大学计算机计算思维与信息素养第5章

1、1第第5 5章章 机器是如何执行程序的机器是如何执行程序的哈尔滨工业大学计算学部教授张丽杰张丽杰2第5章 机器是如何执行程序的一、通用计算机器的核心-指令、程序及其执行二、冯.诺依曼计算机-存储程序与自动执行三、存储器-怎样存取程序和数据？四、机器指令与机器级算法与程序五、运算器和控制器暨CPU：可自动执行机器指令和程序的部件六、机器程序的存储与执行七、电子计算系统的发展脉络八、图灵机模型：以状态变换表达程序及其执行3第5章 机器是如何执行程序的一、通用计算机器的核心-指令、程序及其执行二、冯.诺依曼计算机-存储程序与自动执行三、存储器-怎样存取程序和数据？本章导图本章导图4计算机器的基本功能

2、计算机器计算机器按计算规则按计算规则( (程序程序) )对输对输入（数据）进行变换，入（数据）进行变换，得到输出（数据）。得到输出（数据）。输入输入计算规则计算规则( (程序程序& &指令指令) )输入输入/ /输出都是输出都是0 0和和1 1的形式表达的形式表达输出输出计算规则也是计算规则也是0 0和和1 1的形式表达的形式表达数据数据数据数据程序程序5计算机器的核心运算器运算器中央处理单元中央处理单元CPUCPU控制器控制器存储器存储器(主存或内主存或内存存)程序程序数据数据程序与数程序与数据的保存据的保存程序执行与程序执行与数据计算数据计算微处理器微处理器(芯片芯片)可能

3、包含多可能包含多个个CPU（即多核，（即多核，m个控制个控制器器n个运算器）个运算器）6计算机器的核心运算器运算器中央处理单元中央处理单元CPUCPU控制器控制器存储器存储器(主存或内主存或内存存)程序程序数据数据程序与数程序与数据的保存据的保存程序执行与程序执行与数据计算数据计算以【存储单元】为单以【存储单元】为单位进行存储位进行存储一个存储单元可以是一个存储单元可以是8 8位、位、1616位、位、3232位或位或6464位位按【地址按【地址( (编号编号) )】访】访问存储单元问存储单元以【指令】为单位以【指令】为单位进行读取并执行。进行读取并执行。一条指令可以保存一条指令可以保存在在1

4、1个或多个存储个或多个存储单元中。单元中。基本的运算指令就基本的运算指令就是两个数的加、减、是两个数的加、减、乘、除等运算。乘、除等运算。7图灵及其贡献图灵及其贡献u图灵图灵(Alan Turing, 19121954)，出生于，出生于英国伦敦，英国伦敦，19 岁入剑桥皇家学院，岁入剑桥皇家学院，22 岁当岁当选为皇家学会会员。选为皇家学会会员。u1937 年，发表了论文论可计算数及其在年，发表了论文论可计算数及其在判定问题中的应用，提出了图灵机模型，判定问题中的应用，提出了图灵机模型，后来，冯后来，冯诺依曼根据这个模型设计出历史上诺依曼根据这个模型设计出历史上第一台电子计算机。第一台电子计算

5、机。u1950 年，发表了划时代的文章：机器能年，发表了划时代的文章：机器能思考吗思考吗?,成为了人工智能的开山之作。成为了人工智能的开山之作。u计算机界于计算机界于1966年设立了最高荣誉奖：年设立了最高荣誉奖：ACM图灵奖。图灵奖。图灵机的思想与模型简介图灵机的思想与模型简介(1)图灵是谁图灵是谁?你能查阅一下哪些人获得图灵奖了吗？你能查阅一下哪些人获得图灵奖了吗？因为什么贡献而获奖呢？因为什么贡献而获奖呢？8u所谓计算就是计算者所谓计算就是计算者(人或机器人或机器)对一条两端可无限延长的纸对一条两端可无限延长的纸带上的一串带上的一串0或或1，执行指令一步一步地改变纸带上的，执行指令一步一

