大學(xué)計算機計算思維與信息素養(yǎng)第5章

1、1第第5 5章章 機器是如何執(zhí)行程序的機器是如何執(zhí)行程序的哈爾濱工業(yè)大學(xué)計算學(xué)部教授張麗杰張麗杰2第5章 機器是如何執(zhí)行程序的一、通用計算機器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計算機-存儲程序與自動執(zhí)行三、存儲器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機器指令與機器級算法與程序五、運算器和控制器暨CPU：可自動執(zhí)行機器指令和程序的部件六、機器程序的存儲與執(zhí)行七、電子計算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行3第5章 機器是如何執(zhí)行程序的一、通用計算機器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計算機-存儲程序與自動執(zhí)行三、存儲器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？本章導(dǎo)圖本章導(dǎo)圖4計算機器的基本功能

2、計算機器計算機器按計算規(guī)則按計算規(guī)則( (程序程序) )對輸對輸入（數(shù)據(jù)）進(jìn)行變換，入（數(shù)據(jù)）進(jìn)行變換，得到輸出（數(shù)據(jù)）。得到輸出（數(shù)據(jù)）。輸入輸入計算規(guī)則計算規(guī)則( (程序程序& &指令指令) )輸入輸入/ /輸出都是輸出都是0 0和和1 1的形式表達(dá)的形式表達(dá)輸出輸出計算規(guī)則也是計算規(guī)則也是0 0和和1 1的形式表達(dá)的形式表達(dá)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序程序5計算機器的核心運算器運算器中央處理單元中央處理單元CPUCPU控制器控制器存儲器存儲器(主存或內(nèi)主存或內(nèi)存存)程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序與數(shù)程序與數(shù)據(jù)的保存據(jù)的保存程序執(zhí)行與程序執(zhí)行與數(shù)據(jù)計算數(shù)據(jù)計算微處理器微處理器(芯片芯片)可能

3、包含多可能包含多個個CPU（即多核，（即多核，m個控制個控制器器n個運算器）個運算器）6計算機器的核心運算器運算器中央處理單元中央處理單元CPUCPU控制器控制器存儲器存儲器(主存或內(nèi)主存或內(nèi)存存)程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序與數(shù)程序與數(shù)據(jù)的保存據(jù)的保存程序執(zhí)行與程序執(zhí)行與數(shù)據(jù)計算數(shù)據(jù)計算以【存儲單元】為單以【存儲單元】為單位進(jìn)行存儲位進(jìn)行存儲一個存儲單元可以是一個存儲單元可以是8 8位、位、1616位、位、3232位或位或6464位位按【地址按【地址( (編號編號) )】訪】訪問存儲單元問存儲單元以【指令】為單位以【指令】為單位進(jìn)行讀取并執(zhí)行。進(jìn)行讀取并執(zhí)行。一條指令可以保存一條指令可以保存在在1

4、1個或多個存儲個或多個存儲單元中。單元中?；镜倪\算指令就基本的運算指令就是兩個數(shù)的加、減、是兩個數(shù)的加、減、乘、除等運算。乘、除等運算。7圖靈及其貢獻(xiàn)圖靈及其貢獻(xiàn)u圖靈圖靈(Alan Turing, 19121954)，出生于，出生于英國倫敦，英國倫敦，19 歲入劍橋皇家學(xué)院，歲入劍橋皇家學(xué)院，22 歲當(dāng)歲當(dāng)選為皇家學(xué)會會員。選為皇家學(xué)會會員。u1937 年，發(fā)表了論文論可計算數(shù)及其在年，發(fā)表了論文論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用，提出了圖靈機模型，判定問題中的應(yīng)用，提出了圖靈機模型，后來，馮后來，馮諾依曼根據(jù)這個模型設(shè)計出歷史上諾依曼根據(jù)這個模型設(shè)計出歷史上第一臺電子計算機。第一臺電子計算

