第02章 数据操控（计算机科学与技术）.ppt

计算机科学与工程系 * 第2章 数据操控 2.1 计算机体系结构 2.2 机器语言 2.3 程序执行 2.4 算术/逻辑指令 2.5 与其他设备的通信 2.6 其他体系结构 * 2.1 计算机体系结构 * 2.1 计算机体系结构 计算机系统 硬件 软件 中央处理器 运算器 控制器 存储器 内存 外存 ROM RAM 输入输出设备 系统软件 应用软件 磁盘光盘 软盘 硬盘 键盘、鼠标、显示器、打印机、投影仪、扫描仪、摄像头、麦克风、音箱…… CPU和内存合称主机 其它硬件合称外设 * CPU：算术/逻辑单元、控制单元和寄存器组（通用寄存器、专用寄存器） 小而快速的存储单元 临时保存数据和指令 计算（算术和逻辑运算） 协调计算的步骤 算术/逻辑单元ALU （运算器） 寄存器组 控制器 中央处理器 CPU Central Processing Unit * 总线bus CPU和内存及其它部件之间通过总线bus相连： 数据总线：传输数据。数据总线根数决定了计算机的字长。如：“Pentium”CPU有32条数据线，表示每次可以和内存并行交换32位二进制数。 地址总线：指明数据总线上的数据的源地址或目的地址。地址总线的宽度决定了CPU的最大寻址能力。如：“Pentium” CPU有32根地址线，则所允许的最大内存容量为232 B＝4 GB。 控制总线：传送控制信号。 CPU 地址总线（AB） 内存 I/O接口 I/O设备 数据总线（DB） 控制总线（CB） * 1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成； 2）以二进制形式将程序和数据存储在存储器中； 3）采用“存储程序”以便计算机能保存指令和数据以及能够自动依次执行指令。 控制信号流 数据流 存储程序概念－冯.诺依曼结构 * 练习题 1、计算机硬件系统包括_____________________。 主机和外部设备 2、计算机硬件的主机部分主要包括__________。 A.CPU、存储器、键盘和显示器 B.CPU、存储器、I/O接口和总线 C.CPU、芯片组、存储器和总线 D.CPU、存储器、系统BIOS和总线 C 4、内存比外存容量_________，速度________。 小 快 3、外部设备除输入输出设备外，还包括________。A.存储器件 B.显示设备 C.外存储器 D.网络设备 D * 2.2 机器语言 机器语言（machine language） 为了应用存储程序概念，CPU被设计成可以识别二进制模式编码的指令。这组指令以及编码系统统称为机器语言。 机器指令（machine instruction） 使用机器语言表达的指令称为机器指令。 用机器语言编写的程序计算机可以直接识别，执行效率高；但是机器指令难记忆、编程非常困难、可读性差、编写的程序是无法移植的。 * 2.2.1 指令系统 精简指令集计算机RISC：CPU能够执行的指令集很小，效率高，速度快。 如 苹果、IBM和Motorola公司联合开发的PowerPC系列CPU 复杂指令集计算机CISC：CPU能够执行大量复杂的指令，编程方便，因为其单个指令实现的任务在RISC机中需要许多指令才能实现。 如 Intel公司的Pentium系列CPU 这些机器指令被固化在CPU的电路里，用来完成诸如读取数据、清空寄存器及其它基本算术和逻辑运算。不同CPU的指令集可能不兼容。 * 机器指令的类型 数据传输类： 包含请求在各个位置之间传输数据的指令。 算术/逻辑类 告诉控制单元请求在算术/逻辑单元内实现一个活动。 控制类 包含指导程序执行而非数据操作的指令。 程序： 指令1 指令2 指令n 程序是由很多条用二进制编码的 “指令” 通过有序排列组成的。指令告知 CPU：使用哪几个数据、完成什么运算处理等。 * 2.2.2 一种演示用的机器语言 机器指令的编码形式 操作码：指明该指令要求的是什么运算； 操作数：提供关于操作码指定运算的更详细的信息。 其它内容参阅附录C 如：计算256+16，80x86CPU中机器代码如下（以十六进制表示，字长16bit）：B8 00 01 ；把256放入累加器AX05 10 00 ；把16与AX中值相加，结果存入AX 操作码 操作数。80x86CPU中高地址内存单元存放“字内容”的高8位，低地址单元存放“字”的低8位。所以操作数的值是(0010)16，即+16。 * 2.3 程序执行 指令寄存器IR（instruction register） 存储正在执行的指令； 程序计数器PC（program counter） 包含下一个待执行指令的地址。 CPU中两个重要的专用寄存器： * 机器周期（