6、步地改变纸带上的0或或1，经，经过有限步骤最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程。过有限步骤最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程。什么是计算什么是计算100011101100110101100010110101由“程序”控制，一步步将输入“转换”为输出输入输入输出输出程序通用机器图灵机的思想与模型简介图灵机的思想与模型简介(2)图灵认为什么是计算图灵认为什么是计算?9是关于数据、指令、程序及程序是关于数据、指令、程序及程序/指令自动执行的基本思想。指令自动执行的基本思想。 输入被制成一串输入被制成一串0和和1的纸带，送入机器中的纸带，送入机器中-数据。如数据。如00010000100

7、011 机器可对输入纸带执行的基本动作包括：机器可对输入纸带执行的基本动作包括：“翻转翻转0为为1”，或，或 “翻转翻转1为为0”, “前移一位前移一位”, “停止停止”。 对基本动作的控制对基本动作的控制-指令，机器是按照指令的控制选择执行哪一个动作，指令，机器是按照指令的控制选择执行哪一个动作，指令也可以用指令也可以用0和和1来表示：来表示：01表示表示“翻转翻转0为为1”(当输入为当输入为1时不变时不变)，10表表示示“翻转翻转1为为0”(当输入当输入0时不变时不变), 11表示表示“前移一位前移一位”, 00表示表示“停止停止”。 输入如何变为输出的控制可以用指令编写一个程序来完成输入

8、如何变为输出的控制可以用指令编写一个程序来完成, 如如: 011110110111011100 机器能够读取程序，按程序中的指令顺序读取指令，机器能够读取程序，按程序中的指令顺序读取指令，读一条指令执行一条指令。由此实现自动计算。读一条指令执行一条指令。由此实现自动计算。图灵机的思想与模型简介图灵机的思想与模型简介(2)图灵认为什么是计算图灵认为什么是计算?图灵机的思想10第5章 机器是如何执行程序的一、通用计算机器的核心-指令、程序及其执行二、冯.诺依曼计算机-存储程序与自动执行三、存储器-怎样存取程序和数据？四、机器指令与机器级算法与程序五、运算器和控制器暨CPU：可自动执行机器指令和程序

9、的部件六、机器程序的存储与执行七、电子计算系统的发展脉络八、图灵机模型：以状态变换表达程序及其执行11u19441945年间，冯年间，冯.诺伊曼提出诺伊曼提出u “存储程序存储程序”的计算机设计思想，的计算机设计思想，u并进行了实践，现代计算机普遍来并进行了实践，现代计算机普遍来u讲属于冯讲属于冯.诺伊曼机体系。诺伊曼机体系。u冯冯.诺伊曼机的基本思想：诺伊曼机的基本思想：u运算和存储分离运算和存储分离u存储程序：指令和数据以同等地位事先存于存储器存储程序：指令和数据以同等地位事先存于存储器, 可按地址寻访可按地址寻访, 连续连续自动执行。自动执行。u五大部件构成：运算器、控制器、存储器、输入

10、设备和输出设备五大部件构成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备u指令和数据用二进制表示，指令由操作码和地址码组成指令和数据用二进制表示，指令由操作码和地址码组成u以运算器为中心，控制器负责解释指令，运算器负责执行指令以运算器为中心，控制器负责解释指令，运算器负责执行指令冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机: 思想与构成思想与构成(1)什么是冯什么是冯.诺依曼计算机诺依曼计算机? 冯.诺依曼(Von.Neumann)计算机12冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机: 思想与构成思想与构成(2)冯冯.诺依曼计算机的结构是怎样的诺依曼计算机的结构是怎样的? 部件有哪些部件有哪些? 部件的关系怎样部件的关系

