计算机组成原理 教学课件 王诚 郭超峰 计算机组成第5章.ppt

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1、计算机组成原理教学课件王诚教授清华大学计算机系2009年10月1第5章计算机系统概述（计算机组成原理课程若能和汇编语言程序设计结合起来，效果会更佳）5.1指令格式和指令系统概述5.2基本寻址方式概述5.3指令系统举例5.4计算机的汇编语言程序设计数据运算部件计算机控制部件数据存储部件接口线路数据输入设备接口线路结果输出设备数据总线地址总线控制总线计算机主机计算机外围设备计算机的CPU计算机硬件系统的5个功能部件DBABCB3汇编语言层操作系统层指令系统层微体系结构层数字逻辑层高级语言层应用层计算机系统的层次结构可以从6个层次分析和看待计算机系统的基本组成。指令系统层

2、处在硬件系统和软件系统之间，是硬、软件之间的接口部分，对两部分都有重要影响。硬件系统用于实现每条指令的功能，解决指令之间的连接关系；软件由按一定规则组织起来的许多条指令组成，完成一定的数据运算或者事务处理功能。指令系统优劣是一个计算机系统是否成功的关键因素。微体系结构层软件系统硬件系统指令系统在计算机中的地位4计算机系统由硬件和软件两大部分组成。硬件指由中央处理器、存储器以及外围设备等组成的实际装置。软件是为了使用计算机而编写的各种系统的和用户的程序，程序由一个序列的计算机指令组成。指令是计算机运行的最小的功能单元，是指挥计算机硬件运行的命令，是由多个二进制位组成的

3、位串，是计算机硬件可以直接识别和执行的一个信息体。一台计算机提供的全部指令构成该计算机的指令系统。指令用于程序设计人员告知计算机执行一个最基本运算、处理功能，多条指令可以组成一个程序，完成一项预期的任务。1、指令概述、功能和设计要求5具体一点说，可以把设计要求归纳为如下4点：完备性:指令齐全,编程方便规整性:格式与运算规则统一高效性:占内存少,运行省时兼容性:同一系列机软件兼容计算机硬件只能直接识别和使用二进制编码的信息，为此指令都是二进制的位串，很难有其他选择。而程序员却很难用它(机器语言)设计程序，这可通过计算机厂家提供汇编语言来解决，或者提供直接针对解题算法的

4、高级语言。对设计指令系统的要求对指令系统的要求很严格，既要支持程序设计人员用它设计各种程序，越简单、方便越好，又要容易在计算机中用硬件实现这些指令的处理功能，越节省、高效越好，但这两个方面的要求经常是有矛盾的。63个层次的程序设计语言机器语言是计算机硬件能直接识别和运行的指令的集合,是二进制码组成的指令，用机器语言设计程序基本不可行。汇编语言是对计算机机器语言进行符号化处理的结果,再增加一些为方便程序设计而实现的扩展功能。在汇编语言中，可以用英文单词或其缩写替代二进制的指令代码，更容易记忆和理解；还可以选用英文单词来表示程序中的数据(常量、变量和语句标号)，使程序员

5、不必亲自为这些数据分配存储单元，而是留给汇编程序去处理,达到基本可用标准。若在此基础上，能够在支持程序的不同结构特性（如循环和重复执行结构，子程序所用哑变元替换为真实参数）等方面提供必要的支持，使汇编语言基本达到可以实用的程度。汇编程序要经过汇编器翻译成机器语言后方可运行7高级语言又称算法语言，它的实现思路，不再是过分地“靠拢”计算机硬件的指令系统，而是着重面向解决实际问题所用的算法，瞄准的是如何使程序设计人员能够方便地写出处理问题和解题过程的程序，力争使程序设计工作的效率更高。目前常用的高级语言有BASIC、PASCAL、C、C++、JAVA、PROLOG、VHD

6、L等上百种。用这些语言设计出来的程序，通常需要经过一个叫做编译程序的软件先翻译成机器语言程序，才能在计算机的硬件系统上予以执行，个别的选用解释执行方案。高级语言的程序通用性强，在不同型号的计算机之间更容易移植。3个层次的程序设计语言8确定指令系统的两种思路从降低硬件系统构成的复杂程度、提高指令执行的速度和并行性考虑，确定指令系统时有两种思路：RISC（ReducedInstructionSetComputer）通常称为精简指令系统的计算机。提供数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令，追求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容易在单块超大规模集成电路的芯片内制做出

7、来。指令并行性好。CISC（ComplexInstructionSetComputer）通常称为复杂指令系统的计算机，是相对于RISC一词提出来的。其特点是：指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条指令的功能强，优点是汇编程序设计容易些，但计算机控制器的实现困难多，很多指令被使用的机会比较少。指令并行度差。9指令是用户使用计算机和计算机本身运行的最小的功能单元：①用于设计程序,②指令是由多个二进制位组成的数串,③计算机硬件可直接识别和执行。通常情况下一台计算机需要提供哪些指令呢？计算机用于计算和处理数据，为此，要在计算机硬件系统中设置5种类型的部件：运算器部件、