計算機(jī)科學(xué)概論(第10版)市公開課一等獎省賽課微課金獎?wù)n件

第2章數(shù)據(jù)操控2.1計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器語言2.3程序執(zhí)行2.4算術(shù)/邏輯指令2.5與其它設(shè)備通信2.6其它體系結(jié)構(gòu)章節(jié)要求主菜單練習(xí)第1頁章節(jié)要求：本章學(xué)習(xí)計算機(jī)怎樣操縱數(shù)據(jù)以及怎樣與外圍設(shè)備（如打印機(jī)和鍵盤）通信。為此，我們將研究計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)計算機(jī)是怎樣利用稱為機(jī)器語言指令編碼指令來進(jìn)行編程工作。本章知識只要求學(xué)生了解，不作其它硬性要求。主菜單第2頁2.1計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)硬件軟件中央處理器運(yùn)算器控制器存放器內(nèi)存外存ROMRAM輸入輸出設(shè)備系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件磁盤光盤軟盤硬盤鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、投影儀、掃描儀、攝像頭、麥克風(fēng)、音箱……計算機(jī)系統(tǒng)主菜單第3頁2.1.1中央處理器CPUCPU：算術(shù)/邏輯單元、控制單元和存放器組（通用存放器、專用存放器）Arithmetical/LogicalUnit（ALU）運(yùn)算器存放器組控制器小而快速存放單元暫時保留數(shù)據(jù)和指令協(xié)調(diào)計算步驟計算（算術(shù)和邏輯運(yùn)算）主菜單第4頁2.1.2存放程序概念－馮.諾依曼結(jié)構(gòu)1、計算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存放器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成；2、以二進(jìn)制形式將程序和數(shù)據(jù)存放在存放器中；3、采取“存放程序”方便計算機(jī)能保留指令和數(shù)據(jù)以及能夠自動依次執(zhí)行指令。主菜單第5頁馮.諾依曼思想控制信號流數(shù)據(jù)流主菜單第6頁2.2機(jī)器語言機(jī)器語言（machinelanguage）為了應(yīng)用存放程序概念，CPU被設(shè)計成能夠識別二進(jìn)制模式編碼指令。這組指令以及編碼系統(tǒng)統(tǒng)稱為機(jī)器語言。機(jī)器指令（machineinstruction）使用機(jī)器語言表示指令稱為機(jī)器指令。主菜單第7頁2.2.1指令系統(tǒng)精簡指令集計算機(jī)RISCCPU只需執(zhí)行最小一組機(jī)器指令集。效率高、速度快。蘋果、IBM、摩托羅拉－PowerPC系列復(fù)雜指令集計算機(jī)CISCCPU能執(zhí)行大量復(fù)雜指令。輕易編程。英特爾－飛躍系列主菜單第8頁機(jī)器指令類型數(shù)據(jù)傳輸類包含請求在各個位置之間傳輸數(shù)據(jù)指令。算術(shù)/邏輯類告訴控制單元請求在算術(shù)/邏輯單元內(nèi)實現(xiàn)一個活動。控制類包含指導(dǎo)程序執(zhí)行而非數(shù)據(jù)操作指令。主菜單第9頁2.2.2一個演示用機(jī)器語言機(jī)器指令編碼形式操作碼：指明該指令要求是什么運(yùn)算；操作數(shù)：提供關(guān)于操作碼指定運(yùn)算更詳細(xì)信息。主菜單第10頁2.3程序執(zhí)行指令存放器（instructionregister）存放正在執(zhí)行指令；程序計數(shù)器（programcounter）包含下一個待執(zhí)行指令地址。主菜單第11頁2.3.1程序執(zhí)行一個例子指令編碼翻譯156C把地址為6C存放單元里位模式載入存放器5166D把地址為6D存放單元里位模式載入存放器65056把存放器5和6內(nèi)容相加結(jié)果存入存放器0

306E把存放器0內(nèi)容存放到地址為6E存放單元中C000停頓主菜單第12頁存放地址單元A015A16CA216A36DA450A556A630A76EA8C0A900主菜單第13頁過程1、程序計數(shù)器指出了存放第一條指令內(nèi)存地址(M1)A0A1。M1156C

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控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M1R0R5R62、計算機(jī)取出M1中指令，將它放到指令存放器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M1156CR0R5R63、計算機(jī)執(zhí)行指令存放器中指令，將內(nèi)容取到ALU存放器R5中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M1156CR0100R5R64、程序計數(shù)器指向存有下一條指令內(nèi)存地址(M2)A2A3。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M2R0100R5R6主菜單第14頁5、計算機(jī)取出M2中指令，將它放到指令存放器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M2166DR0100R5R66、計算機(jī)執(zhí)行該指令，將內(nèi)容取出并送到ALU存放器R6中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M2166DR0100R5200R67、計算機(jī)取出M3中指令，將它放到指令存放器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M35056R0100R1200R28、計算機(jī)執(zhí)行該指令，將結(jié)果放到存放器R0中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M35056R0300100R1200R2主菜單第15頁9、計算機(jī)取出M4中指令，將它放到指令存放器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M4306ER0300100R1200R210、計算機(jī)執(zhí)行該指令，將R0中內(nèi)容放到地址為6E存放單元中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M4306ER0300100R1200R211、計算機(jī)取出M5中指令，將它放到指令存放器中。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M5C000R0300100R1200R212、計算機(jī)執(zhí)行該指令，停頓，程序完成。M1156C

