计算机组成原理-指令系统与汇编语言 (2)
计算机组成原理与汇编实验报告
计算机组成原理与汇编实验报告姓名：学号：学院：信息科学与工程学院班级：实验1 存储器实验实验目的⏹掌握静态存储随机存储器RAM的工作特性⏹掌握静态存储随机存储器RAM的读写方法实验设备74LS273（一片），静态存储器MEMORY 6116（一片），与门（一片），与非门（一片），单脉冲（一片）,开关若干，灯泡若干实验原理在微机系统中，常用的静态RAM 有6116、6264、62256 等。
在本实验中使用的是6116。
6116 为2K╳8 位的静态RAM，其逻辑图3.1如下：图3.1 6116逻辑图其中A0～10 为11 根地址线，I/O0～7 为8 根数据线，CS 为片选端，OE 为数据输出选通端，WR 为写信号端。
其工作方式见下表3-1：表3-1工作方式表实验所用的半导体静态存储器电路原理如图3.2 所示，实验中的静态存储器一片6116（2K×8）构成，其数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器（74LS273）给出。
地址灯AD0—AD7 与地址线相连，显示地址线内容。
数据开关经一三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。
图3.2 存储器实验原理图因地址寄存器为8 位，接入6116 的地址A7—A0，而高三位A8—A10 接地，所以其实际容量为256 字节。
6116 有三个控制线：CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线）。
当片选有效（CE=0）时，OE=0时进行读操作，WE=0时进行写操作。
本实验中将OE 常接地，在此情况下，当CE=0、WE=0 时进行读操作，CE=0、WE=1 时进行写操作，其写时间与T3 脉冲宽度一致。
控制信号SW-B 为低电平有效，控制信号LDAR 为高电平有效。
实验步骤1. 选择实验设备：根据实验原理图，将所需要的组件从组件列表中拖到实验设计流程栏中。
搭建实验流程：将已选择的组件进行连线（鼠标从一个引脚的端点拖动到另一组件的引脚端，即完成连线）。
计算机组成原理与汇编语言复习题
计算机组成原理与汇编语⾔复习题⼀、填空题1.8位⼆进制补码所能表⽰的⼗进制整数范围是-128⾄+127，前者的⼆进制补码表⽰为10000000，后者的⼆进制补码表⽰为01111111。
2.浮点数表⽰中，数据的范围由阶码的位数决定，数据的精度由尾数决定。
3.已知0和9的ASCII码分别为0110000和0111001，则3的ASCII码为0110011，5的ASCII码为0110101。
4.每条指令由两部分组成，即操作码部分和地址码部分。
5.微程序顺序控制常⽤的两种⽅式是增量⽅式和断定⽅式。
6. 8086CPU从结构上可以分为执⾏单元和总线接⼝单元。
7.在控制器中，程序计数器（PC）的作⽤是存放现⾏指令的地址，并有计数功能。
8.半导体动态RAM靠电容暂存电荷原理存贮信息，⽽半导体静态RAM靠双稳电路（内部交叉反馈）原理存贮息。
9.操作数有三种类型，分别为⽴即数操作数、寄存器操作数和存储器操作数。
10.控制器的控制⽅式有同步控制、异步控制和联合控制三种形式，其中异步控制⽅式最节省时间，同步控制⽅式最浪费时间。
11.某机器定点整数格式字长8位（包括1位符号位），⽤⼆进制表⽰最⼩负数的反码为10000000，最⼤正数的反码为01111111。
12.在数的表⽰范围⽅⾯，浮点⽐定点⼤。
在运算规则⽅⾯，浮点⽐定点复杂。
在运算精度⽅⾯，浮点⽐定点⾼。
13.已知字符A的ASCII码为1000001，则字符B的ASCII码为1000010，字符D的ASCII码为1000100。
14.SN74181 ALU是⼀个4位运算单元，由它组成16位ALU需使⽤4⽚和1⽚SN74182 ,其⽬的是为了实现16位并⾏操作。
15.存储器堆栈中，需要⼀个有加减计数功能寄存器作为堆栈指⽰器SP，来指明堆栈的栈顶位置的变化。
16. 8086CPU具有20根地址线，直接寻址能⼒可达1MB。
17. 运算器的主要功能是进⾏算术运算/逻辑运算。