11、怎样? 以运算器为中心的冯.诺依曼计算机构成图13冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机: 思想与构成思想与构成(3)存储器为中心与运算器为中心相比的优点在哪里存储器为中心与运算器为中心相比的优点在哪里? 同样是五个部件，以不同的结构来连接，便体现了不同的性能同样是五个部件，以不同的结构来连接，便体现了不同的性能-这就是这就是“系统系统”：强调：强调“结构结构”，强调部件连接后的整体性、协同性，强调部件连接后的整体性、协同性以存储器为中心的现代计算机构成图14第5章 机器是如何执行程序的一、通用计算机器的核心-指令、程序及其执行二、冯.诺依曼计算机-存储程序与自动执行三、存储器-怎样存取程序和数据？四

12、、机器指令与机器级算法与程序五、运算器和控制器暨CPU：可自动执行机器指令和程序的部件六、机器程序的存储与执行七、电子计算系统的发展脉络八、图灵机模型：以状态变换表达程序及其执行15什么是存储器？l 存储器存储器: :能够按地址读或写每能够按地址读或写每一个存储单元的部件。一个存储单元的部件。l 地址：是一个地址：是一个n n位的位的0/10/1编码，编码，每一个编码指向一个存储单每一个编码指向一个存储单元，通常记为元，通常记为An-1A0An-1A0。l 存储单元：一个存储单位可存储单元：一个存储单位可以保存一个以保存一个m m位的数据，通常位的数据，通常记为记为Dm-1D0Dm-1D0。1

13、6存储器的容量存储单元存储单元( (的内容的内容) )(存储单元的存储单元的)地地址址地址地址 空间空间存储存储 字长字长存储存储 容量容量地址编码地址编码n n位：位： An-1A0 An-1A0地址空间：地址空间： 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000001 0000000000000001 1111111111111111 1111111111111111存储字长存储字长m m位：位：Dm-1D0Dm-1D0 每个存储单元都是每个存储单元都是m m位位存储容量存储容量 = 2n = 2n m Bit( m Bit(位位) ) =

14、2n = 2n m/8 Byte m/8 Byte（字节（字节) )存储容量的单位：存储容量的单位：210210为换算单位为换算单位2n个存储单元个存储单元DBDB、NBNB、BBBB、YBYB、ZBZB、EBEB、PBPB、TBTB、GBGB、MBMB、KBKB、ByteByte17对比宿舍楼，理解存储器的相关概念 存储器 宿舍楼存储单元房间存储位(存0或存1)床位(住人/不住人)地址编码An-1A0房间号单元控制线Wi房间钥匙输出缓冲器公共的走廊及大门 概念映射概念映射从存储器与宿舍楼的概念对比从存储器与宿舍楼的概念对比中，你能发现什么异同吗？中，你能发现什么异同吗？18存储器是怎样存储0

15、和1的? 又是怎样控制存取的? 存储器内部的实现示例存储器内部的实现示例当单元控制线当单元控制线W W和数据线和数据线D D间连接有二极管间连接有二极管时，则存储的是时，则存储的是1 1，否则，存储的是，否则，存储的是0 0。这。这是只读存储器（是只读存储器（ROMROM，只能读出不能写入），只能读出不能写入）示例。示例。当单元控制线当单元控制线W W和数据线和数据线D D间连接有二极管间连接有二极管时，由单元控制线决定其是输出时，由单元控制线决定其是输出1 1或或0 0，即：，即：当单元控制线为当单元控制线为1 1（高电压）时，则输出（高电压）时，则输出1 1（高电压），而当单元控制线为（高

16、电压），而当单元控制线为0 0（低电压）（低电压）时，则输出时，则输出0 0（低电压）。没有连接的，则（低电压）。没有连接的，则不受单元控制线影响，始终输出不受单元控制线影响，始终输出0 0（低电（低电压）。压）。 W3,W2,W1,W0W3,W2,W1,W0随着随着A1A0A1A0的值同时只能有一个的值同时只能有一个为为1 1（高电压）其它为（高电压）其它为0 0（低电压），即控（低电压），即控制一个存储单元所有位的读写。制一个存储单元所有位的读写。尽管所有存储单元的第尽管所有存储单元的第i i位都连接到位都连接到DiDi，但，但只有将读取存储单元的第只有将读取存储单元的第i i位对位对Di

