计算机硬件第2章计算机的工作原理与指令系统

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

2.1计算机系统的硬件结构1-5、7T2、14-16.

18-21.25-27.33-35

e;计算机的五大主要部件、总线结构。

普2.2CPU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，

机CPU控制，x86结构。

2.3内存的组成及读写原理

技

内存组成和基本结构，读写方式，内存与CPU的接口，

堆栈操作。

,其

2.4指令系统

菜指令系统的概念，寻址，x86指令系统简介。

砒2.5计算机的工作过程

CPU的基本工作过程

第1页

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CPU=运算器+控制器+寄存器

⑴运算器CentralProcessingUnit

执行全部的算术和逻辑MPU=一块IC的CPU

>(-运算。

极MicroProcessingUnit

⑵控制器

1

叔计算机的控制中心，控存储器

外

制和同步其他各个部件。输入设备外存储器—输出设

设

不⑶存储器

L

计算机的主要记忆部件,1

张以字节为单位的、线性编内存储器

址的二进制记忆部件。7k主

'机

，

就⑷输入、输出设备H控制

运算器控制器

通过接口电路连接到总士数据

线的计算机外部设备。CPU一地址或指令

第2页

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)

A地址总线(AB)：单向，用于向内存、外部端口传输地址信息。

A数据总线(DB)：双向，传输各种数据信息。

A控制总线(CB)：传输控制信息。包括读写、中断等。

第3页

2.1.2计算机的总线结构

连接到总线上的设备主要有：

>CPU——一般情况下总线由CPU控制

>内部存储器一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。

第4页

2.2CPU的组成与工作原理

CPU主要包括运算器和控制器

时、一口口

1・运算命

ALU：ArithmeticandlogicalUnit

>(-

极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。

技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2：由N个全加器

构成。

,

就＞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

第5页

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)

极⑵指令寄存器IR

<,⑶指令译码器ID,又称操作

妙码译码器、指令功能分析

^解释器。

(4)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

萩

制信号组合。

(6)时序部件，产生定时信号

第6页

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

甘按功能分有通用寄存器和专用寄存器

等⑴通用寄存器

极＞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

技

＞指令寄存器IR等

亦

<»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

砒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

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。

二进制：只有0和1,记数按“逢二进一”规律，第k位权是2k。

二进制十进制

bnbn-ibn-2……bo=dndn_>|dn_2d0-

nn

ZbX2kk

kZdkX10

k=0k=0

1011=1X23+0X22+1X21+1X2°325=3X102+2X101+5X10°

=1X8+0X4+1X2+1X1=3X100+2X10+5X1

第8页

2.2.2计算机中数据信息的表示

|——二进制

二进制：b7b6b5b4b3b2b0

*

一J654321

12J2222222°

1

■

!

