第二章 数据操作

1、1、计算机科学概论(第8版) Computer Science: An Overview）.(美)J.Glenn Brookshear著,俞嘉惠、方存正译.清华大学出版社. 20052、计算机的灵魂程序.缪淮扣.清华大学出版社,2001 3、计算机科学与技术方法论.董荣胜，古天龙.人民邮电出版社,2002 4、计算机导论.黄国兴,陶树平，丁岳伟. 清华大学出版社,2004 5、大学计算机基础.沈军，朱敏，徐冬梅，翟玉庆.高等教育出版社，2005建议阅读文献第第2章章 数据操作数据操作2.1 计算机体系结构计算机体系结构2.2 机器语言机器语言2.3 程序的执行程序的执行2.4 与外部设备的通信

2、与外部设备的通信2.1 计算机体系结构计算机体系结构l冯冯诺依曼原理的基本思想：诺依曼原理的基本思想： 采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成；码组成； “存储程序存储程序”和和“程序控制程序控制”（简称存储程序控制）；（简称存储程序控制）； 指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。的顺序执行，程序分支由转移指令实现。 计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。备五大

3、基本部件组成。 2.1 计算机体系结构计算机体系结构输出设备输入设备运算器控制器存储器计算结果程序和数据图2.1 计算机的组成部件数据流控制流2.1 计算机体系结构计算机体系结构 在计算机的在计算机的5大部件中，运算器和控制器是信大部件中，运算器和控制器是信息处理的中心部件，所以它们合称为息处理的中心部件，所以它们合称为“中央处中央处理单元理单元”（CPU：Central Processing Unit）。存储器、运算器和控制器在信息处理）。存储器、运算器和控制器在信息处理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体部分，操作中起主要作用，是计算机硬件的主体部分，通常被称为通常被称为“主机主机”。而输

4、入（。而输入（Input）设备）设备和输出（和输出（Output）设备统称为）设备统称为“外部设备外部设备”，简称为外设或简称为外设或I/O设备。设备。2.1 计算机体系结构（计算机体系结构（1） 存储器存储器l （A） 基本功能：读和写基本功能：读和写l （a）对象：数据和指令对象：数据和指令l （b）单元：存储单元单元：存储单元地址地址l （B） 分类：分类：l （a）内存（主存）内存（主存）l （b）外存（辅存）外存（辅存）l （C） 主存的组成主存的组成l （a）存储体存储体l （b）存储器地址寄存器存储器地址寄存器MAR（Memory Address l Register)l （c）

5、存储器数据寄存器存储器数据寄存器MDR（Memory Data Register)l （d）读写控制线路读写控制线路1. 运算器运算器 （A） 主要功能：对二进制数码进行算术（主要功能：对二进制数码进行算术（+-*/）和逻）和逻辑（与或非）运算辑（与或非）运算 （B） 组成：组成： a）ALU（Arithmetic Logic Unit）：核心为并行）：核心为并行加法器加法器 b）通用寄存器组通用寄存器组: 临时保存临时保存CPU正在操作的数据正在操作的数据 c）多路开关或数据锁存器：控制数据输入）多路开关或数据锁存器：控制数据输入 d）输出移位开关：控制数据输出）输出移位开关：控制数据输出

6、e）与其他部件间信息传送的总线及控制数据传送）与其他部件间信息传送的总线及控制数据传送的接收器和发送器的接收器和发送器 （C） 精度和速度是运算器重要的性能指标。精度和速度是运算器重要的性能指标。2.1 计算机体系结构（计算机体系结构（2）CPU2.1 计算机体系结构（计算机体系结构（2）CPU计算机进行算术运算的特点计算机进行算术运算的特点l(1)所有数据都是用二进制数位形式来表示的。所有数据都是用二进制数位形式来表示的。l(2)在机器内部，数是以编码形式即机器数来表示的。在机器内部，数是以编码形式即机器数来表示的。l(3)机器运算规模有限，因而机器运算就要解决运算方机器运算规模有限，因而机

