計(jì)算機(jī)組成原理講義教材

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔傾情為你奉上專心專注專業(yè)專心專注專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔傾情為你奉上專心專注專業(yè)計(jì)算機(jī)組成原理課程簡介 計(jì)算機(jī)組成原理是講述計(jì)算機(jī)的一般結(jié)構(gòu)、組成、原理的課程，本課程的基礎(chǔ)課是數(shù)字電路、離散數(shù)學(xué)等，后繼課程有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微機(jī)原理等。選用教材： 白中英主編，計(jì)算機(jī)組成原理（第三版），科學(xué)出版社第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論學(xué)習(xí)目標(biāo)計(jì)算機(jī)硬件、軟件的基本概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成；計(jì)算機(jī)的工作過程；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。 本章需掌握的主要內(nèi)容：1.計(jì)算機(jī)的發(fā)展、分類、特點(diǎn)與應(yīng)用；2.計(jì)算機(jī)硬件和軟件的基本概念；3.計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組織，各部分的功能及其組成框圖；4.計(jì)算機(jī)的工

2、作過程，即執(zhí)行指令的過程；5.馮.諾依曼型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想；6.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。 對(duì)計(jì)算機(jī)有一個(gè)總體的概念，以便展開后續(xù)各章內(nèi)容。11 計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用 111 計(jì)算機(jī)的分類 計(jì)算機(jī)分類：模擬：處理在時(shí)間和數(shù)值上連續(xù)的量數(shù)字：處理離散的量數(shù)字計(jì)算機(jī)分類：專用計(jì)算機(jī)：如工控機(jī)、DSP、IOP等通用計(jì)算機(jī)：GPP通用機(jī)分類：巨型機(jī)（Super-Computer）、大型機(jī)（Mainframe）、中型機(jī)（Medium-size Computer）、小型機(jī)（minicomputer）、微型機(jī)（microcomputer）、單片機(jī)（Single-Chip Computer）112 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用科學(xué)

3、計(jì)算：傳統(tǒng)方式：工作量大、人工處理慢自動(dòng)控制：數(shù)控機(jī)床、流水線控制測量和測試：提高精度、在惡劣條件下的測量信息處理：教育和衛(wèi)生：計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）、多媒體教室、CT（Computerized tomography）家用電器：人工智能 12 計(jì)算機(jī)的硬件121 數(shù)字計(jì)算機(jī)的硬件組成概念：存儲(chǔ)單元、地址、存儲(chǔ)容量、外存儲(chǔ)器、內(nèi)存儲(chǔ)器、指令、程序、指令的組成、存儲(chǔ)程序、程序控制、指令系統(tǒng)、指令周期、執(zhí)行周期、CPU、主機(jī)、數(shù)據(jù)字、指令字、數(shù)據(jù)流、指令流、適配器。馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)：(1) 采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令 數(shù)據(jù)和指令在代碼的外形上并無區(qū)別都是由0和1組成的代碼序列，只是各自約定的含義

4、不同而已。采用二進(jìn)制、使信息數(shù)字化容易實(shí)現(xiàn)，可以用二值邏輯工具進(jìn)行處理。程序信息本身也可以作為被處理的對(duì)象，進(jìn)行加工處理，例如對(duì)照程序進(jìn)行編譯，就是將源程序當(dāng)作被加工處理的對(duì)象。(2) 采用存儲(chǔ)程序方式 這是諾依曼思想的核心內(nèi)容。如前所述，它意味著事先編制程序，事先將程序(包含指令和數(shù)據(jù))存入主存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在運(yùn)行程序時(shí)就能自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依次取出指令且執(zhí)行。這是計(jì)算機(jī)能高速自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)的工作體現(xiàn)為執(zhí)行程序，計(jì)算機(jī)功能的擴(kuò)展在很大程度上體現(xiàn)為所存儲(chǔ)程序的擴(kuò)展。計(jì)算機(jī)的許多具體工作方式也是由此派生的。 (3) 由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入裝置和輸出裝置等五大部件組成計(jì)算機(jī)系

5、統(tǒng)，并規(guī)定了這五部分的基本功能。上述這些概念奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)思想，并開創(chuàng)了程序設(shè)計(jì)的新時(shí)代。到目前為止，絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍沿用這一體制，稱為馮諾依曼機(jī)體制。學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)工作原理也就從馮諾依曼概念入門。一般的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖（存儲(chǔ)器為中心）五大組成部分：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備。1. 運(yùn)算器算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中參與運(yùn)算的數(shù)是二進(jìn)制的運(yùn)算器的長度一般是8、16、32或64位2.存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序容量（存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)單元地址、容量單位）分類內(nèi)存（ROM、RAM）、外存存儲(chǔ)器單位：210 byte1K210 K1M210 M1G210 G1T存儲(chǔ)單元:在存儲(chǔ)器中保存一個(gè)

6、數(shù)的16個(gè)觸發(fā)器,稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元。地址:存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成,每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào),稱為地址。存儲(chǔ)容量:存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB”表示,如64KB,128MB。存儲(chǔ)容量越大,表示計(jì)算機(jī)記憶儲(chǔ)存的信息就越多。外存儲(chǔ)器:計(jì)算機(jī)中又配備的存儲(chǔ)容量更大的磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等。相對(duì)而言,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存儲(chǔ)器,簡稱內(nèi)存。3、控制器控制器指令和程序（計(jì)算機(jī)工作原理）指令的形式（操作和地址碼、存儲(chǔ)程序的概念、指令中程序和數(shù)據(jù)的存放、指令系統(tǒng)）控制器的基本任務(wù)：按照一定的順序一條接著一條取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。取指周期和執(zhí)行周期指令流和數(shù)據(jù)流指令：每一個(gè)基本操作就叫做一

7、條指令,程序：而解算某一問題的一串指令序列,叫做該問題的計(jì)算程序,簡稱為程序。 指令形式：的內(nèi)容由兩部分組成,即操作的性質(zhì)和操作的地址。前者稱為操作碼,后者稱為地址碼。 操作碼地址碼操作碼：指出指令所進(jìn)行的操作,如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等等;地址碼：表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)應(yīng)從存儲(chǔ)器的哪個(gè)單元取,運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個(gè)單元。取指周期：通常把取指令的一段時(shí)間叫做取指周期,執(zhí)行周期：而把執(zhí)行指令的一段時(shí)間叫做執(zhí)行周期。主機(jī)：CPU和存儲(chǔ)器的合稱4、適配器與I/O設(shè)備計(jì)算機(jī)的發(fā)展（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2doc）手工模仿計(jì)算機(jī)工作（1）手工模仿計(jì)算機(jī)工作（2）加法001 減法010乘法011除法100取數(shù)101存

8、數(shù)110打印111停機(jī)000操作碼 操作數(shù)122 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過去和未來發(fā)展：電子管晶體管集成電路大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路趨勢： 由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能為信息處理提供廉價(jià)的服務(wù)，因此計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，“三網(wǎng)合一”，將進(jìn)入以通信為中心的體系結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)智能化將進(jìn)一步發(fā)展，各種知識(shí)庫及人工智能技術(shù)將進(jìn)一步普及，人們將用自然語言和機(jī)器對(duì)話。計(jì)算機(jī)從數(shù)值計(jì)算為主過渡到知識(shí)推理為主，從而使計(jì)算機(jī)進(jìn)入知識(shí)處理階段。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，不僅用多處理機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大型機(jī)系統(tǒng)功能，而且會(huì)出現(xiàn)計(jì)算機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，即所謂模塊化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。多媒體技術(shù)將有重大突破和發(fā)展，并在微處理機(jī)、計(jì)算機(jī)

