第二章计算机的工作原理与指令系统 本章主要内容 作业题58页 计2.1计算机系统的硬件结构 1-5、7-12、14-16、 18-21、25-2733-35 计犷机的五大主要鄧件、总能结构。 机22c叫的组成与工作原理 硬 4CPU的组成、工作原理,数据表示、编码和算, CPU控制,X86结构。 2.3内存的组成及读写原理 内存组成和基本结构,涣写方式,内存与CPU的接口 堆栈操作。 基24指令系统 指令系統的概念,寻址,x86指令系統简介。 2.5计算机的工作过程 cPU的基本工作过程 第1页
第 1 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 第二章 计算机的工作原理与指令系统 本章主要内容 2.1 计算机系统的硬件结构 计算机的五大主要部件、总线结构。 2.2 CPU的组成与工作原理 CPU的组成、工作原理，数据表示、编码和运算， CPU控制，x86结构。 2.3 内存的组成及读写原理 内存组成和基本结构，读写方式，内存与CPU的接口， 堆栈操作。 2.4 指令系统 指令系统的概念，寻址，x86指令系统简介。 2.5 计算机的工作过程 CPU的基本工作过程 作业题 58页 1-5、7-12、14-16、 18-21、25-27、33-35
2.1计算机系统的硬件结构 2.1.1计算机的主要部件 计算机五大基本部件 计()运算器 CPU=运算器+控制器+寄存器 Central Processing Unit 执行全部的算术和逻辑 ⅥPU=一块C的CPU 平运算。 Micro Processing Unit 机(2控制器 硬计算机的控制中心,控 制和同步其他各个部件。 输入设备外存储器Ki输出设 外设 (3)存储器 故 计算机的主要记忆部件 术以字节为单位的、线性编 内存储器 址的二进制记忆部件 (4)输入、输出设备 主机 运算器 控制器 通过接口电路连接到总 数据 线的计算机外部设备 cPI地址或指全 第2页
第 2 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 2.1 计算机系统的硬件结构 2.1.1 计算机的主要部件 计算机五大基本部件： 运算器 控制器 内存储器 输入设备 输出设 备 外存储器 控制 数据 CPU 地址或指令 主 机 外 设 存储器 CPU 主 机 外 设 CPU = 运算器+控制器+寄存器 Central Processing Unit MPU = 一块IC的CPU Micro Processing Unit ⑴运算器 执行全部的算术和逻辑 运算。 ⑵控制器 计算机的控制中心，控 制和同步其他各个部件。 ⑶存储器 计算机的主要记忆部件， 以字节为单位的、线性编 址的二进制记忆部件。 ⑷输入、输出设备 通过接口电路连接到总 线的计算机外部设备
2.1.2计算机的总线结构 总线Us):能为多个部件服务的公共信息传送线路,分时地 发送与接收各部件的信息。 总线信息:地址信息(地址总线)、数据信息(数据总线)和控制 平信息(控制总线) 机≯地址总线AB:单向,用于向内存、外部姗口传输地扯信鳥。 >数据总线(DB:双血,传输各种数据信息 硬 控制总线(CB):传输控制信息。包括读写、中斷瞢。 故 系统总线 接口 接口 CPU 内存 外部设备 外部设备 单总线结构 第3页
第 3 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 2.1.2 计算机的总线结构 总线(BUS)：能为多个部件服务的公共信息传送线路，分时地 发送与接收各部件的信息。 总线信息：地址信息(地址总线)、数据信息(数据总线)和控制 信息(控制总线) ➢ 地址总线(AB)：单向，用于向内存、外部端口传输地址信息。 ➢ 数据总线(DB)：双向，传输各种数据信息。 ➢ 控制总线(CB)：传输控制信息。包括读写、中断等。 系统总线 CPU 内存 接口 外部设备 接口 …. 外部设备 单总线结构
2.1.2计算机的总线结构 连接到总线上的设备主要有: 计>cPU一般情况下总线由CPU控制 算>内部存储器一一是完全被动的总线设备 机)接口电路—所有外部设备必须通过接口电路连接到计算 硬 机,不同的接口电路可能拥有不同的端口地址、中断等。 总线的特点—公共性、高速性、标准性。 故单总线和多总线 术如多总线亚计算机系统中同时存在多条总线。目前微机算 基>解决不同的部件速度不一致的问题。 >为存储器设计专用的数据通道。 >兼容静合不同的总线标准的设备 第4页