7、器运算就要解决运算方法、数据表示格式及数据长度的选取、规定等问题。法、数据表示格式及数据长度的选取、规定等问题。l(4)用计算机进行运算时，都要把复杂的运算，简化为用计算机进行运算时，都要把复杂的运算，简化为一系列的、最基本的运算才能实现。计算机可以实现一系列的、最基本的运算才能实现。计算机可以实现的基本运算有算术运算的基本运算有算术运算(加、减、乘、除等加、减、乘、除等)和逻辑运算和逻辑运算(与、或、异或等与、或、异或等)。2.1 计算机体系结构（计算机体系结构（2）CPU 运算器基本逻辑框图总线发送器输出移位开关接收器ALU多路开关多路开关通用寄存器2.1 计算机体系结构（计算机体系结构（

8、2）CPU运算器的结构运算器的结构:(1) 能实现算术和逻辑运算功能的部件能实现算术和逻辑运算功能的部件ALU；(2) 存放待加工的信息或加工后的结果信息的通用寄存器组；存放待加工的信息或加工后的结果信息的通用寄存器组；(3) 按操作要求控制数据输入的部件：多路开关或数据锁存器；按操作要求控制数据输入的部件：多路开关或数据锁存器； 它可以接收来自外部设备或存储器中的数据，也可以是暂存在通它可以接收来自外部设备或存储器中的数据，也可以是暂存在通用寄存器中的数据；用寄存器中的数据；(4) 按操作要求控制数据输出的部件：输出移位和多路开关；按操作要求控制数据输出的部件：输出移位和多路开关； 可以将可

9、以将ALU的输出，根据要求进行左移、右移、直送、半字交换，的输出，根据要求进行左移、右移、直送、半字交换，从中选择之一进行输出，经总线送往其它部件，或作为中间结果从中选择之一进行输出，经总线送往其它部件，或作为中间结果送给通用寄存器，再次作为送给通用寄存器，再次作为ALU的输入，进行下次运算。的输入，进行下次运算。(5) 计算器与其它部件进行信息传送的总线以及计算器与其它部件进行信息传送的总线以及 总线接收器与发送总线接收器与发送 器；总线接收器与发送器通常是由三态门构成的。器；总线接收器与发送器通常是由三态门构成的。2.1 计算机体系结构（计算机体系结构（2）CPUl总线总线: 连接连接CP

10、U, 主存和外存的线路主存和外存的线路(桥梁桥梁)l读读: CPU给出有关存储单元的地址以及给出有关存储单元的地址以及读信号读信号从主存取出数据从主存取出数据l写写: CPU给出有关存储单元的地址以及给出有关存储单元的地址以及写信号写信号将数据放到主存将数据放到主存 2. 控制器控制器 （A） 功能：读取指令、翻译指令代码、并向计算机各功能：读取指令、翻译指令代码、并向计算机各部分发出控制信号，以便执行指令。当一条指令执行完部分发出控制信号，以便执行指令。当一条指令执行完以后，控制器会自动地去取下一条将要执行的指令，重以后，控制器会自动地去取下一条将要执行的指令，重复上述过程直到整个程序执行完

11、毕。复上述过程直到整个程序执行完毕。 （B） 组成：组成： （a）指令部件）指令部件 IR、ID、PC、PSW、地址形成部件、地址形成部件 （b）时序部件）时序部件 （c）微操作控制线路）微操作控制线路 （d）中断控制逻辑）中断控制逻辑2.1 计算机体系结构（计算机体系结构（2）CPU数的数的”加加”lCPU从存储器中取出一个要加的数放入一个寄存器中从存储器中取出一个要加的数放入一个寄存器中;lCPU从存储器中取出一个要加的数放入另一个寄存器中从存储器中取出一个要加的数放入另一个寄存器中;l激活加法电路激活加法电路,以上述两个寄存器作为输入以上述两个寄存器作为输入,用另一个寄存用另一个寄存器存

12、放相加的结果器存放相加的结果;lCPU通过总线将结果写入存储器通过总线将结果写入存储器.返回2.1 计算机体系结构计算机体系结构计算机工作原理计算机工作原理 （1） 程序的执行程序的执行 （A） 编写程序编写程序 （B） 翻译成机器指令翻译成机器指令 （C） 将程序和数据写入存储器将程序和数据写入存储器 （D） 将第一条指令地址放入将第一条指令地址放入PC(程序计数器程序计数器) （E） 执行所有指令执行所有指令 （F） 结束结束计算机工作原理计算机工作原理（2） 指令的执行指令的执行 （A） 开始时，将第一条指令地址开始时，将第一条指令地址=PC （B）（）（ PC）=MAR，发，发“读读”

