計(jì)算機(jī)原理教案

《計(jì)算機(jī)原理》課程教案張永超本課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的關(guān)鍵課程，是主干必修課。課程以論述原理為主，講述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其各功能部件的工作原理以及邏輯實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其各功能部件的設(shè)計(jì)原理以及并行處理技術(shù)。設(shè)置這一課程的目的是使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)的基本工作原理，掌握計(jì)算機(jī)各重要部件的硬件構(gòu)造、互相聯(lián)絡(luò)和作用，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理以及軟硬件的界面，從而對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有完整的理解，為計(jì)算機(jī)專業(yè)的后繼課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。本課程得重要內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論數(shù)字邏輯基礎(chǔ)（復(fù)習(xí)及提高）信息編碼和數(shù)據(jù)表達(dá)運(yùn)算措施與運(yùn)算器5、中央處理器6、存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)系統(tǒng)7、處理機(jī)設(shè)計(jì)8、輸入輸出系統(tǒng)二、本課程教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：信息編碼和數(shù)據(jù)表達(dá)控制器存儲(chǔ)系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)三、教材選用《計(jì)算機(jī)組織原理》.外語教學(xué)與研究出版社四、教學(xué)手段：PPT+版書+試驗(yàn)五、課程內(nèi)容和課時(shí)分派（整體安排按信息表達(dá)、信息處理、信息輸出思緒。）

