全套電子課件：計算機組成原理-第十六套

1、計算機組成原理計算機組成原理一、課程主要內容討論計算機單機系統(tǒng)的硬件組成。即幾大功能部件的工作原理、邏輯實現(xiàn)、設計方法及相互連接構成整機的方法。計算機組成原理強調兩個層次的整機概念：CPU整機概念 硬件系統(tǒng)整機概念緊緊抓住各部件之間的信息傳送方式和傳送途徑。邏輯組成工作機制邏輯組成工作機制計算機組成原理二、學習目的為培養(yǎng)同學們在分析、設計、開發(fā)計算機系統(tǒng)方面的能力打下堅實的基礎。計算機組成原理三、教學特點1、以模型機為背景討論基本原理，適當輻射實用機型。2、討論硬件組成時，在寄存器級進行分析。計算機組成原理四、知識架構與教學安排知識架構： 計算機組成原理 信息的表示 計算機硬件系統(tǒng) CPU 存

2、儲器 I/O 系統(tǒng)結構計算機組成原理第一章 概論 4學時 第二章 計算機中的信息表示 6學時 第三章 CPU子系統(tǒng) 30學時 第四章 存儲子系統(tǒng) 10學時 第五章 I/O子系統(tǒng) 8學時 第六章 輸入/輸出設備及I/O接口 6學時 第七章 計算機硬件系統(tǒng)模型 自學計算機組成原理五、學習方法 抓住重點，解決難點： CPU部分（通路結構、指令流程）存儲器部分（邏輯設計）I/O系統(tǒng)部分（中斷機制及其接口設計） 充分利用教學網站（參考書、課程輔導、在線學習、課程實踐、課程資源、學生空間）計算機組成原理六、考核平時成績（作業(yè)+半期考試）：20%實驗：10%期末考試：70%主要內容： 計算機的基本概念 系統(tǒng)

3、硬件組成（主要部件、系統(tǒng)結構） 計算機的性能指標第一章 概論 第一節(jié) 計算機的基本概念1.1.1 馮 諾依曼思想1. 用二進制代碼表示程序和數據；2. 計算機采用存儲程序的工作方式；3. 計算機硬件由存儲器、運算器、控制 器、輸入設備和輸出設備組成。1.1.2 信息的數字化表示 1. 在計算機中用數字代碼表示各種信息 二進制代碼例1 用數字代碼表示數據 5 - 5 表示為 0 101 表示為 1 101 例2 用數字代碼表示字符 A B 表示為 1000001 表示為 1000010 例3 用數字代碼表示命令、狀態(tài) 啟動 停止 正在工作 工作結束 表示為 00 表示為 01 表示為 10 表示

4、為 11 2. 在物理機制上用數字信號 數字型電信號例1 用電平信號表示數字代碼 高電平 1 低電平 高電平 0 1 例2 用脈沖信號表示數字代碼 有脈沖無脈沖有脈沖101 表示數字代碼 實現(xiàn)并行操作實現(xiàn)串行操作1.1.3 存儲程序工作方式 1.事先編制程序 3.自動、連續(xù)地執(zhí)行程序 2.事先存儲程序 傳統(tǒng)諾依曼機串行執(zhí)行指令。 對傳統(tǒng)諾依曼機的改造：增加并行處理功能。第二節(jié) 計算機系統(tǒng)的硬件組成1.2.1 主要功能部件1. CPU由運算器、控制器、寄存器組成。（1） 運算器 1）功能：加工信息。 2）組成：移位器ALU選擇器通用寄存器組選擇器移位器ALU選擇器通用寄存器組選擇器 ALU: 通

5、過加法器實現(xiàn)運算操作（由全加器求和、由進位鏈傳遞進位信號）。移位器ALU選擇器通用寄存器組選擇器 通用寄存器組：提供操作數，存放運算結果。移位器ALU選擇器通用寄存器組選擇器 選擇器：選擇操作數；選擇控制條件，實現(xiàn)各種算法。移位器ALU選擇器通用寄存器組選擇器 移位器：直接或者移位送出運算結果。（2）控制器 1）功能：產生控制命令(微命令)， 控制全機操作。 2）組成：微命令發(fā)生器指令信息狀態(tài)信息時序信號微命令序列微命令產生方式（指令執(zhí)行控制方式）：組合邏輯控制方式：微程序控制方式：由組合邏輯電 路產生微命令由微指令產生微命令存儲體地址寄存器譯碼器讀/寫線路數據寄存器控制線路2. 存儲器 1）

6、功能: 存儲信息。 2）組成（主存儲器）：存儲體地址寄存器譯碼器讀/寫線路數據寄存器控制線路 存儲體: 存放信息的實體。 尋址系統(tǒng)：對地址碼譯碼，選擇存儲單元。 讀/寫線路和數據寄存器：完成讀/寫操作，暫存讀/寫數據。存儲體地址寄存器譯碼器讀/寫線路數據寄存器控制線路 控制線路：產生讀/寫時序，控制讀/寫操作。 3. 輸入/輸出設備 1）功能：轉換信息。 輸入：原始信息 代碼，送入主機輸出：處理結果 人所能接受的形式，并輸出（代碼） 1.2.2 硬件系統(tǒng)結構1. 以總線為基礎的系統(tǒng)結構 總線：能為多個部件分時共享的一組信息傳送線路?？?線部件部件部件總 線功能 內總線 局部總線 系統(tǒng)總線 外總