13、命令，使命令，使 （MDR）=IR （C） 翻译翻译IR的操作性质的操作性质 （D） 取操作数取操作数 （E） 将操作数运算器，运行之将操作数运算器，运行之 （F） 送结果送结果 （a）R(寄存器寄存器) （b）内存）内存 （G）（）（PC）+1=PC计算机的总线结构计算机的总线结构1. 概念概念总线（总线（Bus）就是计算机中用于传送信息）就是计算机中用于传送信息的公用通道，是为多个部件服务的一组信息传的公用通道，是为多个部件服务的一组信息传送连接线。送连接线。计算机的总线结构计算机的总线结构2. 分类分类 （1）按照传送信息的属性来分：）按照传送信息的属性来分： 数据总线（数据总线（DB：

14、Data Bus）用于在各部件之间用于在各部件之间传送数据信息。传送数据信息。 地址总线（地址总线（AB：Address Bus）用于传送各部用于传送各部件相互访问用的地址信息。件相互访问用的地址信息。 控制总线（控制总线（CB：Control Bus）用于传送控制用于传送控制各部件操作的控制信息。各部件操作的控制信息。 （2）按信息传送的方向区分：）按信息传送的方向区分： 单向总线和双向总线。单向总线和双向总线。 （3）按连接对象和完成的功能分：）按连接对象和完成的功能分： I/O BUS和和MEMORY BUS 存储总线存储总线用于用于CPU与主存储器的信息交换，与主存储器的信息交换， I

15、/O总线总线用于外设与主机的信息交换。用于外设与主机的信息交换。计算机的总线结构计算机的总线结构按总线连接方式，计算机组成结构分为三类按总线连接方式，计算机组成结构分为三类1、单总线结构 这种结构把各功能部件都连接在单总线（这种结构把各功能部件都连接在单总线（Single Bus）上，所有部件间的）上，所有部件间的信息交换都经由单总线进行，如图信息交换都经由单总线进行，如图1.2。（1）Unified-Bus：一元化总线：一元化总线：PDP-11（2）Single-Bus：单总线：单总线：IBM-PC2、双总线结构（1）两种总线：存储总线）两种总线：存储总线用于用于CPU与主存储器的信息交换，

16、与主存储器的信息交换，I/O总线总线用于外设与主机的信息交换。用于外设与主机的信息交换。（2）三种形式：）三种形式： （A） 以以CPU为中心的双总线结构为中心的双总线结构 （B） 以存储器为中心的双总线结构以存储器为中心的双总线结构 （C） 采用通道或输入输出处理机采用通道或输入输出处理机IOP来处理输入输出工作的双总线结构。来处理输入输出工作的双总线结构。3、多总线结构 在高速外设与主存储器之间可以增设直接存储器访问（在高速外设与主存储器之间可以增设直接存储器访问（DMA：Direct Memory Access）方式的高速）方式的高速I/O总线（总线（DMA总线），从而形成多总线结总线）

17、，从而形成多总线结构，如图构，如图1.4。单总线外设存储器CPU图1.2 单总线的组成结构（a）以CPU为中心存储总线I/O总线外设存储器CPU（c）采用通道形式（b）以存储器为中心存储总线I/O总线I/O总线外设存储器CPU存储总线外设外设CPU图1.3 双总线的组成结构存储器通道存储总线DMA总线I/O总线存储器CPU图1.4 多总线的组成结构外设外设2.2 机器语言机器语言返回图2.4 计算机系统的层次结构第5层编译程序高级语言层第4层汇编程序汇编语言层第3层操作系统操作系统层第2层微程序机器语言层第1层微指令直接由硬件执行微程序设计层返回l机器语言机器语言: 机器能识别的用二进制模式编

