《概述和指令代碼》課件

概述和指令代碼課程簡(jiǎn)介和學(xué)習(xí)目標(biāo)1介紹計(jì)算機(jī)程序的本質(zhì)探索計(jì)算機(jī)程序的定義、作用以及它如何與計(jì)算機(jī)硬件交互。2學(xué)習(xí)指令代碼的基本概念了解指令代碼的結(jié)構(gòu)、格式以及它們?nèi)绾伪挥?jì)算機(jī)執(zhí)行。3掌握指令尋址方式深入理解各種指令尋址方式，包括立即尋址、寄存器尋址等。什么是計(jì)算機(jī)程序?計(jì)算機(jī)程序是一系列**指令**，它們告訴計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行特定的任務(wù)。就像菜譜告訴廚師如何烹飪菜肴一樣，程序告訴計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行計(jì)算、處理數(shù)據(jù)、控制設(shè)備等。程序使用特定的**編程語言**編寫，這些語言提供了與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的語法和規(guī)則。計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行程序?1指令解析CPU讀取指令并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器可以理解的指令2執(zhí)行指令CPU根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作3數(shù)據(jù)處理CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)和傳輸硬件和軟件的關(guān)系硬件計(jì)算機(jī)的物理組成部分，例如CPU、內(nèi)存、硬盤等。軟件運(yùn)行在硬件上的程序，例如操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等。指令和指令集指令指令是計(jì)算機(jī)執(zhí)行的最小單位，它告訴計(jì)算機(jī)要執(zhí)行什么操作。指令集指令集是所有指令的集合，它定義了計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行的所有操作。不同指令集不同的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)使用不同的指令集，例如x86、ARM等。指令的基本形式操作碼指定要執(zhí)行的操作，如加法、減法、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。操作?shù)提供操作所需的數(shù)據(jù)或地址，例如要操作的數(shù)據(jù)值或要訪問的存儲(chǔ)單元地址。指令格式一般規(guī)則每個(gè)指令都有一個(gè)唯一的操作碼，標(biāo)識(shí)指令要執(zhí)行的操作。操作數(shù)的地址信息，用于指定參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)。指令長(zhǎng)度取決于操作碼、操作數(shù)數(shù)量和尋址方式。指令的尋址方式立即尋址指令中直接包含操作數(shù)的值，例如：MOVAX,100H。直接尋址指令中包含操作數(shù)的地址，例如：MOVAX,[1000H]。寄存器尋址指令中使用寄存器作為操作數(shù)的地址，例如：MOVAX,BX。間接尋址指令中使用寄存器或內(nèi)存單元的內(nèi)容作為操作數(shù)的地址，例如：MOVAX,[BX]。常見的尋址方式立即尋址指令中直接給出操作數(shù)的值，簡(jiǎn)單高效，但靈活性不足。例如：MOVAX,10H直接尋址指令中給出操作數(shù)的地址，靈活方便，但需要額外的空間存儲(chǔ)地址。例如：MOVAX,[1000H]寄存器間接尋址指令中給出寄存器，操作數(shù)的地址存儲(chǔ)在該寄存器中，靈活高效，但需要預(yù)先將地址加載到寄存器中。例如：MOVAX,[BX]基址加偏移尋址指令中給出基址寄存器和偏移量，操作數(shù)的地址等于基址寄存器內(nèi)容加上偏移量，靈活且高效，但需要額外空間存儲(chǔ)偏移量。例如：MOVAX,[BX+10H]數(shù)據(jù)的表示方式數(shù)值數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，包括整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)。字符字母、數(shù)字和符號(hào)，用于表示文字信息。邏輯值表示真或假，用于判斷和控制程序流程。數(shù)值的表示方式十進(jìn)制我們?nèi)粘Ｊ褂玫臄?shù)字系統(tǒng)，使用0到9十個(gè)數(shù)字。二進(jìn)制計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用的數(shù)字系統(tǒng)，使用0和1兩個(gè)數(shù)字。十六進(jìn)制用于簡(jiǎn)化二進(jìn)制表示的數(shù)字系統(tǒng)，使用0到9和A到F十六個(gè)數(shù)字。整數(shù)的表示方式二進(jìn)制用0和1表示數(shù)字，最簡(jiǎn)單的表示方式，適合計(jì)算機(jī)處理。十進(jìn)制我們?nèi)粘Ｉ畛Ｓ玫挠?jì)數(shù)方式，用0到9表示數(shù)字。十六進(jìn)制用0到9和A到F表示數(shù)字，方便表示計(jì)算機(jī)內(nèi)存地址和數(shù)據(jù)。浮點(diǎn)數(shù)的表示方式浮點(diǎn)數(shù)表示帶小數(shù)點(diǎn)的數(shù)字。浮點(diǎn)數(shù)采用科學(xué)計(jì)數(shù)法，用符號(hào)位、階碼和尾數(shù)表示。浮點(diǎn)數(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)。字符的表示方式ASCII碼ASCII碼是美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼的縮寫。它使用7位二進(jìn)制數(shù)來表示128個(gè)字符，包括英文字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)和控制字符。UnicodeUnicode是一種更通用的字符編碼標(biāo)準(zhǔn)，它使用16位或32位二進(jìn)制數(shù)來表示超過100,000個(gè)字符，包括來自世界各地不同語言的字符。