計(jì)算思維42014課件dou-s2入門知識(shí)

2幾個(gè)計(jì)算思維基本原理目錄1、二進(jìn)制的物理原理2、存儲(chǔ)的層次原理3、定位的指針原理4、指令的操作原理5、CPU內(nèi)部的總線原理6、流水線的并行原理比特流…10110010100100101001001111111111斷開接通1、二進(jìn)制的物理實(shí)現(xiàn)原理比特(bit)在計(jì)算機(jī)中的表示在CPU中表示二進(jìn)位的方法：電平的高或低V+30Logic1Logic00.0V0.5V2.8V3.3V010不同芯片(不同電路)表示1（0）電平的電壓高低并不相同，“1”電平的值:+5V,+3.3V,+2.9V，2.5V和1.8V

等基本的物理原理磁性材料粒子磁頭，用于寫入和讀出信息“0”“1”旋轉(zhuǎn)方向磁盤片1、二進(jìn)制的物理實(shí)現(xiàn)原理比特在光盤上如何存儲(chǔ)？（a）CD盤片表面（b）DVD盤片表面4種DVD盤片單面單層：4.7GB；雙面單層：9.4GB單面雙層：8.5GB；雙面雙層：17GB容量：650MB術(shù)語表示磁表面存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)：

1記錄密度：道密度+位密度

2存儲(chǔ)容量硬磁盤驅(qū)動(dòng)器的物理組成與內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的計(jì)量關(guān)系1Byte=1B=8bits=8bB中文叫字節(jié)，b中文叫位1KB=1000B1MB=1000KB1G=1000MB1P=1000G1T=1000P1個(gè)字=4個(gè)字節(jié)=4B=48=32位1個(gè)塊=若干個(gè)字2、訪問的層次原理3、定位的指針原理：地址擴(kuò)充原理支持的訪問方式是：讀和寫到哪里去讀，寫到什么地方？問題：二進(jìn)制的信息或數(shù)據(jù)在物理空間中是如何管理？按照明確的地址進(jìn)行存放管理一個(gè)字節(jié)，給一個(gè)明確的地址地址在編程序時(shí)又叫指針（pointer）地址或指針也是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，也需要存放程序訪問的局部性原理（時(shí)間局部性和空間局部性）程序執(zhí)行時(shí)的地址分布不是隨機(jī)的，而是聚集在存儲(chǔ)器中一塊較小的區(qū)域中，對于數(shù)據(jù)的存放也是如此，這樣，在程序執(zhí)行時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)，CPU所訪問的存儲(chǔ)單元總是局限在一個(gè)不大的區(qū)域內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為訪問的局部性。地址線12位212=40964096輸入線212=26.2664+64=128128根輸入線地址寄存器X譯碼器驅(qū)動(dòng)器Y譯碼器地址寄存器I/O電路控制電路輸出驅(qū)動(dòng)輸出輸入讀寫片選A0A5A1A2A3A4A0A5A1A2A3A4數(shù)據(jù)總線4、指令的操作原理指令的分類見教材內(nèi)容！指令的存貯一種特殊的存儲(chǔ)器：相聯(lián)存儲(chǔ)器同樣面臨查找管理的問題…設(shè)計(jì)指令的要求1.一條指令須包含的信息

