与应用第第 1 章章 绪论绪论 第第1节节 计算机的基本概念计算机的基本概念 用二进制代码表示指令和数据；用二进制代码表示指令和数据； 计算机采用存储程序的工作方式；计算机采用存储程序的工作方式； 计算机硬件由存储器、运算器、控制计算机硬件由存储器、运算器、控制 器、输入设备和输出设备组成。器、输入设备和输出设备组成。冯冯 诺依曼思想：诺依曼思想：1.1.1 存储程序工作方式存储程序工作方式1. 事先编制程序事先编制程序其主要含义有三点：其主要含义有三点： 指令：指令：计算机硬件一步执行的操作命令，计算机硬件一步执行的操作命令，如加法指令。如加法指令。 计算

3、机最终执行的程序：计算机最终执行的程序：指令序列指令序列。 事先编好的求解问题的程序最终变成：事先编好的求解问题的程序最终变成： 指令序列和需处理的数据指令序列和需处理的数据。2. 事先存储程序事先存储程序3. 自动、连续地执行程序自动、连续地执行程序将编好的程序变成最终可执行的程序即二将编好的程序变成最终可执行的程序即二进制指令代码序列存放在存储器中。进制指令代码序列存放在存储器中。在程序已存放在存储器后，计算机就可以在程序已存放在存储器后，计算机就可以运行该程序，即按一定的顺序通常是指令运行该程序，即按一定的顺序通常是指令存放的顺序，从存储器中逐条取出指令，存放的顺序，从存储器中逐条取出指

4、令，按指令的要求执行操作，直到该程序执行按指令的要求执行操作，直到该程序执行结束。结束。1.1.2 信息的数字化表示（信息的数字化表示（两层含义两层含义） 1. 在计算机中用数字代码表示各种信息在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码二进制代码例例1 用数字代码表示数据用数字代码表示数据 5 - 5 表示为表示为 0 101 表示为表示为 1 101 控制信息；数据信息。数值、文字、声音、控制信息；数据信息。数值、文字、声音、图像等。图像等。 例例2 用数字代码表示字符用数字代码表示字符 A B 表示为表示为 1000001 = （41）16 = （65）10表示为表示为 1000010

5、例例3 用数字代码表示命令、状态用数字代码表示命令、状态 启动启动 停止停止 正在工作正在工作 工作结束工作结束 表示为表示为 00 表示为表示为 01 表示为表示为 10 表示为表示为 11 思考：如何表示汉字、声音、图像等？思考：如何表示汉字、声音、图像等？ 2. 在物理机制上用在物理机制上用数字信号数字信号表示数字代码表示数字代码 数字型电信号数字型电信号例例1 用电平信号表示数字代码用电平信号表示数字代码 高电平高电平 1 低电平低电平 高电平高电平 0 1 例例2 用脉冲信号表示数字代码用脉冲信号表示数字代码 有脉冲有脉冲 无脉冲无脉冲有脉冲有脉冲101实现并行操作实现并行操作实现串

6、行操作实现串行操作第第 2 节节 计算机系统的硬、软件组成计算机系统的硬、软件组成1.2.1 计算机硬件系统计算机硬件系统CPUCPUM MI/OI/O设备设备I/OI/O设备设备系系 统统 总总 线线单总线单总线计算机硬件系统结构计算机硬件系统结构I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口1. CPU 功能：功能：负责读取与执行指令，即执行程序。负责读取与执行指令，即执行程序。 基本组成：基本组成：寄存器、寄存器、ALU、控制器及连接、控制器及连接1）寄存器）寄存器用于存放控制信息，如用于存放控制信息，如PC、IR、PSW用于存放数据信息，如通用寄存器、暂存器用于存放数据信息，如通用寄存器、暂

