第三章数据处理计算机应用基础

第三章数据处理计算机应用基础第1页，共36页，2023年，2月20日，星期三3.1机器指令软件的主体是程序，程序的核心是算法。算法：描述求解特定问题的操作步骤的集合。计算机唯一可以理解的程序设计语言——机器语言。用0、1编码来表示的基本操作——机器指令。第2页，共36页，2023年，2月20日，星期三3.1.1算法中的基本操作二进制求和的算法步骤为：①将被加数放于内存单元x中②将加数放于内存单元y中③把x中的数值加上y中的数值的，其和存放在内存单元sum中第3页，共36页，2023年，2月20日，星期三那么，将会有两个问题：①如果每次处理的数据都要通过去查找内存地址找到某个内存单元来取数，处理后又放回内存单元中，可以想象效率很低。②并且我们是采用0，1编码来编写机器指令的，那么编码长度将会很长。第4页，共36页，2023年，2月20日，星期三如何处理这两个问题呢？我们引入寄存器的概念寄存器：是CPU内的组成部份，是有限存储容量的高速存储部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。

第5页，共36页，2023年，2月20日，星期三引入寄存器后，二进制数求和的算法步骤如下：①从内存单元x中取出被加数放于寄存器A②寄存器A中的数值加上从内存单元y中的数值，其和存于寄存器A中③把寄存器A中的数值存于内存单元sum中第6页，共36页，2023年，2月20日，星期三3.1.2机器指令方法就是：我们将这些基本操作编码为计算机可识别和处理的命令，即机器指令。一条由0、1编码而成的机器指令由两部分组成：①包含有指出操作类型的操作码②以及指出操作数地址的地址码第7页，共36页，2023年，2月20日，星期三指令的基本格式按一条指令所包含的地址码的个数，指令格式可分为：三内存地址、二内存地址、单内存地址和零内存地址指令。（a）三地址指令：操作码(θ)d1d2d3第8页，共36页，2023年，2月20日，星期三它所实现的功能是：从源地址d1和d2中取出两个操作数，进行θ操作（例如加法操作），并将结果送入目标地址d3中。可记为：d3←（d1）θ（

