边缘计算专题：（三）考试必考，计算机计算原理详解

传知学院

一、计算机的硬件组成

1、计算机的构成（冯·诺依曼体系结构）

• 控制器——控制中心，CPU的主要部分，控制各部件协调工作；
  

• 运算器(ALU)——运算部件，实现算数、逻辑运算；
  

• 存储器——存放运行时的数据、程序；
  

• 外部设备——信息输入、输出、存储。
  

2、计算机总线

CPU通过总线连接存储器和各种外部设备。总线是数据总线、控制总线和地址总线的集合。简化的总线结构如图：

二、CPU的组成和工作原理

1、CPU构成

• 处理器构成：一个典型的处理器主要由操作控制器、运算器、寄存器、译码器等部分组成。
  

• 处理器工作过程
  

▶ 处理器的典型工作过程：取指令

将PC指向的存储器单元所存储的指令传送到指令寄存器。

▶ 处理器的典型工作过程：指令译码

将指令寄存器中的指令代码转换成实现指令功能的各种微指令，并通过控制器实现对各部件的控制。

▶ 处理器的典型工作过程：取数据

如果指令的执行需要存储器中的数据，要产生一个存储器读周期。

▶ 处理器的典型工作过程：执行

根据指令的功能，执行指令

2、Intel x86的寄存器

▶ 通用寄存器

Intel x86的32位模式下通用寄存器：

通用寄存器结构：

▶ 通用寄存器的专用性

AX:一般通过累加器进行的操作所花的时间最少。

BX:一般存放基地址，是数据寄存器中唯一可作为存储器指针使用的寄存器。

CX:计数寄存器，在进行循环操作时，用它记录循环的次数。

DX：数据寄存器

▶ 标志寄存器

标志寄存器用于记录运算结果的特征或CPU的工作状态。Intel x86的16位模式下标志寄存器为一个16位专用寄存器，其中包括用于运算和用于控制的标志。

指令周期

▶ 处理器主频：驱动处理器工作的周期性时钟脉冲信号的频率，又称为时钟频率或内核时钟频率，是处理器内核电路的实际工作频率。时钟频率的倒数是时钟周期。

▶ 机器周期：由多个时钟周期组成，是一个处理器基本操作需要的时间，如取指令、取存储器操作数等。

▶ 指令周期：处理器完成一条指令的时间，由一个或多个机器周期组成。

三、指令系统

指令构成

▶ 指令系统：是一个CPU所能够处理的全部指令的集合，是一个CPU的根本属性。

▶ 指令的构成：指令由操作码字段（OP，指明指令功能）和地址码字段（A,或称操作数字段，指明操作数）两部分构成。

操作码(OP)——指明操作，如加、减、与、或、移位、转移等。

地址码(A)——指明操作数存放位置。如CPU的某个寄存器、存储器的某个单元等。部分指令无地址码字段。

2、指令编码列

例如:

Intel x86 CPU加法指令

ADD AX, BX

将寄存器AX和寄存器BX的内容相加，

并将和送到AX寄存器：

(AX) + (BX) → (AX)

该指令由两个字节构成，16位二进制的十六进制为：

01D8H 01D8H = 00000001 11011000

其中：

000000 = ADD，指令操作码

0 = 源为寄存器，指明源操作数

1 = 字(16位)运算，区分字节、字运算

11 = 寄存器方式，指明操作数类型

011 = BX，寄存器编号

000 = AX，寄存器编号

指令功能分类

▶ 指令操作码

确定指令功能，指令按照功能通常可以分为以下几类：

寻址方式

指令获得操作数的方式，分为三种类型：在指令中、在寄存器中、在存储器中。

① 在指令中——立即寻址

可以看作指令中的常数，在汇编中可以以不同进制给出。

二进制，后缀B。例如：01010010B；

十进制，后缀D或缺省。例如：20D或20；

十六进制，后缀H。例如：1000H。

② 在CPU的寄存器中——寄存器寻址

指明寄存器不同的CPU，有不同的寄存器。寄存器有确定的位宽，同时寄存器的使用可能有限制，具体限制因指令的不同而异。

例如：

AL：8位寄存器，AX的低8位
BX：16位寄存器
CH：8位寄存器，CX的高8位

③在存储器中——存储器寻址

根据地址的存在方式不同，可细分为多种具体的寻址方式，主要包括：

● 指令中存在存储器地址——直接寻址

依照在Intel x86汇编中的写法，地址值可以写成二进制、十进制或十六进制。

例如：[100H]、[230D]等；

● 存储器地址在寄存器中——间接寻址

可以用于存放地址的寄存器有BX、BP、SI和DI。

例如：[BX]、[SI]等；

● 由在寄存器和指令中的多部分合成

例如：[BX+1000H]、[SI+180]。

x86指令举例

数据传送指令

加减算术指令

无符号乘除算术指令

逻辑运算指令

逻辑位移指令

循环位移指令

例如：Intel x86处理器指令（汇编格式）

执行过程例

执行指令：ADD AX, [3000H]

第1步：取指令

指令操作：(AX)+[3000H]→(AX)

指令的二进制代码: 0306 0300H

第2步：译码

第3步：取操作数

第4步：执行ADD

第5步：存运算结果

特征和发展

RISC和CSIC

CISC——复杂指令系统计算机

RISC——精简指令系统计算机

CISC的特点：
指令结构复杂，指令数量多，具有多种复杂的寻址方式；

单条指令功能强，执行一条指令需要多个机器周期；

RISC的特点：
指令结构简单，指令数量少，一般不超过100条；
单条指令功能单一，寻址方式简单，指令格式统一；

所有或绝大多数指令在单个机器周期内完成；

四、汇编语言——DEBUG演示

• DEBUG演示——进入DEBUG
  

在Windows下，通过 “开始” → “运行” →键入“CMD”回车 → 键入 “debug”回车，启动DEBUG。键入“？”回车显示全部命令。

• DEBUG演示——键入程序
  

在DEBUG下用DIV指令计算12345678H÷5000H

DIV r16

(DX.AX)÷(r16)，商→(AX)，余数→(DX)（DEBUG下数值只能输入十六进制并不带后缀H）

• DEBUG演示——执行程序段
  

在DEBUG下键入“p”回车单步执行程序，每一次“p”命令执行一条语句。

12345678H÷5000H，商→AX (=3A41H) 余数→DX (=678H)

五、往期回顾

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