一條指令必須明顯或隱含地包含以下信息：操作碼：指定操作類型

(操作碼長度：固定／可變)源操作數(shù)參照：一個(gè)或多個(gè)源操作數(shù)所在的地址

(操作數(shù)來源：主(虛)存/寄存器/I/O端口/指令本身）結(jié)果值參照：產(chǎn)生的結(jié)果存放何處

(結(jié)果地址：主(虛)存/寄存器/I/O端口)下一條指令地址：下條指令存放何處

(下條指令地址：主(虛)存)(正常情況隱含在PC中，改變順序時(shí)由指令給出）指令格式操作碼地址碼一般來說，僅僅查看字或字節(jié)的內(nèi)容，不能判斷出其中的內(nèi)容是指令還是操作數(shù)。對于一個(gè)給定字的解釋，取決于把該字從主存中取出時(shí)CPU的操作方式或狀態(tài)。CPU中有一個(gè)重要的組成部件PC(ProgramCounter,程序計(jì)數(shù)器)。PC所指的存儲(chǔ)器字通常被解釋為操作碼，即指令，而指令字節(jié)中所規(guī)定的存儲(chǔ)器字即為操作數(shù)。操作碼的長度取決于機(jī)器指令系統(tǒng)中指令的數(shù)量。指令格式按照指令中包含的地址個(gè)數(shù)可分為：三地址指令：分別作為雙目運(yùn)算中兩個(gè)源操作數(shù)的地址和一個(gè)結(jié)果的地址。形式如下：操作碼D1D3D2例：C(A)+(B)指令格式：ADDA,B,C指令格式二地址指令：分別存放雙目運(yùn)算中兩個(gè)操作數(shù)，并將其中一個(gè)地址作為結(jié)果的地址。形式如下：操作碼D1D2例：指令格式：ADDA,BB(A)+(B)C(B)指令格式：MOVB,CADDA,C指令格式單地址指令：其地址既是操作數(shù)的地址，也是結(jié)果的地址，如(1)單目運(yùn)算如：取反／取負(fù)等(2)另一操作數(shù)為默認(rèn)形式，如：累加器等。形式：操作碼D1例：指令格式：ADDA由于加法是兩個(gè)操作數(shù)的運(yùn)算，所以，必然要給出一個(gè)隱含的假定，往往借助一個(gè)通用的CPU寄存器，該CPU寄存器往往稱為累加器。另外兩個(gè)單地址指令LOADA與STOREA操作C(A)+(B)的指令格式：LOADAADDBSTOREC指令格式一個(gè)半地址指令操作C(A)+(B)的指令格式：LOADA，RiADDB,RiSTOREC,Ri

指令格式零地址指令：(1)無需操作數(shù)如：空操作／停機(jī)等(2)所需操作數(shù)為默認(rèn)的如：堆棧／累加器等形式：操作碼例：HALT指令長度指令長度應(yīng)為存儲(chǔ)器基本字長的整數(shù)倍指令字長應(yīng)盡量短要有足夠的操作碼位數(shù)合理地選擇地址字段的個(gè)數(shù)尋址方式指令中指定操作數(shù)或操作數(shù)地址的方式，稱為尋址方式

指令的尋址----簡單正常：PC增值跳轉(zhuǎn)：操作數(shù)尋址

操作數(shù)的尋址----復(fù)雜操作數(shù)來源：寄存器/主(虛)存/外設(shè)端口/棧頂操作數(shù)結(jié)構(gòu)：位/字節(jié)/半字/字/雙字/一維表/二維表/…

操作數(shù)（1）立即

A（2）直接存儲(chǔ)器操作數(shù)

A（3）間接存儲(chǔ)器操作數(shù)R（4）寄存器寄存器組操作數(shù)R（5）寄存器間接存儲(chǔ)器操作數(shù)寄存器組優(yōu)點(diǎn)：指令短速度快例題

例

假設(shè)指令字長為16位，操作數(shù)的地址碼為6位，指令有零地址、一地址、二地址三種格式。(1)設(shè)操作碼固定，若零地址指令有P種，一地址指令有Q種，則二地址指令最多有幾種？(2)采用擴(kuò)展操作碼技術(shù)，若二地址指令有X種，零地址指令有Y種，則一地址指令最多有幾種？16bit(not16B)Add:6bit地址碼OP:4bitAdd:6bit地址碼16bit(not16B)OP:4bitAdd:12bit地址碼16bit(not16B)OP:4bit求解-1（1）根據(jù)操作數(shù)地址碼為6位，則二地址指令中操作碼的位數(shù)為16－6－6=4。這4位操作碼可有24=16種操作。由于操作碼固定，則除去了零地址指令P種，一地址指令Q種，剩下二地址指令最多有16－P－Q種。16bit(not16B)Add:6bit地址碼OP:4bit16bit(not16B)Add:6bit地址碼OP:10bit操作碼Add:6bit地址碼16bit(not16B)OP:16bit0100????????010100010000..001100102地址指令1地址指令思考OP字段地址字段OP字段地址字段0110000000000110000000010001000001000011010100102地址指令1地址指令求解-2(2)擴(kuò)展操作碼技術(shù)，操作碼位數(shù)可變，則二地址、一地址和零地址的操作碼長度分別為4位、10位和16位?？梢姸刂分噶畈僮鞔a每減少一種，就可多構(gòu)成26種一地址指令操作碼；一地址指令操作碼每減少一種，就可多構(gòu)成26種零地址指令操作碼。