第 4 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 连接到总线上的设备主要有： ➢CPU ——一般情况下总线由CPU控制 ➢内部存储器 ——是完全被动的总线设备 ➢接口电路 ——所有外部设备必须通过接口电路连接到计算 机，不同的接口电路可能拥有不同的端口地址、中断等。 总线的特点 —— 公共性、高速性、标准性。 单总线和多总线 多总线——计算机系统中同时存在多条总线。目前微机算 机中都是采用多总线结构。 ➢ 解决不同的部件速度不一致的问题。 ➢ 为存储器设计专用的数据通道。 ➢ 兼容符合不同的总线标准的设备。 2.1.2 计算机的总线结构
2.2cP的组成与工作原理 CPU主要包括运算器和控制器 1.运算器 数据总线 算。AUu 累加器A 机用于保存运算过程中的有 硬 关数据。 加法器 (2)缓存器R(暂时寄存器): N位寄存器,接收来自累 暂存器R 暂存器 故加器和数据总线的数据 术(③)加法器2:由N个全加器 基础 加法器的两个输入:累加器A、缓存器R。 〉加法器的输出:送入累加器A,也可以发送给数据总线。 完成算术运算和逕辑运算 第5页
第 5 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 2.2 CPU的组成与工作原理 ➢ 加法器的两个输入：累加器A、缓存器R。 ➢ 加法器的输出：送入累加器A，也可以发送给数据总线。 ➢ 完成算术运算和逻辑运算 CPU主要包括运算器和控制器 1．运算器 ALU：Arithmetic and logical Unit ⑴ 累加器A：N位的寄存器， 用于保存运算过程中的有 关数据。 ⑵ 缓存器R（暂时寄存器）： N位寄存器，接收来自累 加器和数据总线的数据。 ⑶ 加法器Σ：由N个全加器 构成。 数据总线 加法器 暂存器 R 累加器A 暂存器
2.2.1中央处理器的基本构成 2.控制器 AB ()程序计数器PC,又称指令 DB 计数器、指令指针(IP) ②指令寄存器IR 程序计数器PC (③3)指令译码器ID,又称操作 硬 码译码器、指令功能分析 地址形成部件At 解释器。 被(4)地址形成部件 IR OP 术⑤微操作信号发生器,确定 完成指令所需要的步骤及 指令译码器 完成每一步骤所需要的控 微操作信号 制信号组合。 发生器 命令 1()时序部件,产生定时信号 时序部件 第6页
第 6 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 2.2.1 中央处理器的基本构成 2.控制器 ⑴ 程序计数器PC，又称指令 计数器、指令指针（IP） ⑵ 指令寄存器IR ⑶ 指令译码器ID，又称操作 码译码器、指令功能分析 解释器。 ⑷ 地址形成部件 ⑸ 微操作信号发生器，确定 完成指令所需要的步骤及 完成每一步骤所需要的控 制信号组合。 ⑹ 时序部件，产生定时信号 程序计数器 PC 地址形成部件 At 微操作信号 发生器 时序部件 指令译码器 OP A DB AB CB IR 微命令 At IR
2.2.1中央处理器的基本构成 CPU中的寄存器组 3.CPU中的寄存器组 按功能分有通用寄存器和专用寄存器 0)通用寄存器 存放原始数据和运算结果 ≯作为变址寄存器、计数器、地址指针等 硬 (2)专用寄存器 >程序计数器PC、指令指针IP 校>指令寄存器IR等 >状态标志寄存器,主要包括两部分内容: 状态标志,如:进位标志、结果为零标志等,大多 数运算类指令的执行将会影响到这些标志位。 ■控制标志,如:中断标志、陷阱标志等。 第7页
第 7 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 2.2.1 中央处理器的基本构成 ——CPU中的寄存器组 3. CPU中的寄存器组 按功能分有通用寄存器和专用寄存器 ⑴ 通用寄存器 ➢存放原始数据和运算结果 ➢作为变址寄存器、计数器、地址指针等。 ⑵ 专用寄存器 ➢程序计数器PC、指令指针IP ➢指令寄存器IR等 ➢状态标志寄存器，主要包括两部分内容： ▪ 状态标志，如：进位标志、结果为零标志等，大多 数运算类指令的执行将会影响到这些标志位。 ▪ 控制标志，如：中断标志、陷阱标志等