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論一、教學(xué)內(nèi)容：1、理解計(jì)算機(jī)的發(fā)展；2、理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成以及各部分的重要功能；3、掌握鍵盤的使用，純熟掌握原則指法操作；4、理解計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表達(dá)編碼。二、教學(xué)目的 使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念三、教學(xué)基本規(guī)定理解計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、發(fā)展史（包括微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展史）、類型、應(yīng)用領(lǐng)域及前景；掌握計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)構(gòu)成，理解微機(jī)的硬件系統(tǒng)，包括掌握微機(jī)系統(tǒng)硬件構(gòu)成及重要性能指標(biāo)。四、重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)的發(fā)展史和應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)構(gòu)成難點(diǎn)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次構(gòu)造五、教學(xué)措施：講授(ppt)六、教學(xué)過程：第一課時(shí)：計(jì)算機(jī)概述1、什么是計(jì)算機(jī)（概念）2、計(jì)算機(jī)發(fā)展過程階段年份物理器件軟件特性應(yīng)用范圍第一代46-58電子管機(jī)器語言、匯編語言科學(xué)計(jì)算第二代59-64晶體管高級(jí)語言科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制第三代65-70小規(guī)模集成電路操作系統(tǒng)科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、文字處理、圖形處理第四代70至今大規(guī)模集成電路數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)領(lǐng)域3、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)巨型化、高性能、開放式、多媒體化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化4、計(jì)算機(jī)的分類：1）、根據(jù)規(guī)模大小分類：巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微機(jī)、2）、根據(jù)用途分類：通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)5、計(jì)算機(jī)的重要應(yīng)用科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)控制、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)、人工智能、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用注：記住某些專用名字的縮寫詳細(xì)內(nèi)容及規(guī)定第二、三課時(shí)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成；兩者相輔相成，構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的統(tǒng)一體。1、計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)構(gòu)成由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分構(gòu)成。1)中央處理器CPU運(yùn)算器和控制器合稱為中央處理單元,簡(jiǎn)稱CPU。CPU的作用是處理數(shù)據(jù)、存取數(shù)據(jù)或指令、協(xié)調(diào)各部件工作等。2)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器用于保留數(shù)據(jù)和程序。存儲(chǔ)器分為內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器內(nèi)存又分為只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)外存分為軟盤、硬盤、光盤、磁帶它們的特點(diǎn)和缺陷存儲(chǔ)器的有關(guān)術(shù)語簡(jiǎn)述如下：*位（Bit）：寄存一位二進(jìn)制數(shù)即0或1。位是計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)信息的最小單位。*字節(jié)（Byte）：8個(gè)二進(jìn)制位為一種字節(jié)。為了便于衡量存儲(chǔ)器的大小，統(tǒng)一以字節(jié)（Byte簡(jiǎn)寫為B）為單位。字節(jié)是計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)信息的基本單位*地址：整個(gè)內(nèi)存被提成若干個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元一般可寄存8位二進(jìn)制（字節(jié)編址）。每個(gè)存儲(chǔ)單元可以寄存數(shù)據(jù)或程序代碼。為了能有效地存取該單元內(nèi)的內(nèi)容，每個(gè)單元必須有唯一的編號(hào)（稱為地址）來標(biāo)識(shí)。*讀操作（Read）：按地址從存儲(chǔ)器中取出信息，不破壞原有的內(nèi)容，稱為對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行“讀”操作。*寫操作（Write）：把信息寫入存儲(chǔ)器，本來的內(nèi)容被覆蓋，稱為對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行“寫”操作。*主頻主頻是衡量CPU運(yùn)行速度的重要指標(biāo)。它是指系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖發(fā)生器輸出周期性脈沖的頻率。一般以赫茲（Hz）為單位。目前的飛躍Ⅵ微處理器的主頻已高達(dá)1.5GHz、2.2GHz。*字長(zhǎng)字長(zhǎng)是CPU可以同步處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)。如64位微處理器，一次可以處理64位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。常用的有16位、32位、64位微處理器。3）輸入設(shè)備輸入設(shè)備用來接受顧客輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并將它們轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以識(shí)別的二進(jìn)制形式寄存到內(nèi)存中。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、光筆、數(shù)字化儀、麥克風(fēng)等。4）輸出設(shè)備輸出設(shè)備用于將寄存在內(nèi)存中由計(jì)算機(jī)處理的成果轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯芙邮艿男问?。常用的輸出設(shè)備有：顯示屏、打印機(jī)、繪圖儀、音箱等。2、軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件1）.系統(tǒng)軟件（1）操作系統(tǒng)（2）語言處理程序（3）數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（4）網(wǎng)絡(luò)管理軟件（5）常用的服務(wù)程序2）．應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是在計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件的支持下，為處理各類專業(yè)和實(shí)際問題而設(shè)計(jì)開發(fā)的一類軟件。如文字處理、電子表格、多媒體制作工具、多種工程設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)計(jì)算軟件、模擬過程、輔助設(shè)計(jì)和管理程序等。（1）操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)：是管理和控制計(jì)算機(jī)的所有硬件、軟件資源的程序。重要功能有：顧客與計(jì)算機(jī)硬件的接口、硬件功能的擴(kuò)充、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制及管理等。（2)語言處理程序機(jī)器語言匯編語言高級(jí)語言：Basic語言、Pascal語言、C語言、Java語言等。（3）實(shí)用程序某些公用的工具性程序，如：編輯程序EDIT，調(diào)試程序DEBUG，診斷程序等。4）數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)按數(shù)據(jù)模型的不一樣分為三種類型：層次型、網(wǎng)狀型、關(guān)系型。目前比較流行的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)有FoxPro、Oracle、SQL等。教學(xué)小結(jié)：這一節(jié)最為重要的內(nèi)容是掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念，這一點(diǎn)在教學(xué)過程中要注意強(qiáng)調(diào)；對(duì)于上機(jī)試驗(yàn)的第一節(jié)課，要注意強(qiáng)調(diào)對(duì)的的指法操作。第二章數(shù)字邏輯基礎(chǔ)本講目的：掌握數(shù)字邏輯的基礎(chǔ)本講規(guī)定：掌握邏輯運(yùn)算、組合邏輯電路、常用時(shí)序電路本講重點(diǎn)：邏輯代數(shù)運(yùn)算本講難點(diǎn)：常用時(shí)序電路講課內(nèi)容一、邏輯代數(shù)的基本概念建立邏輯代數(shù)的概念，以區(qū)別一般代數(shù)，不能簡(jiǎn)樸地把一般代數(shù)的規(guī)律照搬到邏輯代數(shù)中來。邏輯變量邏輯代數(shù)中也用字母代表變量，但一般用一種字母代表一種變量?！襁壿嬜兞康娜≈抵荒苁恰?”或“1”，代表的是事物矛盾著的雙方；判斷事件的“真?zhèn)巍焙汀笆欠恰?，無大小和正負(fù)之分。在數(shù)字系統(tǒng)中，代表開關(guān)的接通現(xiàn)斷開，晶體管的導(dǎo)通與截止，電壓的高(5V)低(0V)，信號(hào)的有無等。邏輯運(yùn)算三種基本的邏輯運(yùn)算：“或”、“與”、“非”?！瘛盎颉边\(yùn)算概念：著重因果關(guān)系?！盎颉边\(yùn)算關(guān)系體現(xiàn)式：F=A+B或者F=A∨B。“或”運(yùn)算口訣：“有1出1”和“都0出0●“與”運(yùn)算概念：著重因果關(guān)系。“與”運(yùn)算關(guān)系體現(xiàn)式：F=A·B，或者F=AB，或者F=A∧B?！盎颉边\(yùn)算口訣：“有0出0”和“都1出1●“非”運(yùn)算概念：著重因果關(guān)系?！胺恰边\(yùn)算關(guān)系體現(xiàn)式：F=，或者F=┐A。“非”運(yùn)算口訣：“反0出1”和“反1出0二、觸發(fā)器的基本概念1.觸發(fā)器特點(diǎn)觸發(fā)器與組合邏輯電路不一樣，觸發(fā)器的輸出不僅與輸入信號(hào)有關(guān)，并且還與觸發(fā)器本來的狀態(tài)有關(guān)。觸發(fā)器具有記憶功能，是構(gòu)成時(shí)序電路的基本單元電路。觸發(fā)器具有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)0和1。在不一樣的輸入信號(hào)作用下，觸發(fā)器可以置成0，也可以置成1。當(dāng)輸入信號(hào)消失后，觸發(fā)器能保持其狀態(tài)不變。2.觸發(fā)器控制信號(hào)觸發(fā)器的外部控制信號(hào)分為三類：（1）置位信號(hào)、復(fù)位信號(hào)：置位信號(hào)和復(fù)位信號(hào)有高有效或低有效、同步或異步之分。置位信號(hào)和復(fù)位信號(hào)是低有效的異步信號(hào)，當(dāng)信號(hào)有效時(shí)，觸發(fā)器置1或清零，和不能同步有效。（2）時(shí)鐘脈沖信號(hào)：時(shí)鐘脈沖信號(hào)為觸發(fā)器的控制端，決定觸發(fā)器的狀態(tài)何時(shí)轉(zhuǎn)換。（3）外部鼓勵(lì)信號(hào)：外部鼓勵(lì)信號(hào)在CP脈沖作用下控制觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。3.觸發(fā)器類型觸發(fā)器有不一樣的分類措施，按觸發(fā)方式分類，有：電位觸發(fā)方式、主從觸發(fā)方式和邊緣觸發(fā)方式。按邏輯功能分類，有：RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和T觸發(fā)器等。4.觸發(fā)器邏輯功能描述措施觸發(fā)器的邏輯功能是指觸發(fā)器的次態(tài)與現(xiàn)態(tài)以及輸入信號(hào)之間的邏輯關(guān)系。描述觸發(fā)器的邏輯功能常用措施有：（1）狀態(tài)轉(zhuǎn)換表與鼓勵(lì)表（2）特性方程（3）狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（4）時(shí)序圖（二）觸發(fā)器的基本類型1.基本RS觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器沒有同步觸發(fā)脈沖，輸入信號(hào)直接控制輸出端的狀態(tài)。只要輸入變化，輸出立即變化。基本RS觸發(fā)器的特性方程為：2.同步RS觸發(fā)器同步RS觸發(fā)器在時(shí)鐘脈沖CP有效時(shí)，如CP=1期間，觸發(fā)器的輸出隨輸入信號(hào)的變化而變化。在時(shí)鐘脈沖有效期間，其特性表、特性方程與基本RS觸發(fā)器完全相似。同步RS觸發(fā)器為電平觸發(fā)方式，特點(diǎn)是在CP=1整個(gè)時(shí)間內(nèi)，觸發(fā)器輸出都會(huì)隨輸入信號(hào)的變化而變化。這種現(xiàn)象稱為“空翻”。3.主從RS觸發(fā)器主從RS觸發(fā)器由主觸發(fā)器和從觸發(fā)器兩部分構(gòu)成，主從RS觸發(fā)器在CP=1期間把輸入信號(hào)送入主觸發(fā)器，整個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)并不變化。當(dāng)CP下降沿到來時(shí)再將觸發(fā)器的狀態(tài)傳入從觸發(fā)器，觸發(fā)器的狀態(tài)才也許翻轉(zhuǎn)。主從RS觸發(fā)器克服了同步RS觸發(fā)器的“空翻”現(xiàn)象。主從RS觸發(fā)器在時(shí)鐘脈沖CP下降沿時(shí)，其特性表、特性方程與基本RS觸發(fā)器完全相似。4.主從JK觸發(fā)器主從JK觸發(fā)器的工作過程與主從RS觸發(fā)器相似，分為兩步：CP=1期間，接受J、K端的外部信號(hào)并存入主觸發(fā)器，從觸發(fā)器狀態(tài)不變；在CP由1變?yōu)?時(shí)，主觸發(fā)器狀態(tài)不變，從觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)；CP=0期間，主觸發(fā)器不接受J、K端的外部信號(hào)，觸發(fā)器的狀態(tài)不變。在一種時(shí)鐘周期內(nèi)，主從JK觸發(fā)器狀態(tài)只在CP下降沿發(fā)生一次變換。在CP=1期間，假如J、K端的信號(hào)發(fā)生變化，主觸發(fā)器的狀態(tài)可以也只可以變化一次，稱為主從JK觸發(fā)器的一次變化。JK觸發(fā)器的特性方程為：5.邊緣JK觸發(fā)器邊緣JK觸發(fā)器在時(shí)鐘脈沖的下降沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。