d2）第9页，共36页，2023年，2月20日，星期三（b）二地址指令：其功能可记为：d2←（d1）θ（

d2）θd1d2第10页，共36页，2023年，2月20日，星期三（c）单地址指令：其功能可记为：A

←（A

）θ（

d）θd第11页，共36页，2023年，2月20日，星期三（d）零地址指令：这是一种特殊的没有地址码的指令，如空操作指令、停机指令等。θ第12页，共36页，2023年，2月20日，星期三前面讨论的两个二进制数相加的算法为：①从内存单元100000中取出被加数放于寄存器A中②寄存器A中的数值加上从内存单元100001中的数值，其和存于寄存器A中③把寄存器A中的数值存于内存单元100010中④结束程序运行第13页，共36页，2023年，2月20日，星期三这里我们假设，操作码部分用高4位来表示，操作数部分12位用前2位编码寄存器的编号，后10位用来表示内存单元地址。（寄存器编号为00表示寄存器A）1512111090操作码寄存器编号内存单元地址第14页，共36页，2023年，2月20日，星期三同时假设：指令操作码取数操作0001存数操作0010加法操作0011结束操作0000第15页，共36页，2023年，2月20日，星期三①从内存单元100000中取出被加数放于寄存器A中该操作的机器指令为：0001000000100000第16页，共36页，2023年，2月20日，星期三②寄存器A中的数值加上从内存单元100001中的数值，其和存于寄存器A中该操作的机器指令为：0011000000100001第17页，共36页，2023年，2月20日，星期三③把寄存器A中的数值存于内存单元100010中该操作的机器指令为：0010000000100010第18页，共36页，2023年，2月20日，星期三④结束程序运行该操作的机器指令为：0000000000000000第19页，共36页，2023年，2月20日，星期三计算机进行数据处理时，既要有程序，也要有数据。因此，通常把内存单元分为程序区和数据区。0000000000000000000100010000000000001000100000000000001100110000000000010000100001000000010100100000000000011000100010000000011100000000000000100000000000程序区第20页，共36页，2023年，2月20日，星期三000010000000000101000010000100000111000010001000001100数据区第21页，共36页，2023年，2月20日，星期三3.1.3指令系统我们把一台计算机的机器指令集合称为该计算机的指令系统。当两台计算机对于相同的机器指令形式的程序理解和处理相同时，我们称这两台计算机是在机器指令级别兼容，否则，称在机器指令级别不兼容。把机器指令的位数称为计算机的字长。显然，计算机字长越长性能越好。第22页，共36页，2023年，2月20日，星期三3.2中央处理器有条不紊地执行机器指令形式的程序是由中央处理器来完成的。具有如下四个方面的基本功能：ⅰ指令控制：程序的顺序控制ⅱ操作控制：CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号来控制各个部件ⅲ时间控制：对各种操作实施时间上的定时ⅳ数据加工：对数据进行算术和逻辑运算第23页，共36页，2023年，2月20日，星期三3.2.1CPU的基本构成传统的CPU由运算器和控制器两大部分组成。但随着浮点运算器、cache等纷纷移入CPU内部，因此CPU的基本部分变成了运算器、cache和控制器。第24页，共36页，2023年，2月20日，星期三运算器：相对于控制器而言，它是接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。主要有两个功能：①执行所有的算术运算②执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。第25页，共36页，2023年，2月20日，星期三运算器包括：⑷通用寄存器：由触发器及其输入控制电路所组成，用来存放当前操作要临时存放的数据。⑸变址寄存器：用来存放变址操作时的变址基址数据。⑹加法器部件：主要由加法器和相关控制电路组成。第26页，共36页，2023年，2月20日，星期三控制器：是统一指挥和控制计算机各个部件按时序协调操作的中心部件。具备下列功能：①根据指令在存储器中存放的地址，取出指令，并分析指令，以判别取出的是什么指令。②根据判别的结果，按一定的时序发出控制该指令的操作控制信号。第27页，共36页，2023年，2月20日，星期三③当执行完一条指令后，便自动从存储器中取出下一条要执行的指令。控制器包括：⑴程序计数器：用来存放即将要执行的机器指令在内存中的地址。⑵地址形成器：实现程序计数器的内容自动加1、转移地址的形成、以及根据指令所提供的信息形成操作数的有效地址。第28页，共36页，2023年，2月20日，星期三⑶指令寄存器：用来存放从寄存器取出的指令。⑺操作码译码器：又称指令译码器。用来实现对指令操作码（θ）的译码。⑻操作控制器：按照每条指令的功能要求，向CPU的上述部件及计算机的其他组成部件发送控制信号。第29页，共36页，2023年，2月20日，星期三3.2.2CPU的工作原理第30页，共36页，2023年，2月20日，星期三3.2.3机器指令的寻址方式机器指令中的地址码不一定是操作数的真正存放地址，它是根据指令的操作码和地址码所提供的信息，按一定的规则形成的，称这一规则为寻址方式。151211980θxd操作码寻址方式内存地址第31页，共36页，2023年，2月20日，星期三

由寻址方式形成的操作数的真正存放地址，称为操作数的有效地址，用符号EA表示。常见的寻址方式有以下5种：①直接寻址方式：x=001，则EA=d。d即为操作数的有效地址。②间接寻址方式：x=010，则EA=（d）。d为操作数地址的地址。第32页，共36页，2023年，2月20日，星期三③相对寻址方式：x=011，则EA=PC+d。PC指程序计数器。④变址寻址方式：x=100，则EA=IX+d。IX指变址寄存器。⑤立即寻址方式：x=101。形式地址d的数值即为操作数。第33页，共36页，2023年，2月20日，星期三3.3逻辑运算和逻辑指令机器指令实现的逻辑运算，我们简称为逻辑指令。逻辑指令通常会在两种情况下用到：①机器状态的检测。②程序设计中的组合条件判断。第34页，共36页，2023年，2月20日，星期三3.4计算机的组成

3.4.1计算机硬件的基本组成（1）计算机系