7、線信息 地址總線 數據總線 控制總線時序 同步總線 異步總線格式 并行總線 串行總線方向 單向總線 雙向總線 （1）以CPU為中心的雙總線結構CPUM接口接口I/OI/OI/O 總線M 總線 （2）單總線結構CPUM接口接口I/OI/O系 統(tǒng) 總 線 （3）以M為中心的雙總線結構CPUM接口接口I/OI/O系 統(tǒng) 總 線 M 總線 （4）多級總線結構CPURAMROM公共接口總線控制邏輯M擴展板I/O接口板局部總線系統(tǒng)總線2. 采用通道或IOP的大型系統(tǒng)結構 （1）帶通道的系統(tǒng)I/O控制器主機I/O通道（2）帶IOP的系統(tǒng)CPUM接口I/OIOPLM接口I/O系統(tǒng)總線I/O總線3. 模型機系統(tǒng)

8、結構系 統(tǒng) 總 線CPUM公共接口接口接口I/OI/O第三節(jié) 計算機系統(tǒng)的性能指標1. 基本字長 指操作數的基本位數。 它影響計算精度、指令功能。2. 存儲容量 （1）主存容量 指存儲單元個數位數。決定地址位數表明編址單位表示為：字數字長（按字編址）或 字節(jié)數（按字節(jié)編址）（2）外存容量 常表示為字節(jié)數。 外存容量與地址碼位數無關。3. 運算速度 （1）定點/浮點四則運算時間 （2）每秒平均執(zhí)行的指令條數（MIPS） （3）CPU時鐘頻率（MHz） 總線位數總線時鐘頻率 8 5. 處理功能 （1）指令系統(tǒng)功能（尋址方式、指令 類型） （2）系統(tǒng)軟件配置總線帶寬 =4. 數據傳輸率（B/S）第二

9、章 計算機中的信息表示 數據信息控制信息數值型數據非數值型數據指令信息等 第一節(jié) 數據信息的表示 2.1.1 表示數據的大小二進制、八進制、十六進制、二-十進制2.1.2 表示數據的符號原碼、補碼、反碼2.1.3 表示小數點定點、浮點1. 定點表示法無符號數定點整數定點小數00000000 11111111 （0） （255）11111111 01111111原原（-127） （127）補10000000 01111111補（-128） （127）1.1111111 0.1111111原原-(1-2-7) (1-2-7)1.0000000 0.1111111補補 （-1） (1-2-7)類型

10、E浮點數真值：N = + R M 階碼Ef E1 Em Mf M1 Mn浮點數機器格式：尾數階符數符R：階碼底，隱含約定。E：階碼，為定點整數，補碼或移碼表示。 其位數決定數值范圍；階符表示數的大小。M：尾數，為定點小數，原碼或補碼表示。 其位數決定數的精度；數符表示數的正負。尾數規(guī)格化：1/2 M 1最高有效位絕對值為12. 浮點表示法3. 浮點表示范圍表示范圍：-231 231 (1-2-9)例.某規(guī)格化浮點數用補碼表示，其中階碼6位，含1位階符；尾數10位，含1位數符。階符1位，階碼m位，補碼表示，以2為底；數符1位，尾數n位，補碼表示，規(guī)格化。最小浮點數：最大浮點數：最小浮點正數：階碼

11、為最大數：2 -1m尾數為絕對值最大的負數：-1尾數為最大數：階碼為最大數：2 -1m1-2-n階碼為最小數：-2 m尾數為最小正數：2-1表示精度：2-33 第二節(jié) 指令信息的表示 指令：指示計算機執(zhí)行某類操作的信息的集合。本節(jié)主要討論：一般指令格式 常用尋址方式 面向用戶指令類型2.2.1 指令格式指令基本格式操作碼 地址碼 D一個一個或幾個1. 指令字長定長指令格式變長指令格式便于控制（1） 定長操作碼各指令的位置、位數固定相同。（2）擴展操作碼各指令的位置、位數不固定，根據需要變化。合理利用存儲空間2. 操作碼結構關鍵在設置擴展標志。例. 指令字長16位，可含有3、2、1或0個地址，每

12、個地址占4位。操作碼 地址碼 15 12 11 8 7 4 3 00000 X Y Z 1110 X Y Z.1111 0000 Y Z 1111 1110 Y Z.三地址指令 15條二地址指令 15條1111 1111 0000 Z 1111 1111 1110 Z.一地址指令 15條1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 1111.零地址指令 16條（3）復合型操作碼操作碼分為幾部分，每部分表示一種操作。例.某機算邏指令3. 地址結構0 1 2 3 4 5 6 7 8 15基本操作 進位 移位 回送 判跳 操作數指令中提供的地址數存儲單元地址碼寄存器編號（1）

13、指令提供地址的方式顯地址方式隱地址方式:指令中明顯指明地址。:地址隱含約定,不出現(xiàn)在指令中。直接或間接給出（2） 地址結構的簡化操作數地址 四地址結構指令格式：使用隱地址可以減少指令中的地址數，簡化地址結構。 D1 D2 D3 D4結果地址下條指令地址功能：(D1)(D2) D3(D4) 下條指令用指令計數器PC指示指令地址。三地址結構指令格式：操作數地址 D1 D2 D3 結果地址下條指令地址功能：轉移時，用轉移地址修改PC內容。(D1)(D2) D3(PC) + 1 PC源/目的二地址結構指令格式： D1 D2 目的/源功能：(D1)(D2) D2/D1(PC) + 1 PC雙操作數：一地