規(guī)定J、K信號(hào)在時(shí)鐘脈沖CP的下降沿之前一段時(shí)間到來。在CP=1、CP=0及CP上升沿期間，J、K信號(hào)的任何變化都不會(huì)影響觸發(fā)器的輸出成果，因此，電路具有更強(qiáng)的抗干擾能力。其特性方程、鼓勵(lì)表與主從JK觸發(fā)器完全同樣。6.維持阻塞D觸發(fā)器維持阻塞D觸發(fā)器為邊緣觸發(fā)器。在CP脈沖上升沿狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)成果取決于CP上升沿抵達(dá)瞬間輸入信號(hào)D的狀態(tài)。D觸發(fā)器的特性方程為：（三）時(shí)序電路的基本概念數(shù)字邏輯電路可分為兩大類：組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路，前者簡(jiǎn)稱組合電路，后者簡(jiǎn)稱時(shí)序電路。在邏輯電路中，假如任一時(shí)刻的輸出信號(hào)不僅取決于該時(shí)刻輸入信號(hào)，并且還與電路本來的狀態(tài)有關(guān)，或者說與電路本來的輸入信號(hào)有關(guān)，具有這種功能的電路被稱為時(shí)序邏輯電路。1.時(shí)序電路的特點(diǎn)時(shí)序電路具有記憶能力，能保留電路本來的輸入狀態(tài)；時(shí)序電路具有存儲(chǔ)電路，這些存儲(chǔ)電路多數(shù)由觸發(fā)器構(gòu)成。時(shí)序電路有兩大類：同步時(shí)序電路和異步時(shí)序電路。2.時(shí)序電路與組合電路的區(qū)別時(shí)序電路在某一時(shí)刻的輸出不僅取決于該時(shí)刻電路的輸入，還取決于該電路本來的狀態(tài)，也就是說與電路本來的輸入有關(guān)。而組合電路在某一時(shí)刻的輸出僅僅取決于該時(shí)刻電路的輸入。3.同步時(shí)序電路電路中有一種統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖源，存儲(chǔ)電路里所有觸發(fā)器的狀態(tài)變化都與同一種時(shí)鐘脈沖同步。在電路構(gòu)造上，存儲(chǔ)電路中各觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖端接同一種時(shí)鐘脈沖源。4.異步時(shí)序電路電路中沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖，觸發(fā)器狀態(tài)的變化不與時(shí)鐘脈沖同步。（四）同步時(shí)序電路的分析與設(shè)計(jì)l.同步時(shí)序電路的分析時(shí)序電路完畢的邏輯功能不一樣，構(gòu)成構(gòu)造不一樣，其分析環(huán)節(jié)也有所不一樣。對(duì)詳細(xì)電路分析時(shí)，應(yīng)能做到靈活應(yīng)用。同步時(shí)序電路分析的一般環(huán)節(jié)如下：（1）根據(jù)給定的同步時(shí)序電路列寫方程：時(shí)序電路的輸出方程，各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程。（2）將觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程代入對(duì)應(yīng)觸發(fā)器的特性方程，求出時(shí)序電路的狀態(tài)方程。（3）根據(jù)時(shí)序電路的輸出方程和狀態(tài)方程，計(jì)算時(shí)序電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或時(shí)序圖。狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或時(shí)序圖三種形式之間可以互相轉(zhuǎn)換。（4）根據(jù)上述分析成果，用文字描述給定同步時(shí)序電路的邏輯功能。2.同步時(shí)序電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)是根據(jù)給定詳細(xì)的邏輯問題，給出符合其功能規(guī)定的時(shí)序電路。設(shè)計(jì)是分析的逆過程，設(shè)計(jì)又稱為綜合。這里只給出用小規(guī)模集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)的基本思想是用至少的觸發(fā)器和門電路實(shí)現(xiàn)符合規(guī)定的時(shí)序電路。（1）根據(jù)給定的邏輯功能建立原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖分析給定的邏輯問題，定義輸入變量、輸出變量以及電路的狀態(tài)。根據(jù)實(shí)際的邏輯問題，分析每一種輸入狀況下的狀態(tài)變化和對(duì)應(yīng)的輸出，從而構(gòu)成原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。（2）狀態(tài)化簡(jiǎn)原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖也許包括多出的狀態(tài)，狀態(tài)數(shù)目越多，設(shè)計(jì)的電路越復(fù)雜。狀態(tài)化簡(jiǎn)，消去多出的狀態(tài)，求出最小化的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。（3）狀態(tài)編碼對(duì)簡(jiǎn)化后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中每一種狀態(tài)用一種二進(jìn)制代碼來表達(dá)，即進(jìn)行狀態(tài)編碼，也叫做狀態(tài)分派。狀態(tài)編碼的方案不一樣，所得到的電路構(gòu)造及其復(fù)雜程度不一樣，狀態(tài)編碼應(yīng)當(dāng)以有助于觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)方程的簡(jiǎn)化為原則。（4）選擇觸發(fā)器選擇不一樣類型的觸發(fā)器，設(shè)計(jì)出的電路不一樣。運(yùn)用編碼后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，根據(jù)選定觸發(fā)器的類型，求驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程。（5）畫邏輯電路圖（6）畫全狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖全狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖指的是包括觸發(fā)器所有狀態(tài)組合的轉(zhuǎn)換圖。檢查電路與否符合設(shè)計(jì)規(guī)定，符合規(guī)定，則設(shè)計(jì)完畢。否則，需修改設(shè)計(jì)。（五）異步時(shí)序電路同步時(shí)序電路中有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，異步時(shí)序電路沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)。因此，異步時(shí)序電路的分析與設(shè)計(jì)與同步時(shí)序電路有所不一樣。1.異步時(shí)序電路的分析（1）分析電路，列寫各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程和時(shí)鐘方程；（2）根據(jù)觸發(fā)器的特性方程，求出電路的狀態(tài)方程；（3）求狀態(tài)轉(zhuǎn)換表；求解狀態(tài)轉(zhuǎn)換表時(shí)，首先分析觸發(fā)器有無時(shí)鐘信號(hào)，在有時(shí)鐘信號(hào)的前提下，再計(jì)算狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。（4）確定電路的邏輯功能。2.異步時(shí)序電路的設(shè)計(jì)（1）根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定，確定狀態(tài)數(shù)目、選擇狀態(tài)編碼，列寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。（2）確定觸發(fā)器類型，選擇每個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，求時(shí)鐘方程、驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程；（3）畫出邏輯電路圖或波形圖。第三章計(jì)算機(jī)中的信息表達(dá)本講目的：理解計(jì)算機(jī)中數(shù)的表達(dá)本講規(guī)定：掌握二進(jìn)制、十六進(jìn)制和帶符號(hào)數(shù)的表達(dá)以及BCD碼、ASCII碼本講重點(diǎn)：十六進(jìn)制數(shù)和補(bǔ)碼本講難點(diǎn)：負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼表達(dá)講課內(nèi)容一、數(shù)與數(shù)制1、十進(jìn)制記數(shù)法在十進(jìn)制記數(shù)中，用0，1，2，…，9這10個(gè)符號(hào)來表達(dá)數(shù)量，無論多大的數(shù)，都是用這10個(gè)符號(hào)的組合來表達(dá)的。例如，十進(jìn)制數(shù)3758可用上面的法則來表達(dá)：(3758)10=3×103+7×102+5×101+8×100根據(jù)同樣的法則，也可以表達(dá)十進(jìn)制小數(shù)，小數(shù)點(diǎn)的右邊各位的權(quán)為10-1,10-2,10-3,…。例如，十進(jìn)制數(shù)275.368可以用上述法則寫成：(275.368)10=2×102+7×101+5×100+3×10-1+6×10-2+8×10-32、二進(jìn)制記數(shù)法二進(jìn)制記數(shù)法用來表達(dá)數(shù)量的符號(hào)只有兩個(gè)，就是0和1。二進(jìn)制數(shù)中的任何一種0或1稱為比特(bit)。例如，二進(jìn)制數(shù)110101可以表達(dá)為(110101)2=1×25+1×24+0×23+1×22+0×21+1×203、二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的互相轉(zhuǎn)換①二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)如上所述，只要將二進(jìn)制數(shù)的每一位乘上它的權(quán)然后加起來就可以求得二進(jìn)制數(shù)的十進(jìn)制數(shù)值。例如，二進(jìn)制數(shù)101101.11換算成十進(jìn)制數(shù)為：(101101.11)2=1×25+0×24+1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-2=(45.75)10②十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)的措施分兩步進(jìn)行。例如，欲將十進(jìn)制數(shù)175.71875轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，其過程如下：第一步：175÷2=87-----------余數(shù)為------------187÷2=43-------------------------------143÷2=21-------------------------------121÷2=10-------------------------------110÷2=5--------------------------------05÷2=2--------------------------------12÷2=1--------------------------------01÷2=0--------------------------------1得到成果：(175)10=(10101111)2。第二步：將十進(jìn)制小數(shù)0.71875轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù)，其過程如下：0.71875×2=1.4375----取整數(shù)部分-------------------10.4375×2=0.875------------------------------------00.875×2=1.75--------------------------------------10.75×2=1.5----------------------------------------10.5×2=1.0-----------------------------------------1得到成果：(0.71875)10=(0.10111)2。綜上所述，一種十進(jìn)制整數(shù)的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換措施就是“除2取余”；而一種十進(jìn)制小數(shù)的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換措施就是“乘2取整”。若一種十進(jìn)制數(shù)既包括整數(shù)部分又包括小數(shù)部分，它的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換就是將它的整數(shù)部分和小數(shù)部分用上述措施分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終將轉(zhuǎn)換好的兩部分結(jié)合在一起形成要轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)，例如，(175.71875)10=(10101111.10111)24、八進(jìn)制記數(shù)法例如，八進(jìn)制數(shù)372.01，根據(jù)各位的權(quán)不一樣可以寫成：(372.01)8=3×82+7×81+2×80+0×8-1+1×8-2將上式中各位與其權(quán)相乘而后加到一起，就可以得到八進(jìn)制數(shù)372.01的十進(jìn)制數(shù)為：(372.01)8=(250.015625)10這也表明了八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的過程。十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)的措施是：對(duì)于十進(jìn)制整數(shù)采用“除8取余”的措施轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制整數(shù)；對(duì)于十進(jìn)制小數(shù)則采用“乘8取整”的措施轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制小數(shù)。例如，將十進(jìn)制數(shù)194.46875轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)時(shí)，應(yīng)將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別轉(zhuǎn)換，最終再合到一起就得到要轉(zhuǎn)換的八進(jìn)制數(shù)：194÷8=24余數(shù)為20.46875×8=3.75整數(shù)部分324÷8=300.75×8=6.063÷8=03因此，(194.46875)10=(302.36)8二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)的措施就是從小數(shù)點(diǎn)起，把二進(jìn)制數(shù)每三位提成一組，然后寫出每一組的等值八進(jìn)制數(shù)，次序排列起來就得到所規(guī)定的八進(jìn)制數(shù)。例如，將二進(jìn)制數(shù).1011轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)：(011101111010.101100)2(3572.54)8根據(jù)同樣的思想，即一位八進(jìn)制數(shù)用三位二進(jìn)制數(shù)表達(dá)，就可以直接將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。例如，將八進(jìn)制數(shù)712.46轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，其過程如下：(712.46)8(111001010.100110)25、十六進(jìn)制記數(shù)法十六進(jìn)制記數(shù)法中，0～9的表達(dá)與十進(jìn)制相似，用A表達(dá)10、B表達(dá)11、C表達(dá)12、D表達(dá)13、E表達(dá)14、F表達(dá)15。