大學(xué)計(jì)算機(jī)計(jì)算思維與信息素養(yǎng)第5章

1、1第第5 5章章 機(jī)器是如何執(zhí)行程序的機(jī)器是如何執(zhí)行程序的哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算學(xué)部教授張麗杰張麗杰2第5章 機(jī)器是如何執(zhí)行程序的一、通用計(jì)算機(jī)器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計(jì)算機(jī)-存儲(chǔ)程序與自動(dòng)執(zhí)行三、存儲(chǔ)器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機(jī)器指令與機(jī)器級算法與程序五、運(yùn)算器和控制器暨CPU：可自動(dòng)執(zhí)行機(jī)器指令和程序的部件六、機(jī)器程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行七、電子計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機(jī)模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行3第5章 機(jī)器是如何執(zhí)行程序的一、通用計(jì)算機(jī)器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計(jì)算機(jī)-存儲(chǔ)程序與自動(dòng)執(zhí)行三、存儲(chǔ)器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？本章導(dǎo)圖本章導(dǎo)圖4計(jì)算機(jī)器的基本功能

2、計(jì)算機(jī)器計(jì)算機(jī)器按計(jì)算規(guī)則按計(jì)算規(guī)則( (程序程序) )對輸對輸入（數(shù)據(jù)）進(jìn)行變換，入（數(shù)據(jù)）進(jìn)行變換，得到輸出（數(shù)據(jù)）。得到輸出（數(shù)據(jù)）。輸入輸入計(jì)算規(guī)則計(jì)算規(guī)則( (程序程序& &指令指令) )輸入輸入/ /輸出都是輸出都是0 0和和1 1的形式表達(dá)的形式表達(dá)輸出輸出計(jì)算規(guī)則也是計(jì)算規(guī)則也是0 0和和1 1的形式表達(dá)的形式表達(dá)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序程序5計(jì)算機(jī)器的核心運(yùn)算器運(yùn)算器中央處理單元中央處理單元CPUCPU控制器控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器(主存或內(nèi)主存或內(nèi)存存)程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序與數(shù)程序與數(shù)據(jù)的保存據(jù)的保存程序執(zhí)行與程序執(zhí)行與數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)計(jì)算微處理器微處理器(芯片芯片)可能

3、包含多可能包含多個(gè)個(gè)CPU（即多核，（即多核，m個(gè)控制個(gè)控制器器n個(gè)運(yùn)算器）個(gè)運(yùn)算器）6計(jì)算機(jī)器的核心運(yùn)算器運(yùn)算器中央處理單元中央處理單元CPUCPU控制器控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器(主存或內(nèi)主存或內(nèi)存存)程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序與數(shù)程序與數(shù)據(jù)的保存據(jù)的保存程序執(zhí)行與程序執(zhí)行與數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)計(jì)算以【存儲(chǔ)單元】為單以【存儲(chǔ)單元】為單位進(jìn)行存儲(chǔ)位進(jìn)行存儲(chǔ)一個(gè)存儲(chǔ)單元可以是一個(gè)存儲(chǔ)單元可以是8 8位、位、1616位、位、3232位或位或6464位位按【地址按【地址( (編號編號) )】訪】訪問存儲(chǔ)單元問存儲(chǔ)單元以【指令】為單位以【指令】為單位進(jìn)行讀取并執(zhí)行。進(jìn)行讀取并執(zhí)行。一條指令可以保存一條指令可以保存在在1

4、1個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)單元中。單元中?；镜倪\(yùn)算指令就基本的運(yùn)算指令就是兩個(gè)數(shù)的加、減、是兩個(gè)數(shù)的加、減、乘、除等運(yùn)算。乘、除等運(yùn)算。7圖靈及其貢獻(xiàn)圖靈及其貢獻(xiàn)u圖靈圖靈(Alan Turing, 19121954)，出生于，出生于英國倫敦，英國倫敦，19 歲入劍橋皇家學(xué)院，歲入劍橋皇家學(xué)院，22 歲當(dāng)歲當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。u1937 年，發(fā)表了論文論可計(jì)算數(shù)及其在年，發(fā)表了論文論可計(jì)算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用，提出了圖靈機(jī)模型，判定問題中的應(yīng)用，提出了圖靈機(jī)模型，后來，馮后來，馮諾依曼根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)出歷史上諾依曼根據(jù)這個(gè)模型設(shè)計(jì)出歷史上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)。第一臺(tái)電子計(jì)算