■权值：

一1286432168421

，

二进制小数：小数点后第k位权值位2-k=l/2k。

一

/一

f

1

1

1

一二进制：0.B_ib-2>3熊

一

，-3-4

»2^2-222

/

\

o

l

-1/21/41/81/16

-

I

f

i

l权值：0.50.250.1250.0625

l

一

一

，1101.1001（二进制）=1X8+1X4+0X2+1X1+1X0.5

i

/

k

\

c

^

*+0X0.25+0X0.125+1X0.0625

=13,5625（十进制）

第9页

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

#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

2进制。

[125D]=01111101

机hX

博[-125口]原=11111101

.\1符号位』1L数值位

8位原码表示数的范围：-127~+127,且00000000和

遣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变反

[125%=01111101

[-125口反=10000010

符号位二二数值位

第10页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——原码、反码和补码

8位反码表示数的范围：-127〜+127,且00000000和

11111111含义相同。

补码：正数的补码和原码相同，负数的补码为其原码将数值

位求反+1。

极

<,[125D]补=01111101

妙[-125D]^=10000011

^符号位J空数值位

8位补码表示数的范围：-128〜+127,最主要的优点是在

*加、减运算时不需要判断符号位，所以CPU在进行有符号数

的加、减运算时用的是补码。

萩例：分别求出十进制数78D和-120D的原码、反码和补码。

将78D和120D分别转换成二进制：

第11页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——原码、反码和补码

/>

V27821120

4X

239…0：260...0A

H7

12U...1230...0

-

2_9...1215...0

78D=120D=

24...1>27...1>

10011101111000

722...023...1

、21...021...1

_0...1J

和・的原码：

-78D120D

H/

l[78D[=01001110[-1200],,=11111000

^-78D和」20D法反码：八

zl

\v[78D]反=01001110[-120D]^=10000111

78D和-120D的补码：

[78D],=01001110[・120D]补=10001000

h第12页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——原码、反码和补码

8位（字节数）有符号数的原码、反码和补码

十进制原码反码补码

+127011111110111111101111111

+126011111100111111001111110

■■■•••■■■■■■

+2000000100000001000000010

+1000000010000000100000001

0000000000000000000000000

-1100000011111111011111111

-2100000101111110111111110

■■■•••■■■■■■

-126111111101000000110000010

-127111111111000000010000001

-12810000000

一般计算机使用补码表示有符号数。

第13页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——原码、反码和补码

计

*「

机

碱

(0100)4/4/4

仔-41-31-41100

可酷

祓5/5/5

-3/-4A51011

鬼(oHo)

(W10)6/6/6

*-2/-5/-6(fool)

(W00)

萩7/7/7

-1/-6/-7

-0A7/-8

原码/反码/补码

第14页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——原码、反码和补码

三种机器数的比较

⑴对于正数它们相等，而对于负数各有不同的表示。

⑵补码和反码的符号位可作为数值位的一部分看待，

但原码的符号位不允许和数值位同等看待。

7

,⑶原码和反码各有两种零的表示法，而补码具有唯一

-的一种零的表示法。

(4)原码、反码表示的正、负数范围相对零来说是对称

7的，但补码负数表示范围较正数表示范围宽。

1

一补码的运算

—

［X］补+［Y］补=［X+Y］补

7

-X］补-［Y］补二［X-Y］补=［X］补+［-Y］补

第15页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——原码、反码和补码

符号扩展：如将8位转换为16位

甘＞原码的符号扩展

普正数：00101001-0000000000101001

极负数：10101001―1000000000101001

M＞反码的符号扩展

处正数：00101001-0000000000101001

祓负数：10101001一1111111110101001

＞补码的符号扩展

用

正数：00101001-0000000000101001

基

负数：10101001―1111111110101001

砒

80X86有符号扩展的专用指令。

第16页

2.2.2计算生中数国停息的表示

----定点表示法

机器数的定点与浮点表示

甘（1）定点表示法

普所有数据的小数点位置固定不变。小数点”「在机

器中的位置是隐含约定的，并不需要真正地占据一个二

机

M进制位。一般有两种：

»纯整数（小数点在最右边）

处

»纯小数（小数点在最左边）

祓

用

纯小数小数点位置纯整数小数点位置

基

砒

符号位N位数值位

第17页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——点浮表示法

(2)浮点表示法

-5678.1234=-0.56781234X10+4

0.0056781234=+0.56781234X10-2

任何一个数十进制N的浮点表示形式为：

N=MX10E记为N=ME

任何一个二进制数N的浮点表示形式为：

N=MX2E

式中：E和M都是带符号的定点数，E为阶码部分，M为尾

数部分。在大多数计算机中，尾数为纯小数，阶码为纯整数。

第18页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——点浮表示法

^*|1位^^左位m*1位Fn位

^esemsm

阶码部分EY------尾数部分M------3

,»阶码部分的符号位为es，阶码的大小反映了在数N中小数

决

点的实际位置；尾数部分的符号位为ms，它是整个浮点数

*的符号位，表示了该浮点数的正负。

技如E和M为四位、原码表示：

而[-10.1]浮点=00101101[1.01]浮点=00010101

曲浮点表示法与定点表示法比较，在相同字长下前者所能

表示数的范围要大得多，使用比较方便。

献

第19页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——点浮表示法例

外如：-123.456(D)