7、存器2）算术逻辑部件）算术逻辑部件ALU：按指令的要求对有关按指令的要求对有关数据进行指定的算术或逻辑运算。数据进行指定的算术或逻辑运算。3）控制器：）控制器：主要根据指令信息产生控制信号主要根据指令信息产生控制信号(微命令微命令)序列，序列， 控制全机操作。控制全机操作。微命令发生器微命令发生器指令信息指令信息时序信号时序信号微命令序列微命令序列状态信息状态信息微命令产生方式（指令执行控制方式）：微命令产生方式（指令执行控制方式）：组合逻辑控制方式：组合逻辑控制方式：微程序控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电路由组合逻辑电路产生微命令产生微命令由微指令产生微命令由微指令产生微命令2. 主存

8、储器主存储器 1）功能）功能: 存放需执行的程序及需要处理的存放需执行的程序及需要处理的数据，数据，CPU能直接读出或写入。能直接读出或写入。 2）逻辑组成：）逻辑组成：由连续的单元组成。通常每由连续的单元组成。通常每个单元存放个单元存放8位二进制数即一个字节。每个单位二进制数即一个字节。每个单元有一个惟一的地址。元有一个惟一的地址。 00000H 00001H 00002H 00003H FFFFEH FFFFFH主存逻辑组成示意图主存逻辑组成示意图地址地址7 0 主存储器主存储器： 指令1 指令2 指令2 指令3 操作数 指令序列按执行顺序存放在指令序列按执行顺序存放在连续的单元中。由连续

9、的单元中。由CPU中的中的PC提供指令地址，寻找对应主存提供指令地址，寻找对应主存单元读取指令到单元读取指令到CPU执行。执行。 指令需要处理的操作数也可指令需要处理的操作数也可存放在主存单元中。由指令提存放在主存单元中。由指令提供地址寻找对应单元读取操作供地址寻找对应单元读取操作数。数。主存的一个重要特点主存的一个重要特点：能按地址存放或读取单：能按地址存放或读取单元内容，即允许元内容，即允许CPU直接编址访问。直接编址访问。 3. 输入输入/输出（输出（I/O）设备）设备功能：功能：转换信息转换信息。 输入：原始信息输入：原始信息 二进制代码，送入主机。二进制代码，送入主机。输出：处理结果

10、输出：处理结果 人所能接受的形式并输出。人所能接受的形式并输出。 例如：输入设备键盘，输出设备显示器。例如：输入设备键盘，输出设备显示器。 4. 总线总线 功能：一组能为多个部件功能：一组能为多个部件分时共享分时共享的信息传送的信息传送线路。线路。CPUCPUM MI/OI/O设备设备I/OI/O设备设备系系 统统 总总 线线用一组系统总线连接用一组系统总线连接CPUCPU、主存、多个输入、主存、多个输入/ /输输出设备，它们通过总线传送信息。出设备，它们通过总线传送信息。 地址总线地址总线 数据总线数据总线 控制总线控制总线系统总线系统总线例如：例如：CPU从主存单元读取操作数如何通过总线实

11、现从主存单元读取操作数如何通过总线实现I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口 5. I/O接口接口:系统总线与系统总线与I/O设备之间的转换逻辑设备之间的转换逻辑部件部件 基本功能：基本功能：实现实现CPU与与I/O设备之间控制信息、数据、状设备之间控制信息、数据、状态信息的转换和传送；还可实现主存与态信息的转换和传送；还可实现主存与I/O设备之间的数设备之间的数据转换和传送。据转换和传送。 计算机硬件系统由三大子系统：计算机硬件系统由三大子系统：CPU、存储、存储系统、输入系统、输入/输出系统及连接它们的总线构成。输出系统及连接它们的总线构成。CPUCPUM MI/OI/O设备设备I/OI