5、機。u1950 年，發(fā)表了劃時代的文章：機器能年，發(fā)表了劃時代的文章：機器能思考嗎思考嗎?,成為了人工智能的開山之作。成為了人工智能的開山之作。u計算機界于計算機界于1966年設(shè)立了最高榮譽獎：年設(shè)立了最高榮譽獎：ACM圖靈獎。圖靈獎。圖靈機的思想與模型簡介圖靈機的思想與模型簡介(1)圖靈是誰圖靈是誰?你能查閱一下哪些人獲得圖靈獎了嗎？你能查閱一下哪些人獲得圖靈獎了嗎？因為什么貢獻(xiàn)而獲獎呢？因為什么貢獻(xiàn)而獲獎呢？8u所謂計算就是計算者所謂計算就是計算者(人或機器人或機器)對一條兩端可無限延長的紙對一條兩端可無限延長的紙帶上的一串帶上的一串0或或1，執(zhí)行指令一步一步地改變紙帶上的，執(zhí)行指令一步一

6、步地改變紙帶上的0或或1，經(jīng)，經(jīng)過有限步驟最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號串的變換過程。過有限步驟最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號串的變換過程。什么是計算什么是計算100011101100110101100010110101由“程序”控制，一步步將輸入“轉(zhuǎn)換”為輸出輸入輸入輸出輸出程序通用機器圖靈機的思想與模型簡介圖靈機的思想與模型簡介(2)圖靈認(rèn)為什么是計算圖靈認(rèn)為什么是計算?9是關(guān)于數(shù)據(jù)、指令、程序及程序是關(guān)于數(shù)據(jù)、指令、程序及程序/指令自動執(zhí)行的基本思想。指令自動執(zhí)行的基本思想。 輸入被制成一串輸入被制成一串0和和1的紙帶，送入機器中的紙帶，送入機器中-數(shù)據(jù)。如數(shù)據(jù)。如00010000100

7、011 機器可對輸入紙帶執(zhí)行的基本動作包括：機器可對輸入紙帶執(zhí)行的基本動作包括：“翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)0為為1”，或，或 “翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)1為為0”, “前移一位前移一位”, “停止停止”。 對基本動作的控制對基本動作的控制-指令，機器是按照指令的控制選擇執(zhí)行哪一個動作，指令，機器是按照指令的控制選擇執(zhí)行哪一個動作，指令也可以用指令也可以用0和和1來表示：來表示：01表示表示“翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)0為為1”(當(dāng)輸入為當(dāng)輸入為1時不變時不變)，10表表示示“翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)1為為0”(當(dāng)輸入當(dāng)輸入0時不變時不變), 11表示表示“前移一位前移一位”, 00表示表示“停止停止”。 輸入如何變?yōu)檩敵龅目刂瓶梢杂弥噶罹帉懸粋€程序來完成輸入

8、如何變?yōu)檩敵龅目刂瓶梢杂弥噶罹帉懸粋€程序來完成, 如如: 011110110111011100 機器能夠讀取程序，按程序中的指令順序讀取指令，機器能夠讀取程序，按程序中的指令順序讀取指令，讀一條指令執(zhí)行一條指令。由此實現(xiàn)自動計算。讀一條指令執(zhí)行一條指令。由此實現(xiàn)自動計算。圖靈機的思想與模型簡介圖靈機的思想與模型簡介(2)圖靈認(rèn)為什么是計算圖靈認(rèn)為什么是計算?圖靈機的思想10第5章 機器是如何執(zhí)行程序的一、通用計算機器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計算機-存儲程序與自動執(zhí)行三、存儲器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機器指令與機器級算法與程序五、運算器和控制器暨CPU：可自動執(zhí)行機器指令和程序

9、的部件六、機器程序的存儲與執(zhí)行七、電子計算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行11u19441945年間，馮年間，馮.諾伊曼提出諾伊曼提出u “存儲程序存儲程序”的計算機設(shè)計思想，的計算機設(shè)計思想，u并進(jìn)行了實踐，現(xiàn)代計算機普遍來并進(jìn)行了實踐，現(xiàn)代計算機普遍來u講屬于馮講屬于馮.諾伊曼機體系。諾伊曼機體系。u馮馮.諾伊曼機的基本思想：諾伊曼機的基本思想：u運算和存儲分離運算和存儲分離u存儲程序：指令和數(shù)據(jù)以同等地位事先存于存儲器存儲程序：指令和數(shù)據(jù)以同等地位事先存于存儲器, 可按地址尋訪可按地址尋訪, 連續(xù)連續(xù)自動執(zhí)行。自動執(zhí)行。u五大部件構(gòu)成：運算器、控制器、存儲器、輸入