14、址結構指令格式： D1 隱含約定單操作數：功能：零地址結構指令格式：(D1)(A) A(PC) + 1 PC(D1) D1(PC) + 1 PC 功能：用于堆棧或特殊指令操作。例.ADD；執(zhí)行前：低SP102046SP3046執(zhí)行后：高低高2.2.2 尋址方式是指尋找操作數地址或操作數的方式。操作碼 立即數S（1） 立即尋址指令直接給出操作數。1. 常見尋址方式定長格式：變長格式：基本指令 立即數S數在指令中，其長度固定、有限。數在基本指令之后，其長度可變。用來提供常數、設置初值等。操作碼 有效地址D （2） 直接尋址指令直接給出操作數地址。存儲單元號寄存器號(數在M中)(數在R中) 存儲器直

15、接尋址（直接尋址）定長格式D的位數有限,限制訪存范圍變長格式基本指令 DL DHD的位數可覆蓋整個存儲空間S =（D）操作碼 寄存器號R 存儲單元號寄存器號(數在M中)(數在M中) 寄存器直接尋址（寄存器尋址）格式R所占位數少；訪問R比訪問M快格式S =（R）用于訪問固定的存儲單元或寄存器。（3）間接尋址指令給出操作數的間接地址。 存儲器間址操作碼 間接地址D D=00300060.0060 S.S =(D) M間址單元地址指針操作碼 寄存器號R 寄存器間址格式R所占位數少；R可提供全字長地址碼；修改R內容比修改M內容快。格式S =(R)指針不變(由指令指定)，指針內容可變，使同一指令可指向不

16、同存儲單元，以實現(xiàn)程序的循環(huán)、共享，并提供轉移地址。 堆棧尋址操作碼 堆棧指針SP SP. S.S =(SP) MR=02 M00400040 S.地址指針0070.棧頂格式SP既可出現(xiàn)在指令中，也可隱含約定。 變址尋址（4）變址、基址尋址及其變化SP棧頂 M S.低高堆棧向上生成壓棧：SP自動減1，再存數。-(SP)，自減型間址。先取數，SP再自動加1。(SP)+，自增型間址。出棧：指令給出一個寄存器號和一個地址量，寄存器內容與地址量之和為有效地址。操作碼 RX D D的位數有限，若不能提供全字長地址碼，會使訪存空間受到限制。變址寄存器號例. 用變址方式訪問一組連續(xù)區(qū)間內的數組元素。S =(

17、RX)+ D)D=首址D為存儲區(qū)首址；(RX)為所訪單元距離首址的長度；RX初值為0，每訪問一個單元，(RX)+1。格式操作碼 RX D 形式地址修改量基準地址n-1.012.D+1D+2D+n-1 .格式（D的位數只需覆蓋一個較小的存儲區(qū)間） 基址尋址基址寄存器號Rb 4K指令給出一個寄存器號和一個地址量，寄存器內容與地址量之和為有效地址。操作碼 Rb D 位移量S =(Rb)+ D)基準地址相對于基址的位移 M.Rb 4K改變Rb的內容，程序能訪問存儲空間中任何一個定長區(qū)間(4K)。便于訪問兩維數組中某類指定的元素。 4K 4KRb M.RbD=2D=2學生姓名性別性別年齡年齡學生姓名變址

18、與基址的區(qū)別：變址：指令提供基準量(不變)， R提供修改量(可變)；適 于處理一維數組。基址：指令提供位移量(不變)， R提供基準量(可變)；用 于擴大有限字長指令的訪 存空間。S =(RX)+(Rb)+ D)格式 基址加變址變址寄存器號指令給出兩個寄存器號和一個地址量，寄存器內容與地址量之和為有效地址。位移量操作碼 RX Rb D 基址寄存器號便于處理兩維數組。格式 相對尋址指令給出位移量，PC內容與位移量之和為有效地址。位移量操作碼 PC D 或隱含指定S =(PC)D)有效地址相對PC上下浮動,給編程帶來方便。格式 頁面尋址指令給出位移量，PC的高位部分與位移量拼接，形成有效地址。位移量

19、操作碼 PC D 或隱含指定S =(PC)H，D)例. M為64KB，劃分為256頁，每頁256B。頁號頁內地址用于頁式管理存儲系統(tǒng)。尋址速度快，適于組織程序模塊，有效利用存儲空間。PC0165H7C.017CHS2. 對尋址方式的說明 （1）操作碼隱含說明不同尋址方式例.某機指令操作碼最高兩位00：RR型指令，寄存器-寄存器尋址01：RX型指令，寄存器-變址尋址10：SI型指令，基址-立即尋址11：SS型指令，基址-基址尋址（2）指令中設置專門字段說明尋址方式例.某機指令的每個地址字段中各設置一個3位的尋址方式字段。操作碼 尋址方式 R 尋址方式 R 源地址字段目的地址字段3位3位2.2.3

20、 指令類型1.傳送指令源地址 目的地址數設置時需考慮：（1）規(guī)定傳送范圍例. DJS-100系列： 80X86： IBM370：R MR M，R RR M，R R，M M（2）指明傳送單位例. 用操作碼說明(VAX-11)：用地址量說明(80X86)：傳送次數由計數器控制MOVB 8MOV AX，BX MOVW 16MOVL 32MOV AL，BL MOV EAX，EBX 例. 80X86的串傳送指令：REP MOVSW（3）設置尋址方式在尋址方式的設置上幾乎不受限制，能比較集中地反映指令系統(tǒng)各種尋址方式的實現(xiàn)。816322.輸入/輸出指令各種信息主機 外設設置時需考慮：（1）I/O指令的功能