9、網(wǎng)絡(luò)與通信等方面引起一次巨大變革。13 計(jì)算機(jī)的軟件計(jì)算機(jī)硬件是載體，軟件是靈魂。131 軟件的組成與分類分類：系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序132 軟件的發(fā)展演變手編程序（目的程序）匯編程序算法語言（高級(jí)語言）高級(jí)語言與機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換：編譯系統(tǒng)、解釋系統(tǒng)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫14 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)141 多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)P16圖1.6五個(gè)級(jí)別：第一級(jí)微程序設(shè)計(jì)級(jí)、第二級(jí)是一般機(jī)器級(jí)、第三級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)、第四級(jí)是匯編語言級(jí)、第五級(jí)是高級(jí)語言級(jí)。142 軟件與硬件的邏輯等價(jià)性 補(bǔ)充：計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)基本字長基本字長是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)，它標(biāo)志著計(jì)算精度。位數(shù)越多，精度越高，但硬件成本也越高，因?yàn)樗鼪Q

10、定著寄存器、運(yùn)算部件、數(shù)據(jù)總線等的位數(shù)。主存容量主存儲(chǔ)器是CPU可以直接訪問的存儲(chǔ)器，需要執(zhí)行的程序與需要處理的數(shù)據(jù)就放在主存之中。主存容量大則可以運(yùn)行比較復(fù)雜的程序，并可存入大量信息，可利用更完善的軟件支撐環(huán)境。所以，計(jì)算機(jī)處理能力的大小在很大程度上取決于主存容量的大小。 外存容量外存容量一般是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中聯(lián)機(jī)運(yùn)行的外存儲(chǔ)器容量。由于操作系統(tǒng)、編譯程序及眾多的軟件資源往往存放在外存之中，需用時(shí)再調(diào)入主存運(yùn)行。在批處理、多道程序方式中，也常將各用戶待執(zhí)行的程序、數(shù)據(jù)以作業(yè)形式先放在外存中，再陸續(xù)調(diào)入主存運(yùn)行。所以，聯(lián)機(jī)外存容量也是一項(xiàng)重要指標(biāo)，一般以字節(jié)數(shù)表示。運(yùn)算速度同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，執(zhí)行不同

11、的運(yùn)算所需時(shí)間可能不同，因而對(duì)運(yùn)算速度的描述常采用不同方法。常用的有CPU時(shí)鐘頻率、每秒平均執(zhí)行指令數(shù)(ips)、單獨(dú)注明時(shí)間等。所配置的外圍設(shè)備及其性能指標(biāo)外圍設(shè)備配置也是影響整個(gè)系統(tǒng)性能的重要因素，所以在系統(tǒng)技術(shù)說明中常給出允許配置情況與實(shí)際配置情況。系統(tǒng)軟件配置情況作為一種硬件系統(tǒng)，允許配置的系統(tǒng)軟件原則上是可以不斷擴(kuò)充的，但實(shí)際購買的某個(gè)系統(tǒng)究竟已配置哪些軟件，則表明它的當(dāng)前功能。第二章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器 本章摘要 數(shù)值數(shù)據(jù)和非數(shù)值數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示方法； 定點(diǎn)數(shù)加、減、乘、除運(yùn)算方法； 浮點(diǎn)數(shù)加、減、乘、除運(yùn)算方法； 定點(diǎn)、浮點(diǎn)運(yùn)算器的組成及工作原理。 本章需掌握的主要內(nèi)容：1 掌

12、握定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)以及原碼、反碼、補(bǔ)碼的表示方法；2 掌握補(bǔ)碼加減運(yùn)算的方法，溢出的概念與檢測方法，基本的二進(jìn)制加法。3 理解定點(diǎn)乘法運(yùn)算和除法運(yùn)算的工作原理；4 理解ALU的功能、設(shè)計(jì)方法和工作原理；5 掌握基本的浮點(diǎn)運(yùn)算方法，了解浮點(diǎn)運(yùn)算器的組成和原理；6 理解內(nèi)部總線的概念、分類及特點(diǎn)；21 數(shù)據(jù)與文字的表示方法211 數(shù)據(jù)格式在選擇計(jì)算機(jī)的數(shù)的表示方式時(shí)，應(yīng)當(dāng)全面考慮以下幾個(gè)因素：要表示的數(shù)的類型(小數(shù)、整數(shù)、實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù))：決定表示方式可能遇到的數(shù)值范圍：確定存儲(chǔ)、處理能力數(shù)值精確度：處理能力相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理所需要的硬件代價(jià)：造價(jià)高低兩種常用格式：定點(diǎn)格式：定點(diǎn)格式容許的數(shù)值范圍有限，

13、但要求的處理硬件比較簡單； （1）定點(diǎn)純小數(shù)量值符號(hào)x0 x1 x2 x3 xn-1 xn小數(shù)點(diǎn)固定于符號(hào)位之后，不需專門存放位置表示數(shù)的范圍是 0|12n(最小數(shù)、最大數(shù)、最接近0的正數(shù)、最接近0的負(fù)數(shù)）x=0.00.0 x=1.00.0 x=0正0和負(fù)0都是0X=0.11.1x=12n最大X=0.00.01x=2n最接近0的正數(shù)X=1.00.01x=2n最接近0的負(fù)數(shù)X=1.11.1x=（12n ）最小（2）定點(diǎn)純整數(shù)x0 x1 x2 x3 xn-1 xn小數(shù)點(diǎn)固定于最后一位之后，不需專門存放位置量值符號(hào)表示數(shù)的范圍是 0|2n1？最小數(shù)、最大數(shù)、最接近0的正數(shù)、最接近0的負(fù)數(shù)呢浮點(diǎn)格式：

14、容許的數(shù)值范圍很大，但要求的處理硬件比較復(fù)雜。（1）定點(diǎn)數(shù)表示法定點(diǎn)指小數(shù)點(diǎn)的位置固定，為了處理方便，一般分為定點(diǎn)純整數(shù)和純小數(shù)。（2）浮點(diǎn)數(shù)表示法(小數(shù)點(diǎn)位置隨階碼不同而浮動(dòng))指數(shù) 格式 N=Re.m 基數(shù),取固定的值,比如10,2等尾數(shù)浮點(diǎn)表示法，即小數(shù)點(diǎn)的位置是浮動(dòng)的。其思想來源于科學(xué)計(jì)數(shù)法。 ：尾數(shù)，是一個(gè)純小數(shù)。 e ：比例因子的指數(shù)，稱為浮點(diǎn)數(shù)的指數(shù)，是一個(gè)整數(shù)。 R ：比例因子的基數(shù)，對(duì)于二進(jìn)制數(shù)值的機(jī)器是一個(gè)常數(shù)，一般規(guī)定 為2，8或16。 一個(gè)機(jī)器浮點(diǎn)數(shù)由階碼和尾數(shù)及其符號(hào)位組成（尾數(shù)：用定點(diǎn)小數(shù)表示，給出有效數(shù)字的位數(shù)決定了浮點(diǎn)數(shù)的表示精度；階碼：用整數(shù)形式表示，指明小數(shù)點(diǎn)

15、在數(shù)據(jù)中的位置，決定了浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍。）： 為便于軟件移植，按照 IEEE754 標(biāo)準(zhǔn)，32位浮點(diǎn)數(shù)和64位浮點(diǎn)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)格式為 32位的浮點(diǎn)數(shù)中，：浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)位，1 位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。：尾數(shù)，23位，用小數(shù)表示，小數(shù)點(diǎn)放在尾數(shù)域的最前面。：階碼(8 位),階符采用隱含方式，即采用移碼方式來表示正負(fù)指數(shù)。移碼方法對(duì)兩個(gè)指數(shù)大小的比較和對(duì)階操作都比較方便，因?yàn)殡A碼域值大者其指數(shù)值也大。采用這種方式時(shí)，將浮點(diǎn)數(shù)的指數(shù)真值e 變成階碼 時(shí)，應(yīng)將指數(shù) e 加上一個(gè)固定的偏移值127()，即 e127. 例1： 若浮點(diǎn)數(shù)的754標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)格式為()16，求其浮點(diǎn)數(shù)的十進(jìn)制數(shù)值。解: 將十六進(jìn)制