10、設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件構(gòu)成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備u指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示，指令由操作碼和地址碼組成指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示，指令由操作碼和地址碼組成u以運算器為中心，控制器負(fù)責(zé)解釋指令，運算器負(fù)責(zé)執(zhí)行指令以運算器為中心，控制器負(fù)責(zé)解釋指令，運算器負(fù)責(zé)執(zhí)行指令馮馮.諾依曼計算機諾依曼計算機: 思想與構(gòu)成思想與構(gòu)成(1)什么是馮什么是馮.諾依曼計算機諾依曼計算機? 馮.諾依曼(Von.Neumann)計算機12馮馮.諾依曼計算機諾依曼計算機: 思想與構(gòu)成思想與構(gòu)成(2)馮馮.諾依曼計算機的結(jié)構(gòu)是怎樣的諾依曼計算機的結(jié)構(gòu)是怎樣的? 部件有哪些部件有哪些? 部件的關(guān)系怎樣部件的關(guān)系

11、怎樣? 以運算器為中心的馮.諾依曼計算機構(gòu)成圖13馮馮.諾依曼計算機諾依曼計算機: 思想與構(gòu)成思想與構(gòu)成(3)存儲器為中心與運算器為中心相比的優(yōu)點在哪里存儲器為中心與運算器為中心相比的優(yōu)點在哪里? 同樣是五個部件，以不同的結(jié)構(gòu)來連接，便體現(xiàn)了不同的性能同樣是五個部件，以不同的結(jié)構(gòu)來連接，便體現(xiàn)了不同的性能-這就是這就是“系統(tǒng)系統(tǒng)”：強調(diào)：強調(diào)“結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)”，強調(diào)部件連接后的整體性、協(xié)同性，強調(diào)部件連接后的整體性、協(xié)同性以存儲器為中心的現(xiàn)代計算機構(gòu)成圖14第5章 機器是如何執(zhí)行程序的一、通用計算機器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計算機-存儲程序與自動執(zhí)行三、存儲器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四

12、、機器指令與機器級算法與程序五、運算器和控制器暨CPU：可自動執(zhí)行機器指令和程序的部件六、機器程序的存儲與執(zhí)行七、電子計算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行15什么是存儲器？l 存儲器存儲器: :能夠按地址讀或?qū)懨磕軌虬吹刂纷x或?qū)懨恳粋€存儲單元的部件。一個存儲單元的部件。l 地址：是一個地址：是一個n n位的位的0/10/1編碼，編碼，每一個編碼指向一個存儲單每一個編碼指向一個存儲單元，通常記為元，通常記為An-1A0An-1A0。l 存儲單元：一個存儲單位可存儲單元：一個存儲單位可以保存一個以保存一個m m位的數(shù)據(jù)，通常位的數(shù)據(jù)，通常記為記為Dm-1D0Dm-1D0。1

13、6存儲器的容量存儲單元存儲單元( (的內(nèi)容的內(nèi)容) )(存儲單元的存儲單元的)地地址址地址地址 空間空間存儲存儲 字長字長存儲存儲 容量容量地址編碼地址編碼n n位：位： An-1A0 An-1A0地址空間：地址空間： 0000000000000000 0000000000000000 0000000000000001 0000000000000001 1111111111111111 1111111111111111存儲字長存儲字長m m位：位：Dm-1D0Dm-1D0 每個存儲單元都是每個存儲單元都是m m位位存儲容量存儲容量 = 2n = 2n m Bit( m Bit(位位) ) =

14、2n = 2n m/8 Byte m/8 Byte（字節(jié)（字節(jié)) )存儲容量的單位：存儲容量的單位：210210為換算單位為換算單位2n個存儲單元個存儲單元DBDB、NBNB、BBBB、YBYB、ZBZB、EBEB、PBPB、TBTB、GBGB、MBMB、KBKB、ByteByte17對比宿舍樓，理解存儲器的相關(guān)概念 存儲器 宿舍樓存儲單元房間存儲位(存0或存1)床位(住人/不住人)地址編碼An-1A0房間號單元控制線Wi房間鑰匙輸出緩沖器公共的走廊及大門 概念映射概念映射從存儲器與宿舍樓的概念對比從存儲器與宿舍樓的概念對比中，你能發(fā)現(xiàn)什么異同嗎？中，你能發(fā)現(xiàn)什么異同嗎？18存儲器是怎樣存儲0