“逢16進(jìn)1”例如，十六進(jìn)制數(shù)E5D7.A3可以表達(dá)為：(E5D7.A3)16=E×163+5×162+D×161+7×160+A×16-1+3×16-2又如，將(47632.78125)10轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，其過程如下：整數(shù)部分：47632÷16=2977余數(shù)0→16進(jìn)制數(shù)02977÷16=1861→118÷16=1110→A11÷16=011→B小數(shù)部分：0.78125×16=12.5整數(shù)12→C0.5×16=8.08→8最終得到(47632.78125)10=(BA10.C8)16。由于一位十六進(jìn)制數(shù)可以用四位二進(jìn)制數(shù)來表達(dá)，因此二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)的互相轉(zhuǎn)換就比較輕易。二進(jìn)制數(shù)到十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換是由小數(shù)點(diǎn)開始，每四位二進(jìn)制數(shù)為一組，將每一組用對(duì)應(yīng)的一位十六進(jìn)制數(shù)來表達(dá)，即可得到對(duì)的的十六進(jìn)制數(shù)，例如：(11101010010110111.010111101010)2(1D4B7.5EA)16二、十進(jìn)制數(shù)與字符的編碼表達(dá)1、BCD碼把十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為其等值的二進(jìn)制數(shù)稱之為BCD編碼（如表1.1所示）。表1.1BCD碼與其他數(shù)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系十進(jìn)制數(shù)8421BCD碼純二進(jìn)制數(shù)000000000100010001200100010300110011十進(jìn)制數(shù)8421BCD碼純二進(jìn)制數(shù)000000000100010001200100010300110011401000100501010101601100110701110111810001000910011001100001000010101100010001101112000100101100130001001111011400010100111015000101011111根據(jù)上述闡明，一種十進(jìn)制數(shù)，可以很以便地用BCD碼來表達(dá)。例如，十進(jìn)制數(shù)859用BCD碼表達(dá)為：(859)10=(100001011001)BCD只要熟記十進(jìn)制數(shù)0~9與BCD碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則它們之間的互相轉(zhuǎn)換是十分以便的。例如：(011010010101.001001111001)BCD=(695.279)102、ASCII碼ASCII碼是美國(guó)原則信息互換碼的簡(jiǎn)稱，目前為各國(guó)所廣泛采用。一般，ASCII碼由7位二進(jìn)制編碼來表達(dá)，用于微處理機(jī)與它的外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)互換以及通過無線或有線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。代表上述字符或控制功能的ASCII碼是由一種4位組和一種3位組構(gòu)成的，形成7位二進(jìn)制編碼，其格式為：4位組001234563位組根據(jù)ASCII碼的構(gòu)成格式，可以很以便地從附錄A中ASCII表查出每一種字符或特殊控制功能的編碼。例如，大寫英文字母A，從表中查出其3位組為(100)2,4位組為(0001)2，故構(gòu)成字母A的ASCII編碼為(1000001)2或(41)16。三、二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算1、二進(jìn)制加法二進(jìn)制加法與十進(jìn)制加法相類似，所不一樣的是，二進(jìn)制加法中是“逢二進(jìn)一”，其法則為：0+0=0；1+0=1；0+1=1；1+1=0并進(jìn)位例如，兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)相加：10110101+100011102、二進(jìn)制減法在二進(jìn)制減法中，同樣有如下法則：0-0=0；1-0=1；1-1=0；0-1=1有借位當(dāng)不夠減時(shí)需要借位，高位的1等于下一位的2，即“借一當(dāng)二”。例如，兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)相減：10110100-01010111010111013、二進(jìn)制乘法二進(jìn)制乘法與十進(jìn)制乘法是同樣的。但由于二進(jìn)制數(shù)只由0和1構(gòu)成，因此，二進(jìn)制乘法更簡(jiǎn)樸。其法則如下：0×0=0；1×0=0；0×1=0；1×1=1例如，二進(jìn)制數(shù)1101.1與101.1相乘：1101.1被乘數(shù)(13.5)10×101.1乘數(shù)(5.5)10110111101100000+110111001010.01乘積(74.25)10再看下面的例子：(1011)2×(1101)21011被乘數(shù)(11)10×1101乘數(shù)(13)10101100001011+101110001111乘積(143)4、二進(jìn)制除法二進(jìn)制除法是乘法的逆運(yùn)算，其措施與十進(jìn)制除法是同樣的，并且二進(jìn)制數(shù)僅由0，1構(gòu)成，做起來更簡(jiǎn)樸。例如，求二進(jìn)制數(shù)100111除以110的商的措施如下：110.11101001111101111101101100四、符號(hào)數(shù)的表達(dá)及其運(yùn)算1、符號(hào)數(shù)的表達(dá)措施表達(dá)一種帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)有3種措施。①原碼法例如，8位二進(jìn)制符號(hào)數(shù)(＋45)10和(－45)10，可以按如下寫出：(＋45)10=(00101101)2↑↑符號(hào)位數(shù)值位(－45)10=(10101101)2↑↑符號(hào)位數(shù)值位②反碼法在計(jì)算機(jī)的初期，曾采用反碼法來表達(dá)帶符號(hào)的數(shù)。對(duì)于正數(shù)，其反碼與其原碼相似。例如，(＋45)10=(00101101)2也就是說正數(shù)用符號(hào)位與數(shù)值湊到一起來表達(dá)。對(duì)于負(fù)數(shù)，用對(duì)應(yīng)正數(shù)的原碼各位取反來表達(dá)，包括將符號(hào)位取反，取反的含義就是將0變?yōu)?，將1變?yōu)?。例如，(－45)10的反碼表達(dá)就是將上面(＋45)10的二進(jìn)制數(shù)各位取反：(－45)10=(11010010)2同樣，可以寫出如下幾種數(shù)的反碼表達(dá)，以便讀者對(duì)照：(+4)10=(00000100)2(-4)10=(11111011)2(+7)10=(00000111)2(-7)10=(11111000)2(+122)10=(01111010)2(-122)10=(10000101)2③補(bǔ)碼法在微處理機(jī)中，符號(hào)數(shù)是用補(bǔ)碼(對(duì)2的補(bǔ)碼)來表達(dá)的。用補(bǔ)碼法表達(dá)帶符號(hào)數(shù)的法則是：正數(shù)的表達(dá)措施與原碼法和反碼法同樣；負(fù)數(shù)的表達(dá)措施為該負(fù)數(shù)的反碼表達(dá)加1。例如，(+4)10的補(bǔ)碼表達(dá)為(00000100)2，而(-4)10用補(bǔ)碼表達(dá)時(shí)，可先求其反碼表達(dá)(11111011)2，而后再在其最低位加1，變?yōu)?11111100)2。這就是(-4)10的補(bǔ)碼表達(dá)，即(-4)10=(11111100)2。同樣，我們把前面提到的幾種數(shù)的補(bǔ)碼表達(dá)如下：(+7)10=(00000111)2(-7)10=(11111001)2(+122)10=(01111010)2(-122)10=(10000110)22、補(bǔ)碼的運(yùn)算例如，有兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)10000100和00001110，當(dāng)規(guī)定它們是不帶符號(hào)的數(shù)時(shí)，則它們分別表達(dá)(132)10和(14)10。將這兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)相加：10000100+0000111010010010當(dāng)碰到兩個(gè)數(shù)相減時(shí)，處理器就自動(dòng)地將減數(shù)取補(bǔ)，而后將被減數(shù)和減數(shù)的補(bǔ)碼相加來完畢減法運(yùn)算。例如(69)10－(26)10=?可以寫成(69)10+(－26)10。運(yùn)用(69)10的原碼和(26)10的補(bǔ)碼相加，即可以得到對(duì)的的成果。例如，兩個(gè)帶符號(hào)的數(shù)(01000001)2(十進(jìn)制數(shù)+65)與(01000011)2(十進(jìn)制數(shù)+67)相加：01000001+0100001110000100（成果有溢出）再來看兩個(gè)負(fù)數(shù)(10001000)2和(11101110)2的相加狀況。10001000+111011101←01110110（成果有溢出）此外，在微處理機(jī)中還會(huì)碰到不帶符號(hào)數(shù)的運(yùn)算。例如，兩個(gè)無符號(hào)數(shù)(11111101)2和(00000011)2相加：11111101+000000111←00000000（最高位有進(jìn)位）五、數(shù)的定點(diǎn)表達(dá)和浮點(diǎn)表達(dá)1、數(shù)的定點(diǎn)表達(dá)法當(dāng)小數(shù)點(diǎn)固定在最高有效位的前面時(shí)，定點(diǎn)數(shù)為純小數(shù)，其格式為：符號(hào)符號(hào)MSB……LSB當(dāng)小數(shù)點(diǎn)固定在數(shù)的末尾時(shí)，定點(diǎn)數(shù)為整數(shù)。2、數(shù)的浮點(diǎn)表達(dá)法在十進(jìn)制中，一種數(shù)可以寫成多種表達(dá)形式。例如，83.125可寫成：102×0.83125，103×0.083125,104×0.0083125等等。同樣，一種二進(jìn)制數(shù)，也可以寫成多種表達(dá)形式。例如，二進(jìn)制數(shù)1011.10101可以寫成：24×0.,25×0.,26×0.等等?？梢钥闯觯环N二進(jìn)制數(shù)可以用一種普遍的形式來表達(dá)：×F其中E稱為階碼，F(xiàn)叫做尾數(shù)。我們把用階碼和尾數(shù)表達(dá)的數(shù)叫做浮點(diǎn)數(shù)，這種表達(dá)數(shù)的措施稱為浮點(diǎn)表達(dá)法。在浮點(diǎn)表達(dá)法中，階碼一般為帶符號(hào)的整數(shù)，尾數(shù)為帶符號(hào)的純小數(shù)。浮點(diǎn)數(shù)的表達(dá)格式如下：符號(hào)階碼符號(hào)尾數(shù)符號(hào)階碼符號(hào)尾數(shù)↑小數(shù)點(diǎn)很明顯，浮點(diǎn)數(shù)的表達(dá)不是唯一的。當(dāng)小數(shù)點(diǎn)的位置變化時(shí)，階碼也伴隨對(duì)應(yīng)變化，可以用多種形式來表達(dá)同一數(shù)。若浮點(diǎn)數(shù)的表達(dá)格式為：符號(hào)階碼符號(hào)尾數(shù)符號(hào)階碼符號(hào)尾數(shù)1位R位1位P位則可以看到，用這種編碼所能表達(dá)的數(shù)的數(shù)值范圍為：數(shù)值前面的二進(jìn)制數(shù)1011.10101可以用包括符號(hào)在內(nèi)的8位階碼，16位尾數(shù)的規(guī)格化形式表達(dá)如下：000001000000000001000000↑階碼↑尾數(shù)階符尾符小數(shù)點(diǎn)六、小結(jié)數(shù)制、BCD碼和ASCII碼。補(bǔ)碼表達(dá)法及其運(yùn)算。第四章運(yùn)算措施及運(yùn)算器教學(xué)目的:學(xué)習(xí)運(yùn)算措施與運(yùn)算器的基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)規(guī)定：1、掌握運(yùn)算措施與運(yùn)算器的基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)重點(diǎn)：1、數(shù)據(jù)與文字的表達(dá)措施；2、定點(diǎn)運(yùn)算措施與運(yùn)算器構(gòu)成；3、浮點(diǎn)運(yùn)算措施與運(yùn)算器構(gòu)成。教學(xué)難點(diǎn)：1、定點(diǎn)運(yùn)算措施與運(yùn)算器構(gòu)成；2、浮點(diǎn)運(yùn)算措施與運(yùn)算器構(gòu)成。定點(diǎn)加法減法運(yùn)算補(bǔ)碼加法補(bǔ)碼加法的公式：[ｘ]補(bǔ)＋[ｙ]補(bǔ)＝[ｘ＋ｙ]補(bǔ)（mod2n+1）例如：P27例11，例12補(bǔ)碼減法補(bǔ)碼減法的公式：[ｘ－ｙ]補(bǔ)＝[ｘ]補(bǔ)－[ｙ]補(bǔ)＝[ｘ]補(bǔ)＋[－ｙ]補(bǔ)溢出概念與檢測(cè)措施溢出：在運(yùn)算過程中，運(yùn)算成果超過了計(jì)算機(jī)能表達(dá)的范圍。包括：正溢（上溢）：兩個(gè)正數(shù)相加,成果不小于機(jī)器所能表達(dá)的最大正數(shù)。負(fù)溢（下溢）：兩個(gè)負(fù)數(shù)相加,成果不不小于機(jī)器所能表達(dá)的最小負(fù)數(shù)。檢測(cè)措施：措施1：變形補(bǔ)碼（雙符號(hào)位法）正數(shù)符號(hào)位為00，負(fù)數(shù)符號(hào)位為11注意：成果的兩符號(hào)位假如相異，則表達(dá)產(chǎn)生了溢出。最高符號(hào)位一直為對(duì)的符號(hào)位。措施2：?jiǎn)畏?hào)位法最高有效位產(chǎn)生進(jìn)位，而符號(hào)位無進(jìn)位，則正溢。最高有效位無進(jìn)位，而符號(hào)位產(chǎn)生進(jìn)位，則負(fù)溢?；镜亩M(jìn)制加法/減法器1.原理：[X]補(bǔ)＋[Y]補(bǔ)＝[X＋Y]補(bǔ)[X－Y]補(bǔ)＝[X]補(bǔ)＋[－Y]補(bǔ)=2.一位全加器：真值表：邏輯體現(xiàn)式如下：可得，電路圖為：記為：n個(gè)一位全加器串聯(lián)可構(gòu)成多位加法器。3.n位行波進(jìn)位的補(bǔ)碼加法/減法器掌握如下幾點(diǎn)：方式控制M怎樣實(shí)現(xiàn)加法/減法控制的。怎樣判斷溢出的。4.n位行波進(jìn)位的補(bǔ)碼加法/減法器的時(shí)間延遲延遲時(shí)間：從產(chǎn)生輸入到得到穩(wěn)定輸出的最長(zhǎng)時(shí)間。一般以一種“與非”門或“或非”門的時(shí)間延遲作為度量單位，記為T?！芭c非”門，“或非”門：T“異或”門：3T求解n位行波進(jìn)位的補(bǔ)碼加法/減法器的時(shí)間延遲：①Cn的延遲：C1=3T+3T+2T=6T+2TC2=C1+2T=6T+2T+2T同理：Cn=6T+2T*n②Sn-1的延遲：Sn-1=Cn-1+3T=6T+2T*(n-1)+3T=9T+2T*(n-1)③n位行波進(jìn)位的補(bǔ)碼加法/減法器的時(shí)間延遲：考慮溢出：即為Cn的延遲+溢出判斷異或門的延遲即ta=9T+2T*n不考慮溢出：即為Cn延遲和Sn-1延遲中的最大者即ta=9T+2T*（n-1）定點(diǎn)乘法運(yùn)算原碼并行乘法1.定點(diǎn)數(shù)乘法規(guī)則符號(hào)位：被乘數(shù)與乘數(shù)符號(hào)位的異或。數(shù)值部分：與十進(jìn)制乘法類似。2.不帶符號(hào)位的陣列乘法器設(shè)兩個(gè)不帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)A=am-1……a1aB=bn-1……b1b0A*B:由此可知：其中每個(gè)部分乘積項(xiàng)aibj由一種與門構(gòu)成，故需要m*n個(gè)與門；成果P由乘法陣列完畢；m*n位不帶符號(hào)的陣列乘法器邏輯圖如下：