17、Di产生作用。产生作用。二极管二极管ROM结构示例结构示例(2位地址控制位地址控制4个存储单元个存储单元, 每个存储单元是每个存储单元是4位位0/1) 一个存储单元19读出过程示例：按地址读取存储单元的内容二极管二极管ROM结构示例结构示例(2位地址控制位地址控制4个信息单元个信息单元, 每个信息单元是每个信息单元是4位位0/1码码) 111010110010111111000001012-42-4地址译码器地址译码器0101将地址编码转换为地址单元控制信号将地址编码转换为地址单元控制信号类比类比:将房间号转换成房间钥匙将房间号转换成房间钥匙20存储矩阵的逻辑控制关系Dj是数据线Ak是地址编码

18、线Wi是单元控制线存储矩阵：一种【与或逻辑】阵列存储矩阵：一种【与或逻辑】阵列【地址编码线】与【单元控制线】【地址编码线】与【单元控制线】有黑点则连接，无黑点则不连接。有黑点则连接，无黑点则不连接。【单元控制线】与【数据线】有黑【单元控制线】与【数据线】有黑点则连接，无黑点不连接。点则连接，无黑点不连接。高高/ /低电压信号，即低电压信号，即0,10,1，通过连接，通过连接点相互传递。点相互传递。上半部是【与】阵列，下半部是上半部是【与】阵列，下半部是【或】阵列。【或】阵列。21Dj是数据线Ak是地址编码线Wi是单元控制线存储矩阵的逻辑控制关系11001000W0 = (NOT A0) AND

19、 (NOT A1)W1 = A0 AND (NOT A1)W2 = (NOT A0) AND A1W3 = A0 AND A1译码器：将译码器：将A1A0A1A0地址编码翻译到只地址编码翻译到只有一条单元控制线有一条单元控制线WiWi为为1,1,其它为其它为0 0。【与】阵列，表述了如何由【与】阵列，表述了如何由A1A0A1A0的的值产生值产生W0,W1,W2,W3W0,W1,W2,W3的值（只能有一的值（只能有一条线为条线为1 1），由横线向纵线传输信），由横线向纵线传输信号号上半部。上半部。同一【单元控制线】上各连接点之同一【单元控制线】上各连接点之间是间是 “ “与与”关系。即只有各连接

20、点关系。即只有各连接点都为都为1 1时，该单元控制线的信号为时，该单元控制线的信号为1 1，否则为否则为0 0。22Dj是数据线Ak是地址编码线Wi是单元控制线存储矩阵的逻辑控制关系11001000输出矩阵：将输出矩阵：将WiWi为为1 1的单元控制线控的单元控制线控制的存储单元的值进行输出。制的存储单元的值进行输出。【 或 】 阵 列 ， 表 述 了 如 何 由【 或 】 阵 列 ， 表 述 了 如 何 由W3W2W1W0W3W2W1W0的值产生的值产生D3,D2,D1,D0D3,D2,D1,D0的值。的值。单元控制线与数据线之间有黑点连单元控制线与数据线之间有黑点连接的，表示存储的是接的，

21、表示存储的是1 1，其能否输出，其能否输出取决于单元控制线是取决于单元控制线是1 1还是还是0 0。由纵。由纵线向横线传输信号线向横线传输信号下半部。下半部。同一【数据线】上各连接点之间是同一【数据线】上各连接点之间是 “或或”关系。即各连接点只要有一关系。即各连接点只要有一个为个为1 1时，该数据线的信号为时，该数据线的信号为1 1，否，否则为则为0 0。D3 = W0 OR W2D2 = W1 OR W2 OR W3D1 = W1 OR W2D0 = W0 OR W1 OR W3010123存储器芯片 vs. 标准宿舍楼每个房间每个房间8个人，个人，16个房间个房间D7D6D0A3A2A1

