《計算機操作系統(tǒng) 》課件-2.1處理器計算

第二章操作系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)目錄1.處理器計算2.存儲系統(tǒng)3.中斷和時鐘本章學(xué)習(xí)要點1）了解處理器的基本結(jié)構(gòu)和執(zhí)行指令過程2）存儲器結(jié)構(gòu)和種類，以及堆棧的作用3）磁盤的結(jié)構(gòu)和使用方式4）掌握中斷的處理過程以及時鐘在系統(tǒng)中的作用2.1處理器計算計算機系統(tǒng)中最主要的兩類資源是計算資源和存儲資源。本節(jié)主要介紹計算機系統(tǒng)中的計算資源，包括處理器指令，尋址方式和寄存器。也就是簡單的介紹在計算機中執(zhí)行指令的過程。2.1.1處理器指令計算機的所有操作都是由機器指令/計算機指令所決定的。每條計算機指令必須包含處理器執(zhí)行所需的信息：操作碼、源操作數(shù)、目的操作數(shù)和下一條指令地址。圖2-1給出了指令執(zhí)行步驟。圖2-1指令執(zhí)行步驟每條計算機指令必須包含處理器執(zhí)行所需的信息：操作碼、源操作數(shù)、目的操作數(shù)和下一條指令地址。操作碼代表了指令要完成的具體操作。操作碼分成幾類：數(shù)據(jù)傳遞、算術(shù)運算、邏輯運算、轉(zhuǎn)換、輸入輸出、系統(tǒng)控制和控制傳遞。源操作數(shù)是指具體操作所需的輸入，可以是一個也可以是多個。源操作數(shù)一般來源于寄存器、內(nèi)存。目的操作數(shù)是指具體操作的結(jié)果，可在寄存器或者內(nèi)存中。下一條指令地址給出了當(dāng)前這條指令執(zhí)行完成后去哪里取下一條指令。圖2-2給出了一個簡單的處理器指令格式，還有很多其他類型的指令格式。在指令的執(zhí)行過程中，根據(jù)指令計數(shù)器給出的地址從內(nèi)存讀取一條指令到處理器相應(yīng)的指令寄存器中，處理器通過分析這條指令所包含的各個字段獲取操作數(shù)，并執(zhí)行操作碼所指定的操作，最后將操作結(jié)果存入目的操作數(shù)當(dāng)中。同時，在讀入這條指令后，指令計數(shù)器根據(jù)當(dāng)前指令所占存儲空間，自動的指向下一條指令的地址。圖2-2一種簡單的處理器指令格式因為機器指令都是由二進(jìn)制表示的，可讀性差。為了增強可讀性，機器指令一般采用指令符號表示。以下給出幾個簡單的例子：ADD 加法操作SUB 減法操作MPY 乘法操作DIV 除法操作LOAD 從存儲器取數(shù)據(jù)操作STOR 將數(shù)據(jù)存儲到存儲器操作不但操作碼可以用符號表示，源操作數(shù)和目的操作數(shù)都可以用符號來表示。下面給出一個簡單的例子：ADD R，Y這條指令包含以下幾個含義：有兩個源操作數(shù)，一個源操作數(shù)存儲在內(nèi)存中，地址是Y；另一個操作數(shù)存儲在R寄存器中；

兩個操作數(shù)要進(jìn)行ADD（加法操作），也即內(nèi)存中的一個數(shù)加上寄存器中的一個數(shù)；并將結(jié)果存入到目的操作數(shù)，也即寄存器R中[1]。2.1.2尋址方式尋址方式就是處理器根據(jù)指令中給出的地址信息來尋找物理地址的方式，是確定本條指令相關(guān)的數(shù)據(jù)地址以及下一條要執(zhí)行的指令地址的方法。根據(jù)查找數(shù)據(jù)地址還是指令地址，尋址方式分為兩類，即指令尋址方式和數(shù)據(jù)尋址方式，前者比較簡單，后者比較復(fù)雜。但是指令尋址與數(shù)據(jù)尋址是交替進(jìn)行的，先進(jìn)行指令尋址，查找到指令后讀入處理器，在執(zhí)行這條指令的過程中需要進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)尋址，找到操作數(shù)。執(zhí)行完這條指令后，又一次進(jìn)行指令尋址，查找下一條指令。此過程交替執(zhí)行。1.兩種指令尋址方式（1）順序?qū)ぶ贩绞街噶钜话沩樞虻拇鎯υ趦?nèi)存中，當(dāng)執(zhí)行一段程序時，通常是一條指令接一條指令地順序取指執(zhí)行。也就是說，從存儲器取出第1條指令，執(zhí)行這條指令，接著從存儲器取出第2條指令，執(zhí)行第2條指令，依次執(zhí)行。對這種順序執(zhí)行的過程，對應(yīng)的指令取指方式叫做順序?qū)ぶ贩绞健榇?，必須使用程序計?shù)器（又稱指令計數(shù)器）PC來記錄指令的地址。處理器根據(jù)PC給出的地址取出相應(yīng)指令，同時修改PC的值，使其指向下一條指令地址。1.兩種指令尋址方式（2）跳躍尋址方式當(dāng)程序執(zhí)行轉(zhuǎn)移或者函數(shù)調(diào)用等相關(guān)指令時，需要改變順序執(zhí)行模式，那么指令的尋址就會采取跳躍尋址方式。所謂跳躍，是指下條指令的地址碼不是由程序計數(shù)器PC給出，而是由正在處理器上執(zhí)行的指令給出。程序跳躍后，按新的指令地址開始順序執(zhí)行。因此，PC的內(nèi)容也必須相應(yīng)改變，以便及時跟蹤新的指令地址。采用指令跳躍尋址方式，可以實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移，構(gòu)成循環(huán)程序，從而能縮短程序長度，或?qū)⒛承┏绦蜃鳛楣渤绦蛞?。