乘法陣列的設(shè)計(jì)：以5位*5位為例：可知，陣列乘法器邏輯電路圖如下：

闡明：實(shí)現(xiàn)n位*n位，需要n(n-1)個(gè)全加器，n2個(gè)與門。陣列乘法器的乘法時(shí)間估算（略）。3.帶符號(hào)的陣列乘法器怎樣設(shè)計(jì)帶符號(hào)的原碼/補(bǔ)碼陣列乘法器。①原碼與補(bǔ)碼之間的轉(zhuǎn)換正數(shù)：[X]補(bǔ)=[X]原負(fù)數(shù)：[X]補(bǔ)=[X]原符號(hào)位不變，數(shù)值部分各位取反，最低位加1；[X]原=[X]補(bǔ)符號(hào)位不變，數(shù)值部分各位取反，最低位加1。例如：X=-10110110[X]原=[X]補(bǔ)=②求補(bǔ)器功能：E=0:原樣輸出E=1:實(shí)現(xiàn)各位取反，并在最低位加1原理：設(shè)輸入端A=an~a0，輸出端為，從右向左掃描A，找出第一種“1”，假設(shè)為ai，則為ai~a0保持不變，為an~ai+1各位取反。電路圖：E=0時(shí)，，即輸出與輸入相似。E=1時(shí)，，即假如=0，則與輸入相似，假如=1，則為輸入取反。∵C-1=0，Ci=ai+Ci-1∴C0=a0+0C1=a1+a0+0……Ci=ai+……+a0+0∴可得，輸入數(shù)據(jù)an……a1a0中，假如ai為從右向左的第一種“1”，Cn-1~Ci均為1，Ci-1~C0均為0，則輸出端為ai~a0保持不變，為an~ai+1各位取反；求補(bǔ)器的延遲時(shí)間：（略）③帶符號(hào)的陣列乘法器原理：原碼×原碼：符號(hào)位異或作為成果的符號(hào)位，數(shù)值部分用無符號(hào)的陣列乘法器實(shí)現(xiàn)相乘，成果為原碼形式。補(bǔ)碼×補(bǔ)碼：符號(hào)位異或作為成果的符號(hào)位，數(shù)值部分先通過求補(bǔ)器求補(bǔ)，再用無符號(hào)的陣列乘法器實(shí)現(xiàn)相乘，乘法成果再通過求補(bǔ)器求補(bǔ)，最終止果為補(bǔ)碼形式。邏輯框圖：注：若進(jìn)行原碼運(yùn)算，則不需要圖中的三個(gè)求補(bǔ)器；其實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)碼乘法為間接補(bǔ)碼乘法定點(diǎn)除法運(yùn)算原碼除法算法原理設(shè)有n位定點(diǎn)小數(shù)(定點(diǎn)整數(shù)也同樣合用)：被除數(shù)ｘ,其原碼為[ｘ]原＝ｘf.ｘn－1…ｘ1ｘ0除數(shù)ｙ,其原碼為[ｙ]原＝ｙf.ｙn－1…ｙ1ｙ0則有商q＝ｘ/ｙ,其原碼為[q]原＝(ｘf⊕ｙf)+(0.ｘn－1…ｘ1ｘ0/0.ｙn－1…ｙ1ｙ0)可知，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)數(shù)的除法關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)數(shù)值部分的除法。例如：X=0.1001,Y=0.1011,求X÷Y手工計(jì)算：對(duì)計(jì)算機(jī)而言：恢復(fù)余數(shù)法改善措施：加減交替法深入將減法轉(zhuǎn)為加法：總結(jié)可得：真值X/Y環(huán)節(jié)為：求出|X|,|Y|,[-|Y|]補(bǔ)；

(1)第一次時(shí)，執(zhí)行+[-|Y|]補(bǔ)；

(2)每次的進(jìn)位記為C,C首先作為商，另首先控制下一次的運(yùn)算，

C=0,下次執(zhí)行+[|Y|]補(bǔ)