22、A04位房间号位房间号8个人个人-出与入出与入楼控楼控MA3A2A1A00000000101111000100111112568 RAMI/O0 I/O1 I/O2 I/O3I/O4 I/O5 I/O6 I/O7A0 A1 A2 A3A4 A5 A6 A7 R/W CS地址编码线地址编码线8位位（编码（编码256个地址）个地址）数据线数据线8位位（即（即D7D6D5D4D3D2D1D0）控制存储单元的读或写控制存储单元的读或写当加高电压当加高电压(1)时读出，时读出，当加低电压当加低电压(0)时写入。时写入。芯片是否工作的控制。芯片是否工作的控制。当加高电压当加高电压(1)时不工作，时不工作，

23、当加低电压当加低电压(0)时工作。时工作。168 标准宿舍楼标准宿舍楼24一个宿舍楼不够怎么办？每个房间每个房间8个人，个人，16个房间个房间D7D6D0A3A2A1A04位房间号位房间号8个人个人-出与入出与入楼控楼控M168 标准宿舍楼标准宿舍楼一个标准宿舍楼：16个房间，每个房间住8人A3A2A1A0 D7D0住宿需求：64个大房间，每个大房间住16人？ B5B4 B3B2B1B0 E15E8E7E025多个宿舍楼拼接在一起使用住宿需求：64个大房间，每个大房间住16人？B5B4B3B2B1B0 E15E8E7E0解决方案第1步：2 个 标 准 宿 舍 楼 对 应 相 同 地 址B3B2

24、B1B0的房间构成一个大房间，其中编号为E15E8住上面的楼，而E7E0住下面的楼，确保他们的地址A3A2A1A0在同一时刻是相同的，即同时进出。E7E6E0E15E14E8B3B2B1B026多组宿舍楼联合使用住宿需求：64个大房间，每个大房间住16人？B5B4B3B2B1B0 E15E8E7E0解决方案第2步：2个标准宿舍楼为一组，64个房间则需要4组（每组16个房间）。用楼控信号控制哪一组。楼控信号为0,1,2,3，使用B5B4来产生楼控信号，使用B3B2B1B0来产生楼内的地址。编号0-7的人编号8-15的人3210321027用多个标准宿舍楼可组合出容量更大的宿舍楼 编号0-7的人编

25、号8-15的人32103210B5B4B3B2B1B0楼号楼号楼内楼内 房间号房间号E15E14E8E7E6E01616个人个人的编号的编号10110100连到所有下层楼的连到所有下层楼的D7D6D0连到所有组连到所有组上层楼的上层楼的D7D6D0连到所有组连到所有组所有楼的所有楼的A3A2A1A03-13：3楼楼13号房间号房间11011128用多个存储器芯片可搭建容量更大的存储器 利用利用4 4个个256x8256x8存储器芯片扩展出存储器芯片扩展出1024x81024x8存储器的电路图存储器的电路图问：从概念的角度，你问：从概念的角度，你能说说存储器扩展要解能说说存储器扩展要解决什么问题

26、吗决什么问题吗? ? 提示：地址编码空间提示：地址编码空间, , 存储字长存储字长. .A9A8A7A6A0 D7D6D0A7A6A0 D7D6D029第5章 机器是如何执行程序的一、通用计算机器的核心-指令、程序及其执行二、冯.诺依曼计算机-存储程序与自动执行三、存储器-怎样存取程序和数据？四、机器指令与机器级算法与程序五、运算器和控制器暨CPU：可自动执行机器指令和程序的部件六、机器程序的存储与执行七、电子计算系统的发展脉络八、图灵机模型：以状态变换表达程序及其执行30计算机如何计算一个运算式?832 + 23 + 631机器级算法算法算法-机器可以执行机器可以执行的求解问题的规则及步的求