15、和1的? 又是怎樣控制存取的? 存儲器內(nèi)部的實現(xiàn)示例存儲器內(nèi)部的實現(xiàn)示例當(dāng)單元控制線當(dāng)單元控制線W W和數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)線D D間連接有二極管間連接有二極管時，則存儲的是時，則存儲的是1 1，否則，存儲的是，否則，存儲的是0 0。這。這是只讀存儲器（是只讀存儲器（ROMROM，只能讀出不能寫入），只能讀出不能寫入）示例。示例。當(dāng)單元控制線當(dāng)單元控制線W W和數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)線D D間連接有二極管間連接有二極管時，由單元控制線決定其是輸出時，由單元控制線決定其是輸出1 1或或0 0，即：，即：當(dāng)單元控制線為當(dāng)單元控制線為1 1（高電壓）時，則輸出（高電壓）時，則輸出1 1（高電壓），而當(dāng)單元控制線為（高

16、電壓），而當(dāng)單元控制線為0 0（低電壓）（低電壓）時，則輸出時，則輸出0 0（低電壓）。沒有連接的，則（低電壓）。沒有連接的，則不受單元控制線影響，始終輸出不受單元控制線影響，始終輸出0 0（低電（低電壓）。壓）。 W3,W2,W1,W0W3,W2,W1,W0隨著隨著A1A0A1A0的值同時只能有一個的值同時只能有一個為為1 1（高電壓）其它為（高電壓）其它為0 0（低電壓），即控（低電壓），即控制一個存儲單元所有位的讀寫。制一個存儲單元所有位的讀寫。盡管所有存儲單元的第盡管所有存儲單元的第i i位都連接到位都連接到DiDi，但，但只有將讀取存儲單元的第只有將讀取存儲單元的第i i位對位對Di

17、Di產(chǎn)生作用。產(chǎn)生作用。二極管二極管ROM結(jié)構(gòu)示例結(jié)構(gòu)示例(2位地址控制位地址控制4個存儲單元個存儲單元, 每個存儲單元是每個存儲單元是4位位0/1) 一個存儲單元19讀出過程示例：按地址讀取存儲單元的內(nèi)容二極管二極管ROM結(jié)構(gòu)示例結(jié)構(gòu)示例(2位地址控制位地址控制4個信息單元個信息單元, 每個信息單元是每個信息單元是4位位0/1碼碼) 111010110010111111000001012-42-4地址譯碼器地址譯碼器0101將地址編碼轉(zhuǎn)換為地址單元控制信號將地址編碼轉(zhuǎn)換為地址單元控制信號類比類比:將房間號轉(zhuǎn)換成房間鑰匙將房間號轉(zhuǎn)換成房間鑰匙20存儲矩陣的邏輯控制關(guān)系Dj是數(shù)據(jù)線Ak是地址編碼

18、線Wi是單元控制線存儲矩陣：一種【與或邏輯】陣列存儲矩陣：一種【與或邏輯】陣列【地址編碼線】與【單元控制線】【地址編碼線】與【單元控制線】有黑點則連接，無黑點則不連接。有黑點則連接，無黑點則不連接?！締卧刂凭€】與【數(shù)據(jù)線】有黑【單元控制線】與【數(shù)據(jù)線】有黑點則連接，無黑點不連接。點則連接，無黑點不連接。高高/ /低電壓信號，即低電壓信號，即0,10,1，通過連接，通過連接點相互傳遞。點相互傳遞。上半部是【與】陣列，下半部是上半部是【與】陣列，下半部是【或】陣列?！净颉筷嚵?。21Dj是數(shù)據(jù)線Ak是地址編碼線Wi是單元控制線存儲矩陣的邏輯控制關(guān)系11001000W0 = (NOT A0) AND

19、 (NOT A1)W1 = A0 AND (NOT A1)W2 = (NOT A0) AND A1W3 = A0 AND A1譯碼器：將譯碼器：將A1A0A1A0地址編碼翻譯到只地址編碼翻譯到只有一條單元控制線有一條單元控制線WiWi為為1,1,其它為其它為0 0?！九c】陣列，表述了如何由【與】陣列，表述了如何由A1A0A1A0的的值產(chǎn)生值產(chǎn)生W0,W1,W2,W3W0,W1,W2,W3的值（只能有一的值（只能有一條線為條線為1 1），由橫線向縱線傳輸信），由橫線向縱線傳輸信號號上半部。上半部。同一【單元控制線】上各連接點之同一【單元控制線】上各連接點之間是間是 “ “與與”關(guān)系。即只有各連接