C=1,下次執(zhí)行+[-|Y|]補(bǔ)；

(3)每次運(yùn)算后除數(shù)右移一位；并行除法器1.可控加法減法器邏輯電路圖：闡明：P=0時(shí)P=1時(shí)邏輯符號(hào)：可得：P=0時(shí)，實(shí)現(xiàn)A+BP=1時(shí)，實(shí)現(xiàn)2.不恢復(fù)余數(shù)的陣列乘法器。定點(diǎn)運(yùn)算器的構(gòu)成邏輯運(yùn)算基本運(yùn)算包括：邏輯非，邏輯加（或），邏輯乘（與），邏輯異（異或）。算術(shù)邏輯運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)經(jīng)典電路74181ALU4位一片如P48圖2.11所示。除了S0－S3四個(gè)控制端外,還多一種控制端Ｍ。M=0,進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算M=1,進(jìn)行邏輯運(yùn)算74181功能表定點(diǎn)運(yùn)算器的基本構(gòu)造運(yùn)算器的構(gòu)成：ALU陣列乘除器寄存器多路開關(guān)三態(tài)緩沖器數(shù)據(jù)總線運(yùn)算器的三種基本構(gòu)造：1.單總線構(gòu)造的運(yùn)算器，圖2.5（a）特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)樸但速度較慢2.雙總線構(gòu)造的運(yùn)算器，圖2.5（b）特點(diǎn)：兩個(gè)操作數(shù)同步加到ALU進(jìn)行運(yùn)算,只需一次操作控制,并且立即就可以得到運(yùn)算成果。必須在ALU輸出端設(shè)置緩沖寄存器。3。浮點(diǎn)運(yùn)算浮點(diǎn)加法、減法運(yùn)算設(shè)有兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)ｘ和ｙ,它們分別為ｘ＝ｙ＝其中Eｘ和Eｙ分別為數(shù)ｘ和ｙ的階碼，Mｘ和My為數(shù)ｘ和ｙ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ｘ±ｙ＝(Mｘ2Eｘ－Eｙ±Mｙ)2EｙEｘ<＝Eｙ浮點(diǎn)加減運(yùn)算的操作過程大體分為四步：0操作數(shù)的檢查；比較階碼大小并完畢對(duì)階；尾數(shù)進(jìn)行加或減運(yùn)算；成果規(guī)格化并進(jìn)行舍入處理。(1)0操作數(shù)檢查判斷兩個(gè)操作數(shù)ｘ或ｙ中與否有一種為0,以節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。(2)比較階碼大小并完畢對(duì)階措施：小階向大階看齊（原因：減小誤差）例如：1.1101*26+1.1010*24措施1：1.1101*26→111.0100*24→1.0100*241110100→→→→→→→→→1010000誤差大措施2：1.1010*24→0.0110*2611010→11000誤差小(3)尾數(shù)求和運(yùn)算對(duì)階結(jié)束后,即可進(jìn)行尾數(shù)的求和運(yùn)算。不管加法運(yùn)算還是減法運(yùn)算,都按加法進(jìn)行操作,其措施與定點(diǎn)加減法運(yùn)算完全同樣。(4)成果規(guī)格化尾數(shù)求和產(chǎn)生溢出時(shí)，尾數(shù)成果右移，階碼加1，稱為向右規(guī)格化。尾數(shù)求和成果為下列狀況時(shí)，尾數(shù)成果左移，階碼減1，稱為向左規(guī)格化。

IEEE754形式：不是1.M的形式時(shí)；

補(bǔ)碼形式：符號(hào)位與最高數(shù)值位相似時(shí)；

原碼形式：數(shù)值部分最高位為0時(shí)。

思索：補(bǔ)碼形式和原碼形式表達(dá)尾數(shù)時(shí)，規(guī)格化的尾數(shù)應(yīng)是何種形式。例如：假設(shè)尾數(shù)和階碼都以補(bǔ)碼形式表達(dá)，對(duì)階后兩數(shù)分別如下，求[X+Y]?。篬X]浮=0010，0.0010011[Y]浮=0010，1.0110010則尾數(shù)求和成果為：0.0010011+1.0110010=1.1000101故需向左規(guī)格化，左移1位得：[X+Y]浮=0011，1.0001010(5)舍入處理在對(duì)階或向右規(guī)格化時(shí),尾數(shù)要向右移位,這樣,被右移的尾數(shù)的低位部分會(huì)被丟掉,從而導(dǎo)致一定誤差,因此要進(jìn)行舍入處理。在IEEE754原則中,舍入處理提供了四種可選措施：就近舍入

其實(shí)質(zhì)就是一般所說的"四舍五入"。朝0舍入

即朝數(shù)軸原點(diǎn)方向舍入,就是簡(jiǎn)樸的截尾。無論尾數(shù)是正數(shù)還是負(fù)數(shù),截尾都使取值的絕對(duì)值比原值的絕對(duì)值小。這種措施輕易導(dǎo)致誤差積累。朝＋∞舍入