5、機(jī)。u1950 年，發(fā)表了劃時(shí)代的文章：機(jī)器能年，發(fā)表了劃時(shí)代的文章：機(jī)器能思考嗎思考嗎?,成為了人工智能的開山之作。成為了人工智能的開山之作。u計(jì)算機(jī)界于計(jì)算機(jī)界于1966年設(shè)立了最高榮譽(yù)獎(jiǎng)：年設(shè)立了最高榮譽(yù)獎(jiǎng)：ACM圖靈獎(jiǎng)。圖靈獎(jiǎng)。圖靈機(jī)的思想與模型簡介圖靈機(jī)的思想與模型簡介(1)圖靈是誰圖靈是誰?你能查閱一下哪些人獲得圖靈獎(jiǎng)了嗎？你能查閱一下哪些人獲得圖靈獎(jiǎng)了嗎？因?yàn)槭裁簇暙I(xiàn)而獲獎(jiǎng)呢？因?yàn)槭裁簇暙I(xiàn)而獲獎(jiǎng)呢？8u所謂計(jì)算就是計(jì)算者所謂計(jì)算就是計(jì)算者(人或機(jī)器人或機(jī)器)對一條兩端可無限延長的紙對一條兩端可無限延長的紙帶上的一串帶上的一串0或或1，執(zhí)行指令一步一步地改變紙帶上的，執(zhí)行指令一步一

6、步地改變紙帶上的0或或1，經(jīng)，經(jīng)過有限步驟最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號串的變換過程。過有限步驟最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號串的變換過程。什么是計(jì)算什么是計(jì)算100011101100110101100010110101由“程序”控制，一步步將輸入“轉(zhuǎn)換”為輸出輸入輸入輸出輸出程序通用機(jī)器圖靈機(jī)的思想與模型簡介圖靈機(jī)的思想與模型簡介(2)圖靈認(rèn)為什么是計(jì)算圖靈認(rèn)為什么是計(jì)算?9是關(guān)于數(shù)據(jù)、指令、程序及程序是關(guān)于數(shù)據(jù)、指令、程序及程序/指令自動(dòng)執(zhí)行的基本思想。指令自動(dòng)執(zhí)行的基本思想。 輸入被制成一串輸入被制成一串0和和1的紙帶，送入機(jī)器中的紙帶，送入機(jī)器中-數(shù)據(jù)。如數(shù)據(jù)。如00010000100

7、011 機(jī)器可對輸入紙帶執(zhí)行的基本動(dòng)作包括：機(jī)器可對輸入紙帶執(zhí)行的基本動(dòng)作包括：“翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)0為為1”，或，或 “翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)1為為0”, “前移一位前移一位”, “停止停止”。 對基本動(dòng)作的控制對基本動(dòng)作的控制-指令，機(jī)器是按照指令的控制選擇執(zhí)行哪一個(gè)動(dòng)作，指令，機(jī)器是按照指令的控制選擇執(zhí)行哪一個(gè)動(dòng)作，指令也可以用指令也可以用0和和1來表示：來表示：01表示表示“翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)0為為1”(當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為1時(shí)不變時(shí)不變)，10表表示示“翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)1為為0”(當(dāng)輸入當(dāng)輸入0時(shí)不變時(shí)不變), 11表示表示“前移一位前移一位”, 00表示表示“停止停止”。 輸入如何變?yōu)檩敵龅目刂瓶梢杂弥噶罹帉懸粋€(gè)程序來完成輸入

8、如何變?yōu)檩敵龅目刂瓶梢杂弥噶罹帉懸粋€(gè)程序來完成, 如如: 011110110111011100 機(jī)器能夠讀取程序，按程序中的指令順序讀取指令，機(jī)器能夠讀取程序，按程序中的指令順序讀取指令，讀一條指令執(zhí)行一條指令。由此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算。讀一條指令執(zhí)行一條指令。由此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算。圖靈機(jī)的思想與模型簡介圖靈機(jī)的思想與模型簡介(2)圖靈認(rèn)為什么是計(jì)算圖靈認(rèn)為什么是計(jì)算?圖靈機(jī)的思想10第5章 機(jī)器是如何執(zhí)行程序的一、通用計(jì)算機(jī)器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計(jì)算機(jī)-存儲(chǔ)程序與自動(dòng)執(zhí)行三、存儲(chǔ)器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機(jī)器指令與機(jī)器級算法與程序五、運(yùn)算器和控制器暨CPU：可自動(dòng)執(zhí)行機(jī)器指令和程序

9、的部件六、機(jī)器程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行七、電子計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機(jī)模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行11u19441945年間，馮年間，馮.諾伊曼提出諾伊曼提出u “存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序”的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想，的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想，u并進(jìn)行了實(shí)踐，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)普遍來并進(jìn)行了實(shí)踐，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)普遍來u講屬于馮講屬于馮.諾伊曼機(jī)體系。諾伊曼機(jī)體系。u馮馮.諾伊曼機(jī)的基本思想：諾伊曼機(jī)的基本思想：u運(yùn)算和存儲(chǔ)分離運(yùn)算和存儲(chǔ)分離u存儲(chǔ)程序：指令和數(shù)據(jù)以同等地位事先存于存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序：指令和數(shù)據(jù)以同等地位事先存于存儲(chǔ)器, 可按地址尋訪可按地址尋訪, 連續(xù)連續(xù)自動(dòng)執(zhí)行。自動(dòng)執(zhí)行。u五大部件構(gòu)成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入

