計(jì)算機(jī)組成原理1

1、計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目計(jì)算機(jī)組成原理算法實(shí)現(xiàn)（一）_專業(yè)學(xué)生姓名 班級學(xué)號指導(dǎo)教師 發(fā)放日期目 錄目 錄11課程設(shè)計(jì)目的 32課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求 32.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容32.2設(shè)計(jì)要求33系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)33.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo) 33.2主體功能43.3各個模塊系統(tǒng)流程圖 5主界面流程圖 5定點(diǎn)整數(shù)的機(jī)器表示 6定點(diǎn)整數(shù)的變形補(bǔ)碼加減運(yùn)算 7定點(diǎn)整數(shù)的原碼乘法流程圖 1.1浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算 1.24實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測試 15.4.1進(jìn)入主頁面測試 1.54.2定點(diǎn)整數(shù)的機(jī)器表示 1.84.3定點(diǎn)整數(shù)的變形補(bǔ)碼加減運(yùn)算 204.4定點(diǎn)整數(shù)的原碼乘法 224.5浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算 235實(shí)驗(yàn)小結(jié)26.6

2、參考文獻(xiàn)271課程設(shè)計(jì)目的本課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完本課程教學(xué)大綱規(guī)定的全部內(nèi)容、完成所有實(shí)踐環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上， 旨在深化學(xué)生學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)組成原理課程基本知識，進(jìn)一步領(lǐng)會計(jì)算機(jī)組成原理的一些算 法，并進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)，提高分析問題、解決問題的綜合應(yīng)用能力。2課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容題目：計(jì)算機(jī)組成原理算法實(shí)現(xiàn)（一）功能：能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)整數(shù)的機(jī)器數(shù)表示、定點(diǎn)整數(shù)的變性補(bǔ)碼加減運(yùn)算、定點(diǎn)整數(shù)的原碼一位乘法運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算。2.2設(shè)計(jì)要求（1 ）、系統(tǒng)進(jìn)入（主）窗體設(shè)計(jì)：菜單需要在輸入口令正確后方可激活使用?？诹钶斎脲e誤時要給出重新輸入口令的提示，三次口令輸入錯誤應(yīng)禁止使用。（2）、口令輸入正確后可

3、以根據(jù)不同的菜單選擇不同的操作指令進(jìn)行不同的操作計(jì)算。主要的操作指令有：定點(diǎn)整數(shù)的機(jī)器表示、定點(diǎn)整數(shù)的變形補(bǔ)碼加減運(yùn)算、 定點(diǎn)整數(shù)的原 碼乘法以及浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算。3系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)該體統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要完成系統(tǒng)的各個窗體設(shè)計(jì)以及個窗體中的方法計(jì)算。在進(jìn)入主窗體時設(shè)置口令，口令正確后可以進(jìn)入主窗體中點(diǎn)擊不同的菜單欄實(shí)現(xiàn)不同的計(jì)算。（1、該系統(tǒng)要完成定點(diǎn)整數(shù)的機(jī)器表示，當(dāng)點(diǎn)擊輸入按鈕時可以輸入一串二進(jìn)制數(shù)。然后點(diǎn)擊不同的按鈕實(shí)現(xiàn)該二進(jìn)制數(shù)的原碼、 反碼、補(bǔ)碼、移碼的運(yùn)算，并可以返回到主 窗體。（2 ）該系統(tǒng)要完成整數(shù)的變形碼加減運(yùn)算，可以點(diǎn)擊輸入進(jìn)入運(yùn)算階段，分別輸入第 一個數(shù)和第二

4、個數(shù)然后點(diǎn)擊加法進(jìn)行加法運(yùn)算，點(diǎn)擊減法進(jìn)行減法運(yùn)算。并可以返回到主 窗體。（3 ）該系統(tǒng)可以完成定點(diǎn)整數(shù)的原碼乘法，點(diǎn)擊輸入按鈕進(jìn)行運(yùn)算根據(jù)提示分別輸入 被乘數(shù)和乘數(shù)，點(diǎn)擊乘法按鈕進(jìn)行乘法運(yùn)算并查看乘法結(jié)果。最后可以返回到主窗體。（4）該系統(tǒng)可以進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算，點(diǎn)擊輸入按鈕輸入第一個數(shù)的階碼和第二個 數(shù)的階碼。分別點(diǎn)擊加法、減法求出加法、 減法的階碼并且可以查看各數(shù)的尾數(shù)。計(jì)算完 成后并可以返回到主窗體。3.2主體功能該體統(tǒng)的主體功能主要有以下幾個重要的模塊，進(jìn)入主窗體進(jìn)行口令認(rèn)證模塊、定點(diǎn)整 數(shù)的機(jī)器表示模塊、定點(diǎn)整數(shù)的變形補(bǔ)碼加減運(yùn)算模塊、定點(diǎn)整數(shù)的原碼乘法模塊和浮點(diǎn) 數(shù)加減運(yùn)算。其