16、數(shù)展開后，可得二進(jìn)制數(shù)格式為指數(shù)e階碼127=(3)10包括隱藏位1的尾數(shù)1.M1.011 0110 0000 0000 0000 00001.于是有(1)s1.M2e (1.)231011.011(11.375)10 例2： 將(20.59375)10轉(zhuǎn)換成754標(biāo)準(zhǔn)的32位浮點(diǎn)數(shù)的二進(jìn)制存儲(chǔ)格式。解: 首先分別將整數(shù)和分?jǐn)?shù)部分轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)：20.5937510100.10011然后移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)，使其在第1，2位之間10100.100111.24e4于是得到：S0，E4127131，M最后得到32位浮點(diǎn)數(shù)的二進(jìn)制存儲(chǔ)格式為：0100 0001 1010 0100 1100 0000 0000

17、 0000(41A4C000)16 浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化：主要解決同一浮點(diǎn)數(shù)表示形式的不唯一性問題。規(guī)定 ，否則尾數(shù)要進(jìn)行左移或右移。機(jī)器零的概念：當(dāng)一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)為0，不論其階碼為何數(shù)，或當(dāng)階碼值遇到比它能表示的最小值還小時(shí)，不論其尾數(shù)為何值，計(jì)算機(jī)把該浮點(diǎn)數(shù)看成零值，稱為機(jī)器零。十進(jìn)制數(shù)串的表示方法字符串形式：一個(gè)字節(jié)存放一個(gè)十進(jìn)制的數(shù)位或符號(hào)位BCD(壓縮)：一個(gè)字節(jié)存放兩個(gè)十進(jìn)制的數(shù)位編碼方式有權(quán)碼： （8421碼、2421碼、5211碼）無權(quán)碼： （余三碼、格雷碼）自定義數(shù)據(jù)表示4） 自定義數(shù)據(jù)表示標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示、描述符數(shù)據(jù)表示區(qū)別：標(biāo)志符與每個(gè)數(shù)據(jù)相連，二者合起來存放在一個(gè)存儲(chǔ)單元，而

18、描述符要和數(shù)據(jù)分開存放； 描述符表示中，先訪問描述符，后訪問數(shù)據(jù)，至少增加一次訪存； 描述符是程序的一部分，而不是數(shù)據(jù)的一部分。212 數(shù)的機(jī)器碼表示數(shù)的機(jī)器碼表示真值和機(jī)器碼：真值（書寫用）、機(jī)器碼（機(jī)器內(nèi)部使用）的概念原碼：優(yōu)點(diǎn)：簡單易懂。缺點(diǎn)：加減法運(yùn)算復(fù)雜。補(bǔ)碼: 加減法運(yùn)算方便，減法可以轉(zhuǎn)換為加法為了區(qū)別一般書寫表示的數(shù)和機(jī)器中這些編碼表示的數(shù)，通常將前者稱為真值，后者稱為機(jī)器數(shù)或機(jī)器碼。原碼表示法定點(diǎn)小數(shù)x0.x1x2xn x 1x0 0，正數(shù)x原= 符號(hào) 1-x=1+|x| 0 x-1 1，負(fù)數(shù)注：有正0和負(fù)0之分范圍2-n-11- 2-n例：x=+0.x原=0. -x原=1.定

19、點(diǎn)整數(shù)x0 x1x2xn x 2nx0 0，正數(shù)x原= 符號(hào) 2n x=2n +|x| 0 x-2n 1，負(fù)數(shù)注：有正0和負(fù)0之分范圍1-2n 2n-1例：x=+ x原= -x原=、補(bǔ)碼： 我們先以鐘表對(duì)時(shí)為例說明補(bǔ)碼的概念。假設(shè)現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為4點(diǎn)正； 而有一只表已經(jīng)7點(diǎn)了，為了校準(zhǔn)時(shí)間，可以采用兩種方法：一是將時(shí)針退 7-4=3 格；一是將時(shí)針向前撥12-3=9格。這兩種方法都能對(duì)準(zhǔn)到4點(diǎn)，由此可以看出，減3和加9是等價(jià)的，就是說9是(-3)對(duì)12的補(bǔ)碼，可以用數(shù)學(xué)公式表示-3+9（mod12）mod12的意思就是12模數(shù)，這個(gè)“?！北硎颈粊G掉的數(shù)值。上式在數(shù)學(xué)上稱為同余式。上例中其所以7

20、-3和7+9(mod12)等價(jià)，原因就是表指針超過12時(shí)，將12自動(dòng)丟掉，最后得到16-12=4。從這里可以得到一個(gè)啟示，就是負(fù)數(shù)用補(bǔ)碼表示時(shí)，可以把減法轉(zhuǎn)化為加法。這樣，在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)起來就比較方便。定點(diǎn)小數(shù)x0.x1x2xn x 1x0 0，正數(shù)x補(bǔ)= 符號(hào) x = 2 -|x| 0 x-1 1，負(fù)數(shù)注：0的補(bǔ)碼只有一種形式范圍2-n-11- 2-n例: （）x= -0.1011 （）y=-0.01111x補(bǔ)=10+x=10.0000-0.1011=1.0101y補(bǔ)=10+y=10.00000-0.01111=1,10001定點(diǎn)整數(shù)x0 x1x2xn x 2nx0 0，正數(shù)x 補(bǔ)= 符號(hào)

21、2n x = 2n+1 -|x| 0 x-2n 1，負(fù)數(shù)注：0的補(bǔ)碼只有一種形式范圍-2n 2n-13、 反碼：為計(jì)算補(bǔ)碼方便而引入計(jì)算公式：小數(shù)公式2.11（P25），整數(shù)公式2.12（P25）由反碼求補(bǔ)碼：符號(hào)位置1，各位取反，末位加1。4、 移碼：用于階碼的表示，兩個(gè)移碼容易比較大小，便于對(duì)階。定義：公式2.14。即將數(shù)值向X軸正方向平移2n例- 原碼為補(bǔ)碼為 反碼為移碼為特點(diǎn)：移碼和補(bǔ)碼尾數(shù)相同，符號(hào)位相反例3和例4小結(jié)：上面的數(shù)據(jù)四種機(jī)器表示法中，移碼表示法主要用于表示浮點(diǎn)數(shù)的階碼。由于補(bǔ)碼表示對(duì)加減法運(yùn)算十分方便，因此目前機(jī)器中廣泛采用補(bǔ)碼表示法。在這類機(jī)器中，數(shù)用補(bǔ)碼表示，補(bǔ)碼存

22、儲(chǔ)，補(bǔ)碼運(yùn)算。也有些機(jī)器，數(shù)用原碼進(jìn)行存儲(chǔ)和傳送，運(yùn)算時(shí)改用補(bǔ)碼。還有些機(jī)器在做加減法時(shí)用補(bǔ)碼運(yùn)算，在做乘除法時(shí)用原碼運(yùn)算。213 字符與字符串的表示方式ASCII碼214 漢字的表示方式1） 輸入碼：用于漢字輸入2） 內(nèi)碼：用于漢字的存儲(chǔ)3） 字模碼：用于漢字的顯示215 校驗(yàn)碼奇、偶校驗(yàn)碼最簡單且應(yīng)用廣泛的檢錯(cuò)碼是采用一位校驗(yàn)位的奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)。設(shè)(01n1)是一個(gè)n位字,則奇校驗(yàn)位定義為01n1(2.15) 式中代表按位加,表明只有當(dāng)中包含有奇數(shù)個(gè)1時(shí),才使1,即0。 同理,偶校驗(yàn)位定義為C01n1(2.16) 即中包含偶數(shù)個(gè)1時(shí),才使C0。 例7已知下表中左面一欄有5個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。請分