27、解问题的规则及步骤。骤。问：怎么看待算法节省的步数问：怎么看待算法节省的步数? -算法需要算法需要“优化优化”32机器指令000001 00 00000111操作码操作码 地址码地址码(如取数，加法等操作如取数，加法等操作)(操作中的数据的来源操作中的数据的来源)机器指令机器指令-是是CPUCPU可以直接分析并执行的可以直接分析并执行的指令，一般由指令，一般由0 0和和1 1的编码表示。的编码表示。指令指令 操作码操作码 + + 地址码；地址码；000100 000011 000011 000100 机器语言机器语言机器机器能够执行的所有能够执行的所有指令的集合。指令的集合。33机器程序：将机

28、器级算法用机器指令进行表达假设数字假设数字3 3、8 8、2 2、6 6分别存储在分别存储在8 8号、号、9 9号、号、1010号和号和1111号存储单元号存储单元机器级机器级算法算法机器语言机器语言 与机器指令与机器指令机器机器 程序程序000001 000100 000011 000100 000011 000010 000101 000110 34将机器程序和数据装载进存储器中?计算计算832+23+6的程的程序序机器程机器程序序 存储器存储器存储单元存储单元000001 000001 00010 100010 1000011 000011 00010 000010 0000011 00

29、0011 000010 000010 000101 000101 00011 000011 0 000011 00001100000 000000 0 000010 000010 000110 000110地址（编号）地址（编号） 00000000 0000000000000000 0000000000000000 0000000100000000 0000000100000000 0000001000000000 0000001000000000 0000001100000000 0000001100000000 0000010000000000 0000010000000000 00000

30、10100000000 0000010100000000 0000011000000000 0000011000000000 0000011100000000 0000011100000000 0000100000000000 0000100000000000 0000100100000000 0000100100000000 0000101000000000 0000101000000000 0000101100000000 0000101100000000 0000110000000000 00001100000001 000100 000011 000100 000011 000010

31、000101 000110 程序程序 数据数据 35改改机器程序，体验机器程序计算计算832+23+6的程的程序序计算计算542+34+7的程的程序序计算计算ax2+bx+c的程序的程序? 机器程机器程序序 存储器存储器存储单元存储单元000001 000001 00010 100010 1000011 000011 00010 000010 0000011 000011 000010 000010 000101 000101 00011 000011 0地址（编号）地址（编号） 00000000 0000000000000000 0000000000000000 00000001000000

32、00 0000000100000000 0000001000000000 0000001000000000 0000001100000000 0000001100000000 0000010000000000 0000010000000000 0000010100000000 0000010100000000 0000011000000000 0000011000000000 0000011100000000 0000011100000000 0000100000000000 0000100000000000 0000100100000000 0000100100000000 00001010

33、00000000 0000101000000000 0000101100000000 0000101100000000 0000110000000000 00001100000001 000100 000011 000100 000011 000010 000101 000110 程序程序 数据数据 000000 000101 000011 000111 00001100000 0 000010 00011036改改机器程序，体验机器程序程序与数据程序与数据以同等地位以同等地位存于存储器存于存储器中中37第5章 机器是如何执行程序的一、通用计算机器的核心-指令、程序及其执行二、冯.诺依曼计算机

34、-存储程序与自动执行三、存储器-怎样存取程序和数据？四、机器指令与机器级算法与程序五、运算器和控制器暨CPU：可自动执行机器指令和程序的部件六、机器程序的存储与执行七、电子计算系统的发展脉络八、图灵机模型：以状态变换表达程序及其执行(数据数据)寄存器寄存器 算术、逻辑及移位运算R0R1运算器运算器p(数据数据)寄存器寄存器p算术逻辑部件算术逻辑部件R0 = R1 R0 (赋值赋值, R0既是一个操作数，又保存运算结果既是一个操作数，又保存运算结果)。其中其中为算术、逻辑及移位运算符为算术、逻辑及移位运算符运算器时钟与节拍发生器信号控制 PCIR 算术、逻辑及移位运算R0R1控制器控制器运算器运

