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第三章 数据处理 3.1 机器指令 软件的主体是程序，程序的核心是算法。 算法：描述求解特定问题的操作步骤的集合。 计算机唯一可以理解的程序设计语言——机器语言。 用0、1编码来表示的基本操作——机器指令。 3.1.1 算法中的基本操作 二进制求和的算法步骤为： ①将被加数放于内存单元x中 ②将加数放于内存单元y中 ③把x中的数值加上y中的数值的，其和存放在内存单元sum中 那么，将会有两个问题： ①如果每次处理的数据都要通过去查找内存地址找到某个内存单元来取数，处理后又放回内存单元中，可以想象效率很低。 ②并且我们是采用0，1编码来编写机器指令的，那么编码长度将会很长。 如何处理这两个问题呢？我们引入寄存器的概念 寄存器：是CPU内的组成部份，是有限存储容量的高速存储部件，它们可用来暂存指令、数据和地址。 引入寄存器后，二进制数求和的算法步骤如下： ①从内存单元x中取出被加数放于寄存器A ②寄存器A中的数值加上从内存单元y中的数值，其和存于寄存器A中 ③把寄存器A中的数值存于内存单元sum中 3.1.2 机器指令 方法就是：我们将这些基本操作编码为计算机可识别和处理的命令，即机器指令。 一条由0、1编码而成的机器指令由两部分组成： ①包含有指出操作类型的操作码 ②以及指出操作数地址的地址码 指令的基本格式 按一条指令所包含的地址码的个数，指令格式可分为：三内存地址、二内存地址、单内存地址和零内存地址指令。 （a）三地址指令： 它所实现的功能是： 从源地址d1和d2中取出两个操作数，进行θ操作（例如加法操作），并将结果送入目标地址d3中。 可记为： d3 ←（d1 ）θ（ d2） （b）二地址指令： 其功能可记为： d2 ←（d1 ）θ（ d2） （c）单地址指令： 其功能可记为： A ←（A ）θ（ d） （d）零地址指令： 这是一种特殊的没有地址码的指令，如空操作指令、停机指令等。 前面讨论的两个二进制数相加的算法为： ①从内存单元100000中取出被加数放于寄存器A中 ②寄存器A中的数值加上从内存单元100001中的数值，其和存于寄存器A中 ③把寄存器A中的数值存于内存单元100010中 ④结束程序运行 这里我们假设，操作码部分用高4位来表示，操作数部分12位用前2位编码寄存器的编号，后10位用来表示内存单元地址。（寄存器编号为00表示寄存器A） 同时假设： ①从内存单元100000中取出被加数放于寄存器A中 该操作的机器指令为： 0001 00 0000100000 ②寄存器A中的数值加上从内存单元100001中的数值，其和存于寄存器A中 该操作的机器指令为： 0011 00 0000100001 ③把寄存器A中的数值存于内存单元100010中 该操作的机器指令为： 0010 00 0000100010 ④结束程序运行 该操作的机器指令为： 0000 00 0000000000 计算机进行数据处理时，既要有程序，也要有数据。因此，通常把内存单元分为程序区和数据区。 3.1.3 指令系统 我们把一台计算机的机器指令集合称为该计算机的指令系统。 当两台计算机对于相同的机器指令形式的程序理解和处理相同时，我们称这两台计算机是在机器指令级别兼容，否则，称在机器指令级别不兼容。 把机器指令的位数称为计算机的字长。显然，计算机字长越长性能越好。 3.2 中央处理器 有条不紊地执行机器指令形式的程序是由中央处理器来完成的。 具有如下四个方面的基本功能： ⅰ指令控制：程序的顺序控制 ⅱ操作控制：CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号来控制各个部件 ⅲ时间控制：对各种操作实施时间上的定时 ⅳ数据加工：对数据进行算术和逻辑运算 3.2.1 CPU的基本构成 传统的CPU由运算器和控制器两大部分组成。但随着浮点运算器、cache等纷纷移入CPU内部，因此CPU的基本部分变成了运算器、cache和控制器。 运算器：相对于控制器而言，它是接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。 主要有两个功能： ①执行所有的算术运算 ②执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。 运算器包括： ⑷通用寄存器：由触发器及其输入控制电路所组成，用来存放当前操作要临时存放的数据。 ⑸变址寄存器：用来存放变址操作时的变址基址数据。 ⑹加法器部件：主要由加法器和相关控制电路组成。 控制器：是统一指挥和控制计算机各个部件按时序协调操作的中心部件。 具备下列功能： ①根据指令在存储器中存放的地址，取出指令，并分析指令，以判别取出的是什么指令。 ②根据判别的结