电子计算机的基本结构
冯.诺依曼计算机模型
1、计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和控制器组成,并以运算器为中心连接在一起。
2、存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元组成,每个存储单元的位数是相等且固定的,存储单元按地址访问。
3.“程序”是由一条一条的指令有序排列而成,而指令由操作码和地址码两部分组成。
操作码规定了该指令的操作类型,地址码指示存储操作数和运算结果的存储单元地址,操作数的数据类型由操作码类规定。
4、指令和数据均采用二进制数表示,并以二进制数形式进行运算 。
5、程序(指令)与数据是同等地不加区分地存储在同一个存储器中 。
6、设置“程序计数器 PC”来指示下一条将要执行的指令的地址。每执行完一条指令,程序计数器就自动加1,指向下一条指令的存储单元。
存储程序的思想
计算机的用途和硬件完全分离:硬件结构采用定性逻辑,提供某些固定不变的功能,通过编制不同的程序来满足不同用户对计算机的应用需求。把指
令汇总在一起形成一个程序,并将其存储在计算机中。通过逐条指令执行来完成问题的求解。
计算机的体系结构指程序员所看到的机器的属性,即机器的概念性结构和功能表现。这些属性主要是指令系统、数据表示、中断系统、寄存器组织等。
处理器的基本组成包括:寄存器、运算器和控制器
处理器的内部有大量的寄存器:通用寄存器、基址寄存器、变址寄存器、程序计数器、指令寄存器、状态控制字寄存器以及用户透明的MAR、MDR
处理器的所有工作都是在控制单元 CU 的指挥下完成的。处理数据的功能单元叫算术逻辑单元 ALU,它的功能是对数据进行各种算术运算或逻辑运算。
处理器的工作过程 处理器的主要工作就是周而复始地执行指令,所以它的基本功能包括取指令、分析指令、取数据、处理数据、写回结果。
(1) 取指令。处理器根据 PC 给出的主存地址访问主存储器,取出一个标准字长的指令,将其送入处理器内部专门存放当前指令的指令寄存器 IR,
然后 PC 加 1。
(2) 分析指令。处理器将指令寄存器 IR 中的操作码部分取出送入指令译码器(Decoder)进行译码。根据译码结果判断出指令的功能(即指令将要
执行什么操作)、操作数的寻址方式以及操作数的数据类型,形成源操作数或目的操作数的物理地址。
(3) 取数据。根据源操作数的物理地址访问主存储器,取出源操作数。源操作数将被送入处理器内部的数据寄存器,如累加器ACC。
(4) 处理数据。处理器将源操作数送入运算器,并根据指令译码结果启动运算器的相应操作对数据进行处理。处理结果存回通用数据寄存器或缓冲寄
存器。
(5) 写回结果。如果指令要求将结果写回寄存器或主存储器,那么处理器将根据目的操作数的地址,将目的操作数写入寄存器或主存储器。
机器周期、时钟周期、主存周期、指令周期
处理器每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期。
时钟周期是计算机的基准时钟(一个节拍)。
机器周期是所有指令执行过程中的一个基准时间。选取处理器访问一次主存的时间(也称主存周期)作为机器周期。
指令(操作码和操作数)
指令是处理器完成的最小功能单位。所有指令的集合称为指令集。指令也是计算机体系结构中最重要的属性。
指令包括操作码和操作数。
操作码规定了指令所具有的功能。
操作数是指令所要处理的数据。常以数据所在存储单元的地址形式给出。也称 “指令地址码”。
指令格式的特征。
每一条指令的机器码(二进制数的编码具有唯一性)
微指令:把在同一 CPU 周期内并行执行的微操作控制信息,存储在控制存储器里,称为一条微指令(Microinstruction)。它是微命令的组合,微
指令存储在控制器中的控制存储器中。
一条机器指令对应一个微程序,微程序由若干条微指令序列组成。
从指令与微指令,程序与微程序,地址与微地址的一一对应关系来看,前者与内存储器有关,后者与控制存储器有关。
寻址方式:
立即数寻址
直接寻址
间接寻址
堆栈寻址
寄存器寻址
寄存器间接寻址
基址寻址
变址寻址
所谓寻址方式(Addressing)指的是指令按照何种方式寻找或访问到所需的操作数或信息。
寻址方式分为指令寻址和数据寻址。
指令寻址是为了找到下一条指令;
数据寻址是为了找到本条指令所需的操作数。
对于指令寻址:顺序寻址和跳跃寻址。
数据寻址(采用不同寻址方式的目的是缩短指令字长,扩大寻址空间,提高编程灵活性 )
转移指令和子程序调用的区别
转移指令和子程序的调用都是程序控制类指令,都可以改变程序执行的顺序。
转移指令分条件跳转和无条件跳转。改变程序执行的顺序,改写程序计数器PC 的值,跳到另外的地方去执行另一段程序。不需要对
程序的断点进行保护,跳转之后,不会回到原来的地方继续执行。