计算机组成原理答案
计算机组成原理（本）模拟题一计算机组成原理（本）模拟题一一．填空题（共20分）1．计算机软件一般分为两大类：一类叫__系统件__，另一类叫__应用软件__。
操作系统属于系统__软件__ 类。
2．主存与cache的地址映射有_全相联_、_直接映射_、_组相联_三种方式。
3．DMA 控制器按其_内部_结构，分为_选择_型和_多路_型两种。
4．闪速存储器能提供高性能、低功耗、高可靠性及_瞬时启动_能力，为现有的_存储器_体系结构带来巨大变化，因此作为_固态盘_用于便携式电脑中。
5．主存储器的性能指标主要是_存储容量_、_存储时间_、存储周期和存储器带宽。
6．汉字的_输入码_、_字模码_、_内码_是计算机用于汉字输入、内部处理、输出三种不同用途的编码。
7．RISC指令系统的最大特点是：_指令数少_；_指令长度固定_; _指令格式和寻址方式_种类少。
只有取数/ 存数指令访问存储器。
8．存储器和CPU连接时，要完成_DB_的连接；_CB_的连接和_AB_的连接，方能正常工作。
9．衡量总线性能的重要指标是_总线带宽_，它定义为总线本身所能达到的最高_传输速度_。
PCI总线的带宽可达_264MB/S_。
10．微型机的标准总线从16位的_ISA_总线，发展到32位的_EISA_总线和_VISA_总线，又进一步发展到64位的PCI总线。
二．选择题（共30分）1．计算机问世至今，新型机器不断推陈出新，不管怎样更新，依然保有―存储程序‖的概念，最早提出这种概念的是__B__。
A．巴贝奇B．冯. 诺依曼C．帕斯卡D．贝尔2．算术/ 逻辑运算单元74181ALU可完成__C__。
A．16种算术运算功能B．16种逻辑运算功能C．16种算术运算功能和16种逻辑运算功能D．4位乘法运算和除法运算功能3．若浮点数用补码表示，则判断运算结果是否为规格化数的方法是__C__。
A．阶符与数符相同为规格化数B．阶符与数符相异为规格化数C．数符与尾数小数点后第一位数字相异为规格化数D．数符与尾数小数点后第一位数字相同为规格化数4．某SRAM芯片，存储容量为64K×16位，该芯片的地址线和数据线数目为__D__。
计算机组成原理黑皮书笔记
计算机组成原理黑皮书笔记计算机组成原理是计算机科学与技术专业的核心课程之一，是理解计算机硬件工作原理和体系结构的基础。
黑皮书系列是该领域最经典、权威的教材之一，对于学习和理解计算机组成原理具有重要的参考价值。
第一章：引言计算机组成原理是研究计算机硬件系统的基本原理和方法，是计算机科学与技术的核心领域。
它是从硬件角度探讨计算机的结构、功能、性能和工作方式等问题，为软件开发提供了重要的指导。
黑皮书笔记旨在帮助读者深入理解计算机组成原理的核心概念和原则，以及其中涉及的各种技术和工程实践。
第二章：数字逻辑电路数字逻辑电路是计算机硬件的基础组成部分，负责完成数据的存储、传输、处理和控制。
其中包括布尔逻辑、数字信号和逻辑门电路等内容。
通过学习这一章节，我们能够了解到计算机中各种数字组件的工作原理和相互连接方式。
第三章：指令系统与汇编语言指令系统与汇编语言是计算机中实现软件和硬件交互的桥梁。
指令系统规定了计算机能够执行的指令集合，而汇编语言是一种底层的程序设计语言，用于编写与硬件直接交互的程序。
本章节将介绍指令系统的设计原则和汇编语言的基本语法。
第四章：中央处理器中央处理器（CPU）是计算机的核心组件，负责执行指令、进行数据处理和控制系统的运行。
在这一章节中，我们将深入了解CPU的组成结构和工作原理，包括指令周期、流水线技术、缓存等重要概念。
第五章：存储器和存储系统存储器是计算机中用于存储数据和程序的设备，包括主存储器和辅助存储器。
本章将介绍存储器的层次结构、存储技术和存储系统的设计原则，帮助读者理解计算机内存的组织和管理方式。
第六章：输入输出系统输入输出系统是计算机与外部设备进行信息交互的通道，包括输入设备和输出设备。
本章将介绍输入输出系统的工作原理、接口标准和通信方式，帮助读者理解计算机与外设之间的数据传输和控制方式。
第七章：计算机总线计算机总线是各个硬件组件之间进行数据传输和控制的纽带。
本章将介绍总线的类型、结构和工作原理，以及总线的性能和扩展技术。