20、點關(guān)系。即只有各連接點都為都為1 1時，該單元控制線的信號為時，該單元控制線的信號為1 1，否則為否則為0 0。22Dj是數(shù)據(jù)線Ak是地址編碼線Wi是單元控制線存儲矩陣的邏輯控制關(guān)系11001000輸出矩陣：將輸出矩陣：將WiWi為為1 1的單元控制線控的單元控制線控制的存儲單元的值進(jìn)行輸出。制的存儲單元的值進(jìn)行輸出。【 或 】 陣 列 ， 表 述 了 如 何 由【 或 】 陣 列 ， 表 述 了 如 何 由W3W2W1W0W3W2W1W0的值產(chǎn)生的值產(chǎn)生D3,D2,D1,D0D3,D2,D1,D0的值。的值。單元控制線與數(shù)據(jù)線之間有黑點連單元控制線與數(shù)據(jù)線之間有黑點連接的，表示存儲的是接的，

21、表示存儲的是1 1，其能否輸出，其能否輸出取決于單元控制線是取決于單元控制線是1 1還是還是0 0。由縱。由縱線向橫線傳輸信號線向橫線傳輸信號下半部。下半部。同一【數(shù)據(jù)線】上各連接點之間是同一【數(shù)據(jù)線】上各連接點之間是 “或或”關(guān)系。即各連接點只要有一關(guān)系。即各連接點只要有一個為個為1 1時，該數(shù)據(jù)線的信號為時，該數(shù)據(jù)線的信號為1 1，否，否則為則為0 0。D3 = W0 OR W2D2 = W1 OR W2 OR W3D1 = W1 OR W2D0 = W0 OR W1 OR W3010123存儲器芯片 vs. 標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓每個房間每個房間8個人，個人，16個房間個房間D7D6D0A3A2A1

22、A04位房間號位房間號8個人個人-出與入出與入樓控樓控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地址編碼線地址編碼線8位位（編碼（編碼256個地址）個地址）數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線8位位（即（即D7D6D5D4D3D2D1D0）控制存儲單元的讀或?qū)懣刂拼鎯卧淖x或?qū)懏?dāng)加高電壓當(dāng)加高電壓(1)時讀出，時讀出，當(dāng)加低電壓當(dāng)加低電壓(0)時寫入。時寫入。芯片是否工作的控制。芯片是否工作的控制。當(dāng)加高電壓當(dāng)加高電壓(1)時不工作，時不工作，

23、當(dāng)加低電壓當(dāng)加低電壓(0)時工作。時工作。168 標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓24一個宿舍樓不夠怎么辦？每個房間每個房間8個人，個人，16個房間個房間D7D6D0A3A2A1A04位房間號位房間號8個人個人-出與入出與入樓控樓控M168 標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓一個標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓：16個房間，每個房間住8人A3A2A1A0 D7D0住宿需求：64個大房間，每個大房間住16人？ B5B4 B3B2B1B0 E15E8E7E025多個宿舍樓拼接在一起使用住宿需求：64個大房間，每個大房間住16人？B5B4B3B2B1B0 E15E8E7E0解決方案第1步：2 個 標(biāo) 準(zhǔn) 宿 舍 樓 對 應(yīng) 相 同 地 址B3B2

24、B1B0的房間構(gòu)成一個大房間，其中編號為E15E8住上面的樓，而E7E0住下面的樓，確保他們的地址A3A2A1A0在同一時刻是相同的，即同時進(jìn)出。E7E6E0E15E14E8B3B2B1B026多組宿舍樓聯(lián)合使用住宿需求：64個大房間，每個大房間住16人？B5B4B3B2B1B0 E15E8E7E0解決方案第2步：2個標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓為一組，64個房間則需要4組（每組16個房間）。用樓控信號控制哪一組。樓控信號為0,1,2,3，使用B5B4來產(chǎn)生樓控信號，使用B3B2B1B0來產(chǎn)生樓內(nèi)的地址。編號0-7的人編號8-15的人3210321027用多個標(biāo)準(zhǔn)宿舍樓可組合出容量更大的宿舍樓 編號0-7的人編