21、擴展如何用通用I/O指令實現(xiàn)對各種具體設備的控制？ I/O指令中留有擴展余地指令中某些字段編碼事先不定義，需要時再約定其含義。 I/O接口中設置控制/狀態(tài)寄存器用于外設種類、數量不多的場合。（2）主機對外設的尋址方式如何設置控制/狀態(tài)寄存器是接口設計的關鍵。尋找I/O接口中的寄存器的方式。主機用輸出指令或傳送指令將具體設備的控制命令按約定的代碼格式送往接口中的控制寄存器，向外設發(fā)出命令。外設的狀態(tài)信息也以某種格式放在接口的狀態(tài)寄存器中，主機用輸入指令或傳送指令從狀態(tài)寄存器中取出有關信息進行查詢、分析。I/O端口尋找I/O接口中的寄存器的方式。如何為I/O端口分配地址？ 單獨編址I/O地址空間不

22、占主存空間，可與主存空間重疊。=1 訪問存儲器=0 訪問I/O端口需設置標志區(qū)分訪問對象，如編址到寄存器：為每個寄存器(I/O端口)分配獨 立的端口地址； I/O指令中給出端口地址。M/IO 統(tǒng)一編址I/O端口占據部分主存空間。常將存儲空間的低端分配給主存單元，高端分配給I/O端口，以示區(qū)分。編址到寄存器 設置專用I/O指令針對單獨編址，用I/O指令訪問I/O端口。指令中說明輸入/輸出操作，并給出端口地址。 ：為每個寄存器(I/O端口)分配總 線地址； 訪問外設時，指令中給出總線地址。（3）I/O指令設置方式顯式I/O指令例. 80X86I/O指令設置 輸入：IN AL，n；端口地址(n) A

23、L(直接端口尋址) IN AL，DX；間接端口地址(DX) AL(間接端口尋址) 輸出：OUT n，AL；(AL) n(直接端口尋址) OUT DX，AL；(AL) (DX)(間接端口尋址)主機調用輸入機： 用傳送指令實現(xiàn)I/O操作針對統(tǒng)一編址，用傳送指令訪問I/O端口。不設專用I/O指令。例. 某機I/O接口中設置控制/狀態(tài)寄存器CSR,其總線地址為177550(8進制)數據緩沖寄存器DBR，其總線地址為177552隱式I/O指令控制/狀態(tài)字格式：出錯 故障 忙 完成 允許中斷 維護 校驗 啟動15 14 12 7 6 2 1 0啟動：測試：取數：主機 177550控制字(啟動位為1)傳送指

24、令主機 177550 狀態(tài)字傳送指令主機 177552 數據傳送指令 通過I/O處理機進行I/O操作CPU執(zhí)行簡單I/O指令 (啟動、停止、查詢、清除)設置時需考慮操作數類型、符號、進制等；運算結束后設置相應狀態(tài)標志。兩級I/O指令（1）算術運算指令I/O處理機執(zhí)行I/O操作指令 (輸入、輸出)3.算術邏輯運算指令（2）邏輯運算指令實現(xiàn)對代碼位的設置、測試、清除、修改等。與或異或控制程序流程。（1）轉移指令4. 程序控制指令（2）轉子指令與返回指令轉子：操作碼 子程序入口地址無條件轉移條件轉移循環(huán)：操作碼 轉移地址：操作碼 轉移地址 轉移條件：轉移條件為循環(huán)計數值返回：操作碼 返回地址同一條返

25、回指令應能提供多個不同的返回地址。返回地址的存?。河枚褩４娣欧祷氐刂贰＃?）軟中斷指令程序自陷指令 第二章復習提綱1.I/O指令的功能擴展(目的、方法)，外設編址方式和指令設置方式。2.基本概念：擴展操作碼(擴展方法)、地址結構(簡化方法)、隱地址、顯地址、基本尋址方式(立即、直接、間址、變址)的含義與應用場合。表示不同的功能調用調試程序早期主要用于程序的調試?，F(xiàn)在常常用于系統(tǒng)功能調用。以 INT n 的形式出現(xiàn)在程序中。 第三章 CPU子系統(tǒng)運算部件 寄存器 寄存器控制部件運算器控制器本章主要討論：運算器 控制器數據通路結構與外部的連接指令的執(zhí)行過程CPU組成CPU工作原理 CPU組成原理

26、CPU工作機制（設計模型機） CPU子系統(tǒng)運算器組成和運算方法控制器原理定點乘法定點除法浮點運算組合邏輯控制方式微程序控制方式基本思想控制器組成工作過程主機和外設的信息交換連接方式傳送控制方式查詢中斷DMA微指令編碼和微地址形成基本思想控制器組成工作過程時序控制本章知識架構： 第一節(jié) 運算器組織 3.1.1 運算器的硬件組成運算器 移位器 ALU輸入選擇器 ALU部件 寄存器 并行加法器 加法器輸入選擇器 全加器 進位鏈 串行并行分組選擇操作數來源選擇操作數組合獨立結構小型存儲器結構單口雙口寄存器組獨立R、雙口RAM用多路選擇器作為ALU的輸入邏輯，單口RAM用鎖存器作為ALU的輸入邏輯。3.

27、1.2 運算器的組織結構1. 帶多路選擇器的運算器移位器ALU多路選擇器多路選擇器R0RnR0. . . Rn R0. . . Rn 內部總線（單向）特點：R各自獨立；可同時向ALU提供兩個操作數；采用單向內總線。2. 帶輸入鎖存器的運算器特點：單口RAM不能同時向ALU提供兩個操作數；用鎖存器暫存操作數；采用雙向內總線。移位器ALU鎖存器鎖存器內部總線（雙向）R0Rn通用寄存器組（小型存儲器）3. 位片式運算器特點：用雙口RAM（兩地址端、兩數據端）作通用寄存器組，可同時提供數據；用多路選擇器作輸入邏輯，不需暫存操作數；ALU增加乘、除功能，用乘商寄存器存放乘數、乘積或商。例. 4位片運算器