《计算机组成原理》教程第4章指令系统
4
二 指令的格式
即指令字用二进制代码表示的结构形式
包括 操作码：操作的性质 操作码 地址码：操作数（operand）的存储位置,即参加操作的 operand , 地址码 数据的地址和结果数的地址
操作码域（op） 地址码域（addr）
5
1.操作码 操作码
指令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作。 组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的 规模。 固定长度操作码：便于译码，扩展性差 . 可变长度操作码：能缩短指令平均长度 操作码的的位数决定了所能表示的操作数,n位操 作码最多表示2n种操作
(2)． 堆栈工作过程 ．
（一）进栈操作 ① 建立堆栈，由指令把栈顶地址送入SP，指针 指向栈顶。 ② 进栈：(A)→Msp, (sp)-1→SP ；Msp:存储 器的栈顶单元 （二）出栈操作 （SP）+1→SP, (Msp)→A
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五.指令类型
一个较完善的指令系统应当包括: 数据传送类指令： 例）move、load、store等 算术运算类指令： 例）add、sub、mult、div、comp等 移位操作类指令： 例） shl，shr，srl，srr 逻辑运算类指令： 例）and、or、xor、not等 程序控制类指令： 例）jump、branch、jsr、ret、int等 输入输出指令： 例）in、out等 字符串类指令： 例）如alpha中cmpbge、inswh、extbl等 系统控制类指令： 例）push、pop、test等
18
10) *段寻址方式 段寻址方式 Intel 8086 CPU中采用了段寻址方式（基址寻址的特例）。 由16位段寄存器和16位偏移量产生20位物理地址 11)*自动变址寻址 自动变址寻址 指在变址方式中,每经过一次变址运算时,都自动改变变址寄存 器的内容,以后在PDP-11中详讲.
计算机组成原理-第4章_指令系统
7. 段寻址方式(Segment Addressing)
方法：E由段寄存器的内容加上段内偏移地址而形成。
应用：微型机采用段寻址方式，20位物理地址为16位 段地址左移四位加上16位偏移量。
分类：① 段内直接寻址； ② 段内间接寻址； ③ 段间直接寻址； ④ 段间间接寻址；
9 堆栈寻址方式
堆栈：是一组能存入和取出数据的暂时存储单元。
*** 指令字长度
概念 指令字长度（一个指令字包含二进制代码的位数） 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。 单字长指令 半字长指令 双字长指令
多字长指令的优缺点
优点提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ； 缺点必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运 算速度，又占用了更多的存储空间。
*** 指令系统的发展与性能要求
*** 指令系统的发展
指令：即机器指令，要计算机执行某种操作的命令。
指令划分：微指令、机器指令和宏指令。
简单
复杂
指令系统：一台计算机中所有指令的集合；是表征
计算机性能的重要因素。
系列计算机：基本指令系统相同、基本体系结构相同 的一系列计算机。
*** 对指令系统性能的要求
（2）立即数只能作为源操作数，立即寻址主要用来给寄存 器或存储器赋初值。以A～F开头的数字出现在指令中时，前 面要加0。
（3）速度快（操作数直接在指令中，不需要运行总线周期）
（4）立即数作为指令操作码的一部分与操作码一起放在代 码段区域中。
（5）指令的长度（翻译成机器语言后）较长，灵活性较差。
【例】MOV AX， 10H 执行后（AX）=？ 其中：这是一条字操作指令，源操作数为立即寻址 方式，立即数为0010H，存放在指令的下两个单元。
计算机组成原理指令系统
高级语言与低级语言的性能比较
4.2 指令格式