12、/O设备设备系系 统统 总总 线线I/OI/O接口接口I/OI/O接口接口主机主机输入输出系统输入输出系统1.2.2 计算机软件系统计算机软件系统按软件配置与功能分为按软件配置与功能分为系统软件系统软件应用软件应用软件1、系统软件、系统软件1）操作系统）操作系统功能：功能：管理和控制计算机系统硬、软件资源及运行的管理和控制计算机系统硬、软件资源及运行的程序，合理地组织计算机的工作流程，为用户提供软程序，合理地组织计算机的工作流程，为用户提供软件的开发环境和运行环境。件的开发环境和运行环境。命令行用户接口（如命令行用户接口（如DOS）和图）和图形用户接口（如形用户接口（如Windows X）系统

13、功能调用（如系统功能调用（如DOS的的INT 21H，Windows API）提供的用户界面提供的用户界面 机器语言：机器语言：计算机硬件能直接识别的语言，由二进计算机硬件能直接识别的语言，由二进制代码表示的指令组成，它是面向特定机器结构的内制代码表示的指令组成，它是面向特定机器结构的内部语言。相应的指令称为机器指令。部语言。相应的指令称为机器指令。 汇编语言：汇编语言：用符号表示的与机器指令对应的程序设用符号表示的与机器指令对应的程序设计语言。它是面向特定机器结构的程序设计语言，不计语言。它是面向特定机器结构的程序设计语言，不能通用。如能通用。如80X86汇编语言、汇编语言、8051汇编语言

14、。汇编语言。2）编译程序与解释程序）编译程序与解释程序 指令与指令系统：指令与指令系统：一条指令规定了一种基本操作（一条指令规定了一种基本操作（如传送、加、减），并提供操作数地址或操作数，这如传送、加、减），并提供操作数地址或操作数，这些信息用二进制代码表示。指令系统是指一台计算机些信息用二进制代码表示。指令系统是指一台计算机所有指令的集合。所有指令的集合。 源程序：源程序：用某种高级语言或汇编语言编写的程序，它用某种高级语言或汇编语言编写的程序，它们由相应语言的语句组成。源程序必须通过这种语言的们由相应语言的语句组成。源程序必须通过这种语言的语言处理程序将其转换为机器语言程序（即二进制指令语

15、言处理程序将其转换为机器语言程序（即二进制指令代码序列），才能在计算机上执行。代码序列），才能在计算机上执行。2）编译程序与解释程序）编译程序与解释程序 高级程序设计语言：高级程序设计语言：是面向用户，与特定机器属是面向用户，与特定机器属性相分离的通用语言。每种语言都有自己的语法规性相分离的通用语言。每种语言都有自己的语法规定与格式，也有适用范围。如定与格式，也有适用范围。如C、PASCAL、C+。 编译方式：编译方式：将源程序输入计算机后，启动并执行这将源程序输入计算机后，启动并执行这种语言的编译程序（编译器），将源程序全部翻译成种语言的编译程序（编译器），将源程序全部翻译成机器语言程序（目

16、标程序）后，才由硬件执行。如，机器语言程序（目标程序）后，才由硬件执行。如，汇编器。汇编器。 语言处理方式有两种类型：解释与编译语言处理方式有两种类型：解释与编译 解释方式：解释方式：边解释边执行。将源程序输入计算机边解释边执行。将源程序输入计算机后，启动并执行这种语言的解释程序（解释器），后，启动并执行这种语言的解释程序（解释器），由它逐句分析源程序，并翻译成与该语句等价的机由它逐句分析源程序，并翻译成与该语句等价的机器指令序列由硬件执行，直到整个源程序的语句被器指令序列由硬件执行，直到整个源程序的语句被解释执行完毕。如，解释执行完毕。如，BASIC解释程序。解释程序。3）各种软件平台）各种

17、软件平台 将开发及运行过程中所需的各种软件集成为将开发及运行过程中所需的各种软件集成为一个综合的软件系统，称为软件平台。一个综合的软件系统，称为软件平台。如：以如：以某种高级语言编译系统为核心的开发平台。某种高级语言编译系统为核心的开发平台。、应用软件：、应用软件：解决某一应用领域问题的软件，解决某一应用领域问题的软件，如科学计算软件、财会软件等。如科学计算软件、财会软件等。 总之，系统软件是负责系统调度管理，提总之，系统软件是负责系统调度管理，提供开发和运行环境，为用户提供各种服务的一供开发和运行环境，为用户提供各种服务的一类软件。类软件。第第 3 节节 层次结构模型层次结构模型1.3.1