28、粗框移位器ALU多路選擇器多路選擇器DO RAMDi B 地址 A 地址 CnDBDAG、P控制信息Cn+4乘商寄存器444444444444 第二節(jié) 運算方法3.2.1.1 補碼加減法數用補碼表示，符號位參加運算。實際操作能否只取決于操作碼？結果需不需修正？如何將減法轉換為加法？ 3.2.1 定點加減運算1. 基本關系式 ( X + Y )補 = X補 + Y補 （1） ( X - Y )補 = X補 + (-Y)補 （2）式（1）：操作碼為“加”時，兩數直接相加。3) X= 3 Y= 2 X補=0 0011 Y補=1 11100 0001（+1補碼）2) X= 3 Y= 2 X補=1 11

29、01 Y補=1 11101 1011（ 5補碼）1) X=3 Y=2 X補=0 0011 Y補=0 00100 0101（+5補碼）4) X= 3 Y= 2 X補=1 1101 Y補=0 00101 1111（1補碼）例. 求(X+Y)補 ( X + Y )補 = X補 + Y補 （1） ( X - Y )補 = X補 + (-Y)補 （2）式（2）：操作碼為“減”時，將減轉換為加。 1) X= 4 Y= 5 X補=0 0100 Y補=1 1011(-Y)補=0 01010 1001（+9補碼）2) X= 4 Y= 5 X補=1 1100 Y補=0 0101(-Y)補=1 10111 0111

30、（9補碼）例. 求(X Y)補Y補 (Y)補：將Y補變補不管Y補為正或負，將其符號連同尾數一起各位變反，末位加1。即將減數變補后與被減數相加。 X補=0 0100 Y補=1 1011 X補=1 1100 Y補=0 0101注意：某數的補碼表示與某數變補的區(qū)別。例. 1 0101原 1 1011補碼表示1 0011補 0 1101變補 0 0101原 0 0101補碼表示符號位不變；負數尾數改變，正數尾數不變。0 0011補 1 1101變補符號位改變，尾數改變。補碼的機器負數2. 算法流程操作數用補碼表示，符號位參加運算結果為補碼表示，符號位指示結果正負X補+Y補X補+(-Y)補ADDSUB3

31、. 邏輯實現(xiàn)A(X補)B(Y補)+AABB+B+B+1CPA A（1）控制信號加法器輸入端：+A：打開控制門，將A送。+B：打開控制門，將B送。+1：控制末位加 1 。+B：打開控制門，將B送。加法器輸出端： A：打開控制門，將結 果送A輸入端。CPA：將結果打入A。（2）補碼加減運算器粗框3.2.1.2 溢出判斷在什么情況下可能產生溢出？例.數A有4位尾數，1位符號SA 數B有4位尾數，1位符號SB 符號位參加運算 結果符號Sf符號位進位Cf尾數最高位進位C正確0 00110 0010（1）A=3 B=2 3+2：0 0101 （2）A=10 B=7 10+7：0 10100 01111 0

32、001 正溢正確負溢正確正確（3）A= -3 B= -2-3+(-2)：1 1011 1 11011 1110（4）A= -10 B= -7 -10+(-7)：0 1111 1 01101 1001（5）A=6 B= -4 6+(-4)：0 0010 0 01101 1100（6）A= -6 B=4 -6+4：1 1110 1 10100 0100（2）A=10 B=7 10+7 ：0 1010 0 01111 0001 （4）A= -10 B= -7 -10+(-7)：0 1111 1 01101 10011. 硬件判斷邏輯一（SA、SB與Sf的關系）溢出=SASBSfSASfSB2. 硬件

33、判斷邏輯二（Cf與C的關系）正確0 00110 0010（1）A=3 B=2 3+2：0 0101 （2）A=10 B=7 10+7：0 10100 01111 0001 正溢正確負溢正確正確（3）A= -3 B= -2-3+(-2)：1 1011 1 11011 1110（4）A= -10 B= -7 -10+(-7)：0 1111 1 01101 1001（5）A=6 B= -4 6+(-4)：0 0010 0 01101 1100（6）A= -6 B=4 -6+4：1 1110 1 10100 0100Cf=0C =0Cf=0C =1Cf=1C =1Cf=1C =0Cf=1C =1Cf=

34、0C =0111111（2）A=10 B=7 10+7 ： 0 1010 0 01111 0001 （4）A= -10 B= -7 -10+(-7)：0 1111 1 01101 10011. 硬件判斷邏輯一（SA、SB與Sf的關系）溢出=SASBSfSASfSB2. 硬件判斷邏輯二（Cf與C的關系）溢出= Cf C3. 硬件判斷邏輯三（雙符號位）（1）3+2：正確00 001100 001000 0101 （2）10+7：00 101000 011101 0001 正溢正確負溢正確正確（3）-3+(-2)：11 0111 11 110111 1110（4）-10+(-7)：10 1111 1

35、1 011011 1001（5）6+(-4)：00 0010 00 011011 1100（6）-6+4：11 1110 11 101000 0100第一符號位Sf1第二符號位Sf2溢出= Sf1 Sf2（2）A=10 B=7 10+7 ： 0 1010 0 01111 0001 （4）A= -10 B= -7 -10+(-7)：0 1111 1 01101 10011. 硬件判斷邏輯一（SA、SB與Sf的關系）溢出=SASBSfSASfSB2. 硬件判斷邏輯二（Cf與C的關系）溢出= Cf C3. 硬件判斷邏輯三（雙符號位）3.2.1.3 移位操作邏輯移位 ：數碼位置變化，數值不變。1. 移