10、設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件構(gòu)成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備u指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示，指令由操作碼和地址碼組成指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示，指令由操作碼和地址碼組成u以運(yùn)算器為中心，控制器負(fù)責(zé)解釋指令，運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行指令以運(yùn)算器為中心，控制器負(fù)責(zé)解釋指令，運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行指令馮馮.諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī): 思想與構(gòu)成思想與構(gòu)成(1)什么是馮什么是馮.諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī)? 馮.諾依曼(Von.Neumann)計(jì)算機(jī)12馮馮.諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī): 思想與構(gòu)成思想與構(gòu)成(2)馮馮.諾依曼計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)是怎樣的諾依曼計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)是怎樣的? 部件有哪些部件有哪些? 部件的關(guān)系怎樣部件的關(guān)系

11、怎樣? 以運(yùn)算器為中心的馮.諾依曼計(jì)算機(jī)構(gòu)成圖13馮馮.諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī): 思想與構(gòu)成思想與構(gòu)成(3)存儲(chǔ)器為中心與運(yùn)算器為中心相比的優(yōu)點(diǎn)在哪里存儲(chǔ)器為中心與運(yùn)算器為中心相比的優(yōu)點(diǎn)在哪里? 同樣是五個(gè)部件，以不同的結(jié)構(gòu)來連接，便體現(xiàn)了不同的性能同樣是五個(gè)部件，以不同的結(jié)構(gòu)來連接，便體現(xiàn)了不同的性能-這就是這就是“系統(tǒng)系統(tǒng)”：強(qiáng)調(diào)：強(qiáng)調(diào)“結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)”，強(qiáng)調(diào)部件連接后的整體性、協(xié)同性，強(qiáng)調(diào)部件連接后的整體性、協(xié)同性以存儲(chǔ)器為中心的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)構(gòu)成圖14第5章 機(jī)器是如何執(zhí)行程序的一、通用計(jì)算機(jī)器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計(jì)算機(jī)-存儲(chǔ)程序與自動(dòng)執(zhí)行三、存儲(chǔ)器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四

12、、機(jī)器指令與機(jī)器級算法與程序五、運(yùn)算器和控制器暨CPU：可自動(dòng)執(zhí)行機(jī)器指令和程序的部件六、機(jī)器程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行七、電子計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機(jī)模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行15什么是存儲(chǔ)器？l 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器: :能夠按地址讀或?qū)懨磕軌虬吹刂纷x或?qū)懨恳粋€(gè)存儲(chǔ)單元的部件。一個(gè)存儲(chǔ)單元的部件。l 地址：是一個(gè)地址：是一個(gè)n n位的位的0/10/1編碼，編碼，每一個(gè)編碼指向一個(gè)存儲(chǔ)單每一個(gè)編碼指向一個(gè)存儲(chǔ)單元，通常記為元，通常記為An-1A0An-1A0。l 存儲(chǔ)單元：一個(gè)存儲(chǔ)單位可存儲(chǔ)單元：一個(gè)存儲(chǔ)單位可以保存一個(gè)以保存一個(gè)m m位的數(shù)據(jù)，通常位的數(shù)據(jù)，通常記為記為Dm-1D0Dm-1D0。1

13、6存儲(chǔ)器的容量存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元( (的內(nèi)容的內(nèi)容) )(存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)單元的)地地址址地址地址 空間空間存儲(chǔ)存儲(chǔ) 字長字長存儲(chǔ)存儲(chǔ) 容量容量地址編碼地址編碼n n位：位： An-1A0 An-1A0地址空間：地址空間： 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000001 0000000000000001 1111111111111111 1111111111111111存儲(chǔ)字長存儲(chǔ)字長m m位：位：Dm-1D0Dm-1D0 每個(gè)存儲(chǔ)單元都是每個(gè)存儲(chǔ)單元都是m m位位存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 = 2n = 2n m Bit( m Bit(位位) ) =

14、2n = 2n m/8 Byte m/8 Byte（字節(jié)（字節(jié)) )存儲(chǔ)容量的單位：存儲(chǔ)容量的單位：210210為換算單位為換算單位2n個(gè)存儲(chǔ)單元個(gè)存儲(chǔ)單元DBDB、NBNB、BBBB、YBYB、ZBZB、EBEB、PBPB、TBTB、GBGB、MBMB、KBKB、ByteByte17對比宿舍樓，理解存儲(chǔ)器的相關(guān)概念 存儲(chǔ)器 宿舍樓存儲(chǔ)單元房間存儲(chǔ)位(存0或存1)床位(住人/不住人)地址編碼An-1A0房間號單元控制線Wi房間鑰匙輸出緩沖器公共的走廊及大門 概念映射概念映射從存儲(chǔ)器與宿舍樓的概念對比從存儲(chǔ)器與宿舍樓的概念對比中，你能發(fā)現(xiàn)什么異同嗎？中，你能發(fā)現(xiàn)什么異同嗎？18存儲(chǔ)器是怎樣存儲(chǔ)0