5、主要的模塊下又分為各個小的計(jì)算模塊， 主要總體模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)模塊圖如 下所示：圖3-1系統(tǒng)總體功能模塊圖3.3各個模塊系統(tǒng)流程圖主界面流程圖圖3-2主界面流程圖定點(diǎn)整數(shù)的機(jī)器表示輸入一個二進(jìn)制數(shù)，當(dāng)選擇不同按鈕時則對其進(jìn)行相應(yīng)的操作。如當(dāng)選擇原碼計(jì)算 時，則調(diào)用原碼運(yùn)算函數(shù)對其進(jìn)行運(yùn)算，正數(shù)則將符號位置0，其余位不變，若為負(fù)數(shù)則將其符號位置1，其余位不變；當(dāng)選擇反碼運(yùn)算時，則調(diào)用反碼運(yùn)算函數(shù)對其進(jìn)行運(yùn)算， 正數(shù)則將保持不變，若為負(fù)數(shù)，也將其各位取反；當(dāng)選擇補(bǔ)碼按鈕時，正數(shù)的補(bǔ)碼仍為本 身，而負(fù)數(shù)時則除符號位，各位取反末位加一；當(dāng)選擇移碼按鈕時，則根據(jù)移的位數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的移位。定點(diǎn)整數(shù)的機(jī)器表示模塊

6、的流程圖輸入一個二進(jìn)制數(shù)開始-選擇運(yùn)算功能Y原碼NY反碼NY補(bǔ)碼N移碼N返回Y進(jìn)行原碼運(yùn)算*進(jìn)行反碼運(yùn)算*進(jìn)行補(bǔ)碼運(yùn)算*進(jìn)行移碼運(yùn)算結(jié)束圖3-3定點(diǎn)整數(shù)的機(jī)器表示流程圖定點(diǎn)整數(shù)的變形補(bǔ)碼加減運(yùn)算計(jì)算方法補(bǔ)碼加法：X補(bǔ)+Y補(bǔ)=X+Y補(bǔ)。該式表明，當(dāng)有符號的兩個數(shù)采用補(bǔ)碼形式表示時，進(jìn)行加法運(yùn)算可以把符號位和數(shù)值位一起進(jìn)行運(yùn)算 （若符號位有進(jìn)位，則丟掉）， 結(jié)果為兩數(shù)之和的補(bǔ)碼形式。補(bǔ)碼減法：X補(bǔ)-Y補(bǔ)=X補(bǔ)+-Y補(bǔ)。該式表明，求X-Y補(bǔ)可以用X補(bǔ)與-Y補(bǔ)相加來實(shí)現(xiàn)。-Y補(bǔ)是對減數(shù)進(jìn)行求負(fù)操作。一般稱已知Y補(bǔ)求得-Y補(bǔ)的過程叫變補(bǔ) 或求負(fù)。已知+Y補(bǔ)求-Y補(bǔ)的規(guī)則是全部位（含符號位）按位取反后再加

7、 1。當(dāng)負(fù)數(shù)用 補(bǔ)碼表示后，符號位作為數(shù)據(jù)的一部分一起參與運(yùn)算， 運(yùn)算器不用考慮參加加法運(yùn)算的操 作數(shù)的正負(fù)以及結(jié)果的正負(fù)，任意數(shù)的加法就可以化作正數(shù)加起來運(yùn)算。關(guān)于溢出在定點(diǎn)整數(shù)機(jī)器中數(shù)的表示范圍是-128vxv127 ，如果運(yùn)算過程中出現(xiàn)了大于 127 或者小于-128的情況。雙符號位法：將符號位擴(kuò)展為 2位，具體說就是對于正數(shù)兩個符 號位是“ 00 ”，對于負(fù)數(shù)兩個符號位是“ 11”。兩個符號位都看做數(shù)碼一樣參加運(yùn)算。兩 個數(shù)相加后，其結(jié)果的符號位出現(xiàn)“ 01 ”或“ 10 ”兩種組合時，表示發(fā)生溢出。符號位“ 01 ”，上溢出符號位“ 10 ”，下溢出符號位“ 00”或“11 “，未溢