23、別用奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)進(jìn)行編碼,填在中間一欄和右面一欄。 見P30補(bǔ)充內(nèi)容一、常用邏輯門二、全加器三、編碼器和譯碼器四、觸發(fā)器五、寄存器22 定點(diǎn)加法、減法運(yùn)算一、 補(bǔ)碼加法加法公式：x+y補(bǔ)=x補(bǔ)+y補(bǔ) （mod 2） （2.17）證明：（P31）假定X、Y均為定點(diǎn)小數(shù)，且|x|1 , |y|1, |x+y|0, y0 則x+y0 x 補(bǔ)+y補(bǔ)=x+y=x+y補(bǔ) （正數(shù)的原、反、補(bǔ)碼是相同的） x0, y0 2+(x+y)會(huì)產(chǎn)生進(jìn)位，進(jìn)位位丟掉2+(x+y)=x+y=x+y補(bǔ) 當(dāng)x+y02+(x+y)=x+y補(bǔ)故 x補(bǔ)+y補(bǔ)= x+y補(bǔ) x0（略） 同（2） x0, y0 x補(bǔ)=2+x y補(bǔ) =

24、 2+yx補(bǔ)+y補(bǔ)=2+x+2+y=2+(2+x+y) -1x+y0 則 -1+2 2+x+y 0+2 1 2+x+y 2 2+(2+x+y)產(chǎn)生進(jìn)位、丟掉，2+(2+x+y)= (2+x+y)又 x+y0 (2+x+y)= 2+（x+y）= x+y補(bǔ)注：補(bǔ)碼加法的特點(diǎn)：（1）符號(hào)位要作為數(shù)的一部分參與運(yùn)算 （2）要在模2的意義下相加，即超過2的進(jìn)位要丟掉。例1: x=-0.1011,y=0.0111x補(bǔ)=1.0101 y補(bǔ)=0.0111x+y補(bǔ)=x補(bǔ)+y補(bǔ)=1.0101+0.0111=1.1100 x+y=-0.0100例2: x=+0.11011,y=-0.11111x補(bǔ)=0.11011

25、y補(bǔ)=1.00001 -y補(bǔ)=0.11111x-y補(bǔ)=x補(bǔ)+-y補(bǔ)=1.11010 二、 補(bǔ)碼減法加法公式：x-y補(bǔ)=x補(bǔ)-y補(bǔ) =x補(bǔ)+-y補(bǔ) （mod 2） （2.18）證明：P32（略） 只要證明 y補(bǔ)+-y補(bǔ)=0 從y補(bǔ)求-y補(bǔ)，表達(dá)式為： -y補(bǔ)= 乛y 補(bǔ)+2-n其中 乛 表示對(duì)y補(bǔ)作包括符號(hào)位在內(nèi)的求反操作 例10（略） P33 例11（略） P33三、 溢出概念與檢測方法1. 溢出概念：溢出：在定點(diǎn)小數(shù)機(jī)器中，數(shù)的表示范圍為|x|x-2 采用變形補(bǔ)碼后：當(dāng)1x0 兩個(gè)符號(hào)位都是0。如00.1010 當(dāng)0 x-1 兩個(gè)符號(hào)位都是1。如11.1010 對(duì)變形補(bǔ)碼其特點(diǎn)： 符號(hào)位參與

26、運(yùn)算 在模4下相加運(yùn)算，進(jìn)位4丟掉 結(jié)論： 運(yùn)算結(jié)果的兩符號(hào)位相異時(shí)，表示溢出。 不論溢出與否，最高符號(hào)位始終指示正確的符號(hào)。例10（略） P34 例11（略） P34（2）單符號(hào)位：（1）當(dāng)最高有效位產(chǎn)生進(jìn)位而符號(hào)位無進(jìn)位時(shí)，產(chǎn)生上溢出。（2）當(dāng)最高有效位無進(jìn)位而符號(hào)位產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，產(chǎn)生下溢出。 溢出表達(dá)式為：V=CfC0 Cf符號(hào)位產(chǎn)生的進(jìn)位，C0最高有效位產(chǎn)生的進(jìn)位)Cf C000正確（正數(shù)）01上溢10下溢11正確（負(fù)數(shù)）四、 基本的二進(jìn)制加法減法器輸入輸出Ai BiSi Ci0 00 00 11 01 01 01 10 1基本的加法和減法器 一位半加器真值表半加器(不考慮進(jìn)位)HiAi

27、 Bi 電路圖略全加器(考慮低位進(jìn)位Ci-1和向高位的進(jìn)位Ci) 真值表見P35表2.2 FA（全加器）邏輯電路圖 FA框圖進(jìn)位處理方式：串行進(jìn)位（行波進(jìn)位）、并行進(jìn)位二進(jìn)制加法減法器圖2.2(P35)五、 十進(jìn)制加法器十進(jìn)制加法減法器圖2.3(P36)校正方法當(dāng)Xi+Yi+Ci=10時(shí)， Si=S+6 校正因子生成方法若相加結(jié)果大于等于16，小于19若相加結(jié)果大于9，小于16例如： A =0101 B=0111 A +B = 0101 +0111 = 1100 (結(jié)果不是BCD碼) 1100 01101 0010 （1為進(jìn)位，構(gòu)成12的BCD碼，所以正確）23 定點(diǎn)乘法運(yùn)算一、原碼并行乘法1

28、定點(diǎn)原碼乘法原理在定點(diǎn)計(jì)算機(jī)中，兩個(gè)原碼表示的數(shù)相乘的運(yùn)算規(guī)則是：乘積的符號(hào)位由兩數(shù)的符號(hào)位按異或運(yùn)算得到，而乘積的數(shù)值部分則是兩個(gè)正數(shù)相乘之積。x原=xf . xn-1x1x0 被乘數(shù)y原=yf . yn-1y1y0 乘數(shù)x y原=(xfyf)+(0. xn-1x1x0)(0. yn-1y1y0) 乘積尾數(shù)乘法如下：設(shè) x0.1101，y0.1011. 0. 1 1 0 1 (x) 0. 1 0 1 1(y) 1101 1101 0000 1101 0.10001111()人們習(xí)慣的算法對(duì)機(jī)器并不完全適用。原因：（1） n位乘n位積可能為2n位.（2） 乘積的最后是所有部分積之和，有n個(gè)數(shù)相

29、加，而FA只有兩個(gè)輸入端所以需要改造方法一：硬件實(shí)現(xiàn)方法(串行的“加法移位”)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，速度太慢(時(shí)間延遲太長)。由于串行乘法速度太慢，已被淘汰。方法二：流水式陣列乘法器（并行乘法器）。2不帶符號(hào)的陣列乘法器 MN位不帶符號(hào)的陣列乘法器邏輯框圖 5位5位不帶符號(hào)的陣列乘法器邏輯電路圖3帶符號(hào)的陣列乘法器原理：矩形框中電路為找第一個(gè)1原理：算前求補(bǔ)原碼乘法算后求補(bǔ)（首先取補(bǔ)不帶符號(hào)乘法結(jié)果取補(bǔ)）E控制是否求補(bǔ)E與符號(hào)位相聯(lián)在E的控制下求反 圖2.6 對(duì)2求補(bǔ)電路在這種邏輯結(jié)構(gòu)中,共使用三個(gè)求補(bǔ)器。其中兩個(gè)算前求補(bǔ)器的作用是：將兩個(gè)操作數(shù)A和B在被不帶符號(hào)的乘法陣列(核心部件)相乘以前,先變