18、码的机器能识别的用二进制模式编码的指令和指令和编码系统编码系统l机器指令机器指令: 用机器语言表达的指令用机器语言表达的指令2.2 机器语言机器语言2.2 机器语言机器语言l概念概念 1、指令：指示机器执行某种操作的命令。、指令：指示机器执行某种操作的命令。 2、指令码：表示一条指令意义的二进制代码。、指令码：表示一条指令意义的二进制代码。 3、指令格式：指令码的编码规则称为指令格式。、指令格式：指令码的编码规则称为指令格式。 4、指令长度：指令码中二进制码的位数。、指令长度：指令码中二进制码的位数。 5、指令系统：一台计算机所能执行的全部指令的集合。、指令系统：一台计算机所能执行的全部指令的

19、集合。 6、 程序：使计算机执行某个特定任务的一系列指令。程序：使计算机执行某个特定任务的一系列指令。l完善的计算机的指令系统应具备的要求：完善的计算机的指令系统应具备的要求： 1、完备性完备性 一台计算机中最基本的、必不可少的指令构成了指令系统的完备一台计算机中最基本的、必不可少的指令构成了指令系统的完备性。性。 2、有效性有效性 有效性是指利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生高有效性是指利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生高效率。高效率主要表现在空间和时间方面，即占用存储空间小、效率。高效率主要表现在空间和时间方面，即占用存储空间小、执行速度快。执行速度快。2.2 机器语言

20、机器语言3、规整性规整性规整性是指指令操作的对称性和匀齐性，指令格式与数据格式的规整性是指指令操作的对称性和匀齐性，指令格式与数据格式的一致性。一致性。（1）对称性：指在指令系统中，所有的寄存器和存储单元都可同等）对称性：指在指令系统中，所有的寄存器和存储单元都可同等对待，这对简化程序设计，提高程序的可读性非常有用。对待，这对简化程序设计，提高程序的可读性非常有用。（2）匀齐性：是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型。）匀齐性：是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型。（3）指令的格式与数据格式的一致性：是指指令长度与数据长度有）指令的格式与数据格式的一致性：是指指令长度与数据长度有一定

21、关系，以方便存取和处理。一定关系，以方便存取和处理。4、兼容性兼容性兼容性一般是指计算机的体系结构设计基本相同，机器之间具有兼容性一般是指计算机的体系结构设计基本相同，机器之间具有相同的基本结构、数据表示和共同的基本指令集合。相同的基本结构、数据表示和共同的基本指令集合。2.2 机器语言机器语言l指令系统指令系统 精简指令集精简指令集RISC 复杂指令集复杂指令集CISCl指令的分类指令的分类 数据传输指令数据传输指令: 数据的装入数据的装入(LOAD)和存储和存储(STORE) 算术算术/逻辑运算指令逻辑运算指令 控制指令控制指令: 指挥程序的执行指挥程序的执行,而非数据的操作而非数据的操作

22、(书图书图2.3) 2.2 机器语言机器语言l指令的格式指令的格式 计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容量计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容量及指令的功能密切相关。及指令的功能密切相关。 指令由两个字段组成：字段组成： 操作码字段操作码字段+操作数地址字段操作数地址字段 地址码字段AC操作码字段OC2.2 机器语言机器语言1. 操作码操作码(运算码运算码) 操作码是指明指令操作性质的命令码。它提供指令的操作操作码是指明指令操作性质的命令码。它提供指令的操作控制信息。控制信息。 （1） 每条指令都要求它的操作码必须是独一无二的位组每条指令都要求它的操作码必须是独一无二的位组合。合。 （

23、2） 指令系统中指令的个数指令系统中指令的个数N与操作码的位数与操作码的位数n，必须，必须满足关系式：满足关系式： N2n2. 操作数地址码操作数地址码(运算对象运算对象) （1）地址码：用来描述该指令的操作对象。）地址码：用来描述该指令的操作对象。 （2）指令字长）指令字长=操作码的位数操作码的位数+(操作数地址个数操作数地址个数)*(操作数操作数地址码位数地址码位数)2.2 机器语言机器语言l示例（附录示例（附录C的机器语言系统）的机器语言系统） 16位二进制位模式编码（位二进制位模式编码（4个十六进制数）个十六进制数） 操作码操作码 操作对象操作对象 0011 0101 1010 0111 3 5 A 7操作码操作码3表示把一个寄存器中的内容表示把一个寄存器中的内容存储到一个存储单元中存储到一个存储单元中2.2 机器语言机器语言 程序计