计算机基础冯·诺依曼原理

u 跳转指令：JUMP——10
跳转指令有两种:当IR5=0时根据标志寄存器 中的各位来决定是否跳转,当IR5=I时根据累 加器和寄存器中数大小是否相等来决定是否 跳转。 u 输出指令：OUT ——11 将累加器，寄存器以及主存上的数据输出显 示。 u CPU操作指令：HALT ——11111111 微处理器停止工作。
u (5)在加法指令中,累加器A是隐含的目的操
作数存放地址,并且加数只允许为立即数、 寄存器直接寻址和间接寻址的操作数,不允 许同主存上的数据进行直接操作。 u (6) 在跳转类指令中 ,一律根据指令中提 供的地址进行跳转,即只有直接寻址一种方 式。 u (7)在输出类指令中,寻址方式只有寄存器寻 址和直接寻址两种。
指令系统表及说明
u 下图为指令系统表：
u 指令系统表说明：
(1)在指令系统中,累加器A只有寄存器寻址 一种方式 。 (2)对于那些在指令中没有设置的寄存器位一 律设为0。 (3)11111111为特殊指令,令CPU停止数据 处理。 (4)在传送类指令中,通过不同的寻址方式可 实现寄存器之间、寄存器与主存之间实现数 据传送 ,不允许向主存进行立即数传送。
我们将模型机指令格式分为双操作数指令、 单操作数指令和跳转指令3 类, 如下图：
本模型机的指令格式
u 寻址方式：
寄存器寻址:操作数在寄存器中,根据寄存 器可直接寻址操作数,编码为00; u 立即数寻址:操作数在指令中,只允许传送数 据到寄存器中,编码为01; u 直接寻址:操作数在主存中,根据指令中给出 的操作数地址可到主存中寻址,编码位10: u 寄存器间接寻址:操作数地址存放在寄存器 中,根据寄存器中内容可到主存寻址操作数, 编码为11
What is Computer ?
Von Neumann Principle 冯·诺依曼原理 ustc.cs 旦增朗杰 提出计算机硬件的基本结构和 计算机的基本工作原理。
引言
,计算 机的整个工作过程可以归结为信息在计算 机内的流动,其功能可归纳为以下几点： u 1信息如何表示 u 2信息如何存储 u 3信息的变换 u 4信息的传送 u 5信息的加工处理 u 6 对上述过程的控制
u 算术逻辑单元ALU它根据指令操作码来执
行相应的运算。 u 通用寄存器R又称数据寄存器,用来暂时存 储参加运算的操作数、中间结果或地址,作 为演示,此模型机仅设一个数据寄存器。 u 标志寄存器FR用来保存ALU操作结果的特 殊状态, 这种状态作为判断是否控制程序转 移的条件。
（1）进位标志C(Carry)在进行算术运算时, 如果运算结果的最高有效位产生进位或借 位,则C=I ,否则C=0。 （2）溢出标志V(Over Flow)用作检测二进 制补码运算过程中是否产生溢出以致使结果 出错的状态标志如果算术运算结果有溢出,则 V=I,否则V=O。 （3）标志Z(Zero)如果运算结果的各位都为 零,则Z =1:否则z=o。
u 一般的指令类型： u 1算术运算类:执行加、减、乘、除等算术
运算的指令类 ; u 2逻辑运算类:执行或与、非 、移位、比 较，等逻辑运算的指令类; u 3传送类:执行取数、存数、传送等操作的 指令类: u 4程序控制类:执行无条件转移、条件转移、 调用程序、返回等操作的指令类; u 5输入/输出类 :执行输入、输出等实现内 存和外部设备之间传输信息操作的指令类 u 6其它类指令:执行停机，空操作，等等
u 计算机的基本功能是对信息进行处理
Personal Computer
§ 冯.诺依曼计算机（PC机）是以单CPU
为特征，单机单用户操作系统为主要应用 手段的计算机。 § PC机的主机由 CPU+ROM+RAM+I/O接口组成 § 三条总线 （Bus)
数据总线 地址总线 “指令”,一种计算机所 有指令的全体构成的集合称为“指令系 统”。要求计算机做不同的操作要用不同 功能的指令。人只有通过指令的方式才能 向计算机“提交”操作任务。因此,指令或 指令系统是人和计算机交互的一种最原始 的语言,称为机器语言。