30、成正整數(shù)。而算后求補(bǔ)器的作用則是：當(dāng)兩個(gè)輸入操作數(shù)的符號(hào)不一致時(shí),把運(yùn)算結(jié)果變成帶符號(hào)的數(shù)。二、補(bǔ)碼并行乘法1補(bǔ)碼與真值的轉(zhuǎn)換公式：IF N補(bǔ)=an-1an-2a1a0 對(duì)正數(shù) an =0 對(duì)負(fù)數(shù) an =1 例 x補(bǔ)=10110，則x=1*24+1*22+1*21=10 x=(11)*24+(10)23+(11)22+(11)*21+(10)*20+1=102一般化的加法器：有負(fù)權(quán)輸入的，即可以做減法的。帶負(fù)權(quán)的運(yùn)算規(guī)則：（0）（0） （0）（0）（1） （1）（1）（0） （1）（1）（1） (1)（0）1 （1） 00 （1） （1）1 （0） 10 （0） 0結(jié)果處理：從帶負(fù)權(quán)位開始的

31、幾位，取反加13. 直接補(bǔ)碼陣列除法器: 因符號(hào)位參與運(yùn)算，可以完成補(bǔ)碼的直接乘法，而不需求補(bǔ)級(jí)，節(jié)省了取補(bǔ)時(shí)間，大大的加快了乘法的速度。結(jié)構(gòu)圖見P44圖2.8。例 設(shè)A補(bǔ)(01101)2,B補(bǔ)(11011)2,求AB補(bǔ)?解:(0) 1101 13) (1) 1011 5 (0) 1101 (0) 1101(0) 0000 (0) 1101 0 (1)(1)(0)(1) 0 (1) 0111111(1) 10111111 65 驗(yàn)證：127026125124123122121120128(32168421) 65(13)(5)65例 （1） 0 1 1 0負(fù)13 （0） 1 1 0 1正10

32、（1） 0 1 1 0 （0） 0 0 0 0 （1） 0 1 1 0 （1） 0 1 1 0 0 (0) ( 0) ( 0) ( 0) 0 (1) (1) 1 1 1 1 1 0 (1) 1 0 1 1 1 1 1 1 0 (轉(zhuǎn)化以后結(jié)果)24 定點(diǎn)除法運(yùn)算一、 原碼除法算法原理1. 二進(jìn)制除法公式：x原=xf . xn-1x1x0 被除數(shù)y原=yf . yn-1y1y0 除數(shù)x y原=(xfyf)+(0. xn-1x1x0)(0. yn-1y1y0) 商2. 余數(shù)處理的兩種方法：(1)恢復(fù)余數(shù)法：運(yùn)算步驟不確定，控制復(fù)雜，不適合計(jì)算機(jī)運(yùn)算。(2)加減交替法：不恢復(fù)余數(shù)，運(yùn)算步驟確定，適合計(jì)

33、算機(jī)操作。二、并行除法器（自學(xué)）CAS的結(jié)構(gòu)，圖2.9(a)，并行除法器結(jié)構(gòu)圖2.9(b)。不恢復(fù)余數(shù)的除法也就是加減交替法。在不恢復(fù)余數(shù)的除法陣列中,每一行所執(zhí)行的操作究竟是加法還是減法,取決于前一行輸出的符號(hào)與被除數(shù)的符號(hào)是否一致。當(dāng)出現(xiàn)不夠減時(shí),部分余數(shù)相對(duì)于被除數(shù)來說要改變符號(hào)。這時(shí)應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)商位“0”,除數(shù)首先沿對(duì)角線右移,然后加到下一行的部分余數(shù)上。當(dāng)部分余數(shù)不改變它的符號(hào)時(shí),即產(chǎn)生商位“1”,下一行的操作應(yīng)該是減法。例 0., 0.111, 求q =。解:x補(bǔ)0. 補(bǔ)0.111 補(bǔ)1.001故得商 qq0.q1q2q30.101余數(shù) r(0.00r3r4r5r6)0. 25 定

34、點(diǎn)運(yùn)算器的組成 運(yùn)算器是數(shù)據(jù)的加工處理部件，是CPU的重要組成部分，盡管各種計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器結(jié)構(gòu)可能或那樣的不同，但最基本的結(jié)構(gòu)中必須有算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)緩沖寄存器、通用寄存器、多路轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)總線等邏輯構(gòu)件。一、邏輯運(yùn)算 （前面講過，自己看）計(jì)算機(jī)中的邏輯運(yùn)算運(yùn)算主要指邏輯非、邏輯加、邏輯乘、邏輯異。利用邏輯運(yùn)算可以比較兩個(gè)數(shù)（異或運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)），或從某個(gè)數(shù)中選取某幾位（與運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)）等操作邏輯數(shù)概念：所謂的邏輯數(shù)是指不帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)。例：例21-例24 （P50-P51）二、多功能算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU） 本節(jié)介紹的是74LS181的基本邏輯結(jié)構(gòu)是先行進(jìn)位加法器，通過改變其輸入端

35、Ai和Bi來實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能。怎樣實(shí)現(xiàn)呢？1基本思想：一位全加器FA的邏輯表達(dá)式：加法器FA、減法單元CAS和一位ALU邏輯圖圖2.10 ALU的邏輯結(jié)構(gòu)原理框圖 為了實(shí)現(xiàn)多種算術(shù)邏輯運(yùn)算，可將Ai和Bi輸入一個(gè)函數(shù)發(fā)生器（進(jìn)位傳遞函數(shù)和進(jìn)位產(chǎn)生函數(shù)）得到輸出Xi和Yi，作為一位全加器的輸入（見上圖）。上式中i代表集成在一片電路上的ALU的二進(jìn)制位數(shù)n代表若干片ALU組成更大字長的運(yùn)算器時(shí)每片電路的進(jìn)位輸入 2ALU的邏輯圖與邏輯表達(dá)式Xi、Yi與控制參數(shù)和輸入量的關(guān)系 S0 S1Yi S2 S3Xi0 00 010 1Bi0 1+1 0 1 0 +Bi1 101 1進(jìn)一步化簡得到下

36、式可以證明：Xi+Yi=Xi XiYi=Yi（自己試試看）綜上所述：ALU的某一位邏輯表達(dá)式見下:例：S3S2S0S10000代入：上例可以處理16種算術(shù)、邏輯運(yùn)算，每種運(yùn)算只針對(duì)1位二進(jìn)制編碼思考：如何設(shè)計(jì)4位ALU？16位呢？4位ALU結(jié)構(gòu)（見下圖） 問題1：片內(nèi)是串行進(jìn)位還是并行進(jìn)位？ 回答：由上圖結(jié)構(gòu)中可以看出 Cn1Y0X0Cn Cn2Y1X1Cn1 Cn3Y2X2Cn2 Cn4Y3X3Cn3 顯然是一個(gè)串行進(jìn)位，速度慢，為了實(shí)現(xiàn)快速ALU，需加以改進(jìn)。2. 上述片內(nèi)進(jìn)位是串行的缺點(diǎn)如何改進(jìn)？思考：Cni與X、Y有關(guān)，而每一位中X、Y的產(chǎn)生是不是同時(shí)的？ 回答：由于每一位中X、Y的產(chǎn)

37、生是同時(shí)的，則可以由下面方法算出并行進(jìn)位的Cn4第0位向第1位的進(jìn)位公式為 Cn1Y0X0Cn 其中Cn是向第0位（末位）的進(jìn)位。 第1位向第2位的進(jìn)位公式為 Cn2Y1X1Cn1Y1Y0X1X0X1Cn （ Cn1用（1）式代入） 第2位向第3位的進(jìn)位公式為Cn3Y2X2Cn2Y2Y1X1Y0X1X2X0X1X2Cn 第3位的進(jìn)位輸出（即整個(gè)4位運(yùn)算進(jìn)位輸出）公式為Cn4Y3X3Cn3Y3Y2X3Y1X2X3Y0X1X2X3X0X1X2X3Cn 令GY3Y2X3Y1X2X3Y0X1X2X3 (G為進(jìn)位發(fā)生輸出) PX0X1X2X3 (P為進(jìn)位傳送輸出)增加P和G的目的在于實(shí)現(xiàn)多片（組）ALU