25、號8-15的人32103210B5B4B3B2B1B0樓號樓號樓內(nèi)樓內(nèi) 房間號房間號E15E14E8E7E6E01616個人個人的編號的編號10110100連到所有下層樓的連到所有下層樓的D7D6D0連到所有組連到所有組上層樓的上層樓的D7D6D0連到所有組連到所有組所有樓的所有樓的A3A2A1A03-13：3樓樓13號房間號房間11011128用多個存儲器芯片可搭建容量更大的存儲器 利用利用4 4個個256x8256x8存儲器芯片擴展出存儲器芯片擴展出1024x81024x8存儲器的電路圖存儲器的電路圖問：從概念的角度，你問：從概念的角度，你能說說存儲器擴展要解能說說存儲器擴展要解決什么問題

26、嗎決什么問題嗎? ? 提示：地址編碼空間提示：地址編碼空間, , 存儲字長存儲字長. .A9A8A7A6A0 D7D6D0A7A6A0 D7D6D029第5章 機器是如何執(zhí)行程序的一、通用計算機器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計算機-存儲程序與自動執(zhí)行三、存儲器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機器指令與機器級算法與程序五、運算器和控制器暨CPU：可自動執(zhí)行機器指令和程序的部件六、機器程序的存儲與執(zhí)行七、電子計算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行30計算機如何計算一個運算式?832 + 23 + 631機器級算法算法算法-機器可以執(zhí)行機器可以執(zhí)行的求解問題的規(guī)則及步的求

27、解問題的規(guī)則及步驟。驟。問：怎么看待算法節(jié)省的步數(shù)問：怎么看待算法節(jié)省的步數(shù)? -算法需要算法需要“優(yōu)化優(yōu)化”32機器指令000001 00 00000111操作碼操作碼 地址碼地址碼(如取數(shù)，加法等操作如取數(shù)，加法等操作)(操作中的數(shù)據(jù)的來源操作中的數(shù)據(jù)的來源)機器指令機器指令-是是CPUCPU可以直接分析并執(zhí)行的可以直接分析并執(zhí)行的指令，一般由指令，一般由0 0和和1 1的編碼表示。的編碼表示。指令指令 操作碼操作碼 + + 地址碼；地址碼；000100 000011 000011 000100 機器語言機器語言機器機器能夠執(zhí)行的所有能夠執(zhí)行的所有指令的集合。指令的集合。33機器程序：將機

28、器級算法用機器指令進(jìn)行表達(dá)假設(shè)數(shù)字假設(shè)數(shù)字3 3、8 8、2 2、6 6分別存儲在分別存儲在8 8號、號、9 9號、號、1010號和號和1111號存儲單元號存儲單元機器級機器級算法算法機器語言機器語言 與機器指令與機器指令機器機器 程序程序000001 000100 000011 000100 000011 000010 000101 000110 34將機器程序和數(shù)據(jù)裝載進(jìn)存儲器中?計算計算832+23+6的程的程序序機器程機器程序序 存儲器存儲器存儲單元存儲單元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（編號）地址（編號） 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 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 35改改機器程序，體驗機器程序計算計算832+23+6的程的程序序計算計算542+34+7的程的程序序計算計算ax2+bx+c的程序的程序? 機器程機器程序序 存儲器存儲器存儲單元存儲單元000001 000001 00010 100010 1000011 000011 00010 000010 0000011 000011 000010 000010 000101 000101 00011 000011 0地址（編號）地址（編號） 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 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 000000 000101 000011 000111 00001100000 0 000010 00011036改改機器程序，體驗機器程序程序與數(shù)據(jù)程序與數(shù)據(jù)以同等地位以同等地位存于存儲器存于存儲器中中37第5章 機器是如何執(zhí)行程序的一、通用計算機器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計算機