35、算器(数据数据)寄存器寄存器p程序计数器程序计数器PCp指令寄存器指令寄存器p信号控制器信号控制器p时钟与节拍发生器时钟与节拍发生器注：PC：程序计数器-存储下一要执行指令的地址IR：指令寄存器-存储当前指令内容 控制器时钟与节拍发生器信号控制 PCIR 算术、逻辑及移位运算 地址地址内容内容R0R1存储器存储器( (内存内存) )控制器控制器运算器运算器(数据数据)寄存器寄存器p存储单元地址存储单元地址p存储单元内容存储单元内容存储器时钟与节拍发生器信号控制 PCIR 算术、逻辑及移位运算 00000000 00000000地址地址内容内容R0R1存储器存储器( (内存内存) )控制器控制器

36、运算器运算器(数据数据)寄存器寄存器 信号控制线 数据线 地址线各部件的连接与控制时钟与节拍发生器信号控制00000000 00000000 PCIR 算术、逻辑及移位运算 00000000 00000000地址地址内容内容R0R1存储器存储器( (内存内存) )控制器控制器运算器运算器(数据数据)寄存器寄存器程序程序& &指令指令数据数据程序与数据要存在存储器中u不同的指令，由一组不同的电信号构成。有些电信号需要按次序完成。不同的指令，由一组不同的电信号构成。有些电信号需要按次序完成。u最小的时间区隔单位最小的时间区隔单位-时钟周期。不同的时钟周期状态称为节拍。时钟周期。不同

37、的时钟周期状态称为节拍。u多个节拍构成一个机器周期。一条指令占用一个或多个机器周期。多个节拍构成一个机器周期。一条指令占用一个或多个机器周期。u同一指令的电信号在时钟与节拍的控制下按次序产生与传输。同一指令的电信号在时钟与节拍的控制下按次序产生与传输。问：机器的问：机器的“主频主频”指的是什么指的是什么?时钟周期、时钟周期、节拍与节拍与 机器周期机器周期指令执行的信号化指令执行的信号化-即在节拍即在节拍控制下有序地发出各种电信号控制下有序地发出各种电信号指令执行计算机各部件内部的简单构成关系机器级程序的执行机制机器级程序的执行机制(5)机器级程序被装载进存储器中机器级程序被装载进存储器中运算器

38、运算器寄存器寄存器算术逻辑部件算术逻辑部件控制器控制器程序计数器程序计数器PCPC指令寄存器指令寄存器信号控制器信号控制器时钟与节拍发生器时钟与节拍发生器存储器存储器存储单元地址存储单元地址存储单元内容存储单元内容45第5章 机器是如何执行程序的一、通用计算机器的核心-指令、程序及其执行二、冯.诺依曼计算机-存储程序与自动执行三、存储器-怎样存取程序和数据？四、机器指令与机器级算法与程序五、运算器和控制器暨CPU：可自动执行机器指令和程序的部件六、机器程序的存储与执行七、电子计算系统的发展脉络八、图灵机模型：以状态变换表达程序及其执行时钟与节拍发生器信号控制00000000 00000000

39、PCIR 算术、逻辑及移位运算 地址地址内容内容R0R1(数据数据)寄存器寄存器程序程序& &指令指令数据数据运算器运算器控制器控制器存储器存储器初始状态时钟与节拍发生器信号控制寄存器寄存器00000000 00000000000001 -(随机的数值随机的数值)-(随机的数值随机的数值)-(随机的数值随机的数值)-(随机的数值随机的数值)算术、逻辑及移位运算00000100 0000100000000000 00000000地址内容R0R1PCIR运算器运算器控制器控制器存储器存储器第1条指令：取指令（2个节拍）00000100 00001000时钟与节拍发生器信号控制寄存器