u 指令组成：指令系统反映了一台计算机能
干哪些事,可看成是硬件与软件的结合点,它 既是硬件设计的出发点,也是编制程序最基 本的依据。所谓指令是指能向计算机发出 的、能被计算机理解的,使计算机能执行一 个最基本操作的命令。每一条指令包含两 方面的信息,一是表示“做什么”的操作信 息(用特定的二进制代码表示), 二是是表示 操作应处理的数据信息(用数据本身或数据 在存储器中的地址表示)。前者称为“操作 码”(Operator Code ) ,后者称为“地址 码”( Address Code ) ,
u
操作类型
u 传送指令：MOVE——操作码为00
用来预置寄存器或存储元内容,可实现寄存器 存储器之间,寄存器之间信息传送。不允许两 存储单元之间直接进行信息传送。 u 加法指令：ADD ——01 不带进位加,为单操作数指令,被加数和运算结 果都存放在累加器中,只允许加数在寄存器中 或者带立即数时才可进行该运算。
u 程序计数器PC计算机运行时，通常按顺序
执行存放在存储器中的程序。先由PC指出 要执行指令的地址,每当该指令取出后,PC 内容就自动加1(除转移指令外),指向按顺序 排放的下一条指令的地址。在正常情况 下,CPU按顺序逐条地执行指令。如遇到跳 转指令,这些指令就把下一条指令的地址放 入PC中。程序计数器PC的位数取决于微处 理器所能寻址的存储空间。模型计算机中, 内存储器的存储容量为256字节,故其PC只 需8位。
冯.诺依曼机设计
u 部件设置
u 指令系统
u 操作类型
u 指令系统表及说明
简化的模型机结构（图）
部件设置
u 累加器A:是一个8位寄存器,用来存放操作
数和运算结果。它有两种功能:一是作为 ALU的一个操作数输入端(一般存放被加 数) :二 是用于存放ALU的运算结果。算术 逻辑单元(Arithmetic Logic Unit, ALU) 是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中 央处理器的核心组成部分，主要功能是进 行二进制的算术运算，如加减乘(不包括整 数除法)。
u 指令寄存器IR存放当前要执行的指令内容。
它包括操作码和地址码两部分。 u 地址寄存器AR存放要访问的主存地址,8位。 u 数据寄存器DR主存与CPU之间的数据暂存 器。模型机的字长为8位,指令字长是8位, 操作数字长是8位,采用定长指令格式。
指令系统
u 机器语言（指令）：作为计算机和人之间
ห้องสมุดไป่ตู้
§ 内存：车间←→外存：仓库
原理图
原理
u
u
现代计算机都是冯·诺依曼(John.Von.Neuman)结构的计算机它基 本原理是“存储程序和程序控制”。也就是说 , 计算机的工作是在程 序的控制下运行,而程序又是预先存储在计算机内的 。更详细地说就 是要利用计算机完成一项处理任务时 ,首先要把任务转换成程序 ,然 后将程序存储在计算机的(内)存储器中 ,并命令计算机从程序的开始 位置 (某一条指令)开始工作 ,计算机的工作路线必须按照程序设计 的路线进行,自动地执行并完成任务,直到结束的那条指令执行完为止。 冯.诺伊曼机具有以下特点 :1用二进制形式表示数据和指令 。数据 和指令都是由0和I组成的代码序列 。2 采用存储程序方式 ，这是诺 伊曼思想的核心内容 。它意味着事先编制程序,事先将程序(包括指令 和数据)存入主存贮器中,计算机在运行程序时就能自动地连续地从存 贮器里依次取出指令并且执行。这种工作方式称为控制流 (指令流) 驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令;根据指令所含的 控制信息,调用数据进行处理。 由运算器、存贮器、控制器、输入设备和输出设备等5大部分组成计 算机系统,并规定了这五大部分的基本功能。