指令系統(tǒng)中的各種條件轉(zhuǎn)移、無條件轉(zhuǎn)移指令以及函數(shù)調(diào)用，就是為了實現(xiàn)指令的跳躍尋址而設(shè)置的。2.數(shù)據(jù)尋址方式形成操作數(shù)的有效地址的方法稱為數(shù)據(jù)尋址方式。下面介紹一些比較典型又常用的數(shù)據(jù)尋址方式。（1）隱含尋址（2）立即尋址（3）直接尋址（4）間接尋址（5）寄存器尋址方式和寄存器間接尋址方式（6）相對尋址方式（7）基址尋址方式（8）變址尋址方式（9）塊尋址方式2.1.3寄存器寄存器是中央處理器的組成部分，是有限存貯容量的高速存儲部件，可用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序計數(shù)器／指令計數(shù)器(PC)。在中央處理器的算術(shù)及邏輯部件中，寄存器有累加器(ACC)。寄存器是CPU內(nèi)部的元件，包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器。寄存器的讀寫速度高，因此在寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送非?？?。寄存器是系統(tǒng)獲得操作數(shù)的最快速途徑。寄存器通常都是以他們可以保存的位數(shù)量來定義，舉例來說，一個“8位寄存器”或“32位寄存器”。例如，x86指令集定義八個32位寄存器的集合，但一個實際x86指令集的CPU可以包含比八個更多的寄存器。1.寄存器分類根據(jù)根據(jù)寄存器的用途，主要分成以下幾類：（1）數(shù)據(jù)寄存器：用來儲存整數(shù)數(shù)字。在某些簡單/舊的CPU中，特別地，數(shù)據(jù)寄存器是累加器，作為數(shù)學(xué)計算之用。（2）地址寄存器：用來存放存儲器地址，用來訪問存儲器。（3）通用目的寄存器（GPRs）：保存數(shù)據(jù)或地址，即結(jié)合了數(shù)據(jù)寄存器或地址寄存器的功能。（4）浮點寄存器（FPRs）：用來儲存浮點數(shù)據(jù)。（5）常數(shù)寄存器：用來存放只讀的數(shù)值（例如0、1、圓周率等等）。（6）向量寄存器：用來儲存由向量處理器運行SIMD（SingleInstruction,MultipleData）指令所得到的數(shù)據(jù)。（7）特殊目的寄存器：儲存CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)，比如程序計數(shù)器、堆棧寄存器、程序狀態(tài)寄存器等。（8）指令寄存器：儲存當(dāng)前正在被執(zhí)行的指令。（9）索引寄存器：用于在程序運行過程中更改運算對象的地址。2.X86寄存器X86有14個32位寄存器，按用途可分為通用寄存器、指令指針、標(biāo)志寄存器和和段寄存器4類。（1）通用寄存器可用于傳送和暫存數(shù)據(jù)，也可參與算術(shù)邏輯運算，并保存運算結(jié)果。除此之外，它們還各自具有一些特殊功能。通用寄存器的長度取決于機器字長。32位CPU的通用寄存器有8個：EAX,EBX,ECX,EDX,EBP,ESP,ESI,EDI，又可以分成2組，一組是數(shù)據(jù)寄存器(4個)，另一組是指針寄存器及變址寄存器(4個)。（2）數(shù)據(jù)寄存器EAX：累加寄存器，常用于運算，在乘除等指令中指定用來存放操作數(shù)。另外，所有的I/O指令都使用EAX與外設(shè)傳送數(shù)據(jù)。EBX：基址寄存器，常用于地址索引。ECX：計數(shù)寄存器，常用于計數(shù)，如在移位指令、循環(huán)(loop)和串處理指令中用作隱含的計數(shù)器。EDX：數(shù)據(jù)寄存器，常用于數(shù)據(jù)傳遞。指針寄存器和變址寄存器：ESP：堆棧指針，與SS配合使用，可指向目前的堆棧位置。EBP：基址指針寄存器，可用作SS的一個相對基址位置。ESI：源變址寄存器，可用來存放相對于DS段之源變址指針。EDI：目的變址寄存器，可用來存放相對于ES段之目的變址指針。這4個32位寄存器主要用來形成操作數(shù)的有效地址。（2）指令指針EIP指令指針EIP是一個32位專用寄存器，它指向當(dāng)前需要取出的指令字節(jié)，當(dāng)BIU（總線接口部件）從內(nèi)存中取出一個指令字節(jié)后，EIP就自動加上所取出指令的長度，以指向下一個指令字節(jié)，如：BIU從內(nèi)存中取出的是1個字節(jié)，EIP就會自動加1；若BIU從內(nèi)存中取出的字節(jié)數(shù)長度為3，則EIP就自動加3。注意，EIP指向的是指令地址的段內(nèi)地址偏移量，又稱偏移地址(OffsetAddress)或有效地址(EA，EffectiveAddress)。（3）標(biāo)志寄存器EFRX86有一個32位的標(biāo)志寄存器EFR，在EFR中有意義的主要有9位，其中6位是狀態(tài)位，3位是控制位。標(biāo)志寄存器又稱程序狀態(tài)字(EPSW)，用于存放條件標(biāo)志、控制標(biāo)志等，以反映處理器的狀態(tài)和運算結(jié)果的某些特征及控制指令的執(zhí)行。（4）段寄存器為了運用所有的內(nèi)存空間，X86設(shè)定了四個段寄存器，專門用來保存段地址