计算机科学导论-计算思维程序实践 课件 第7、8讲-从多项式自动计算看机器程序-编码-指令与机器程序、机器程序是如何被执行的-一台典型的计算机

第7讲从多项式自动计算看机器程序

--编码-指令与机器程序哈尔滨工业大学计算学部教学委员会主任国家教学名师战德臣计算机器按计算规则(程序)对输入（数据）进行变换，得到输出（数据）。输入计算规则(程序&指令)输入/输出都是0和1的形式表达输出计算规则也是0和1的形式表达数据数据程序计算机器的功能与构成计算机器的基本功能运算器中央处理单元CPU控制器存储器(主存或内存)程序数据程序与数据的保存程序执行与数据计算微处理器(芯片)可能包含多个CPU（即多核，m个控制器n个运算器）计算机器的功能与构成计算机器的核心运算器中央处理单元CPU控制器存储器(主存或内存)程序数据程序与数据的保存程序执行与数据计算以【存储单元】为单位进行存储一个存储单元可以是8位、16位、32位或64位按【地址(编号)】访问存储单元以【指令】为单位进行读取并执行。一条指令可以保存在1个或多个存储单元中。基本的运算指令就是两个数的加、减、乘、除等运算。计算机器的功能与构成计算机器的核心8

32+23+6机器指令与机器程序计算机如何计算一个运算式?算法---机器可以执行的求解问题的规则及步骤。机器指令与机器程序机器级算法计算方法

Step1:取出数3至运算器中Step2:乘以数3在运算器中Step3:乘以数8在运算器中Step4:存数8*3*3至存储器中Step5:取出数2至运算器中Step6:乘以数3在运算器中Step7:加上8*3*3在运算器中Step8:加上数6在运算器中计算方法（优化）Step1:取出数3至运算器中Step2:乘以数8在运算器中Step3:加上数2在运算器中Step4:乘以数3在运算器中Step5:加上数6在运算器中问：怎么看待算法节省的步数?--算法需要优化0000010000000111操作码地址码(如取数，加法等操作)(操作中的数据的来源)机器指令--是CPU可以直接分析并执行的指令，一般由0和1的编码表示。指令

操作码+地址码；000100

0000000100000011

0000001100000011

0000001000000100

0000001010机器语言—机器能够执行的所有指令的集合。机器指令与机器程序机器指令假设数字3、8、2、6分别存储在8号、9号、10号和11号存储单元机器级算法机器语言与机器指令机器程序00000100000010000001000000001001000011000000101000010000000010000000110000001011000010000000110000010100000011000001100000000000机器指令与机器程序机器程序：将机器级算法用机器指令进行表达计算8

32+2

3+6的程序机器程序存储器存储单元000001000000100000010000000010010000110000001010000100000000100000001100000010110000100000001100000101000000110000011000000000000000000000000011000000000000100000000000000000100000000000000110

地址（编号）000000000000000000000000000000010000000000000010000000000000001100000000000001000000000000000101000000000000011000000000000001110000000000001000000000000000100100000000000010100000000000001011000000000000110000000100000010000001000000001001000011000000101000010000000010000000110000001011000010000000110000010100000011000001100000000000程序数据机器指令与机器程序将机器程序和数据装载进存储器中?程序与数据以同等地位存于存储器中机器指令与机器程序你能读懂这段程序吗？机器指令与机器程序换一种写法-你能读懂吗？计算8

32+2

3+6的程序计算5

42+3

4+7的程序计算ax2+bx+c的程序?

机器程序存储器存储单元00000100000010000001000000001001000011000000101000010000000010000000110000001011000010000000110000010100000011000001100000000000地址（编号）000000000000000000000000000000010000000000000010000000000000001100000000000001000000000000000101000000000000011000000000000001110000000000001000000000000000100100000000000010100000000000001011000000000000110000000100000010000001000000001001000011000000101000010000000010000000110000001011000010000000110000010100000011000001100000000000程序数据00000000000001000000000000000101000000000000001100000000000001110000000000000011000000000000100000000000000000100000000000000110机器指令与机器程序改改机器程序，体验机器程序机器指令与机器程序读一读程序，能发现什么吗？存储单元00000100000010110001000000001010000011000000100100010000000010110000110000001000000010000000110000010100000011000001100000000000地址（编号）000000000000000000000000000000010000000000000010000000000000001100000000000001000000000000000101000000000000011000000000000001110000000000001000000000000000100100000000000010100000000000001011000000000000110000000000000000100000000000000100000000000000010100000000000000110000000000000111取出11号存储单元的数（数字3）至运算器中乘以10号存储单元的数(数字5)得5

3在运算器中加上9号存储单元的数(数字4)得5

3+4在运算器中乘以11号存储单元的数(数字3)得(5

3+4)

3在运算器中加上8号存储单元的数(数字2)得5

32+4

3+2至运算器中将上述运算器中结果存于12号存储单元。打印12号存储单元中的数停机24537程序指令系统机器指令与机器程序读一读程序，能发现什么吗？取出8号存储单元的数（即数0000010000001000，十进制为1032）至运算器中加上9号存储单元的数(即数0000110000001001，十进制为3081）得到3081+1032，即4113在运算器中加上10号存储单元的数(即数0000110000001010，十进制为3082）得到4113+3082，即7195在运算器中将结果存入10号存储单元(即7195的二进制数，0001110000011011存储到0000000000001010号（即10号）单元)跳转到10号单元的指令继续执行(10号单元存储的是什么)…存储单元中的内容可能是指令，也可能是数据，还可能既是指令又是数据存储器中的程序是可能被修改的，即初始时是执行预期的程序，而再执行时可能就不是了当用跳转指令改变程序执行次序时，要注意其指向的是否是指令？可能会出现错误指令是一种01形式的编码机器程序是用机器指令编制的程序