解：因二地址指令有X種，則一地址指令最多有(24－X)×26種。設(shè)一地址指令有M種，則零地址指令最多有:((24－X)×26－M)×26種。根據(jù)題中給出零地址指令有Y種，即

Y=[(24－X)×26－M]×26

則一地址指令M=(24－X)×26－Y×2-65、CPU內(nèi)部的總線原理基本概念CPUCPU的基本功能分析讀操作：讀取主存單元或I/O端口的內(nèi)容，并將其裝入CPU中某個(gè)寄存器。用于取數(shù)或取指或取地址。寫操作：將數(shù)據(jù)從一個(gè)CPU寄存器送到某個(gè)主存單元或I/O端口。用于寫端口或存運(yùn)算結(jié)果。內(nèi)部傳送：將數(shù)據(jù)從一個(gè)CPU寄存器送到另一個(gè)CPU寄存器或ALU。用于準(zhǔn)備ALU操作數(shù)或寄存器傳送。執(zhí)行運(yùn)算：進(jìn)行一個(gè)算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算，將結(jié)果送入CPU中的某個(gè)寄存器。用于計(jì)算有效地址或進(jìn)行指令運(yùn)算操作。讀操作過程從內(nèi)存讀一個(gè)字，要進(jìn)行一次總線操作。其過程如下：(1)將內(nèi)存單元地址送地址線。“MAR←Address”將“內(nèi)存讀”信號送控制線?！癛ead”在“異步”方式下，要發(fā)出一個(gè)“等待”信號。“WMFC”(pieted)接受到內(nèi)存“完成”信號后，從總線上取一個(gè)字?！癛i←MDR”說明：上述過程中(1)和(2)兩個(gè)微操作對應(yīng)的控制信號可以同時(shí)發(fā)出；(1)中，若讀取指令，則PC內(nèi)容送MAR；若是間接尋址而要求讀取有效地址，則IR中的間接地址送MAR；若系統(tǒng)總線采用“異步”方式，則CPU必須等待內(nèi)存發(fā)回“完成”信號MFC。微操作信號寫成“WMFC”(即：WaitMFC)讀操作過程實(shí)例MAR[R1](2)Read(3)WMFC;等待MFC信號(WaitMFC)(4)R2[MDR]寫操作過程實(shí)例MAR[R1]MDR[R2](3)Write(4)WMFC;等待MFC信號(WaitMFC)寄存器之間傳送數(shù)據(jù)寄存器之間傳送數(shù)據(jù)實(shí)例R1out，R4in算術(shù)邏輯運(yùn)算(1)R1out，Yin(2)R2out，ADD，Zin(3)Zout，R3inCPU的控制流程計(jì)算機(jī)信息處理的過程就是不斷的取指令、分析指令與執(zhí)行指令這樣一個(gè)周而復(fù)始的過程。這樣一個(gè)周而復(fù)始的過程分為如下幾個(gè)階段(1)取指令:MAR[PC],Read,[PC]+1PC(2)分析指令:分析指令的功能，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，如果需要，還需形成操作數(shù)地址

(3)執(zhí)行指令：由“操作命令”和“操作數(shù)地址”形成相應(yīng)的操作控制命令序列總結(jié)1、內(nèi)外都是總線結(jié)構(gòu)。2、里面是一條總線，會(huì)產(chǎn)生什么問題呢？3、外面是兩條總線，那兩條？4、優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。5、缺點(diǎn)是瓶頸現(xiàn)象。6、流水線的并行原理A+B對應(yīng)的執(zhí)行控制序列1PCout，MARin，Read，

ClearY(Y0)，1C0，Add，Zin//取指，PC+12Zout，

PCin，WMFC//(PC)+1PC3MDRout，IRin//指令放在IR寄存器中4R3out，MARin，Read//取數(shù)據(jù)5R1out，Yin，WMFC//(R1)Y6MDRout，ADD，