34、-存儲程序與自動執(zhí)行三、存儲器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機器指令與機器級算法與程序五、運算器和控制器暨CPU：可自動執(zhí)行機器指令和程序的部件六、機器程序的存儲與執(zhí)行七、電子計算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器 算術(shù)、邏輯及移位運算R0R1運算器運算器p(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器p算術(shù)邏輯部件算術(shù)邏輯部件R0 = R1 R0 (賦值賦值, R0既是一個操作數(shù)，又保存運算結(jié)果既是一個操作數(shù)，又保存運算結(jié)果)。其中其中為算術(shù)、邏輯及移位運算符為算術(shù)、邏輯及移位運算符運算器時鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制 PCIR 算術(shù)、邏輯及移位運算R0R1控制器控制器運算器運

35、算器(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器p程序計數(shù)器程序計數(shù)器PCp指令寄存器指令寄存器p信號控制器信號控制器p時鐘與節(jié)拍發(fā)生器時鐘與節(jié)拍發(fā)生器注：PC：程序計數(shù)器-存儲下一要執(zhí)行指令的地址IR：指令寄存器-存儲當(dāng)前指令內(nèi)容 控制器時鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制 PCIR 算術(shù)、邏輯及移位運算 地址地址內(nèi)容內(nèi)容R0R1存儲器存儲器( (內(nèi)存內(nèi)存) )控制器控制器運算器運算器(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器p存儲單元地址存儲單元地址p存儲單元內(nèi)容存儲單元內(nèi)容存儲器時鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制 PCIR 算術(shù)、邏輯及移位運算 00000000 00000000地址地址內(nèi)容內(nèi)容R0R1存儲器存儲器( (內(nèi)存內(nèi)存) )控制器控制器

36、運算器運算器(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器 信號控制線 數(shù)據(jù)線 地址線各部件的連接與控制時鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制00000000 00000000 PCIR 算術(shù)、邏輯及移位運算 00000000 00000000地址地址內(nèi)容內(nèi)容R0R1存儲器存儲器( (內(nèi)存內(nèi)存) )控制器控制器運算器運算器(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器程序程序& &指令指令數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序與數(shù)據(jù)要存在存儲器中u不同的指令，由一組不同的電信號構(gòu)成。有些電信號需要按次序完成。不同的指令，由一組不同的電信號構(gòu)成。有些電信號需要按次序完成。u最小的時間區(qū)隔單位最小的時間區(qū)隔單位-時鐘周期。不同的時鐘周期狀態(tài)稱為節(jié)拍。時鐘周期。不同

37、的時鐘周期狀態(tài)稱為節(jié)拍。u多個節(jié)拍構(gòu)成一個機器周期。一條指令占用一個或多個機器周期。多個節(jié)拍構(gòu)成一個機器周期。一條指令占用一個或多個機器周期。u同一指令的電信號在時鐘與節(jié)拍的控制下按次序產(chǎn)生與傳輸。同一指令的電信號在時鐘與節(jié)拍的控制下按次序產(chǎn)生與傳輸。問：機器的問：機器的“主頻主頻”指的是什么指的是什么?時鐘周期、時鐘周期、節(jié)拍與節(jié)拍與 機器周期機器周期指令執(zhí)行的信號化指令執(zhí)行的信號化-即在節(jié)拍即在節(jié)拍控制下有序地發(fā)出各種電信號控制下有序地發(fā)出各種電信號指令執(zhí)行計算機各部件內(nèi)部的簡單構(gòu)成關(guān)系機器級程序的執(zhí)行機制機器級程序的執(zhí)行機制(5)機器級程序被裝載進(jìn)存儲器中機器級程序被裝載進(jìn)存儲器中運算器

38、運算器寄存器寄存器算術(shù)邏輯部件算術(shù)邏輯部件控制器控制器程序計數(shù)器程序計數(shù)器PCPC指令寄存器指令寄存器信號控制器信號控制器時鐘與節(jié)拍發(fā)生器時鐘與節(jié)拍發(fā)生器存儲器存儲器存儲單元地址存儲單元地址存儲單元內(nèi)容存儲單元內(nèi)容45第5章 機器是如何執(zhí)行程序的一、通用計算機器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計算機-存儲程序與自動執(zhí)行三、存儲器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機器指令與機器級算法與程序五、運算器和控制器暨CPU：可自動執(zhí)行機器指令和程序的部件六、機器程序的存儲與執(zhí)行七、電子計算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行時鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制00000000 00000000