8、出下面的問題是如何檢查加減運(yùn)算中的溢出問題。通常有三種表述方式（說法）：a. 兩個符號相同的補(bǔ)碼數(shù)相加，如果和的符號與加數(shù)的符號相反，或兩個符號相反的補(bǔ) 碼數(shù)相減，差的符號與減數(shù)的符號相同，都屬于運(yùn)算結(jié)果溢出。這種判別方法比較復(fù)雜， 要區(qū)別加還是減兩種不同運(yùn)算情況，還要檢查結(jié)果的符號與其中一個操作數(shù)的符號的同 異，故很少使用；b. 兩個補(bǔ)碼數(shù)相加減時，若最高數(shù)值位向符號位送的進(jìn)位值與符號位送向更高位的進(jìn)位 值不相同，也是運(yùn)算結(jié)果溢出。c. 在采用雙符號位（如定點(diǎn)小數(shù)的模 4補(bǔ)碼）運(yùn)算時，若兩個符號位的得值不同（01或10）則是溢出。01表明兩個正數(shù)相加，結(jié)果大于機(jī)器所能表示的最大正數(shù)，稱為&q

9、uot;上溢"；10表明兩個負(fù)數(shù)相加，結(jié)果小于機(jī)器所能表示的最小負(fù)數(shù)，稱為"下溢"；雙符號位的高位符號位，不管結(jié)果溢出否，均是運(yùn)算結(jié)果正確的符號位，這個結(jié)論在乘法運(yùn)算過程中是 很有實(shí)際意義的。請注意，在采用雙符號位的方案中，在寄存器和內(nèi)存儲器存儲數(shù)據(jù)時，只需存一位符號，雙符號位僅用在加法器線路部分。下圖是關(guān)于定點(diǎn)整數(shù)的變形補(bǔ)碼加減運(yùn)算流程圖圖3-4定點(diǎn)整數(shù)的變形補(bǔ)碼加減運(yùn)算流程圖334定點(diǎn)整數(shù)的原碼乘法流程圖在定點(diǎn)計(jì)算中，兩個原碼表示的數(shù)相乘的運(yùn)算規(guī)則是：乘積的符號位由兩數(shù)的符號位 按異或運(yùn)算得到，而乘積的數(shù)值部分則是兩個正數(shù)相乘之積。機(jī)器算法：機(jī)器中一種方法是多

10、次采用“加法 -移位“的方法來實(shí)現(xiàn)，稱為串行乘法 器，它的硬件結(jié)構(gòu)簡單，但是速度慢，目前廣泛使用的是流水式陣容乘法器，稱為并行乘 法器。無符號數(shù)m乘以n會產(chǎn)生m*n個位積，出現(xiàn)m+n個列和，并行乘法器的關(guān)鍵是 快速產(chǎn)生m*n個位積，對位積進(jìn)行相加運(yùn)算產(chǎn)生 m+n列和。定點(diǎn)整數(shù)的原碼乘法流程圖如下所示335浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算分為六步： 0操作數(shù)檢查浮點(diǎn)加減運(yùn)算過程比定點(diǎn)運(yùn)算過程復(fù)雜。 如果判知兩個操作數(shù)X或者丫中有一個數(shù) 位0，即可得知運(yùn)算結(jié)果而沒有必要再進(jìn)行后續(xù)的一系列操作以節(jié)省時間。 0操作數(shù)檢查 步驟則用來完成這一功能。參加加法運(yùn)算的數(shù)據(jù)都是非零，進(jìn)入下一步。 比較階碼大小并

11、完成對階為了便于直觀理解，假設(shè)兩數(shù)均以補(bǔ)碼表示，階碼采用雙符號位，尾數(shù)采用單符號位。 兩浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行加減，首先要看兩個數(shù)階碼是否相同，若二數(shù)階碼不同，表示小數(shù)點(diǎn)位置沒 有對齊，此時必須使兩個數(shù)階碼相同，這個過程叫做對階。對階操作規(guī)定使尾數(shù)右移，尾數(shù)右移后階碼做相應(yīng)增加，因此對階時，總是使小階向大階看齊。 對階結(jié)束后，即可進(jìn)行尾數(shù)的求和運(yùn)算。無論加法運(yùn)算還是減法運(yùn)算，都按加法進(jìn) 行操作，其方法與定點(diǎn)加減法運(yùn)算完全一樣。 結(jié)果規(guī)格化a. 采用雙符號位表示尾數(shù)時，如果兩符號位 01或10時，應(yīng)將結(jié)果尾數(shù)右移一位， 階碼加1.b. 如果尾數(shù)最高數(shù)值位與符號位相同，應(yīng)將尾數(shù)右移，階碼減1，直至數(shù)值位最高位