36、位類型算術移位 1 0 0 0 1 1 1 1循環(huán)左移：0 ：數碼位置變化，數值變化,符號位不變。1 0 0 1 1 1 1 算術左移：1 0 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 0 (-15)(-30)（1）單符號位 ： 0 01110 1110 （2）雙符號位：00 1110 00 01112.正數補碼移位規(guī)則（3）移位規(guī)則左移右移右移0 0111 0 0011 左移左移右移右移01 1100 00 1110 00 0111 數符不變（單：符號位不變；雙：第一符號位不變）?？瘴谎a0（右移時第二符號位移至尾數最高位）。（1）單符號位 ： 1 10111 0110 （2）雙符號位：10

37、1100 11 01103.負數補碼移位規(guī)則（3）移位規(guī)則左移右移右移1 1011 1 1101 左移右移右移11 0110 11 1011 數符不變（單：符號位不變；雙：第一符號位不變）。左移空位補0（第二符號位移至尾數最高位）。右移空位補13.2.1.4 舍入方法1. 0舍1入（原碼、補碼）0 00100原 1 00101原 1 11011補 2. 末位恒置1（原碼、補碼）0 00100原 1 11011補 1 00101原 0 0010原 1 0011原 1 1110補 0 0011原 1 0011原 1 1101補 1 0011原 1 1101補 例. 保留4位尾數： 例. 保留4位尾

38、數： 3.2.2 定點乘法運算3.2.2.1 原碼一位乘法 每次用一位乘數去乘被乘數。 1.算法分析乘法 部分積累加、移位。例. 0.11011.1011乘積 P = X Y積符 SP= SX SYX原Y原（1）手算 0.1101 0.1011 1101 1101 0000 1101 0.10001111上符號：1.10001111部分積問題：1）加數增多（由乘數位數決定）。 2）加數的位數增多（與被乘數、乘 數位數有關）。改進：將一次相加改為分步累加。（2）分步乘法每次將一位乘數所對應的部分積與原部分積的累加和相加，并移位。設置寄存器： A：存放部分積累加和、乘積高位 B：存放被乘數 C：存

39、放乘數、乘積低位 設置初值： A = 00.0000 B = X = 00.1101 C = Y = .1011 步數 條件 操作 A C 00.0000 .1011 1）Cn=1+BCn+ 00.110100.1101 0.1101 0.1011 1101 1101 0000 1101 0.10001111BC 1101 00.01101.101 0.1101 0.10112）Cn=1+B+ 00.110101.001100.100111.10 0.1101 0.1011 0.1101 0.1011 1101 1101 0000 1101 0.10001111BC3）Cn=0+0+ 00.0

40、00000.100100.0100111.14）Cn=1+B+ 00.110101.000100.10001111X原Y原 = 1.10001111 2.算法流程0 A、X B、Y C、0 CRCn = 1 ？CR = n ？1/2（A+B） A，C1/2（A+0） A，C CR + 1 CRYYNN Sx + Sy SA 3.運算規(guī)則（1）操作數、結果用原碼表示；（2）絕對值運算，符號單獨處理；（3）被乘數(B)、累加和(A)取雙符號位；（4）乘數末位(Cn)為判斷位，其狀態(tài)決定 下步操作；（5）作n次循環(huán)（累加、右移）。3.2.2.2 補碼一位乘法 1.算法分析 X補 = X0.X1X2X

41、n（1）Y為正：Y補 = 0.Y1Y2Yn (XY)補 = X補(0.Y1Y2Yn)（2）Y為負：Y補 = 1.Y1Y2Yn (XY)補 = X補(0.Y1Y2Yn)+(-X)補（3）Y符號任意： (XY)補 = X補(0.Y1Y2Yn)+(-X)補Y0符號位（4）展開為部分積的累加和形式：(XY)補 = X補(0.Y1Y2Yn)+(-X)補Y0 = X補(0.Y1Y2Yn)-X補Y0 = X補(-Y0+2 Y1+2 Y2+2 Yn)-1 -2 -n = X補 -Y0+(Y1-2 Y1)+(2 Y2-2 Y2)+-1 -1 -2-(n-1) -n +(2 Yn-2 Yn) = X補 (Y1-Y

42、0)+2 (Y2-Y1)+2 (Y3-Y2)+-1 -2 +2 (0 -Yn)-n +2 (0 -Yn)-nYn+1 = X補 (Y1-Y0)+2 (Y2-Y1)+2 (Y3-Y2)+-1 -2 +2 (0 -Yn)-nYn+1比較法：用相鄰兩位乘數比較的結果決定 +X補、-X補或+0。 2.比較法算法Yn(高位) Yn+1(低位) 操作(A補為部分積累加和) 0 00 11 01 1 1/2A補 1/2(A補+X補) 1/2(A補-X補) 1/2A補( 0 )( 1 )(-1 )( 0 )3.運算實例X=-0.1101,Y=-0.1011,求(XY)補。初值：A=00.0000,B=X補=1

43、1.0011, -B=(-X)補=00.1101,C =Y補=1.0101步數 條件 操作 A C 00.0000 1.0101 1）1 0-BCn+ 00.110100.110100.011011.01012）0 1+B+ 11.001111.100111.1100111.0103）1 0-B+ 00.110100.100100.01001111.014）0 1+B+ 11.001111.011111.101111111.00 Cn+1CnCn+15）1 0-B+ 00.1101(XY)補 = 0.100011114）0 1+B+ 11.001111.011111.101111111.05）

44、1 0-B+ 00.110100.10001111修正(1)A、B取雙符號位，符號參加運算；(2)C取單符號位，符號參加移位，以決定最后是否 修正；(3)C末位設置附加位Cn+1，初值為0，CnCn+1組成判 斷位，決定運算操作；(4)作n步循環(huán),若需作第n+1步,則不移位,僅修正。 4.運算規(guī)則1.0 : -B修正0.1 : +B修正0.0 : 不修正1.1 : 不修正 3.2.3 定點除法運算除法 若干余數與除數加減、移位。例. 0.101100.111110.10110 11010.01 111110.111110001 11111 1010101 11111 101100.00000.