15、和1的? 又是怎樣控制存取的? 存儲(chǔ)器內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)示例存儲(chǔ)器內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)示例當(dāng)單元控制線當(dāng)單元控制線W W和數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)線D D間連接有二極管間連接有二極管時(shí)，則存儲(chǔ)的是時(shí)，則存儲(chǔ)的是1 1，否則，存儲(chǔ)的是，否則，存儲(chǔ)的是0 0。這。這是只讀存儲(chǔ)器（是只讀存儲(chǔ)器（ROMROM，只能讀出不能寫入），只能讀出不能寫入）示例。示例。當(dāng)單元控制線當(dāng)單元控制線W W和數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)線D D間連接有二極管間連接有二極管時(shí)，由單元控制線決定其是輸出時(shí)，由單元控制線決定其是輸出1 1或或0 0，即：，即：當(dāng)單元控制線為當(dāng)單元控制線為1 1（高電壓）時(shí)，則輸出（高電壓）時(shí)，則輸出1 1（高電壓），而當(dāng)單元控制線為（高

16、電壓），而當(dāng)單元控制線為0 0（低電壓）（低電壓）時(shí)，則輸出時(shí)，則輸出0 0（低電壓）。沒有連接的，則（低電壓）。沒有連接的，則不受單元控制線影響，始終輸出不受單元控制線影響，始終輸出0 0（低電（低電壓）。壓）。 W3,W2,W1,W0W3,W2,W1,W0隨著隨著A1A0A1A0的值同時(shí)只能有一個(gè)的值同時(shí)只能有一個(gè)為為1 1（高電壓）其它為（高電壓）其它為0 0（低電壓），即控（低電壓），即控制一個(gè)存儲(chǔ)單元所有位的讀寫。制一個(gè)存儲(chǔ)單元所有位的讀寫。盡管所有存儲(chǔ)單元的第盡管所有存儲(chǔ)單元的第i i位都連接到位都連接到DiDi，但，但只有將讀取存儲(chǔ)單元的第只有將讀取存儲(chǔ)單元的第i i位對位對Di

17、Di產(chǎn)生作用。產(chǎn)生作用。二極管二極管ROM結(jié)構(gòu)示例結(jié)構(gòu)示例(2位地址控制位地址控制4個(gè)存儲(chǔ)單元個(gè)存儲(chǔ)單元, 每個(gè)存儲(chǔ)單元是每個(gè)存儲(chǔ)單元是4位位0/1) 一個(gè)存儲(chǔ)單元19讀出過程示例：按地址讀取存儲(chǔ)單元的內(nèi)容二極管二極管ROM結(jié)構(gòu)示例結(jié)構(gòu)示例(2位地址控制位地址控制4個(gè)信息單元個(gè)信息單元, 每個(gè)信息單元是每個(gè)信息單元是4位位0/1碼碼) 111010110010111111000001012-42-4地址譯碼器地址譯碼器0101將地址編碼轉(zhuǎn)換為地址單元控制信號將地址編碼轉(zhuǎn)換為地址單元控制信號類比類比:將房間號轉(zhuǎn)換成房間鑰匙將房間號轉(zhuǎn)換成房間鑰匙20存儲(chǔ)矩陣的邏輯控制關(guān)系Dj是數(shù)據(jù)線Ak是地址編碼

18、線Wi是單元控制線存儲(chǔ)矩陣：一種【與或邏輯】陣列存儲(chǔ)矩陣：一種【與或邏輯】陣列【地址編碼線】與【單元控制線】【地址編碼線】與【單元控制線】有黑點(diǎn)則連接，無黑點(diǎn)則不連接。有黑點(diǎn)則連接，無黑點(diǎn)則不連接?！締卧刂凭€】與【數(shù)據(jù)線】有黑【單元控制線】與【數(shù)據(jù)線】有黑點(diǎn)則連接，無黑點(diǎn)不連接。點(diǎn)則連接，無黑點(diǎn)不連接。高高/ /低電壓信號，即低電壓信號，即0,10,1，通過連接，通過連接點(diǎn)相互傳遞。點(diǎn)相互傳遞。上半部是【與】陣列，下半部是上半部是【與】陣列，下半部是【或】陣列?！净颉筷嚵小?1Dj是數(shù)據(jù)線Ak是地址編碼線Wi是單元控制線存儲(chǔ)矩陣的邏輯控制關(guān)系11001000W0 = (NOT A0) AND

19、 (NOT A1)W1 = A0 AND (NOT A1)W2 = (NOT A0) AND A1W3 = A0 AND A1譯碼器：將譯碼器：將A1A0A1A0地址編碼翻譯到只地址編碼翻譯到只有一條單元控制線有一條單元控制線WiWi為為1,1,其它為其它為0 0。【與】陣列，表述了如何由【與】陣列，表述了如何由A1A0A1A0的的值產(chǎn)生值產(chǎn)生W0,W1,W2,W3W0,W1,W2,W3的值（只能有一的值（只能有一條線為條線為1 1），由橫線向縱線傳輸信），由橫線向縱線傳輸信號號上半部。上半部。同一【單元控制線】上各連接點(diǎn)之同一【單元控制線】上各連接點(diǎn)之間是間是 “ “與與”關(guān)系。即只有各連接