CPU所能识别并执行的所有指令就称为指令系统。用该指令系统中的指令编写出的程序，该CPU能够执行数据和指令以同等地位存储于存储器中，即一个存储单元存储的可能是指令，也可能是数据，还可能既是指令又是数据存储在存储单元中的数据或指令在执行过程中可能被改变，也可能前一秒是指令，后一秒就为数据机器程序编写好后，先存于存储器中，然后CPU会一条一条的读取该程序的每一条指令予以执行—存储程序机器指令与机器程序小结中央处理单元CPU存储器(主存或内存)程序数据程序与数据的保存程序执行与数据计算第8讲机器程序是如何被执行的

—一台典型计算机哈尔滨工业大学计算学部教学委员会主任国家教学名师战德臣(数据)寄存器

算术、逻辑及移位运算R0R1运算器(数据)寄存器算术逻辑部件R0=R1

R0(赋值,R0既是一个操作数，又保存运算结果)。其中为算术、逻辑及移位运算符一台典型的计算机运算器为什么要如此设计呢？减少指令的长度两个操作数都在存储器中：只需给出一个存储单元地址000011

0000001010利用寄存器进行腾挪时钟与节拍发生器信号控制

PCIR

算术、逻辑及移位运算R0R1控制器运算器(数据)寄存器程序计数器PC指令寄存器IR信号控制器—发出控制信号时钟与节拍发生器—控制操作次序注：PC：程序计数器---存储下一要执行指令的地址IR：指令寄存器---存储当前指令内容控制器一台典型的计算机将要执行哪一个程序，则将该程序的地址送给PC。否则PC值自动加1，按顺序执行时钟与节拍发生器信号控制

PCIR

算术、逻辑及移位运算

地址内容R0R1存储器(内存)控制器运算器(数据)寄存器存储单元地址存储单元内容存储器一台典型的计算机时钟与节拍发生器信号控制

PCIR

算术、逻辑及移位运算

地址内容R0R1存储器(内存)控制器运算器(数据)寄存器

信号控制线数据线地址线各部件的连接与控制一台典型的计算机存储器被连接到多个位置，怎么控制传送给谁？信号控制部件给谁发信号，谁就接收；否则不接收时钟与节拍发生器信号控制0000000000000000

PCIR

算术、逻辑及移位运算

0000000000000000地址内容R0R1存储器(内存)控制器运算器(数据)寄存器程序&指令数据程序与数据要存在存储器中一台典型的计算机不同的指令，由一组不同的电信号构成。有些电信号需要按次序完成。最小的时间区隔单位--时钟周期。不同的时钟周期状态称为节拍。多个节拍构成一个机器周期。一条指令占用一个或多个机器周期。同一指令的电信号在时钟与节拍的控制下按次序产生与传输。问：机器的“主频”指的是什么?时钟周期、节拍与机器周期指令执行的信号化--即在节拍控制下有序地发出各种电信号指令执行一台典型的计算机计算机各部件内部的简单构成关系运算器寄存器算术逻辑部件控制器程序计数器PC指令寄存器信号控制器时钟与节拍发生器存储器存储单元地址存储单元内容一台典型的计算机程序怎么被执行呢？时钟与节拍发生器信号控制0000000000000000

PCIR

算术、逻辑及移位运算

地址内容R0R1(数据)寄存器程序&指令数据运算器控制器存储器机器程序的执行过程模拟初始状态时钟与节拍发生器信号控制寄存器00000000000000000000010000001000

算术、逻辑及移位运算00000100000010000000000000000000地址内容

R0R1PCIR运算器控制器存储器机器程序的执行过程模拟第1条指令：取指令（2个节拍）T1

:将PC值送存储器发控制信号通知存储器工作T2

:按地址找到存储单元并读出发控制信号通知IR接收模拟的要点：1注意存储单元的地址和内容；2注意各寄存器的变化加强理解：完成什么操作（发出什么信号）；2各信号发出的次序与控制0000010000001000时钟与节拍发生器信号控制寄存器00000000000000010000010000001000

0000000000000011

算术、逻辑及移位运算00000000000000110000000000001000地址内容

控制R0R0R1000001PCIR

0000000000000000运算器控制器存储器机器程序的执行过程模拟第1条指令：执行指令（2个节拍）T3

:IR的操作码送信号控制部件识别是取数指令，将IR地址码送存储器发控制信号通知存储器工作PC值自动加1T4

:按地址找到存储单元并读出发控制信号通知R0接收时钟与节拍发生器信号控制寄存器00000000000000010000010000001000

0000000000000011

算术、逻辑及移位运算00000000000000110000000000001000地址内容R0R1PCIR运算器控制器存储器机器程序的执行过程模拟第1条指令执行结束状态时钟与节拍发生器信号控制寄存器00000000000000010001000000001001

0000000000000011

算术、逻辑及移位运算00010000000010010000000000000001地址内容

R0R1PCIR0000010000001000运算器控制器存储器0000000000000011机器程序的执行过程模拟第2条指令：取指令（2个节拍）时钟与节拍发生器信号控制寄存器0000000000000010000100000000100100000000000010000000000000000011

R0算术、逻辑及移位运算R100000000000010000000000000001001地址内容

控制R1

000100PCIR

0000000000000001运算器控制器存储器0000010000001001机器程序的执行过程模拟第2条指令：执行指令（4个节拍）时钟与节拍发生器