對(duì)正數(shù)來說,只要多出位不全為0則向最低有效位進(jìn)1;對(duì)負(fù)數(shù)來說則是簡(jiǎn)樸的截尾。朝－∞舍入

處理措施恰好與朝＋∞舍入狀況相反。對(duì)正數(shù)來說,只要多出位不全為0則簡(jiǎn)樸截尾;對(duì)負(fù)數(shù)來說,向最低有效位進(jìn)1。(6)浮點(diǎn)數(shù)的溢出階碼上溢超過了階碼也許表達(dá)的最大值的正指數(shù)值,一般將其認(rèn)為是＋∞和－∞。階碼下溢超過了階碼也許表達(dá)的最小值的負(fù)指數(shù)值,一般將其認(rèn)為是0。尾數(shù)上溢兩個(gè)同符號(hào)尾數(shù)相加產(chǎn)生了最高位向上的進(jìn)位,將尾數(shù)右移,階碼增1來重新對(duì)齊。尾數(shù)下溢在將尾數(shù)右移時(shí),尾數(shù)的最低有效位從尾數(shù)域右端流出,要進(jìn)行舍入處理。例如：P55例28浮點(diǎn)乘法、除法運(yùn)算1.浮點(diǎn)乘法、除法運(yùn)算規(guī)則設(shè)有兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)ｘ和ｙ：ｘ＝2Eｘ·Mｘｙ＝2Eｙ·Mｙ浮點(diǎn)乘法運(yùn)算的規(guī)則是ｘ×ｙ＝2(Eｘ＋Eｙ)·(Mｘ×Mｙ)浮點(diǎn)除法運(yùn)算的規(guī)則是ｘ÷ｙ＝2(Eｘ－Eｙ)·(Mｘ÷Mｙ)2.浮點(diǎn)乘、除法運(yùn)算環(huán)節(jié)浮點(diǎn)數(shù)的乘除運(yùn)算大體分為四步：第一步0操作數(shù)檢查；第二步階碼加/減操作；第三步尾數(shù)乘/除操作；第四步成果規(guī)格化及舍入處理。闡明：階碼加/減操作后，需判斷與否溢出；成果規(guī)格化及舍入處理的措施可參照浮點(diǎn)數(shù)加減法運(yùn)算。第五章中央處理器學(xué)習(xí)目的：理解掌握計(jì)算機(jī)中央處理器的構(gòu)成原理與控制方式學(xué)習(xí)規(guī)定：理解CPU的總體構(gòu)造，掌握指令的執(zhí)行過程，時(shí)序產(chǎn)生器的工作與控制原理，微程序控制技術(shù)，多種控制器的構(gòu)造和工作原理。本章重要內(nèi)容：CPU的總體構(gòu)造指令的執(zhí)行與時(shí)序產(chǎn)生器微程序設(shè)計(jì)技術(shù)和微程序控制器硬布線控制器與門陣列控制器CPU的新技術(shù)重點(diǎn)：CPU工作原理及流程的分析，控制器的構(gòu)成及工作過程CPU總體構(gòu)造（包括寄存器的設(shè)置），指令的字段分析和執(zhí)行狀況分析?？刂破鞯闹噶畈僮鳌?zhí)行流程。難點(diǎn)：對(duì)CPU執(zhí)行指令過程的分析，結(jié)合現(xiàn)實(shí)內(nèi)容對(duì)CPU的分析。與現(xiàn)實(shí)CPU所關(guān)聯(lián)的性能比較、功能闡明等問題。對(duì)指令詳細(xì)字段、有關(guān)寄存器的分析，微程序控制器、組合邏輯控制器的分析、比較。CPU的總體構(gòu)造CPU由控制器和運(yùn)算器兩個(gè)重要部件構(gòu)成?？刂破髫?fù)責(zé)協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作，控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件執(zhí)行程序的指令序列。由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器等構(gòu)成；運(yùn)算器接受控制器的命令并負(fù)責(zé)完畢對(duì)操作數(shù)據(jù)的加工處理任務(wù)，由算術(shù)邏輯單元(ALU)、累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)標(biāo)志寄存器構(gòu)成。CPU重要完畢如下幾方面的功能：（１）控制指令執(zhí)行次序；（２）控制指令操作；（３）控制操作時(shí)間；（４）執(zhí)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算。CPU中完畢取指令和執(zhí)行指令全過程的部件是操作控制器，其重要功能是根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)的規(guī)定，產(chǎn)生多種操作控制信號(hào)，以便對(duì)的地建立數(shù)據(jù)通路。操作控制器有組合．邏輯控制器和微程序控制器兩種，兩者和差異是它們中的“控制信號(hào)形成部件”不一樣，反應(yīng)了不一樣的設(shè)計(jì)原理和措施。根據(jù)設(shè)計(jì)措施不一樣可分為：①硬布線控制器；②微程序控制器；③門陣列控制器。CPU中除了操作控制器外，還必須有時(shí)序產(chǎn)生器。時(shí)序產(chǎn)生器是對(duì)多種操作實(shí)行時(shí)間上的嚴(yán)格控制的部件。CPU的構(gòu)成如圖5.1所示。圖5.1CPU重要構(gòu)成部分邏輯構(gòu)造圖指令的執(zhí)行與時(shí)序產(chǎn)生器指令周期程序運(yùn)行的過程是逐條執(zhí)行指令的過程，而一條指令的執(zhí)行又分為取指令、取操作數(shù)和執(zhí)行指令等時(shí)間段，這些時(shí)間段在計(jì)算機(jī)中稱為周期。取出指令并執(zhí)行該指令所需的時(shí)間稱為指令周期。如圖5.2所示。指令周期 取指周期(IF) 執(zhí)行周期(EX) 1.取指令 1.取操作數(shù)2.指令譯碼 2.完畢操作3.PC+! 3.成果回寫4.送操作數(shù)地址 4.AC送存儲(chǔ)器圖5.2指令周期、取指周期、執(zhí)行周期和微操作指令周期常常用若干個(gè)CPU周期數(shù)來表達(dá)。由于CPU內(nèi)部的操作速度較快，而CPU訪問一次主存儲(chǔ)器所花的時(shí)間比較長(zhǎng)，故一般是用主存儲(chǔ)器中讀取一種指令字的最短時(shí)間來規(guī)定CPU周期。CPU周期也稱為機(jī)器周期。這就是說，一條指令的取出階段，簡(jiǎn)稱取指，需要一種CPU周期時(shí)間。而一種CPU周期又包具有若干個(gè)時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期一般又稱為節(jié)拍脈沖或T周期，是處理操作的最基本時(shí)間單位，它由機(jī)器的主頻決定。一種CPU周期的時(shí)間寬度就由若干個(gè)時(shí)鐘周期的總和決定。幾種經(jīng)典指令的指令周期：（１）非訪問內(nèi)存的指令(如CLA)需要兩個(gè)CPU周期。如圖5.3所示。其中，取指令階段需要一種CPU周期，執(zhí)行指令階段需要一種CPU周期。在第一種CPU周期，從內(nèi)存取出指令并譯碼以確定執(zhí)行何種操作；在第二個(gè)CPU周期，完畢指令所規(guī)定的操作。圖5.4直接訪問內(nèi)存指令的指令周期圖5.3非訪問內(nèi)存指令的指令周期圖5.4直接訪問內(nèi)存指令的指令周期圖5.3非訪問內(nèi)存指令的指令周期（３）間接訪問主存儲(chǔ)器指令(如STAI31)”的指令周期由4個(gè)CPU周期構(gòu)成，如圖5.5所示。其中，第一種CPU周期仍然是取指令階段，指令執(zhí)行階段三個(gè)CPU周期構(gòu)成：第一種CPU周期中，把指令寄存器中地址碼部分的形式地址(31)裝到地址寄存器中；第二個(gè)CPU周期中，完畢從內(nèi)存取出操作數(shù)地址，并放入地址寄存器中；第三個(gè)CPU周期中，累加器的內(nèi)容傳送到緩沖寄存器，然后再存入所選定的存儲(chǔ)單元(40)中。圖5.6轉(zhuǎn)移控制指令的指令周期圖5.圖5.6轉(zhuǎn)移控制指令的指令周期圖5.5間接訪問內(nèi)存指令的指令周期期（４）程序控制指令（如JMP21）既可采用直接尋址方式，也可采用間接尋址方式。這里以直接尋址方式為例，采用直接尋址方式的JMP指令周期由兩個(gè)CPU周期構(gòu)成，如圖5.6所示。第一種CPU周期仍是取指令階段，取出指令并放入指令寄存器；第二個(gè)CPU周期為執(zhí)行階段，把指令寄存器中的地址碼部分21送到程序計(jì)數(shù)器中，從而變化了程序原先的執(zhí)行次序。時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器是產(chǎn)生指令周期控制時(shí)序信號(hào)的部件，CPU開始取指令并執(zhí)行指令時(shí)，操作控制器運(yùn)用時(shí)序產(chǎn)生器產(chǎn)生的定期脈沖的次序和不一樣的脈沖間隔，有條理、有節(jié)奏地指揮機(jī)器各個(gè)部件按規(guī)定期間動(dòng)作，提供計(jì)算機(jī)各部分工作時(shí)的時(shí)間標(biāo)志。在組合邏輯控制器中，時(shí)序信號(hào)往往采用主狀態(tài)周期–節(jié)拍電位–節(jié)拍脈沖制。主狀態(tài)周期包括若干個(gè)節(jié)拍電位，是最大的時(shí)間單位，主狀態(tài)周期可以用一種觸發(fā)器的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間來表達(dá)；一種節(jié)拍電位表達(dá)一種CPU周期時(shí)間，以表達(dá)一種較大的時(shí)間單位；一種節(jié)拍電位包括若干個(gè)節(jié)拍脈沖，節(jié)拍脈沖表達(dá)較小的時(shí)間單位。在微程序控制器中，時(shí)序信號(hào)比較簡(jiǎn)樸，一般采用電位–節(jié)拍脈沖制。在一種節(jié)拍電位中包括若干個(gè)節(jié)拍脈沖，即時(shí)鐘周期。節(jié)拍電位表達(dá)一種CPU周期的時(shí)間，而節(jié)拍脈沖把一種CPU周期劃提成幾種較小的時(shí)間間隔，這些時(shí)間間隔可以相等，也可以不相等。圖5.7時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器構(gòu)造圖時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器構(gòu)造由時(shí)鐘源、環(huán)形脈沖發(fā)生器、節(jié)拍脈沖和讀/寫時(shí)序譯碼邏輯、啟?？刂七壿嫷炔糠謽?gòu)成的，如圖5.圖5.7時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器構(gòu)造圖CPU的控制方式CPU常用的控制方式有三種：同步控制方式、異步控制方式和聯(lián)合控制方式。同步控制方式，是指在任何狀況下給定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù)和時(shí)鐘周期數(shù)都是固定不變的控制方式。異步控制方式中，每條指令的指令周期既可由數(shù)量不等的機(jī)器周期數(shù)構(gòu)成，也可由執(zhí)行部件完畢CPU規(guī)定的操作后發(fā)回控制器的“回答”信號(hào)決定。亦即CPU訪問的每個(gè)操作控制信號(hào)的時(shí)間根據(jù)其需要占用的時(shí)間來決定。顯然，用這種方式形成的操作控制序列沒有固定的CPU周期數(shù)(節(jié)拍電位)和嚴(yán)格的時(shí)鐘周期(節(jié)拍脈沖)與之同步，因此稱為不一樣步即異步方式。聯(lián)合控制方式，就是指同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。微程序控制器微程序控制器是用微程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的控制器。它將有關(guān)微操作控制信號(hào)寫成微指令，若干微指令構(gòu)成一種微程序，所有微程序都寄存在控制存儲(chǔ)器中。讀出一條微指令，就產(chǎn)生一組微操作控制信號(hào)。因此，將本來的組合邏輯變成了存儲(chǔ)邏輯，還可以用類似程序設(shè)計(jì)的措施來設(shè)計(jì)控制邏輯?；靖拍钗⒚睢晌⒊绦蚩刂破鳟a(chǎn)生的微操作控制信號(hào)。微操作——執(zhí)行部件接受微命令后實(shí)現(xiàn)的操作過程。微指令——在一種微指令周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令。微指令周期——執(zhí)行一條微指令和取出下條微指令所需的時(shí)間。一般一種微指令周期與一種CPU周期在時(shí)間上是相等的。微程序——若干微指令的構(gòu)成的序列。一種微程序的功能對(duì)應(yīng)一條機(jī)器指令的功能。微指令基本格式微指令由操作控制和次序控制兩個(gè)基本部分構(gòu)成，操作控制部分用來發(fā)出指揮計(jì)算機(jī)工作的控制信號(hào)。次序控制部分用來決定產(chǎn)生下一條微指令的地址。如圖5.8所示。操作控制部分次序控制部分……測(cè)試標(biāo)志次序地址……控制信號(hào)W/RSi~S0下一條指令地址圖5.8微指令基本格式微程序設(shè)計(jì)技術(shù)一條機(jī)器指令的功能是由許多條微指令構(gòu)成的序列來實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)微指令序列就是微程序。