指令字（简称指令）即表示一条指令的机器字。 指令格式则是指令字用二进制代码表示的结构形式，由 操作码字段和地址码字段组成。
操作码字段பைடு நூலகம்地址码字段
4.2.1
操作码
操作码字段表征指令的操作特性与功能；
操作码字段的位数取决于指令系统的规模，有固定位 数和可变位数；
Ａ1 Ａ1
Ａ2
Ａ3 Ａ2
Ａ1
三地址指令
指令格式如下： θ A1 A2 A3 结果
操作码θ 第一操作数A1 第二操作数A2 A3
(A1)θ(A2)→A3 (PC) +1→PC 这种格式虽然省去了一个地址，但指令长度仍比 较长，所以只在字长较长的大、中型机中使用， 而小型、微型机中很少使用。
3. 指令系统：一台计算机中所有机器指令 的集合，它是表征一台计算机性能的重 要因素，其格式与功能不仅直接影响到 机器的硬件结构也直接影响到系统软件， 影响到机器的适用范围。
下面我们来看一下计算机指令系统的发展过程
50年代：指令系统只有定点加减、逻辑运算、
数据传送、转移等十几至几十条指令。 60年代后期：增加了乘除运算、浮点运算、十 进制运算、字符串处理等指令，指令数目多达 一二百条，寻址方式也趋多样化。 60年代后期开始出现系列计算机
等长（指令规整，译码简单） 例如IBM 370机，该机字长32位，16个通用寄 存器R0～R15 ，共有183条指令；指令的长 度可以分为16位、32位和48位等几种，所有指 令的操作码都是8位固定长度。 固定长度编码的主要缺点是：信息的冗余极大， 使程序的总长度增加。
4.2.2 地址码
计算机组成原理与汇编语言程序设计(第2版)(徐洁)习题解答
数
2
-15
kh da
二进制代
数
-2
-15
1.000000000000000
w.
-1
11.某浮点数字长 16 位,其中阶码 6 位,含 1 位符号位,补码表示,以 2 为 底;尾数 10 位(含 1 位数符),补码表示,规格化。 分别写出下列各典型值的二进制 代码与十进制真值。 (1)非 0 最小正数
数，③典型四则运算的时间来表示。 （4）主存储器容量——可用字节数或单元数（字数）×位数来表示。 （5）外存容量——常用字节数表示。 （6）配备的外围设备及其性能。 （7）系统软件配置。 7.系统软件一般包括哪些部分？列举你所熟悉的三种系统软件。
课 后
（1）基本字长——参加一次运算的数的位数； （2）数据通路宽度——数据总线一次能并行传送的位数；
(4)[X] =00 101010
补
解：[-Y]补=00 001001
+)
0 0
答
案
0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1
课 后
[X] -[Y] =00 110011 , 符号位为 00,结果正确。
补 补
6.用无符号数一位乘法计算 X×Y，写出规范的运算过程。 （1）X=1001 Y=1101
[X] +[Y] =01 100000 , 符号位为 01,为正溢。
补 补
(2)[X] =00 010110
补
[Y] = 00 100101
补
+)
0 0 0 1
补 补
0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1
[X] +[Y] =01 011011 , 符号位为 01,为正溢。 (3)[X] =11 110011
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例2：AAH＋7CH＝（1）26H
无符号数运算： 有符号数运算： 170＋124＝294 范围外，有进位 －86＋124＝28 范围内，无溢出
溢出和进位的应用场合
处理器对两个操作数进行运算时，按照无符号 数求得结果，并相应设置进位标志CF；同时， 根据是否超出有符号数的范围设置溢出标志OF
应该利用哪个标志，则由程序员来决定。也就 是说，如果将参加运算的操作数认为是无符号 数，就应该关心进位；认为是有符号数，则要 注意是否溢出
1. 通用寄存器
8088有8个通用的16位寄存器
（1）数据寄存器: AX BX CX DX （2）变址寄存器: SI DI
（3）指针寄存器: BP SP
4个数据寄存器还可以分成高8位和低8位两个独 立的寄存器，这样又形成8个通用的8位寄存器