20、點(diǎn)關(guān)系。即只有各連接點(diǎn)都為都為1 1時(shí)，該單元控制線的信號為時(shí)，該單元控制線的信號為1 1，否則為否則為0 0。22Dj是數(shù)據(jù)線Ak是地址編碼線Wi是單元控制線存儲(chǔ)矩陣的邏輯控制關(guān)系11001000輸出矩陣：將輸出矩陣：將WiWi為為1 1的單元控制線控的單元控制線控制的存儲(chǔ)單元的值進(jìn)行輸出。制的存儲(chǔ)單元的值進(jìn)行輸出?！?或 】 陣 列 ， 表 述 了 如 何 由【 或 】 陣 列 ， 表 述 了 如 何 由W3W2W1W0W3W2W1W0的值產(chǎn)生的值產(chǎn)生D3,D2,D1,D0D3,D2,D1,D0的值。的值。單元控制線與數(shù)據(jù)線之間有黑點(diǎn)連單元控制線與數(shù)據(jù)線之間有黑點(diǎn)連接的，表示存儲(chǔ)的是接的，

21、表示存儲(chǔ)的是1 1，其能否輸出，其能否輸出取決于單元控制線是取決于單元控制線是1 1還是還是0 0。由縱。由縱線向橫線傳輸信號線向橫線傳輸信號下半部。下半部。同一【數(shù)據(jù)線】上各連接點(diǎn)之間是同一【數(shù)據(jù)線】上各連接點(diǎn)之間是 “或或”關(guān)系。即各連接點(diǎn)只要有一關(guān)系。即各連接點(diǎn)只要有一個(gè)為個(gè)為1 1時(shí)，該數(shù)據(jù)線的信號為時(shí)，該數(shù)據(jù)線的信號為1 1，否，否則為則為0 0。D3 = W0 OR W2D2 = W1 OR W2 OR W3D1 = W1 OR W2D0 = W0 OR W1 OR W3010123存儲(chǔ)器芯片 vs. 標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓每個(gè)房間每個(gè)房間8個(gè)人，個(gè)人，16個(gè)房間個(gè)房間D7D6D0A3A2A1

22、A04位房間號位房間號8個(gè)人個(gè)人-出與入出與入樓控樓控MA3A2A1A00000000101111000100111112568 RAMI/O0 I/O1 I/O2 I/O3I/O4 I/O5 I/O6 I/O7A0 A1 A2 A3A4 A5 A6 A7 R/W CS地址編碼線地址編碼線8位位（編碼（編碼256個(gè)地址）個(gè)地址）數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線8位位（即（即D7D6D5D4D3D2D1D0）控制存儲(chǔ)單元的讀或?qū)懣刂拼鎯?chǔ)單元的讀或?qū)懏?dāng)加高電壓當(dāng)加高電壓(1)時(shí)讀出，時(shí)讀出，當(dāng)加低電壓當(dāng)加低電壓(0)時(shí)寫入。時(shí)寫入。芯片是否工作的控制。芯片是否工作的控制。當(dāng)加高電壓當(dāng)加高電壓(1)時(shí)不工作，時(shí)不工作，

23、當(dāng)加低電壓當(dāng)加低電壓(0)時(shí)工作。時(shí)工作。168 標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓24一個(gè)宿舍樓不夠怎么辦？每個(gè)房間每個(gè)房間8個(gè)人，個(gè)人，16個(gè)房間個(gè)房間D7D6D0A3A2A1A04位房間號位房間號8個(gè)人個(gè)人-出與入出與入樓控樓控M168 標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓：16個(gè)房間，每個(gè)房間住8人A3A2A1A0 D7D0住宿需求：64個(gè)大房間，每個(gè)大房間住16人？ B5B4 B3B2B1B0 E15E8E7E025多個(gè)宿舍樓拼接在一起使用住宿需求：64個(gè)大房間，每個(gè)大房間住16人？B5B4B3B2B1B0 E15E8E7E0解決方案第1步：2 個(gè) 標(biāo) 準(zhǔn) 宿 舍 樓 對 應(yīng) 相 同 地 址B3B2

24、B1B0的房間構(gòu)成一個(gè)大房間，其中編號為E15E8住上面的樓，而E7E0住下面的樓，確保他們的地址A3A2A1A0在同一時(shí)刻是相同的，即同時(shí)進(jìn)出。E7E6E0E15E14E8B3B2B1B026多組宿舍樓聯(lián)合使用住宿需求：64個(gè)大房間，每個(gè)大房間住16人？B5B4B3B2B1B0 E15E8E7E0解決方案第2步：2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓為一組，64個(gè)房間則需要4組（每組16個(gè)房間）。用樓控信號控制哪一組。樓控信號為0,1,2,3，使用B5B4來產(chǎn)生樓控信號，使用B3B2B1B0來產(chǎn)生樓內(nèi)的地址。編號0-7的人編號8-15的人3210321027用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓可組合出容量更大的宿舍樓 編號0-7的人編