40、寄存器00000000 00000001000001 -(随机的数值随机的数值)00000000 00000011-(随机的数值随机的数值)-(随机的数值随机的数值)算术、逻辑及移位运算00000000 0000001100000000 00001000地址内容控制控制R0R0R1000001PCIR-(随机的数值随机的数值)00000000 00000000运算器运算器控制器控制器存储器存储器第1条指令：执行指令（2个节拍）时钟与节拍发生器信号控制寄存器寄存器00000000 00000001000001 -(随机的数值随机的数值)00000000 00000011-(随机的数值随机的数值)

41、-(随机的数值随机的数值)算术、逻辑及移位运算00000000 0000001100000000 00001000地址内容R0R1PCIR运算器运算器控制器控制器存储器存储器第1条指令执行结束状态时钟与节拍发生器信号控制寄存器寄存器00000000 00000001000100 -(随机的数值随机的数值)00000000 00000011-(随机的数值随机的数值)-(随机的数值随机的数值)算术、逻辑及移位运算00010000 0000100100000000 00000001地址内容R0R1PCIR000001 运算器运算器控制器控制器存储器存储器00000000 00000011第2条指令：

42、取指令（2个节拍）时钟与节拍发生器信号控制寄存器寄存器00000000 00000010000100 00000000 0000100000000000 00000011-(随机的数值随机的数值)-(随机的数值随机的数值)R0算术、逻辑及移位运算R100000000 0000100000000000 00001001地址内容控制控制R1000100PCIR-(随机的数值随机的数值)00000000 00000001运算器运算器控制器控制器存储器存储器00000100 00001001第2条指令：执行指令（4个节拍）时钟与节拍发生器信号控制寄存器寄存器00000000 0000001000010

43、0 00000000 0000100000000000 00011000-(随机的数值随机的数值)-(随机的数值随机的数值)R0算术、逻辑及移位运算R100000000 0000100000000000 00001001地址内容000100PCIR00000000 00000011运算器运算器控制器控制器存储器存储器机器级程序的执行过程模拟机器级程序的执行过程模拟(5)第第2条指令的执行条指令的执行第2条指令：执行指令（4个节拍-续）53符号化、符号化、计算化计算化再语再语义化义化程序化程序化执行化执行化机器级算法机器级算法的结果的结果机器程序机器程序-机器指令机器指令运算器和控运算器和控制器

44、：执行制器：执行机器级机器级算法算法执行执行用用0/1编码：编码：指令和数据指令和数据存储器：存储器：0/1存与取存与取0/1化化信号化信号化存储存储程序是如何被执行的54程序是如何被执行的思维小结基本思维：算法程序化基本思维：算法程序化程序指程序指令化令化指令存储化指令存储化执行信号化执行信号化机机器器级级算算法法机机器器指指令令机机器器程程序序存存储储器器程序在存储器中程序在存储器中信号信号次序次序控制控制典典型型计计算算机机程序的执行程序的执行55第5章 机器是如何执行程序的一、通用计算机器的核心-指令、程序及其执行二、冯.诺依曼计算机-存储程序与自动执行三、存储器-怎样存取程序和数据？四、机器指令与机器级算法与程序五、运算器和控制器暨CPU：可自动执行机器指令和程序的部件六、机器程序的存储与执行七、电子计算系统的发展脉络八、图灵机模型：以状态变换表达程序及其执行56计算机系统的发展计算机系统的发展微处理器微处理器存储设备存储设备输出设备输出设备(显示器显示器)输入设备输入设备类别类别发展水平发展水平(字长字长;主频主频;晶体管数目晶体管数目)(8位位; 5M;1万颗万颗)(16位位; 20M;10万颗万颗)(32位位; 60M;300万颗万颗)(32位位; 1G;2800万颗万颗)(64位位; 10G;