45、0.商： 0.10110余數：0.101102 5實現(xiàn)除法的關鍵：比較余數、除數絕對值大小，以決定上商。3.2.3.1 原碼恢復余數法1.算法 比較兩數大小可用減法試探。2余數-除數=新余數為正:夠減,商1。為負:不夠減,商0,恢復原余數。2.實例X=-0.10110，Y=0.11111，求X/Y，給出商Q和余數R設置：A：被除數、余數，B：除數，C：商初值：A= X = 00.10110 B= Y = 00.11111 C= Q = 0.00000 -B= 11.00001步數 條件 操作 A C 00.10110 0.00000 1）0-B 01.01100+11.0000100.0110

46、10.000012）1 -B00.11010+11.0000111.110110.000103）恢復余數+B+00.1111100.1101001.101000.001014）0-B+11.0000100.10101CnSAQ1 Q2 Q3 r02r0r12r1r2r22r2r3步數 條件 操作 A C 00.10101 0.00101 5）0-B 01.01010+11.0000100.010110.010116）1 -B00.10110+11.0000111.101110.101107）恢復余數+B+00.1111100.10110Q= -0.10110CnQ4 Q5 Q3 r32r3r4

47、2r4r5r5R= 0.101102-5X/Y=-0.10110+-0.101102-5 0.111113.說明（1）A、B雙符號位，X、Y絕對值，X 小于 Y 。（2）運算結束后，余數乘以2 ，與被除數同號。-n3.2.3.2 原碼不恢復余數法（加減交替法）1.算法分析第二步:2r1-B=r20第三步:r2+B=r2(恢復余數)第四步:2r2-B=r32r2-B=2(r2+B)-B =2r2+B=r3 第二步:2r1-B=r20第三步:2r2+B=r3 (不恢復余數)2.算法 ri+1=2ri+(1-2Qi)Yri為正，則Qi為1，第i+1步作2ri-Y；ri為負，則Qi為0，第i+1步作2

48、ri+Y。3.實例X=0.10110，Y=-0.11111，求X/Y，給出商Q和余數R。初值：A= X = 00.10110 B= Y = 00.11111 C= Q = 0.00000 -B=11.00001步數 條件 操作 A C 00.10110 0.00000 1）為正-B 01.01100+11.0000100.011010.000012）為負 -B00.11010+11.0000111.110110.000103）+B+00.1111111.101100.00101為正00.10101Cn rQ1 Q2 Q3 r02r0r12r1r22r2r34）為正-B 01.01010+11.

49、0000100.010110.01011Q4 2r3r4步數 條件 操作 A C 00.01011 0.01011 6）為負 恢復余數+B+00.1111100.10110Q= -0.10110CnQ4 r45）為正-B 00.10110+11.0000111.101110.10110Q5 2r4r5r5R= 0.101102-5X/Y=-0.10110+ 0.101102-5 -0.11111 4.運算規(guī)則（1）A、B取雙符號位，X、Y取絕對值運算，X Y 。（2）根據余數的正負決定商值及下一步操作。（3）求n位商，作n步操作；若第n步余數為負，則第n+1步恢復余數，不移位。3.2.3.3

50、補碼不恢復余數法（加減交替法）如何判斷是否夠減？如何上商？ 如何確定商符？ 1.判夠減(1)同號相除4 77 4-4 -7-7 -41-4 7-7 44 -77 -4010-43-7-3-(-4)-3-(-7)3夠減不夠減夠減不夠減夠減：r與X、Y同號；不夠減：r與X、Y異號。(2)異號相除 10 1 0+(-4) 3+(-7)-3 +4-3 +7 3夠減夠減不夠減不夠減夠減：r與X同號,與Y異號；不夠減：r與X異號,與Y同號。（3）判斷規(guī)則同號：作X補-Y補X補Y補夠減：r補與Y補同號不夠減：r補與Y補異號異號：作X補+Y補夠減：r補與Y補異號不夠減：r補與Y補同號2.求商值X補Y補同號：商

51、為正異號：商為負夠減商1不夠減商0夠減商0不夠減商1(r、Y同號)(r、Y異號)(r、Y異號)(r、Y同號)夠減商1不夠減商0夠減商0不夠減商1(r、Y同號)(r、Y異號)(r、Y異號)(r、Y同號)(r、Y同號)(r、Y異號)(r、Y異號)(r、Y同號)夠減商1不夠減商0夠減商0不夠減商1上商規(guī)則：Qi=SriSY余數與除數同號商1，異號商0。3.算法 (ri+1)補=2ri補+(1-2Qi補)Y補ri補與Y補同號，則Qi補為1，第i+1步作2ri補-Y補；ri補與Y補異號，則Qi補為0，第i+1步作2ri補+Y補。4.求商符令X補 = r0補r0補與Y補同號：Q0補=1異號：Q0補=0與實

52、際商符相反商符5.商的校正X補Y補=(-1+2 + 2 Qi補)+ 2 rn補Y補-n-in-1i=0-n商余數真商=假商+1.00001=Q0.Q1Q2Qn-1求n-1位商(假商)X補Y補=(-1+2 + 2 Qi補)+ 2 rn補Y補-n-in-1i=0-n商余數(1) 2 Qi補n-1i=0-i(2)2-n第n位商(末位商)恒置1(3)-1商符變反n位(4)余數求至rn6.實例X=0.10110，Y=-0.11111，求X/Y，給出商Q和余數R。初值：A =X補=00.10110 B =Y補=11.00001 C =Q補=0.00000 -B =00.11111步數 條件 操作 A C

53、00.10110 0.0000 1）異號+B 01.01100+11.0000100.01101 0.00002）同號 +B00.11010+11.0000111.11011 0.0001Cn-1r、YQ1 Q2 r02r0r12r1r2求商符Q0 異號0 5）+B+11.0000100.1011011.10111步數 條件 操作 A C 11.11011 0.0001 3）異號-B 11.10110+00.1111100.10101 0.00104）異號 +B01.01010+11.0000100.01011 0.0100Cn-1r、YQ3 Q2 r22r2r32r3r42r4r5假商=0.