25、號8-15的人32103210B5B4B3B2B1B0樓號樓號樓內(nèi)樓內(nèi) 房間號房間號E15E14E8E7E6E01616個(gè)人個(gè)人的編號的編號10110100連到所有下層樓的連到所有下層樓的D7D6D0連到所有組連到所有組上層樓的上層樓的D7D6D0連到所有組連到所有組所有樓的所有樓的A3A2A1A03-13：3樓樓13號房間號房間11011128用多個(gè)存儲(chǔ)器芯片可搭建容量更大的存儲(chǔ)器 利用利用4 4個(gè)個(gè)256x8256x8存儲(chǔ)器芯片擴(kuò)展出存儲(chǔ)器芯片擴(kuò)展出1024x81024x8存儲(chǔ)器的電路圖存儲(chǔ)器的電路圖問：從概念的角度，你問：從概念的角度，你能說說存儲(chǔ)器擴(kuò)展要解能說說存儲(chǔ)器擴(kuò)展要解決什么問題

26、嗎決什么問題嗎? ? 提示：地址編碼空間提示：地址編碼空間, , 存儲(chǔ)字長存儲(chǔ)字長. .A9A8A7A6A0 D7D6D0A7A6A0 D7D6D029第5章 機(jī)器是如何執(zhí)行程序的一、通用計(jì)算機(jī)器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計(jì)算機(jī)-存儲(chǔ)程序與自動(dòng)執(zhí)行三、存儲(chǔ)器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機(jī)器指令與機(jī)器級算法與程序五、運(yùn)算器和控制器暨CPU：可自動(dòng)執(zhí)行機(jī)器指令和程序的部件六、機(jī)器程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行七、電子計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機(jī)模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行30計(jì)算機(jī)如何計(jì)算一個(gè)運(yùn)算式?832 + 23 + 631機(jī)器級算法算法算法-機(jī)器可以執(zhí)行機(jī)器可以執(zhí)行的求解問題的規(guī)則及步的求

27、解問題的規(guī)則及步驟。驟。問：怎么看待算法節(jié)省的步數(shù)問：怎么看待算法節(jié)省的步數(shù)? -算法需要算法需要“優(yōu)化優(yōu)化”32機(jī)器指令000001 00 00000111操作碼操作碼 地址碼地址碼(如取數(shù)，加法等操作如取數(shù)，加法等操作)(操作中的數(shù)據(jù)的來源操作中的數(shù)據(jù)的來源)機(jī)器指令機(jī)器指令-是是CPUCPU可以直接分析并執(zhí)行的可以直接分析并執(zhí)行的指令，一般由指令，一般由0 0和和1 1的編碼表示。的編碼表示。指令指令 操作碼操作碼 + + 地址碼；地址碼；000100 000011 000011 000100 機(jī)器語言機(jī)器語言機(jī)器機(jī)器能夠執(zhí)行的所有能夠執(zhí)行的所有指令的集合。指令的集合。33機(jī)器程序：將機(jī)

28、器級算法用機(jī)器指令進(jìn)行表達(dá)假設(shè)數(shù)字假設(shè)數(shù)字3 3、8 8、2 2、6 6分別存儲(chǔ)在分別存儲(chǔ)在8 8號、號、9 9號、號、1010號和號和1111號存儲(chǔ)單元號存儲(chǔ)單元機(jī)器級機(jī)器級算法算法機(jī)器語言機(jī)器語言 與機(jī)器指令與機(jī)器指令機(jī)器機(jī)器 程序程序000001 000100 000011 000100 000011 000010 000101 000110 34將機(jī)器程序和數(shù)據(jù)裝載進(jìn)存儲(chǔ)器中?計(jì)算計(jì)算832+23+6的程的程序序機(jī)器程機(jī)器程序序 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元000001 000001 00010 100010 1000011 000011 00010 000010 0000011 00

29、0011 000010 000010 000101 000101 00011 000011 0 000011 00001100000 000000 0 000010 000010 000110 000110地址（編號）地址（編號） 00000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000100000000 0000000100000000 0000001000000000 0000001000000000 0000001100000000 0000001100000000 0000010000000000 0000010000000000 00000

30、10100000000 0000010100000000 0000011000000000 0000011000000000 0000011100000000 0000011100000000 0000100000000000 0000100000000000 0000100100000000 0000100100000000 0000101000000000 0000101000000000 0000101100000000 0000101100000000 0000110000000000 00001100000001 000100 000011 000100 000011 000010

31、000101 000110 程序程序 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 35改改機(jī)器程序，體驗(yàn)機(jī)器程序計(jì)算計(jì)算832+23+6的程的程序序計(jì)算計(jì)算542+34+7的程的程序序計(jì)算計(jì)算ax2+bx+c的程序的程序? 機(jī)器程機(jī)器程序序 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元000001 000001 00010 100010 1000011 000011 00010 000010 0000011 000011 000010 000010 000101 000101 00011 000011 0地址（編號）地址（編號） 00000000 0000000000000000 0000000000000000 00000001000000