指令執(zhí)行的過程1取指CPU從內(nèi)存中取出指令2譯碼CPU將指令轉(zhuǎn)換為機(jī)器可以理解的格式3執(zhí)行CPU根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作4寫回CPU將執(zhí)行結(jié)果寫入內(nèi)存指令執(zhí)行過程是CPU工作的核心，包括取指、譯碼、執(zhí)行和寫回四個(gè)階段。每個(gè)階段都需要協(xié)同工作才能順利完成指令的執(zhí)行。程序計(jì)數(shù)器和指令寄存器程序計(jì)數(shù)器(PC)存儲(chǔ)下一條要執(zhí)行指令的地址。指令寄存器(IR)存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)由多級(jí)存儲(chǔ)器組成，包括高速緩存（Cache）、主存儲(chǔ)器（MainMemory）和輔助存儲(chǔ)器（SecondaryStorage）。高速緩存是最快的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)最近訪問過的數(shù)據(jù)和指令。主存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的主要存儲(chǔ)器，容量較大，速度較慢。輔助存儲(chǔ)器是永久性存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)文件，容量最大，速度最慢。高速緩存的作用加速數(shù)據(jù)訪問緩存存儲(chǔ)器存儲(chǔ)最近使用過的數(shù)據(jù)，避免重復(fù)訪問速度較慢的主存儲(chǔ)器，從而提高程序執(zhí)行速度。提高系統(tǒng)性能緩存可以有效減少磁盤I/O操作，提高數(shù)據(jù)讀取效率，提升整體系統(tǒng)響應(yīng)速度。存儲(chǔ)單元和存儲(chǔ)字長(zhǎng)1存儲(chǔ)單元每個(gè)存儲(chǔ)單元存放一個(gè)字節(jié)(8位)的數(shù)據(jù).2存儲(chǔ)字長(zhǎng)CPU一次能處理的數(shù)據(jù)位數(shù)，也就是CPU的字長(zhǎng).3關(guān)系存儲(chǔ)字長(zhǎng)決定CPU一次能訪問的存儲(chǔ)單元數(shù)量.存儲(chǔ)單元的編址方式物理地址每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)唯一的物理地址，用于標(biāo)識(shí)其在內(nèi)存中的位置。邏輯地址邏輯地址是程序員使用的地址，它可以被操作系統(tǒng)映射到物理地址。線性地址在一些系統(tǒng)中，邏輯地址和物理地址是一致的，被稱為線性地址。段地址在分段系統(tǒng)中，每個(gè)內(nèi)存區(qū)域被分成多個(gè)段，每個(gè)段都有自己的段地址。芯片的集成度發(fā)展摩爾定律集成電路上的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴环叽缈s小隨著技術(shù)的進(jìn)步，芯片上可以容納的晶體管數(shù)量越來越多性能提升更小的芯片意味著更高的性能和更低的功耗成本降低芯片的制造成本隨著時(shí)間的推移而降低Moore定律和芯片性能摩爾定律預(yù)言了芯片性能每?jī)赡攴?，推?dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展。CPU的基本組成控制單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括指令的解釋和執(zhí)行。運(yùn)算單元負(fù)責(zé)完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，是數(shù)據(jù)處理的核心部件。寄存器組用來存放數(shù)據(jù)和指令，是CPU內(nèi)部高速緩存。總線的基本概念數(shù)據(jù)傳輸通道總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于連接各個(gè)部件的共享數(shù)據(jù)傳輸通道。它是一種傳輸信息的公共路徑，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各個(gè)部件之間的通信。信息傳輸方式總線主要傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信息。數(shù)據(jù)傳輸通道可以是單向或雙向的，取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。總線的分類1數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，例如指令、數(shù)據(jù)和地址。2地址總線用于指定數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址，決定CPU訪問哪個(gè)存儲(chǔ)單元。3控制總線用于控制數(shù)據(jù)的傳輸方向、時(shí)序和操作類型?？偩€的傳輸模式1同步傳輸同步傳輸使用統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)控制數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的控制下同步傳輸。它簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但效率較低，因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突或丟失，需要更復(fù)雜的控制邏輯。2異步傳輸異步傳輸使用數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不需要統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)傳輸更加靈活。它效率更高，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，需要額外的信號(hào)來控制數(shù)據(jù)傳輸過程。總線的設(shè)計(jì)要求高速數(shù)據(jù)傳輸總線的設(shè)計(jì)要求確保高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，以滿足現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)高性能的需求?？煽繑?shù)據(jù)傳輸總線的設(shè)計(jì)應(yīng)確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，防止?shù)據(jù)