38、之間的先行進(jìn)位，需要配合電路，稱為先行進(jìn)位發(fā)生器（CLA），這樣的器件商業(yè)標(biāo)號(hào)： 74181ALU3. 算術(shù)邏輯運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)具有正邏輯和負(fù)邏輯兩種M=L時(shí)，對(duì)進(jìn)位信號(hào)沒有影響，做算術(shù)運(yùn)算M=H時(shí)，進(jìn)位門被封鎖，做邏輯運(yùn)算說明：74181執(zhí)行正邏輯輸入/輸出方式的一組算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算和負(fù)邏輯輸入/輸出方式的一組算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算是等效的。A=B端可以判斷兩個(gè)數(shù)是否相等。內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖見下16位先行進(jìn)位ALUCn+x=G0+P0Cn Cn+y=G1+P1Cn+x Cn+x=G2+P2Cn+y Cn+4=G3+P3Cn+z片內(nèi)先行進(jìn)位,片間串行進(jìn)位4. 兩級(jí)先行進(jìn)位的ALU4片（組）的先行進(jìn)位邏輯C

39、n+x=G0+P0Cn Cn+y=G1+P1Cn+x=G1+G0P1+P0P1CnCn+x=G2+P2Cn+y =G2+G1P2+G0P1P2+P0P1P2Cn Cn+4=G3+P3Cn+z =G3+G2P3+G1P2P3+G0P1P2P3+P0P1P2P3Cn =G*+P*CnG*為成組先行進(jìn)位發(fā)生輸出P*為成組先行進(jìn)位傳送輸出 成組先行進(jìn)位部件CLA的邏輯圖三、內(nèi)部總線機(jī)器內(nèi)部各部份數(shù)據(jù)傳送頻繁，可以把寄存器間的數(shù)據(jù)傳送通路加以歸并，組成總線結(jié)構(gòu)?？偩€分類（1）按所處位置內(nèi)部總線（CPU內(nèi)）外部總線（系統(tǒng)總線）（2）按邏輯結(jié)構(gòu)單向傳送總線雙向傳送總線由三態(tài)門組成的數(shù)據(jù)總線四、定點(diǎn)運(yùn)算器的組

40、成1. 單總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器2. 雙總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器3. 三總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器26 浮點(diǎn)運(yùn)算方法和浮點(diǎn)運(yùn)算器一、 浮點(diǎn)加法、減法運(yùn)算 設(shè)有兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)和,它們分別為2ExM2EyM其中Ex和Ey分別為數(shù)和的階碼,Mx和My為數(shù)和的尾數(shù)。兩浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行加法和減法的運(yùn)算規(guī)則是 (M2ExEyM)2Ey，設(shè)E0，表示ExEy；若E0，表示Ex0，表示EE，則移動(dòng)y的尾數(shù)，M右移E位。 問題：為什么要小階向大階看齊？第三步：尾數(shù)求和運(yùn)算 對(duì)階完成后，即可進(jìn)行尾數(shù)求和運(yùn)算，不論是加、減運(yùn)算，都按加法操作。第四步：規(guī)格化處理在浮點(diǎn)加減運(yùn)算時(shí),尾數(shù)求和的結(jié)果也可以得到01.或10.,即兩符號(hào)位不等,此時(shí)將運(yùn)算結(jié)果右

41、移以實(shí)現(xiàn)規(guī)格化表示,稱為向右規(guī)格化。 規(guī)則：尾數(shù)右移1位，階碼加1結(jié)果是00.0.01或11.1.10.時(shí)，則向左規(guī)格化 規(guī)則：尾數(shù)左移1位，階碼減1第五步：舍入處理（對(duì)階和向右規(guī)格化時(shí)）1. 0舍1入2. 恒置1法第六步：溢出判斷和處理階碼上溢：一般將其認(rèn)為是和 。階碼下溢：則數(shù)值為0尾數(shù)上溢：兩個(gè)同符號(hào)位的數(shù)相加。處理方法是尾數(shù)右移，階碼 加1。尾數(shù)下溢：尾數(shù)右移時(shí)，最低位從最右端流出。進(jìn)行要進(jìn)行舍入處理。例 x220. y= - 240.解：假設(shè)兩數(shù)均以補(bǔ)碼表示，階碼采用雙符號(hào)位，尾數(shù)采用單符號(hào)位，則：第一步：操作數(shù)檢查（非0） 第二步：對(duì)階：階差E = Ex-Ey = 00 010-

42、00 100 = 11 110即 階差為 -2，Mx右移兩位，Ex加2 第三步：尾數(shù)求和：00.（11）+11.=11.（11） 第四步：規(guī)格化處理：執(zhí)行左規(guī)處理左規(guī)為11.（10），階碼減1為00011結(jié)果1. 階碼00 011 第五步：舍入處理：采用0舍1入法若采用0舍1入法為11.第六步：溢出判斷階碼符號(hào)位為00，不溢出，故得最終結(jié)果為 X+Y= 2011（- 0.） 課堂練習(xí)：x=0.1101*201 y=-0.1010*211尾數(shù)和階符都采用補(bǔ)碼表示，都采用雙符號(hào)位表示法。求x+y解：x浮=0001，00.1101y浮=0011，11.0110階差=1110 即為-2Mx應(yīng)當(dāng)右移2位

43、，x浮=0011，00.0011（01）尾數(shù)和為11.1001（01）左規(guī)11.0010（10），階碼減1為0010舍入（0舍1入）11.0011x+y=-0.1101*210二、 浮點(diǎn)乘、除法運(yùn)算 1. 浮點(diǎn)乘、除法規(guī)則，設(shè)有兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)和：2ExM2EyM 2(ExEy)(MM)2(ExEy)(MM)2. 乘除運(yùn)算分為四步0操作數(shù)檢查階碼加減操作尾數(shù)乘除操作結(jié)果規(guī)格化和舍入處理原因是什么呢？移碼的加減運(yùn)算規(guī)律：移碼采用雙符號(hào)位，為了對(duì)溢出進(jìn)行判斷01 為正 00 為負(fù)10 上溢 11 下溢例26：P63 x = + 011，y = +110 ，求x+y移和x-y移，并判斷是否溢出解：x補(bǔ)=0

44、0 011 y移=01 110-y移=00 010 x+y移= x補(bǔ)+ y移=00 011+01 110=10 001（上溢）x-y移= x補(bǔ)+ -y移=00 011+00 010=00 101和書上的結(jié)果完全一致。尾數(shù)處理截?cái)嗌崛胛矓?shù)用原碼表示時(shí)只要尾數(shù)最低為1或者移出位中有1數(shù)值位，使最低位置10舍1入尾數(shù)用補(bǔ)碼表示時(shí)（例27）丟失的位全為0，不必舍入。丟失的最高位為0，以后各位不全為0時(shí)；或者最高為1，以后各位全為0時(shí)，不必舍入。丟失的最高位為1，以后各位不全為0時(shí)，則在尾數(shù)的最低位入1的修正操作。三、 浮點(diǎn)運(yùn)算流水線 為了實(shí)現(xiàn)流水，首先必須把輸入的任務(wù)分割成一系列的子任務(wù)，使各子任務(wù)能