39、PCIR 算術(shù)、邏輯及移位運算 地址地址內(nèi)容內(nèi)容R0R1(數(shù)據(jù)數(shù)據(jù))寄存器寄存器程序程序& &指令指令數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器初始狀態(tài)時鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器寄存器00000000 00000000000001 -(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)算術(shù)、邏輯及移位運算00000100 0000100000000000 00000000地址內(nèi)容R0R1PCIR運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器第1條指令：取指令（2個節(jié)拍）00000100 00001000時鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器

40、寄存器00000000 00000001000001 -(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)00000000 00000011-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)算術(shù)、邏輯及移位運算00000000 0000001100000000 00001000地址內(nèi)容控制控制R0R0R1000001PCIR-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)00000000 00000000運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器第1條指令：執(zhí)行指令（2個節(jié)拍）時鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器寄存器00000000 00000001000001 -(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)00000000 00000011-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)

41、-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)算術(shù)、邏輯及移位運算00000000 0000001100000000 00001000地址內(nèi)容R0R1PCIR運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器第1條指令執(zhí)行結(jié)束狀態(tài)時鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器寄存器00000000 00000001000100 -(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)00000000 00000011-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)算術(shù)、邏輯及移位運算00010000 0000100100000000 00000001地址內(nèi)容R0R1PCIR000001 運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器00000000 00000011第2條指令：

42、取指令（2個節(jié)拍）時鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器寄存器00000000 00000010000100 00000000 0000100000000000 00000011-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)R0算術(shù)、邏輯及移位運算R100000000 0000100000000000 00001001地址內(nèi)容控制控制R1000100PCIR-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)00000000 00000001運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器00000100 00001001第2條指令：執(zhí)行指令（4個節(jié)拍）時鐘與節(jié)拍發(fā)生器信號控制寄存器寄存器00000000 0000001000010

43、0 00000000 0000100000000000 00011000-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)-(隨機的數(shù)值隨機的數(shù)值)R0算術(shù)、邏輯及移位運算R100000000 0000100000000000 00001001地址內(nèi)容000100PCIR00000000 00000011運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器機器級程序的執(zhí)行過程模擬機器級程序的執(zhí)行過程模擬(5)第第2條指令的執(zhí)行條指令的執(zhí)行第2條指令：執(zhí)行指令（4個節(jié)拍-續(xù)）53符號化、符號化、計算化計算化再語再語義化義化程序化程序化執(zhí)行化執(zhí)行化機器級算法機器級算法的結(jié)果的結(jié)果機器程序機器程序-機器指令機器指令運算器和控運算器和控制器

44、：執(zhí)行制器：執(zhí)行機器級機器級算法算法執(zhí)行執(zhí)行用用0/1編碼：編碼：指令和數(shù)據(jù)指令和數(shù)據(jù)存儲器：存儲器：0/1存與取存與取0/1化化信號化信號化存儲存儲程序是如何被執(zhí)行的54程序是如何被執(zhí)行的思維小結(jié)基本思維：算法程序化基本思維：算法程序化程序指程序指令化令化指令存儲化指令存儲化執(zhí)行信號化執(zhí)行信號化機機器器級級算算法法機機器器指指令令機機器器程程序序存存儲儲器器程序在存儲器中程序在存儲器中信號信號次序次序控制控制典典型型計計算算機機程序的執(zhí)行程序的執(zhí)行55第5章 機器是如何執(zhí)行程序的一、通用計算機器的核心-指令、程序及其執(zhí)行二、馮.諾依曼計算機-存儲程序與自動執(zhí)行三、存儲器-怎樣存取程序和數(shù)據(jù)？四、機器指令與機器級算法與程序五、運算器和控制器暨CPU：可自動執(zhí)行機器指令和程序的部件六、機器程序的存儲與執(zhí)行七、電子計算系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)八、圖靈機模型：以狀態(tài)變換表達(dá)程序及其執(zhí)行56計算機系統(tǒng)的發(fā)展計算機系統(tǒng)的發(fā)展微處理器微處理器存儲設(shè)備存儲設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備(顯示器顯示器)輸入設(shè)備輸入設(shè)備類別類別發(fā)展水平發(fā)展水平(字長字長;主頻主頻;晶體管數(shù)目晶體管數(shù)目)(8位位; 5M;1萬顆萬顆)(16位位; 20M;10萬顆萬顆)(32位位; 60M;300萬顆萬顆)(32位位; 1G;2800萬顆萬顆)(64位位; 10G;