32、00 0000000100000000 0000001000000000 0000001000000000 0000001100000000 0000001100000000 0000010000000000 0000010000000000 0000010100000000 0000010100000000 0000011000000000 0000011000000000 0000011100000000 0000011100000000 0000100000000000 0000100000000000 0000100100000000 0000100100000000 00001010

33、00000000 0000101000000000 0000101100000000 0000101100000000 0000110000000000 00001100000001 000100 000011 000100 000011 000010 000101 000110 程序程序 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 000000 000101 000011 000111 00001100000 0 000010 00011036改改機(jī)器程序，體驗(yàn)機(jī)器程序程序與數(shù)據(jù)程序與數(shù)據(jù)以同等地位以同等地位存于存儲(chǔ)器存于存儲(chǔ)器中中37第5章 機(jī)器是如何執(zhí)行程序的一、通用計(jì)算機(jī)器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計(jì)算機(jī)

34、-存儲(chǔ)程序與自動(dòng)執(zhí)行三、存儲(chǔ)器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機(jī)器指令與機(jī)器級算法與程序五、運(yùn)算器和控制器暨CPU：可自動(dòng)執(zhí)行機(jī)器指令和程序的部件六、機(jī)器程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行七、電子計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機(jī)模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器 算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算R0R1運(yùn)算器運(yùn)算器p(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器p算術(shù)邏輯部件算術(shù)邏輯部件R0 = R1 R0 (賦值賦值, R0既是一個(gè)操作數(shù)，又保存運(yùn)算結(jié)果既是一個(gè)操作數(shù)，又保存運(yùn)算結(jié)果)。其中其中為算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算符為算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算符運(yùn)算器時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制 PCIR 算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算R0R1控制器控制器運(yùn)算器運(yùn)

35、算器(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器p程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PCp指令寄存器指令寄存器p信號控制器信號控制器p時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器注：PC：程序計(jì)數(shù)器-存儲(chǔ)下一要執(zhí)行指令的地址IR：指令寄存器-存儲(chǔ)當(dāng)前指令內(nèi)容 控制器時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制 PCIR 算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算 地址地址內(nèi)容內(nèi)容R0R1存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器( (內(nèi)存內(nèi)存) )控制器控制器運(yùn)算器運(yùn)算器(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器p存儲(chǔ)單元地址存儲(chǔ)單元地址p存儲(chǔ)單元內(nèi)容存儲(chǔ)單元內(nèi)容存儲(chǔ)器時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制 PCIR 算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算 00000000 00000000地址地址內(nèi)容內(nèi)容R0R1存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器( (內(nèi)存內(nèi)存) )控制器控制器

36、運(yùn)算器運(yùn)算器(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器 信號控制線 數(shù)據(jù)線 地址線各部件的連接與控制時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制00000000 00000000 PCIR 算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算 00000000 00000000地址地址內(nèi)容內(nèi)容R0R1存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器( (內(nèi)存內(nèi)存) )控制器控制器運(yùn)算器運(yùn)算器(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器程序程序& &指令指令數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序與數(shù)據(jù)要存在存儲(chǔ)器中u不同的指令，由一組不同的電信號構(gòu)成。有些電信號需要按次序完成。不同的指令，由一組不同的電信號構(gòu)成。有些電信號需要按次序完成。u最小的時(shí)間區(qū)隔單位最小的時(shí)間區(qū)隔單位-時(shí)鐘周期。不同的時(shí)鐘周期狀態(tài)稱為節(jié)拍。時(shí)鐘周期。不同

37、的時(shí)鐘周期狀態(tài)稱為節(jié)拍。u多個(gè)節(jié)拍構(gòu)成一個(gè)機(jī)器周期。一條指令占用一個(gè)或多個(gè)機(jī)器周期。多個(gè)節(jié)拍構(gòu)成一個(gè)機(jī)器周期。一條指令占用一個(gè)或多個(gè)機(jī)器周期。u同一指令的電信號在時(shí)鐘與節(jié)拍的控制下按次序產(chǎn)生與傳輸。同一指令的電信號在時(shí)鐘與節(jié)拍的控制下按次序產(chǎn)生與傳輸。問：機(jī)器的問：機(jī)器的“主頻主頻”指的是什么指的是什么?時(shí)鐘周期、時(shí)鐘周期、節(jié)拍與節(jié)拍與 機(jī)器周期機(jī)器周期指令執(zhí)行的信號化指令執(zhí)行的信號化-即在節(jié)拍即在節(jié)拍控制下有序地發(fā)出各種電信號控制下有序地發(fā)出各種電信號指令執(zhí)行計(jì)算機(jī)各部件內(nèi)部的簡單構(gòu)成關(guān)系機(jī)器級程序的執(zhí)行機(jī)制機(jī)器級程序的執(zhí)行機(jī)制(5)機(jī)器級程序被裝載進(jìn)存儲(chǔ)器中機(jī)器級程序被裝載進(jìn)存儲(chǔ)器中運(yùn)算器