AX： AH AL CX： CH CL BX： BH BL DX： DH DL
辅助进位标志AF（Auxiliary Carry Flag）
运算时 D3 位（低半字节）有进位或借位时， AF＝1；否则AF＝ 0
这个标志主要由处理器内部使用， 用于十进制算术运算调整指令中， 用户一般不必关心
3AH＋7CH＝B6H，D3有进位：AF＝1
方向标志DF（Direction Flag）
【编译程序】：把用高级程序设计语言书写的源程序，翻 译成等价的机器语言目标程序，然后再执行。 【解释程序】：把用高级程序设计语言书写的源程序一边 解释成机器代码，一边执行的高级语言程序。
计算机组成原理
College of Computer Science, SWPU
指令信息与格式
1 2 3
指令的 格式
80x86 处理器采用“低对低、高对高”的 存 储 形 式 ， 被 称 为 “ 小 端 方 式 Little Endian”。 相对应还存在“大端方式Big Endian”。
图2-5中0002H“字”单元的内容为： [0002H] = 1234H 0002H号“双字”单元的内容为： [0002H] = 78561234H
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计算机组成原理
指令系统与汇编语言 Computer Science
本章主要内容
汇编语言与机器语言和高级语言的关系 指令信息格式 数据的存储与寻址 8086指令系统
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寄存器、存储器和外存的区别
寄存器是微处理器（ CPU ）内部暂存数据的存储 单元，以名称表示，例如：AX，BX..….等 存储器也就是平时所说的主存，也叫内存，可直 接与CPU进行数据交换。主存利用地址区别 外存主要指用来长久保存数据的外部存储介质， 常见的有硬盘、光盘、磁带、U盘等。外存的数据 只能通过主存间接地与CPU交换数据 程序及其数据可以长久存放在外存，在运行需要 时才进入主存
数据的地址对齐
同一个存储器地址可以是字节单元地址、字单元 地址、双字单元地址等等（视具体情况来确定）
字单元安排在偶地址（ xxx0B ）、双字单元安排 在 模 4 地 址 （ xx00B ） 等 ， 被 称 为 “ 地 址 对 齐 （Align）” 对于不对齐地址的数据，处理器访问时，需要额 外的访问存储器时间 应该将数据的地址对齐，以取得较高的存取速度
用于串操作指令中，控制地址的变化方向：
• 设置DF＝0，存储器地址自动增加； • 设置DF＝1，存储器地址自动减少
CLD 指令复位方向标志：DF＝0 STD 指令置位方向标志：DF＝1
中断允许标志IF（Interrupt-enable Flag）
控制可屏蔽中断是否可以被处理器响应：
• 设置IF＝1，则允许中断；
（1）数据寄存器
AX称为累加器（Accumulator）
使用频度最高。用于算术、逻辑运算以及与外设传送信 息等
BX称为基址寄存器（Base address Register）
常用做存放存储器地址
CX称为计数器（Counter）
作为循环和串操作等指令中的隐含计数器
DX称为数据寄存器（Data register）
DF IF TF
标志寄存器FLAGS
15 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
OF DF IF TF SF ZF
AF
PF
CF
进位标志CF（Carry Flag）
当运算结果的最高有效位有进位（加法）或借 位（减法）时，进位标志置1，即CF＝1； 否则CF＝0
3AH + 7CH＝B6H，没有进位：CF = 0 AAH + 7CH＝（1）26H，有进位：CF = 1
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8088/8086的寄存器结构
8088/8086的寄存器组有
• 8个通用寄存器 • 4个段寄存器 • 1个标志寄存器 图示
• 1个指令指针寄存器
它们均为16位!