0.456X2=0.912

骞123(D)=1111011(B)

.912X2=1.824

极.456(D)01110100101(B)\.824X2=1.648

.648X2=1.296

碱-123.456(D)«

.296X2=0.592

仔-1111011.01110100101(B)

.592X2=1.184

=-0.1111011011101001X2+7

祓.184X2=0.368

#如果阶码部分为8为，尾数部分为16.368X2=0.736

位，两部分均为原码时：.736X2=1.472

*.472X2=0.994

阶码：00000111.994X2=1.888

萩尾数:1111101101110100

-123.456的计算机原码表示为:

000001111111101101110100

第20页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——十进制数的表示

4.十进制数的表示

/

/

UBCD码：二进制编码的十进制数(Binary-Code

-

IDecimal),一般用四位二进制代码来表示一位十

进制数，使用最广泛的是8421码，通常称其为标

准码(码)，在微处理器中干脆

J/-BCDNBCD80X86

n»就称之为BCD码。

8421码的主要特点：

>简单直观。从高到低各位的权分别为8、4、2、1。

«~/

n->不允许出现1010〜1111。这六个代码在8421码中

f是非法码。

/

i

^

\

第21页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——非数值数据的表示

5.非数值数据的表示

通常是指字符、字符串、图形符号和汉字等各种数据，

它们通常不用来表示数值的大小，因此又称为非数值数据，

一般情况下不对它们进行算术运算。

<,⑴字符表示方法——ASCH码

妙常见的ASCII码用七位二进制表示一个字符，简称为

码。一个字节右边的七位表示不同的字符代码，而

祓ASCH-7

★最左边一位可以作奇偶校验位，或用于西文和汉字的区分。

A控制码：00H〜1FH

*A数字：30H-39H

萩A大写字母：41H-5AH

A小写字母：61H-7AH

A其他代码为符号

第22页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——ASCII码表

高三位

低四位

000001010011100101110111

外

0000SP0@Pp

0001*!1Aa

骞Qq

00102BRbr

极0011#3CScs

0100$4DTdt

碱

0101%5EUeu

仔0110&6FVfV

6

01117GWgw

祓

1000(8HXhX

•

#1001)9IY1y

**•

1010•JZJz

**

1011+KIk(

1100<L\11

萩

1101-=M1m)

1110•>NAn

1111/9OoDEL

第23页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——汉字编码

⑵汉字表示方法

＞汉字编码的概入

GB码为例

国标码：行、列各94（0-93）,用先行后列的双7位二进制数

表示，即两个字节的最高位为0。

区位码：用二进制国标码表示不很方便，因此汉字也可用

十进制区位码表示。区（行）、位（列）各94（1-94）,用先区后

位的双2位十进制数表示，不足两位前面补0。

机内码：是计算机内部实际使用的表示汉字的代码，在微

机中多用两字节（最高位为1）代码作为机内码。

输入编码：主要有形码（五笔、郑码）、音码（拼音）等。

汉字字模库：有点阵和矢量编码两类。

第24页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——汉字编码

常用汉字编码

>GB2312-80

全称是GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集基本集》，

1980年发布，是中文信息处理的国家标准，中文Windows3.2

极

就是以GB2312-80为基本汉字编码。

施

GB2312-80码共收录6763个简体汉字、682个符号，其中

'妙

汉字部分：一级字3755,以拼音排序，二级字3008,以偏旁排

技序。

不>GBK

GBK编码是中国大陆制订的中文编码扩展国家标准。该编

蒙

码标准兼容GB2312,Windows95/98简体中文版的字库表层编

越码就米用的是GBK。

GBK收录汉字21003个（包括日韩文中的汉字）、符号883个，

简、繁体字融于一库。双字节编码，在码位上和GB2312兼容。

第25页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——汉字编码

>GB12345-90

《信息交换用汉字编码字符集第一辅助集》，目的在于

规范必须使用繁体字的各种场合，以及古籍整理等。

>BIG5

是目前台湾、香港地区普遍使用的一种繁体汉字的编码

标准，包括440个符号，一级汉字5401个、二级汉字7652

个，共计13060个汉字。

>Unicode

国际标准组织针对各国文字、符号进行统一性编码。目

前Unicode是采用16位编码体系，目前版本V2.0于1996公

布，内容包含符号6811个，汉字20902个，韩文拼音11172

个，造字区6400个，保留20249个，共计65534个。

第26页

2.2.2计算机中数据信息的表示

——计算机中的数据类型

微机系统中的数据类型举例

■

＞无符号二进制数

极字节：8位二进制数。

字：16位，内存中存放在2个相邻字节。

.