38、運(yùn)算器寄存器寄存器算術(shù)邏輯部件算術(shù)邏輯部件控制器控制器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PCPC指令寄存器指令寄存器信號控制器信號控制器時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元地址存儲(chǔ)單元地址存儲(chǔ)單元內(nèi)容存儲(chǔ)單元內(nèi)容45第5章 機(jī)器是如何執(zhí)行程序的一、通用計(jì)算機(jī)器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計(jì)算機(jī)-存儲(chǔ)程序與自動(dòng)執(zhí)行三、存儲(chǔ)器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機(jī)器指令與機(jī)器級算法與程序五、運(yùn)算器和控制器暨CPU：可自動(dòng)執(zhí)行機(jī)器指令和程序的部件六、機(jī)器程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行七、電子計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機(jī)模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制00000000 00000000

39、PCIR 算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算 地址地址內(nèi)容內(nèi)容R0R1(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器程序程序& &指令指令數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器初始狀態(tài)時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器寄存器00000000 00000000000001 -(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算00000100 0000100000000000 00000000地址內(nèi)容R0R1PCIR運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器第1條指令：取指令（2個(gè)節(jié)拍）00000100 00001000時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器

40、寄存器00000000 00000001000001 -(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)00000000 00000011-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算00000000 0000001100000000 00001000地址內(nèi)容控制控制R0R0R1000001PCIR-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)00000000 00000000運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器第1條指令：執(zhí)行指令（2個(gè)節(jié)拍）時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器寄存器00000000 00000001000001 -(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)00000000 00000011-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)

41、-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算00000000 0000001100000000 00001000地址內(nèi)容R0R1PCIR運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器第1條指令執(zhí)行結(jié)束狀態(tài)時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器寄存器00000000 00000001000100 -(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)00000000 00000011-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算00010000 0000100100000000 00000001地址內(nèi)容R0R1PCIR000001 運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器00000000 00000011第2條指令：

42、取指令（2個(gè)節(jié)拍）時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器寄存器00000000 00000010000100 00000000 0000100000000000 00000011-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)R0算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算R100000000 0000100000000000 00001001地址內(nèi)容控制控制R1000100PCIR-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)00000000 00000001運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器00000100 00001001第2條指令：執(zhí)行指令（4個(gè)節(jié)拍）時(shí)鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器寄存器00000000 0000001000010

43、0 00000000 0000100000000000 00011000-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)-(隨機(jī)的數(shù)值隨機(jī)的數(shù)值)R0算術(shù)、邏輯及移位運(yùn)算R100000000 0000100000000000 00001001地址內(nèi)容000100PCIR00000000 00000011運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器機(jī)器級程序的執(zhí)行過程模擬機(jī)器級程序的執(zhí)行過程模擬(5)第第2條指令的執(zhí)行條指令的執(zhí)行第2條指令：執(zhí)行指令（4個(gè)節(jié)拍-續(xù)）53符號化、符號化、計(jì)算化計(jì)算化再語再語義化義化程序化程序化執(zhí)行化執(zhí)行化機(jī)器級算法機(jī)器級算法的結(jié)果的結(jié)果機(jī)器程序機(jī)器程序-機(jī)器指令機(jī)器指令運(yùn)算器和控運(yùn)算器和控制器

44、：執(zhí)行制器：執(zhí)行機(jī)器級機(jī)器級算法算法執(zhí)行執(zhí)行用用0/1編碼：編碼：指令和數(shù)據(jù)指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器：0/1存與取存與取0/1化化信號化信號化存儲(chǔ)存儲(chǔ)程序是如何被執(zhí)行的54程序是如何被執(zhí)行的思維小結(jié)基本思維：算法程序化基本思維：算法程序化程序指程序指令化令化指令存儲(chǔ)化指令存儲(chǔ)化執(zhí)行信號化執(zhí)行信號化機(jī)機(jī)器器級級算算法法機(jī)機(jī)器器指指令令機(jī)機(jī)器器程程序序存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器程序在存儲(chǔ)器中程序在存儲(chǔ)器中信號信號次序次序控制控制典典型型計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)程序的執(zhí)行程序的執(zhí)行55第5章 機(jī)器是如何執(zhí)行程序的一、通用計(jì)算機(jī)器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計(jì)算機(jī)-存儲(chǔ)程序與自動(dòng)執(zhí)行三、存儲(chǔ)器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機(jī)器指令與機(jī)器級算法與程序五、運(yùn)算器和控制器暨CPU：可自動(dòng)執(zhí)行機(jī)器指令和程序的部件六、機(jī)器程序的存儲(chǔ)與執(zhí)行七、電子計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機(jī)模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行56計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展微處理器微處理器存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備(顯示器顯示器)輸入設(shè)備輸入設(shè)備類別類別發(fā)展水平發(fā)展水平(字長字長;主頻主頻;晶體管數(shù)目晶體管數(shù)目)(8位位; 5M;1萬顆萬顆)(16位位; 20M;10萬顆萬顆)(32位位; 60M;300萬顆萬顆)(32位位; 1G;2800萬顆萬顆)(64位位; 10G;