12、與符號位相反。 舍入運(yùn)算浮點(diǎn)運(yùn)算在對階或右規(guī)時，尾數(shù)需要右移，被右移出去的位會被丟掉，從而造成運(yùn)算結(jié)果精度的損失。為了減少這種精度損失，可以將一定位數(shù)的移出位先保留起來，稱為保護(hù)位，在規(guī)格化后用于舍入處理 IEEE754標(biāo)準(zhǔn)列出了四種可選的舍入處理方法：就近 舍入、朝+ %舍入、朝-X舍入、朝o舍入。 判斷結(jié)果是否溢出根據(jù)補(bǔ)碼的雙符號檢查溢出的方法確定階碼是否溢出。與定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算不同的是，浮點(diǎn)數(shù)的溢出是以其運(yùn)算結(jié)果的階碼的值是否產(chǎn)生溢出來判斷的。若階碼的值超過了階碼所能表示的最大正數(shù)，貝U為上溢，進(jìn)一步，若此時浮點(diǎn)數(shù)為正數(shù)，貝U為正上溢，記為+ X，若浮點(diǎn)數(shù)為負(fù)數(shù)，貝以負(fù)上溢，記為-X；若階碼的

13、值超過了階碼所能表示的最小負(fù)數(shù)， 則為下溢，進(jìn)一步，若此時浮點(diǎn)數(shù)為正數(shù)，貝U為正下溢，若浮點(diǎn)數(shù)為負(fù)數(shù)，貝U為負(fù)下溢。 正下溢和負(fù)下溢都作為0處理。浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算如下圖所示4實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測試4.1進(jìn)入主頁面測試(1 )在開始界面有口令設(shè)置只有口令正確才可以進(jìn)行選擇運(yùn)算，不正確就會提示口令錯誤重新輸入。下圖是打開的開始界面圖4-1開始界面（2）輸入口令時一共有三次機(jī)會，如果三次都輸入錯誤則被禁止進(jìn)入表示無權(quán)使用該系統(tǒng)圖4-2 口令輸入錯誤的情況圖4-3三次口令輸入錯誤的情況(3 )只有口令正確才可真正進(jìn)入主界面進(jìn)行下面的選擇各個功能運(yùn)算。下圖是口令輸入 -lol xl正確的界面定點(diǎn)曲機(jī)器表示定點(diǎn)整

14、數(shù)變形*冏誡去定點(diǎn)整觀原碼馬去計(jì)算機(jī)組成原理算法實(shí)現(xiàn)(一)輸入口令;圖4-4主界面此圖和開始界面不同點(diǎn)在于：開始界面的菜單欄是灰色的不可使用的， 而主界面的菜 單欄是黑色的可供選擇的可以使用的。4.2定點(diǎn)整數(shù)的機(jī)器表示計(jì)摯輸入（1）進(jìn)入主界面后選擇定點(diǎn)整數(shù)的機(jī)器表示，然后進(jìn)行運(yùn)算二JL XJ也聽數(shù)機(jī)器套云 定"數(shù)變啓樸IHftnWE法左克星救涼詣璀去匡玄Jb匚減世圖4-5定點(diǎn)整數(shù)的機(jī)器表示（2）根據(jù)提示輸入一個二進(jìn)制數(shù)然后進(jìn)行運(yùn)算（注：要輸入一個帶符號的二進(jìn)制整點(diǎn)整 數(shù)）根據(jù)提示可以依次求出原碼、反碼、補(bǔ)碼、移碼，并且可以通過返回鍵返回主界面進(jìn) 行其他的運(yùn)算。機(jī)器數(shù)的表示口回區(qū)定點(diǎn)整