54、0100Q4 真商=0.0100+1.00001=1.01001Q= -0.10111 R= -0.010012X/Y=-0.10111+-0.010012-5 -0.11111-5 7.運算規(guī)則（1）A、B取雙符號位，符號參加運算，并且 X BE，則BE+1 BE，BM，直到BE=AE1.1010(2) 0.0101 +0.1101AM + BM AM4.結果規(guī)格化 M 1應左移規(guī)格化應右移規(guī)格化AE-1 AE若 Af1Af2=1,則右規(guī)：(1) 11.0001 +00.100111.1010(2) 00.0101 +00.110101.0010(-1/2除外)Af1Af2 A1AM11.1

55、010若 Af1Af2A1+Af1Af2A1=1,則左規(guī)：01.0010Af1Af2 AMAE+1 AE3.2.4.2 浮點乘法運算步驟：1.檢測操作數是否為0。2.階碼相加。若階碼用移碼表示，相加后要修正。浮點乘 定點加、定點乘3.尾數相乘。相乘前不需對階。設A=2 AM，B=2 BM AEBEAE+BEAB=2 (AMBM) 4.結果規(guī)格化。一般左規(guī)。3.2.4.3 浮點除法運算步驟：1.檢測操作數是否為0。2. AM BM ?浮點除 定點減、定點除4.尾數相除。相除前不需對階。設A=2 AM，B=2 BM AEBE5.結果不再規(guī)格化。AE-BEAB=2 (AMBM) 3.階碼相減。若階碼

56、用移碼表示，相減后要修正。 見教學網站。第三章作業(yè)（一）第三節(jié) 組合邏輯控制器原理3.3.1 控制器組成微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼. PSW 時序 IR地址形成PCD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼. PSW 時序 IR地址形成PCD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器1.微命令發(fā)生器功能：產生全機所需的各種微命令控制最基本的操作(微操作)的命令電位型脈沖型微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼. PSW 時序 IR地址形成PCD尋來自M送M或ALU+1送M2.指令計數器PC功能：指示指令在M中的

57、位置。PC+1順序執(zhí)行：PC先+1，再用轉移地址修改PC微命令發(fā)生器PC轉移執(zhí)行：3.指令寄存器IR功能：存放現(xiàn)行指令。決定操作性質操作碼字段操作數地址轉移地址PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼. PSW 時序 IR地址形成D尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PC IR地址碼字段譯碼器微命令發(fā)生器地址形成部件尋D4.狀態(tài)寄存器PSW功能：指示程序運行方式，反映程序運行結果。例. 某機的PSWPC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼. PSW 時序 IR地址形成D尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PC IR PSW工作方式 優(yōu)先級 T N Z

58、 V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0C=1 進位 V=1 溢出Z=1 結果為0N=1 結果為負T=1, 執(zhí)行跟蹤程序（1）條件碼反映程序運行結果工作方式 優(yōu)先級 T N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0（2）跟蹤標志為程序查錯設置的斷點標志T。程序初始化置T為1.測試T跟蹤程序.程序優(yōu)先級高于外部優(yōu)先級，不響應程序優(yōu)先級低于外部優(yōu)先級，可響應用戶方式：禁止程序執(zhí)行某些指令核心方式：允許程序執(zhí)行所有指令（3）優(yōu)先級為現(xiàn)行程序賦予優(yōu)先級別，以決定是否響應外部中斷請求。工作方式 優(yōu)先級 T N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3

59、2 1 0（4）工作方式規(guī)定程序的特權級。PSW在CPU中，反映程序運行狀態(tài)；控制/狀態(tài)字在接口中,反映CPU命令、設備狀態(tài)。5.時序線路功能：控制操作時間和操作時刻。PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼. PSW 時序 IR地址形成D尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PC IR PSW 時序振蕩器分頻器時鐘脈沖工作脈沖時鐘周期(節(jié)拍)產生電位型微命令，控制操作時間段產生脈沖型微命令，控制定時操作1.取指令PCPC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼. PSW 時序 IR地址形成D尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PC IR PSW 時序3.

60、3.2 控制器工作過程地址M指令IR、譯碼(、尋址方式)PC+1PC2.取數PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼. PSW 時序 IR地址形成D尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PC IR PSW 時序按尋址方式，或從寄存器取數，或從存儲器取數。3.執(zhí)行按操作碼對數據進行運算處理。1.組合邏輯控制方式3.3.3 組合邏輯控制方式的優(yōu)缺點及應用綜合化簡產生微命令的條件，形成邏輯式，用組合邏輯電路實現(xiàn)；執(zhí)行指令時，由組合邏輯電路(微命令發(fā)生器)在相應時間發(fā)出所需微命令，控制有關操作。 產生微命令的速度較快。2.優(yōu)缺點 設計不規(guī)整，設計效率較低； 不易修改、擴展指令系統(tǒng)功