45、在流水線的各個(gè)階段并發(fā)的執(zhí)行。對(duì)于流水線方式，某一個(gè)任務(wù)的總體運(yùn)算時(shí)間并沒有縮短，而是系統(tǒng)的整體運(yùn)算時(shí)間縮短了。流水線分類： 線性流水線：不帶反饋線 非線性流水線：帶反饋線加速比的定義：四、浮點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)例CPU之外的浮點(diǎn)運(yùn)算器（數(shù)學(xué)協(xié)處理器）如80287完成浮點(diǎn)運(yùn)算功能，不能單用?？梢院?0386或80286異步并行工作。高性能的80位字長的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。有8個(gè)80位字長以堆棧方式管理的寄存器組。浮點(diǎn)數(shù)格式完全符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)。CPU之內(nèi)的浮點(diǎn)運(yùn)算器（486DX以上）第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng)1 教學(xué)目的及要求：1）了解存儲(chǔ)系統(tǒng)的分類、分級(jí)結(jié)構(gòu)與主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)；2）理解SRAM、DRAM的組成和工作原理

46、，了解閃速存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器的工作原理；3）理解雙端口存儲(chǔ)器、多模塊交叉存儲(chǔ)器、相聯(lián)存儲(chǔ)器的組成和工作原理；4）掌握cache的運(yùn)行原理、地址映射和地址變換，理解各種替換策略及其優(yōu)缺點(diǎn)；5）掌握虛擬存儲(chǔ)器的工作原理，理解段式、頁式、段頁式虛擬存儲(chǔ)器的工作方法。6）了解存儲(chǔ)保護(hù)的目的和常用方法。2教學(xué)重點(diǎn)SRAM、DRAM的基本單元工作原理。主存儲(chǔ)器的組成與控制。3教學(xué)難點(diǎn)：多模塊交叉存儲(chǔ)器、相聯(lián)存儲(chǔ)器的組成和工作原理。cache的運(yùn)行原理。 3）虛擬存儲(chǔ)器的工作原理。4本章內(nèi)容：RAM（SRAM，DRAM）ROM（EPROM，閃速存儲(chǔ)器）高速存儲(chǔ)器（雙端口存儲(chǔ)器，多模塊交叉存儲(chǔ)器，相聯(lián)存儲(chǔ)器）

47、Cache（原理、地址映射關(guān)系、替換和寫操作策略）虛擬存儲(chǔ)器（基本概念、頁、段和段頁式虛擬存儲(chǔ)器地址變換，替換算法）存儲(chǔ)器保護(hù)3.1 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)位（或存儲(chǔ)元）：指存儲(chǔ)器中最小的存儲(chǔ)單位二進(jìn)制位。存儲(chǔ)單元：由若干個(gè)存儲(chǔ)元一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器：由許多存儲(chǔ)單元組成一個(gè)存儲(chǔ)器。根據(jù)存儲(chǔ)材料的性能及使用方法不同，存儲(chǔ)器有各種不同的分類方式：按存儲(chǔ)介質(zhì)分：磁表面/半導(dǎo)體存儲(chǔ)器按存取方式分：隨機(jī)/順序存?。ù艓В┌醋x寫功能分：ROM，RAMRAM：雙極型/MOSROM：MROM/PROM/EPROM/EEPROM按信息的可保存性分：永久性和非永久性的按作用分：主/輔/緩/控二、 存儲(chǔ)器分級(jí)結(jié)構(gòu)1

48、. 目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為什么要采用多種類型的存儲(chǔ)器？為什么存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)要采用分級(jí)體系結(jié)構(gòu)？原因：目前存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是：速度快的存儲(chǔ)器價(jià)格貴，容量小；而價(jià)格低的存儲(chǔ)器速度慢，容量大。所以，在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在存儲(chǔ)器容量，速度和價(jià)格方面的因素作折中考慮，建立分層次的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu) 圖3.1 存儲(chǔ)系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)構(gòu) Cpu能直接訪問的存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存儲(chǔ)器,它包括高速緩沖存儲(chǔ)器和主存儲(chǔ)器。CPU不能直接訪問外存儲(chǔ)器，外存儲(chǔ)器的信息必須調(diào)入內(nèi)存后才能為CPU進(jìn)行處理高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）:是一個(gè)高速小容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。它的存取速度比主存儲(chǔ)器快，但存儲(chǔ)容量小。主要強(qiáng)調(diào)快速存取，以便使存儲(chǔ)器速度和

49、CPU的運(yùn)算速度相匹配。主存儲(chǔ)器（簡稱主存）：用來存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間的大量程序和數(shù)據(jù)，它能和cache交換數(shù)據(jù)和指令。主存儲(chǔ)器由MOS半導(dǎo)體存儲(chǔ)器組成。介于cache與外存儲(chǔ)器之間，要求選取適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)容量和存取周期，使它能容納系統(tǒng)的核心軟件和較多的用戶程序。外存儲(chǔ)器（簡稱外存）：存儲(chǔ)容量大，位成本低。主要強(qiáng)調(diào)大的存儲(chǔ)量三、主存儲(chǔ)器的技術(shù)性能指標(biāo)： 空間指標(biāo)：存儲(chǔ)容量在一個(gè)存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)通常稱為該存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量 時(shí)間指標(biāo)：存取時(shí)間（又稱存儲(chǔ)器訪問時(shí)間）-是指從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所 經(jīng)歷的時(shí)間。存取周期是指連續(xù)啟動(dòng)再次讀操作所需間隔的最小時(shí)間。存儲(chǔ)器帶寬是單位時(shí)間里存

50、取的信息量。是衡量存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳輸速率的重要技術(shù)指標(biāo)。3.2 隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器 目前廣泛使用的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是MOS半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。根據(jù)信息存儲(chǔ)原理的不同，分為靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器（SRAM）、動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器（DRAM）。優(yōu)點(diǎn)：存取速度快，存儲(chǔ)體積小，可靠性高，價(jià)格低廉；缺點(diǎn)：斷電后存儲(chǔ)器不能保存信息。一、SRAM存儲(chǔ)器基本存儲(chǔ)單元(1) 原理T1、T2為工作管T3、T4為負(fù)載管T5T8為控制管或開門管存儲(chǔ)信息的方法：兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)T1截止，T2導(dǎo)通，A點(diǎn)高電位，B點(diǎn)低電位T2截止，T1導(dǎo)通，B點(diǎn)高電位，A點(diǎn)低電位(2) 寫操作 通過X 和Y 地址譯碼線輸入高電平，打開T5T8， 寫1 ，只需要在I/O

51、 線上輸入高電位，使A 為高，B 為 低，輸入信號(hào)和地址選擇信號(hào)消失以后， T5T8 截止，存儲(chǔ)單元保持一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)1 。 在寫操作的過程中，只有X 和Y 選擇線同時(shí)為1 時(shí)，才能進(jìn)行寫操作。 2. SRAM的組成存儲(chǔ)體（4096*16）通常把各個(gè)字的同一個(gè)字的同一位集成在一個(gè)芯片（4096*1）中，4096位排成64*64的矩陣。16個(gè)片子就可以構(gòu)成（4096*16）。地址譯碼器單譯碼方式和雙譯碼的方式（減少選擇線的數(shù) 目）。A0A5為X地址譯碼線A6A11為Y地址譯碼線 驅(qū)動(dòng)器I/O電路：在被選擇和數(shù)據(jù)總線之間，控制被選擇 單元讀出和寫入，具有信息放大的作用。片選和讀寫控制電路輸出驅(qū)動(dòng)電