18、从从计算机系统组成计算机系统组成角度划分层次结构角度划分层次结构 计算机系统以硬件为基础，通过配置软件扩计算机系统以硬件为基础，通过配置软件扩充功能，形成一个相当复杂的系统。通常采用充功能，形成一个相当复杂的系统。通常采用层次结构的观点去分析、设计和构建它。本节层次结构的观点去分析、设计和构建它。本节将列举两种典型的层次结构模型。将列举两种典型的层次结构模型。 下面的图给出了构成计算机系统的硬件层和下面的图给出了构成计算机系统的硬件层和多个软件层，以及它们之间的关系。每层都在多个软件层，以及它们之间的关系。每层都在下一层的基础上增加功能。下一层的基础上增加功能。 右图是右图是从计算机系从计算机

19、系统组成角度统组成角度划分的一划分的一种层次结构模型。种层次结构模型。面向问题语言层面向问题语言层第第5层层翻译翻译(编译器编译器)汇编语言层汇编语言层第第4层层翻译翻译(汇编器汇编器)操作系统层操作系统层第第3层层部分解释部分解释(操作系统操作系统)指令系统层指令系统层第第2层层直接执行直接执行/解释解释(微程序微程序)微体系结构层微体系结构层第第1层层1、微体系结构层、微体系结构层 微体系结构层是硬微体系结构层是硬件层次，它主要是从件层次，它主要是从寄存器级观察寄存器级观察CPU的的结构，分析结构，分析CPU分步分步执行指令的详细过程执行指令的详细过程。 微体系结构层可看微体系结构层可看作

20、是第作是第2层指令系统层层指令系统层指令的解释器。指令的解释器。从计算机系统组成角度划分从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型的一种层次结构模型面向问题语言层面向问题语言层第第5层层翻译翻译(编译器编译器)汇编语言层汇编语言层第第4层层翻译翻译(汇编器汇编器)操作系统层操作系统层第第3层层部分解释部分解释(操作系统操作系统)指令系统层指令系统层第第2层层直接执行直接执行/解释解释(微程序微程序)微体系结构层微体系结构层第第1层层2、指令系统层、指令系统层 指令系统层及上层指令系统层及上层都是抽象层次。指令都是抽象层次。指令系统层定义了硬件与系统层定义了硬件与编译器的接口。编译器的接口。 一

21、方面，指令系统一方面，指令系统规定了由硬件实现的规定了由硬件实现的各种指令功能；另一各种指令功能；另一方面，各种源程序必方面，各种源程序必须通过编译器或解释须通过编译器或解释器转换为硬件能识别器转换为硬件能识别与执行的指令序列。与执行的指令序列。从计算机系统组成角度划分的从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型一种层次结构模型面向问题语言层面向问题语言层第第5层层翻译翻译(编译器编译器)汇编语言层汇编语言层第第4层层翻译翻译(汇编器汇编器)操作系统层操作系统层第第3层层部分解释部分解释(操作系统操作系统)指令系统层指令系统层第第2层层直接执行直接执行/解释解释(微程序微程序)微体系结构层微体

22、系结构层第第1层层3、操作系统层、操作系统层 从系统程序员的观点从系统程序员的观点来看，操作系统层指令来看，操作系统层指令集包括指令系统层的指集包括指令系统层的指令和新增的指令。令和新增的指令。 这些新指令称为系统这些新指令称为系统调用。它们由操作系统调用。它们由操作系统解释，该层的其余指令解释，该层的其余指令(即与第即与第2层指令相同的层指令相同的指令指令)由微体系结构层由微体系结构层执行。执行。从计算机系统组成角度划分的从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型一种层次结构模型面向问题语言层面向问题语言层第第5层层翻译翻译(编译器编译器)汇编语言层汇编语言层第第4层层翻译翻译(汇编器汇编器