15、數(shù)的機(jī)器表示諳輸入一個二魁制數(shù)；+1101011該數(shù)對應(yīng)的庾碼肯201101011荷濡匹反碼補(bǔ)碼穆碼題回圖4-7反碼的計(jì)算圖4-6輸入二進(jìn)制數(shù)和原碼圖4-8補(bǔ)碼的計(jì)算圖4-9移碼的計(jì)算4.3定點(diǎn)整數(shù)的變形補(bǔ)碼加減運(yùn)算(1 )在菜單欄選擇定點(diǎn)整數(shù)的變形補(bǔ)碼加減運(yùn)算，進(jìn)行該算法的運(yùn)算T yt奔機(jī)苗成涼理| n | X .龍點(diǎn)刪頒觀農(nóng)示定點(diǎn)刪疑稱網(wǎng)力詭法定點(diǎn)細(xì)收原酹薰法浮點(diǎn)加減譽(yù)圖4-10定點(diǎn)整數(shù)的變形補(bǔ)碼加減運(yùn)算(2 )根據(jù)提示分別輸入第一個數(shù)和第二個數(shù)然后分別點(diǎn)擊加法、減法進(jìn)行加法和減法的 運(yùn)算，并查看結(jié)果(注：要輸入二進(jìn)制數(shù)，不可隨便輸入)。最后可以通過返回鍵返回主 界面選擇其他算法計(jì)算。T

16、計(jì)算仇ia成凍理-Il a I x電點(diǎn)3邀機(jī)謂離示 走點(diǎn)數(shù)變盼屈力哌去 定福3E原碼痂古 浮點(diǎn)柯誡法圖4-11加法運(yùn)算咗 計(jì)茸機(jī)迫磁項(xiàng)理二I LI. X定盍毀芥.歸表示旨理故變稱炳力法 定點(diǎn)期娠碼蕪法 浮點(diǎn)加矚去圖4-12減法運(yùn)算4.4定點(diǎn)整數(shù)的原碼乘法(1)回到主界面在菜單欄選擇定點(diǎn)整數(shù)的原碼乘法進(jìn)行運(yùn)算圖4-13定點(diǎn)整數(shù)的原碼乘法界面(2 )根據(jù)提示分別輸入被乘數(shù)和乘數(shù)并查看結(jié)果圖4-14乘法結(jié)果4.5浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算(1)在主界面選擇浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算進(jìn)入運(yùn)算階段圖4-15浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算界面(2) 根據(jù)提示分別輸入兩個數(shù)的階碼和尾數(shù) 當(dāng)輸入的數(shù)超出界限則被提示輸入的階碼溢出圖4-16階碼

17、溢出的情況 只有正確輸入才有值可計(jì)算圖4-17加法的階碼尾數(shù)計(jì)算 有的輸入可以計(jì)算加法的階碼但并不代表減法的階碼可以算出以下情況是輸出數(shù)索引 超出數(shù)組界限不可計(jì)算圖4-18索引超出了數(shù)組界限的情況圖4-19浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算4.6幫助回到主界面選擇幫助按鈕，窗口會給出幫助提示圖4-20幫助顯示5實(shí)驗(yàn)小結(jié)這周的課程設(shè)計(jì)就要結(jié)束了。從最開始的做題到現(xiàn)在的報(bào)告總結(jié)我完成一個過程。 在這個過程里我領(lǐng)悟了很多。在最開始的做實(shí)驗(yàn)報(bào)告時感覺挺難的之前根本就沒有寫過關(guān)于這種類型的實(shí)驗(yàn)報(bào) 告，而且是第一次使用 C#來寫。雖然在中間寫的過程中還有很多不會的東西，但是通 過查看書本和資料還有問同學(xué)和老師，基本上都解決

18、了。其中有一部分的程序無法滿足 題目的要求 在同學(xué)的幫助下最后得到了解決，通過這件事我感覺自己還有還有很多不 足，仍然有一些有待提高的地方。我覺得課程設(shè)計(jì)的作用一方面是最基本的就是要完成這一科目，差不多也是對自己的一個階段性的總結(jié)；還有就是在整個設(shè)計(jì)的過程中，讓我們認(rèn)真的獨(dú)立思考，在和同 學(xué)交流的過程中也增強(qiáng)了我們的語言組織能力和彼此之間的友誼。通過課程設(shè)計(jì)讓我們不斷的發(fā)現(xiàn)自己的不足從而去改善， 這是一種學(xué)習(xí)的態(tài)度，不僅僅是在這次的課程設(shè)計(jì) 中，在以后的無論生活還是學(xué)習(xí)方面都應(yīng)該注意和努力改善。通過這次比較完整的一個程序的設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)， 和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn) 用所學(xué)的基礎(chǔ)知識，解決實(shí)際問題的能力，同時也提高我查閱文獻(xiàn)資料、對程序整體的 把握等其他能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細(xì)節(jié)的斟酌處理， 都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富。這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行課