2.2.2计算机中数据信息的表示 数字化信息编码的概念: 在计算机內一切信息必须选行数字化编码(即用二选 算,知代码形式),扌在机肉端、做和处 输入10110101计算机101000输出 电路 主机 电路 硬 二进制:只有0和1,记数按“逢二进一”规律,第k位权是2 故 二进制 十进制 nUn-1n-2∴00 n n-Un-2 ∑b2 ∑d10k k=0 k=0 1011=1X23+0X22+121+1X20325=3×102+2×101+5×100 =1X8+0×4+1×2+1×1=3×100+2×10+5X1 第8页
第 8 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 2.2.2 计算机中数据信息的表示 数字化信息编码的概念： 在计算机内一切信息必须进行数字化编码（即用二进 制代码形式），才能在机内传送、存储和处理。 输入 电路 10110101 计算机 主机 10100010 输出 电路 二进制：只有0和1，记数按“逢二进一”规律，第k位权是2 k 。 二进制 十进制 bnbn-1bn-2 ……b0 = dndn-1dn-2 …... d0 = ΣbkX2k k=0 n ΣdkX10k k=0 n 1011=1X23+0X22+1X21+1X20 325 = 3X102 + 2X101 + 5X100 = 1X8 + 0X4 + 1X2 + 1X1 = 3X100 + 2X10 + 5X1
2.2.2计算机中数据信息的表示 二进制 二进制:b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1bo 2726252423222120 权值:1286432168421 机二进制小数:小数点后第k位权值位2*=12 硬 二进制:0.B1b2b3b4 2-122232 故 1/214181/16 权值: 0.50.250.1250.0625 基1101001进=1X8+14+0×2+1×1+1×0.5 +0X0.25+0X0.125+1X0.0625 13.5625(+进制 第9页
第 9 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 二进制： b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 权值： 128 64 32 16 8 4 2 1 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 二进制小数：小数点后第k位权值位2 -k = 1/2k 。 1101.1001 (二进制) = 1X8 + 1X4 + 0X2 + 1X1 + 1X0.5 + 0X0.25 + 0X0.125 + 1X0.0625 = 13.5625 (十进制) 二进制：0 . B-1 b-2 b-3 b-4 权值： 0.5 0.25 0.125 0.0625 2 -1 2 -2 2 -3 2 -4 1/2 1/4 1/8 1/16 2.2.2 计算机中数据信息的表示 ——二进制
2.2.2计算机中数据信息的表示 原码、反码和补码 原码、反码和补码 计原码:二进制的最高位为符号位,0正1负,其余各位同无符号二 进制 125D]原=01111101 硬 125D]原=1111101 符号位一数值位 8位原码表示数的范围:-127~+127,且00000000和 故 10000义相同 术反码:正数的反码和原码相同,负数的反码为其原码将数 基值位求反,即0变1,1变0。 125D]反=0111101 125D]反=10000010 符号位 数值位 第10页
第 10 页 计 算 机 硬 件 技 术 基 础 原码、反码和补码 原码：二进制的最高位为符号位，0正1负，其余各位同无符号二 进制。 [125D]原 = 0 1111101 [-125D]原 = 1 1111101 符号位 数值位 8位原码表示数的范围：-127 ~ +127，且00000000和 10000000含义相同。 反码：正数的反码和原码相同，负数的反码为其原码将数 值位求反，即0变1，1变0。 [125D]反 = 0 1111101 [-125D]反 = 1 0000010 符号位 数值位 2.2.2 计算机中数据信息的表示 ——原码、反码和补码