23、)操作系统层操作系统层第第3层层部分解释部分解释(操作系统操作系统)指令系统层指令系统层第第2层层直接执行直接执行/解释解释(微程序微程序)微体系结构层微体系结构层第第1层层4、汇编语言层、汇编语言层 汇编语言层及上层汇编语言层及上层是提供给解决应用问是提供给解决应用问题的程序员使用的。题的程序员使用的。 汇编语言程序通过汇编语言程序通过汇编器翻译成机器语汇编器翻译成机器语言程序，再由微体系言程序，再由微体系结构层执行。结构层执行。从计算机系统组成角度划分的从计算机系统组成角度划分的一种层次结构模型一种层次结构模型面向问题语言层面向问题语言层第第5层层翻译翻译(编译器编译器)汇编语言层汇编语言

24、层第第4层层翻译翻译(汇编器汇编器)操作系统层操作系统层第第3层层部分解释部分解释(操作系统操作系统)指令系统层指令系统层第第2层层直接执行直接执行/解释解释(微程序微程序)微体系结构层微体系结构层第第1层层5、面向问题语言层、面向问题语言层 这一层使用高级语这一层使用高级语言编程解决问题。言编程解决问题。 高级语言程序通常高级语言程序通常由编译器翻译成第由编译器翻译成第3层层或第或第4层语言，个别有层语言，个别有解释执行的。解释执行的。 本书第二篇将分别本书第二篇将分别从微体系结构层、指从微体系结构层、指令系统层、汇编语言令系统层、汇编语言层来讨论计算机系统层来讨论计算机系统的组成。的组成。

25、1.3.2 从语言功能角度划分层次结构从语言功能角度划分层次结构虚拟机：虚拟机：指通过配置软件（如某种语言的编译指通过配置软件（如某种语言的编译器或解释器）扩充机器功能后所形成的一台计器或解释器）扩充机器功能后所形成的一台计算机。算机。机器语言物理机：机器语言物理机：指能识别与执行机器语言的指能识别与执行机器语言的计算机硬件。计算机硬件。 下图是从下图是从语言功能语言功能角度划分的层次结构模型角度划分的层次结构模型专用语言虚拟机专用语言虚拟机高级语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机机器语言物理机（实际机器）机器语言物理机（实际机器）程序程序第第 4 节节 计算机的工作过程计算机

26、的工作过程1.4.1 处理问题的步骤处理问题的步骤 目前，大型的应用软件的开发都采用目前，大型的应用软件的开发都采用软件工软件工程程的方法。但如要解决规模较小的应用问题，可的方法。但如要解决规模较小的应用问题，可采用以下的基本步骤：采用以下的基本步骤：1、系统分析、系统分析2、建立数学模型与设计算法、建立数学模型与设计算法3、编写应用程序、编写应用程序4、编译为目标程序、编译为目标程序5、由硬件执行目标程序、由硬件执行目标程序1.4.2 指令执行过程指令执行过程 加法指令加法指令“ADD AX，1000H”的功能是，将主存的功能是，将主存1000H单元的内容（源操作数）与单元的内容（源操作数）与CPU中中AX寄存器的内寄存器的内容（目的操作数）相加，结果送回容（目的操作数）相加，结果送回AX中。中。1、取指令与分析指令、取指令与分析指令下面以加法指令为例，说明一条指令的执行过程。下面以加法指令为例，说明一条指令的执行过程。 按按CPU的程序计数器的程序计数器PC中的指令地址，从主存单中的指令地址，从主存单元读取加法指令到指令寄存器元读取加法指令到指令寄存器IR中，这时中，这时PC的内容修的内容修改为下一条指令地址。然后由指令译码器分析改为下一条指令地址。然后由指令译码器分析IR中的中的指令，作为产生对应微命令序列的依据。指令，