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M5C000控制器ALU程序計數(shù)器指令存放器M5C000R0300100R1200R2主菜單第16頁2.3.2程序與數(shù)據(jù)許多程序同時存放在主存放器中只要地址不一樣，就沒有問題；數(shù)據(jù)也存放在主存放器中執(zhí)行程序時候會有影響嗎？計算機(jī)無法識別是程序還是數(shù)據(jù)但這么使得一個程序能夠操縱其它程序主菜單第17頁2.4算術(shù)/邏輯指令算術(shù)/邏輯指令組由算術(shù)、邏輯、移位等運(yùn)算指令組成。主菜單第18頁2.4.1邏輯運(yùn)算

AND運(yùn)算：與運(yùn)算OR運(yùn)算：或運(yùn)算XOR運(yùn)算：異或運(yùn)算NOT運(yùn)算：非運(yùn)算主菜單第19頁2.4.2循環(huán)移位及移位運(yùn)算循環(huán)移位（circularshift）將右（左）側(cè)移出位放置在左（右）端空位上；邏輯移位（logicalshift）丟棄移出邊界位，用0填充空位；算術(shù)移位（arithmeticshift）同邏輯移位，不過保留符號位不變。主菜單第20頁2.4.3算術(shù)運(yùn)算減法運(yùn)算能夠經(jīng)過加法運(yùn)算來實現(xiàn)乘法運(yùn)算是重復(fù)進(jìn)行加法運(yùn)算結(jié)果除法運(yùn)算就是重復(fù)進(jìn)行減法運(yùn)算主菜單第21頁2.5與其它設(shè)備通信主存放器和CPU與存放系統(tǒng)、打印機(jī)、鍵盤、監(jiān)視器、數(shù)碼相機(jī)以及其它計算機(jī)通信主菜單第22頁2.5.1控制器作用控制器（controler）負(fù)責(zé)計算機(jī)和其它設(shè)備通信中間設(shè)備。端口（port）通?？刂破鹘?jīng)過端口與外圍設(shè)備相連接。標(biāo)準(zhǔn)USBFireWire存放映射輸入/輸出（memory-mappedI/O）CPU與外圍設(shè)備通信來自控制器而不是存放器主菜單第23頁2.5.2直接內(nèi)存存取直接內(nèi)存存取DMA(directmemoryaccess)控制器在CPU不使用總線短時間里實現(xiàn)與主存通信。優(yōu)點(diǎn)：DMA和CPU活動能夠同時執(zhí)行，提升計算機(jī)性能；缺點(diǎn)：使計算機(jī)總線通信復(fù)雜化。馮.諾依曼瓶頸：CPU與控制器競爭總線存取時，中央總線可能稱為障礙。主菜單第24頁2.5.3握手握手（handshaking）保留計算機(jī)和外圍設(shè)備之間交換設(shè)備狀態(tài)信息，協(xié)調(diào)它們之間活動。狀態(tài)字（statusword）由外圍設(shè)備生成并發(fā)送給控制器一個位模式，各個二進(jìn)制位反應(yīng)了該設(shè)備各種狀態(tài)。主菜單第25頁2.5.4流行通信媒介并行通信（parallelcommunication）若干位同時傳輸，每個位都在自己線路上；串行通信（serialcommunication）在一條信號線上一個信號接一個信號傳輸。主菜單第26頁2.5.5通信速率慣用計量單位Bps:BitspersecondKbps:Kilo-bps(1,000bps)Mbps:Mega-bps(1,000,000bps)Gbps:Giga-bps(1,000,000,000bps)帶寬（bandwidth）一條通信路徑傳輸速率以及所能容納信息。主菜單第27頁2.6其它體系結(jié)構(gòu)流水線一個機(jī)器周期內(nèi)各步驟重合進(jìn)行。多處理器計算機(jī)SISD：單指令流單數(shù)據(jù)流MIMD：多指令流多數(shù)據(jù)流SIMD：單指令流多數(shù)據(jù)流主菜單第28頁2.6.1流水線吞吐量：機(jī)器在給定時間內(nèi)能夠完成工作總量流水線技術(shù)：在不要求提升執(zhí)行速度前提下，增加計算機(jī)吞吐量一個例子主菜單第29頁