<

妙双字：32位，内存中存放在2个相邻字（4个相邻字节）。

祓＞带符号的二进制定点整数

；字节：补码表示的8位带符号数。

字整数：补码表示的16位带符号数，双字节。

^

双字整数：补码表示的32位带符号数，四字节。

*

萩四字整数：补码表示的64位带符号数，八字节。

所有带符号的数都以补码形式表示，符号位在首位。CPU

支持前3种，FPU支持后3种。

第27页

2.2.2计算机中数据信息的表示

—计算机中的数据类型

＞浮点数

计由FPU支持，数据格式基于IEEE754标准（书p22图2.7

*「及表2.4）。支持浮点运算的浮点部件（FPU）。X86CPU对应

的浮点处理器一x87,80486以后嵌入于CPU内部。

机

符合IEEE754标准的浮点数有32位（单精度）、64位（双

精度）和80位（扩展精度）三种。

碱

mQEm

仔/号/码X数

*如32位单精度浮点数

越ms：符号位，一位。

E：阶码，8位。移码（偏移量127）表示的指数部分。

m：尾数，23位。原码表示的纯小数。

第28页

2.2.2计算机中数据信息的表示

—计算机中的数据类型

＞BCD数

BCD数分成压缩的BCD数和非压缩的BCD数（UBCD数）

两种。CPU支持两种BCD数，而FPU只支持压缩的BCD数。

■压缩的BCD数是每个字节包含两位十进制数，其低位在

0-3位上，高位在4-7位上；

■而非压缩的BCD数每个字节仅包含一位十进制数，在0-

3位上，高4位无效。

＞字符串——连续存放的一组数据

一般为字节串或字串，用于存放文字信息。CPU一般具

有处理串数据的专用指令，如传送、比较、查找等。

＞指针数据

存放地址或地址的一部分，可以是8位、16位、32位等,

包括近指针和远指针两种。

第29页

2.2.3算术运算与逻辑运算的实现

——二进制加减运算

二进制加减运算

补码加减法运算是最简单的

加法：［X+Y］补=［X］补+［Y］补

减法：［X-Y］补=［X+(-Y)］补=［X］补+［-Y］补

已知［Y］补求［-Y］.的方法：将［Y］,连同符号位一起求反,

末尾加“1"。［—Y］在称为［Y］补的机器负数。

中广,TR

补码加减运算规则如下：

①参加运算的两个操作数均用补码表示；

②按无符号二进制规则运算，符号位作为数的一部分

参加运算；运算结果为补码。

③若做加法，则两数直接相加，若做减法，则将被减

数与减数的机器负数相加；

第30页

2.2.3算术运算与逻辑运算的实现

——补码加减运算例

例：无符号二进制数X-00011101¥=10110100

计求X+Y

00011101

算X+Y=00011101+10110100=11010001+10110100

机2918020911010001

,碱

例：有符号二进制数［X］补二00011101［Y］补二10H0100

仔求［X+Y］补和［X-Y］补

00011101

祓［X+Y］补=［X］补+［Y］补

+10110100

*二00011101+10110100二11010001-----11010001

29-76-47

萩［x-Y］补=［X］补+［-Y］补00011101

=00011101+01001100二01101001〜+0100110°

29［-76］补=76105701101001

第31页

2.2.3算术运算与逻辑运算的实现

——加减运算溢出

溢出的产生和判断

■

所得结果超过机器额定位数，这种情况被称为溢出。

有符号数

极