微程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是微指令構(gòu)造的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)微指令構(gòu)造時(shí)重要考慮如下幾種問題：微指令字的長(zhǎng)度、控制存儲(chǔ)器的容量、微程序的長(zhǎng)度、微程序的執(zhí)行速度、微指令的修改、微程序設(shè)計(jì)的靈活性。常用的微命令編碼譯碼控制措施有如下幾種：位直接控制法：將微指令的操作控制字段的每個(gè)二進(jìn)制位定義為一種微命令，直接送往對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)。此法的缺陷是微命令太多，導(dǎo)致微指令字長(zhǎng)過長(zhǎng)。字段直接譯碼控制法：把一組相斥性的微命令信號(hào)構(gòu)成一種字段(一種小組)，然后通過字段譯碼器對(duì)每一種微命令信號(hào)進(jìn)行譯碼，譯碼輸出作為操作控制信號(hào)。字段間接譯碼控制法：在字段直接譯碼控制法中規(guī)定一種字段的某些命令由另一種字段中的某些微命令來解釋，則這種措施稱為字段間接譯碼控制法?；旌暇幋a譯碼控制法：將位直接控制法與字段譯碼控制法混合使用，綜合考慮微指令字長(zhǎng)、靈活性和執(zhí)行微程序速度等方面的規(guī)定。常數(shù)字段控制法：通過在微指令中附設(shè)一種常數(shù)字段給某些執(zhí)行部件直接發(fā)送常數(shù)。該常數(shù)有時(shí)作為操作數(shù)送入ALU參與運(yùn)算，有時(shí)也作為計(jì)數(shù)器的初值來控制微程序循環(huán)次數(shù)。微程序執(zhí)行次序的控制計(jì)數(shù)器方式——設(shè)置微程序計(jì)數(shù)器，每執(zhí)行完一條微指令，微程序計(jì)數(shù)器加1，以形成下條微指令地址。因有轉(zhuǎn)移狀況出現(xiàn)，需設(shè)置轉(zhuǎn)移微指令。斷定方式——在微指令中設(shè)置一種下址字段，用來指明下一條要執(zhí)行的微指令地址。無需設(shè)置轉(zhuǎn)移微指令，但增長(zhǎng)了微指令字的長(zhǎng)度。微程序控制器構(gòu)成原理根據(jù)微程序控制器的設(shè)計(jì)思想，其構(gòu)造框圖如圖5.9所示。它的重要部件及功能如下：控制存儲(chǔ)器——由只讀存儲(chǔ)器構(gòu)成，用于寄存微程序。微地址轉(zhuǎn)移邏輯——用于產(chǎn)生后繼微指令的地址。微命令寄存器——保留微指令的微操作碼，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的微命令。圖5.9微程序控制器構(gòu)成原理框圖CPU的新技術(shù)流水線技術(shù)流水線技術(shù)是通過硬件并行工作，從而加緊程序的執(zhí)行速度。但就一條指令而言，其執(zhí)行速度并沒有加緊。圖5.11示出了指令串行和重疊執(zhí)行狀況。流水線對(duì)機(jī)器性能的改善程度取決于能把處理過程分解成相等時(shí)間步數(shù)的多少。取指令1執(zhí)行指令1取指令2執(zhí)行指令2…(a)T2T取指令1執(zhí)行指令1取指令2執(zhí)行指令2取指令3執(zhí)行指令3(b)I1取指指令譯碼取操作數(shù)運(yùn)算I2取指指令譯碼取操作數(shù)運(yùn)算I3取指指令譯碼取操作數(shù)運(yùn)算I4取指指令譯碼取操作數(shù)運(yùn)算(c)圖5.11指令串行和重疊執(zhí)行狀況(指令流水線)(a)指令串行作業(yè)；(b)兩條指令重疊執(zhí)行(兩級(jí)流水線)；(c)四條指令重疊執(zhí)行(四級(jí)流水線)流水線處理技術(shù)是在重疊控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是將一種復(fù)雜過程分解成多種子過程，每個(gè)過程段都具有專用的功能部件，因而可以使所有子過程同步對(duì)不一樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。流水線技術(shù)特點(diǎn)為：一種流水過程，可以包括多種子過程；每一種子過程均有專門的功能段來完畢；各功能段所需要的時(shí)間是相似的；適合于大量的反復(fù)性的處理。RISC技術(shù)RISC的指令系統(tǒng)包括最常用的簡(jiǎn)樸指令。因此，RISC通過優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)，把時(shí)鐘頻率提得很高，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高性能。RISC的缺陷是其精簡(jiǎn)指令集不原則，并且與老式的CISC不兼容。第六章存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)系統(tǒng)重要內(nèi)容：1、存儲(chǔ)器外部特性，性能參數(shù)，層次構(gòu)造2、靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元構(gòu)成一位存儲(chǔ)單元及存儲(chǔ)陣列，多端口SRAM，讀寫時(shí)序3、半導(dǎo)體ROM存儲(chǔ)器MROM，PROM，EPROM，EEPROM，F(xiàn)LASH4、存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成以及存儲(chǔ)器重要技術(shù)指標(biāo)5、存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)位、字、字位擴(kuò)展6、數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼基本規(guī)定：通過本章的學(xué)習(xí)，規(guī)定掌握存儲(chǔ)器芯片的類型和各重要存儲(chǔ)器芯片的工作原理；掌握擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量的技術(shù)，可以用給定的存儲(chǔ)器芯片按規(guī)定設(shè)計(jì)主存，從而深刻理解存儲(chǔ)器的構(gòu)成原理；掌握數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼。教學(xué)重點(diǎn)：外部特性，性能參數(shù)，存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成以及存儲(chǔ)器重要技術(shù)指標(biāo)、存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù);技術(shù)指標(biāo)，位、字、字位擴(kuò)展，海明碼，CRC碼6．1存儲(chǔ)器概述6．1．1存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來寄存程序和數(shù)據(jù)。概念：存儲(chǔ)位（存儲(chǔ)元）、存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器分類方式：按存儲(chǔ)介質(zhì)分按存取方式分按存儲(chǔ)器的讀寫功能分按信息的可保留性分按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分6．1．2存儲(chǔ)器的分級(jí)構(gòu)造理想的存儲(chǔ)器應(yīng)當(dāng)是容量大、速度高、成本低，但現(xiàn)實(shí)中沒有這樣的存儲(chǔ)器，因此就要使用分級(jí)存儲(chǔ)體系。三個(gè)層次：（寄存器）→Cache→主存→輔存，按照這個(gè)次序速度遞減，容量大，成本低。6．1．3主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)器編址方式：按字編址、按字節(jié)編址。在一種存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)一般稱為該存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。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)器操作到完畢該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。存儲(chǔ)周期是指持續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作（如持續(xù)兩次讀操作）所需間隔的最小時(shí)間。一般，存儲(chǔ)周期略不小于存取時(shí)間。存儲(chǔ)器帶寬是單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量，單位為位／秒或字節(jié)／秒。6．2隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器常用的RAM按半導(dǎo)體材料分有雙極型（TTL）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和金屬氧化物（MOS）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器兩種。根據(jù)存儲(chǔ)信息機(jī)構(gòu)的原理不一樣，又分為靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器（SRAM）和動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器（DRAM）。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的重要長(zhǎng)處是存取速度快，存儲(chǔ)體積小，可靠性高，價(jià)格低廉；重要缺陷是斷電時(shí)讀寫存儲(chǔ)器不能保留信息．6．2．1SRAM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)元的構(gòu)造圖。三種操作：保持、讀出、寫入。SRAM存儲(chǔ)器的構(gòu)成，包括存儲(chǔ)體、地址譯碼器、驅(qū)動(dòng)器、I/O電路、片選與讀／寫控制電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路。SRAM與CPU的連接：位擴(kuò)展法、字?jǐn)U展法。規(guī)定掌握。SRAM的讀寫周期，，注意，地址、數(shù)據(jù)以及控制信號(hào)的先后次序。6．2．2DRAM存儲(chǔ)器SRAM的外圍電路簡(jiǎn)樸，速度快，但其使用的器件多，集成度不高。DRAM則可大幅度提高集成度。四管DRAM和單管DRAM的構(gòu)造DRAM的操作：讀、寫、刷新。DRAM的實(shí)例DRAM的刷新方式：集中式、分散式、異步式。DRAM的控制電路，重要包括刷新計(jì)數(shù)器、刷新／訪存裁決、刷新控制邏輯等。DRAM控制器的構(gòu)成：地址多路開關(guān)、刷新定期器、刷新地址計(jì)數(shù)器、仲裁電路、定期發(fā)生器。6．2．3主存儲(chǔ)器構(gòu)成實(shí)例6．2．4高性能的主存儲(chǔ)器EDRAM的特點(diǎn)，在DRAM芯片上集成了一種小容量的SRAM作為Cache。6．3只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器6．3．1只讀存儲(chǔ)器ROM的工作方式：給定一種地址碼，得到事先存入確實(shí)定數(shù)據(jù)。ROM的長(zhǎng)處：具有不易失性，即是電源被切斷，ROM的信息也不會(huì)丟失。而使用SRAM進(jìn)行存儲(chǔ)，需要有電池等設(shè)備。ROM的分類：掩模式只讀存儲(chǔ)器：長(zhǎng)處：可靠性高，集成度高，價(jià)格廉價(jià)。缺陷：不能重寫。一次編程只讀存儲(chǔ)器：分為PN結(jié)擊穿型和熔絲燒斷型兩種。第一種寫入原理屬于結(jié)破壞型，即在行列線交點(diǎn)處制作一對(duì)彼此反向的二級(jí)管，它們由于反向而不能導(dǎo)通，稱為0。若該位需要寫入1，則在對(duì)應(yīng)行列線之間加較高電壓，將反偏的一只二極管永久性擊穿，留下正向可導(dǎo)通的一只二極管，稱為寫入1。顯然這是不可逆轉(zhuǎn)的。更常用的一種寫入原理屬于熔絲型，制造時(shí)在行列交點(diǎn)處連接一段熔絲，即易熔材料稱為存入0。若該位需寫入1，則讓它通過較大電流，使熔絲熔斷。顯然這也是不可逆轉(zhuǎn)的。多次編程只讀存儲(chǔ)器：分為EPROM、EEPROM、FLASHROMEPROM原理：EPROM實(shí)例：表3.22716的工作模式例3為一計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的經(jīng)典配置，包括ROM和RAM，規(guī)定掌握其邏輯構(gòu)造圖的畫法。6．3．2閃速存儲(chǔ)器閃速存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)元電路是在CMOS