汇编语言程序员看到的处理器，就是寄存器 所以，一定要熟悉这些寄存器的名称和作用
图示
存储单元及其存储内容
每个存储单元都有一个编号；被称为 存储器地址
每个存储单元存放一个字节的内容
0002H单元存放有一个数据34H 表达为 [0002H]＝34H
多字节数据存放方式
多字节数据在存储器中占连续的多个存储单元：
存放时，低字节存入低地址，高字节存入高地址； 表达时，用它的低地址表示多字节数据占据的地址空间。
• 设置IF＝0，则禁止中断
该标志在后面中断学习过程很重要！
CLI 指令复位中断标志：IF＝0 STI 指令置位中断标志：IF＝1
陷阱标志TF（Trap Flag）
用于控制处理器进入单步操作方式：
• 设置TF＝0，处理器正常工作；
• 设置TF＝1，处理器单步执行指令
单步执行指令——处理器在每条指令执行结
零标志ZF（Zero Flag）
若运算结果为0，则Z F＝1；
否则Z F＝0
注意：ZF为1表示的结果是0
3AH＋7CH＝B6H，结果不是零：Z F＝0 84H＋7CH＝（1）00H，结果是零：Z F＝1
符号标志SF（Sign Flag）
运算结果最高位为1，则SF＝1；
否则SF＝0
有符号数据用最高有效位表示数据的符号 所以，最高有效位就是符号标志的状态
1. 数据的存储格式
计算机中信息的单位
• 二进制位Bit：存储一位二进制数：0或1
• 字节Byte：8个二进制位，D7～D0 • 字Word：16位，2个字节，D15～D0 • 双字DWord：32位，4个字节，D31～D0
最低有效位LSB：数据的最低位，D0位
最高有效位 MSB：数据的最高位，对应字节、 字、双字分别指D7、D15、D31位
溢出标志OF（Overflow Flag）
若算术运算的结果有溢出，则OF＝1；
否则 OF＝0
3AH + 7CH＝B6H，产生溢出：OF＝1 AAH + 7CH＝（1）26H，没有溢出：OF＝0
什么是溢出?
处理器内部以补码表示有符号数 8位表达的整数范围是：＋127 ~ －128 16位表达的范围是：＋32767 ~ －32768 如果运算结果超出这个范围，就产生了溢出 有溢出，说明有符号数的运算结果不正确 • B6H＝10110110B，最高位为1， 作为有符号数是负数 3AH 7CH ＝ B6H，就是 58＋124＝182，已经超出 •＋ 对 B6H 求反加 1等于： －128 ～＋127范围，产生溢出，故 OF＝ ；补码B6H 01001001B ＋1＝01001010B＝4AH ＝1 74 表达真值是－ 74，显然运算结果也不正确 • 所以，B6H 表达有符号数的真值为－74
8088处理器的各种标志形成了一个 16位的 标志寄存器 FLAGS （程序状态字 PSW 寄 存器）
程序设计需要利用标志的状态
标志寄存器-分类
状态标志－－用来记录程序运行结果的状态信息， 许多指令的执行都将相应地设置它
CF ZF SF PF OF AF
控制标志－－可由程序根据需要用指令设置，用 于控制处理器执行指令的方式
束时，便产生一个编号为1的内部中断 这种内部中断称为单步中断 所以TF也称为单步标志
• 利用单步中断可对程序进行逐条指令的调试 • 这种逐条指令调试程序的方法就是单步调试
8088/8086的存储器结构
存储器是计算机存储信息的地方。掌握数据存储 格式，以及存储器的分段管理对以后的汇编程序 设计非常重要 你能区别寄存器、存储器 (主存 )、外存 (包括硬盘、 光盘、磁带等存储介质)吗？
计算机的程序设计语言
程序设计语言是由字、词和语法规则构成的一个系统。
高级语言
汇编语言 机器语言
高级语言：接近自然英语和数学公式的语言（要通 过编译或解释程序翻译成机器码） 汇编语言：符号化了的机器语言（用助记符来写程 序，靠汇编程序翻译成机器码才能执行） 机器语言：用二进制代码直接表示的语言，
是计算机唯一能识别、执行的语言
常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址
（2）变址寄存器
16位变址寄存器SI和DI
常用于存储器变址寻址方式时提供地址
• SI是源地址寄存器（Source Ination Index）
在串操作类指令中，SI、DI还有较特殊的用法
（3）指针寄存器
指针寄存器用于寻址内存堆栈内的数据
• SP为堆栈指针寄存器（Stack Pointer）,指示堆栈段 栈顶的位置（偏移地址）
存取操作方式、而不是随机存取方式。 SP和BP寄存器与SS段寄存器联合使用以确定堆 用 8088/8086 形成的微机系统中，堆 栈段中的存储单元地址 栈区域被称为堆栈段