52、路3、SRAM的實(shí)例 Intel2114介紹讀與寫的互鎖邏輯4. 存儲(chǔ)器和CPU的連接存儲(chǔ)器和CPU的連接（地址、數(shù)據(jù)、控制）目前生產(chǎn)的存儲(chǔ)芯片的容量有限，另外，在字長和位長與實(shí)際的存儲(chǔ)器都有一定的差距。位擴(kuò)展法沒有選片要求字?jǐn)U展法地址線：片內(nèi)地址線；用作片選地址空間分配表字位同時(shí)擴(kuò)展法4. 存儲(chǔ)器和CPU的連接設(shè)有一個(gè)具有24位地址和8位字長的存儲(chǔ)器，問：該存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)多少字節(jié)的信息？如果存儲(chǔ)器由4M*1位的RAM組成，需要多少片？4M*1D0 .D7A0A21需要多少位地址線作芯片選擇？總共224單元，能存放16MB的信息共需要16/4*8=32（片）片內(nèi)地址線22位，可用2位作片選CP

53、UA23A22A0A21WED0D75. 存儲(chǔ)器的讀寫周期讀周期 讀出時(shí)間Ta 讀周期Trc 寫周期Twc二、DRAM存儲(chǔ)器1. 四管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元T1、T2為工作管T5T8為控制管或開門管2. 單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元（見上圖b）3. DRAM實(shí)例 Intel 2116，16K*1位4. DRAM的刷新通常在刷新過程中只改變行選擇線的地址，每次再生一行。刷新周期：從上一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器刷新結(jié)束到下一次刷新結(jié)束時(shí)，這段時(shí)間間隔為刷新周期。比 如2116的刷新周期為2ms。刷新方式集中式：刷新時(shí)間集中，刷新操作一氣呵成。 時(shí)間利用充分；3872/4000用與存儲(chǔ)器讀寫。 但每2ms都有一個(gè)集中的128/400

54、0*2ms的等待時(shí)間。在該等待時(shí)間內(nèi)，不能對(duì)DRAM進(jìn)行存取。-分散式：存儲(chǔ)器的系統(tǒng)工作周期分為兩個(gè)部分：前半部分用于讀寫或保持，后半部分，用于再生一行。a. 存儲(chǔ)器的刷新周期縮短了。由 2ms變成了128usb. 不存在停止讀寫的死時(shí)間c. 整個(gè)系統(tǒng)的速度降低了。耗費(fèi) 增大了（50%）異步式刷新：前邊兩種方法的結(jié)合。在2ms中把128行分散的刷新一遍刷新方法： 只用RAS（Row Address Select） 消耗的電流小，但需要刷新地址計(jì)數(shù)器 CAS（Column Address Select） 在RAS 之前的刷新 不需要外加的刷新地址計(jì)數(shù)器 例2: 見P85例題 5. 存儲(chǔ)器控制電路

55、由刷新計(jì)數(shù)器、仲裁電路、刷新定時(shí)器定時(shí)發(fā)生器地址多路開關(guān)組成。CPUDRAMCDRAMSRAM/DRAM的區(qū)別前者以6管作為基本存儲(chǔ)電路，后者以4管或單管作為基本存儲(chǔ)電路前者集成度低于后者，但高于雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。前者不需要刷新，后者需要。前者的功耗高于后者，但低于雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。后者價(jià)格便宜。三、高性能的主存儲(chǔ)器SDRAM（SynchronousDynamic）RAM RDRAM（Rambus DRAM）FPM（FastPageMode）RAMEDROM(Extended Dynamic Random Access Memory) 擴(kuò)展DRAMEDO（ExtendedDataOut）

56、RAMDDR（DoubleDataRate）EDRAM集成了一個(gè)小容量的高速的SRAM，可以暫時(shí)保存最近訪問的一行。地址分行地址和列地址分時(shí)的傳送支持猝發(fā)式存取讀SRAM的同時(shí)可以對(duì)DRAM進(jìn)行刷新輸出路徑和輸入路徑分開EDRAM內(nèi)存條內(nèi)存模塊的封裝SIMM（single in-line memory module）DIMM (dual in-line memory module )SODIMM (small outline dual in-line memory module )SIMMDIMMSODIMM3.3 只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器一、只讀存儲(chǔ)器1. 分類MROMPROMEPROM（E2

57、PROM）2. 光可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM）EPROM實(shí)例編程（寫數(shù)據(jù)） Vpp25、Vcc5V、CS1、PD/PGM由低到高脈沖讀（正常工作） VppVcc5V、CS0、PD/PGM0，數(shù)據(jù)讀出 未選中 VppVcc5V、CS1、PD/PGM無關(guān)，數(shù)據(jù)線高阻 功率下降模式 PD/PGM1，VppVcc5V、CS無關(guān)，數(shù)據(jù)線高阻 4. 存儲(chǔ)器綜合例子例3（P93）空間分布 補(bǔ)充例題（不講）設(shè)CPU共有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用作為控制信號(hào)，用作為讀寫控制信號(hào)，現(xiàn)有下列芯片1K*4RAM，4K*8RAM，2K*8ROM以及74LS138（譯碼器）等多種門電路，畫出CPU與存儲(chǔ)器的連

58、接圖。要求：主存地址空間分配：A000H-A777H為系統(tǒng)程序區(qū)，A800H-AFFFH為用戶程序區(qū)合理選用上述芯片，說明用多少片詳細(xì)畫出芯片的片選邏輯A15A14A13A12A11A10A9A0D0D7G1G2AG2BCBAY5Y4二、閃速存儲(chǔ)器什么是閃速存儲(chǔ)器閃速存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元電路是在CMOS單晶體管EPROM存儲(chǔ)元基礎(chǔ)上制造的，因此它具有非易失性。不同的是EPROM通過紫外光照射進(jìn)行擦除，而閃速存儲(chǔ)器則是在EPROM溝道氧化物處理工藝中特別實(shí)施了電擦除和編程次數(shù)能力的設(shè)計(jì)。通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)和工藝，閃速存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于傳統(tǒng)EPROM的性能。存儲(chǔ)單元比EEPROM小10倍，塑料封裝。 現(xiàn)廣泛

59、運(yùn)用于掌上電腦，數(shù)碼相機(jī)、MP3隨身聽等各種數(shù)碼產(chǎn)品中 Flash比SRAM成本低，比SRAM集成度高，且信息具有不易失性閃速存儲(chǔ)器是目前唯一的具有大容量、非易失性、低價(jià)格、可在線改寫、和較高速度幾個(gè)特性共存的存儲(chǔ)器。稱為FLASH，是因?yàn)椴脸俣瓤?，擦除整個(gè)存儲(chǔ)矩陣所花時(shí)間，與EEPROM擦除一個(gè)地址的時(shí)間相同 可以取代DRAM嗎？ 擦寫次數(shù)106而DRAM可讀寫次數(shù)為1015次 速度：45ns而DRAM在10ns以內(nèi)閃速存儲(chǔ)器的邏輯結(jié)構(gòu)P95 圖3.25工作原理閃速存儲(chǔ)器是在EPROM功能基礎(chǔ)上增加了電路的電擦除和重新編程能力。28F256A芯片引入一個(gè)指令寄存器來實(shí)現(xiàn)這種功能。其作用是：

60、保證TTL電平的控制信號(hào)輸入。在擦除和編程過程中穩(wěn)定供電。最大限度的與EPROM兼容。工作模式P96 表3.4與CPU的連接P97 圖3.26現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都以存儲(chǔ)器為中心例：一臺(tái)速度為1GIPS的計(jì)算機(jī)，假設(shè)：CPU取指令：1GW/S（每條指令長度為一個(gè)字）CPU取操作數(shù)和存運(yùn)算結(jié)果2GW/S（平均每條指令訪問兩個(gè)操作數(shù)）各種輸入和輸出設(shè)備訪問存儲(chǔ)器10MW/S三項(xiàng)相加，要求存儲(chǔ)器的確帶寬為3010MW/S，若存儲(chǔ)總線寬度為W，要求存儲(chǔ)器的確訪問周期0.332ns 而現(xiàn)在的內(nèi)存的訪問時(shí)間幾個(gè)ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到上述要求 目前，主存的速度還跟不上CPU的速度，所以，主存的存取周期仍然是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的瓶