計(jì)算機(jī)組成原理(全)課件

計(jì)算機(jī)組成原理1計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英概述計(jì)算機(jī)組成：主要指計(jì)算機(jī)硬件的具體實(shí)現(xiàn)方式及工作原理從三方面掌握本課程內(nèi)容硬件結(jié)構(gòu)：從物理上、邏輯上掌握計(jì)算機(jī)各部件和器件的構(gòu)成和作用實(shí)現(xiàn)方式：硬件聯(lián)接形式和內(nèi)部處理方式（如控制器、運(yùn)算器的實(shí)現(xiàn)方式等）工作原理：計(jì)算機(jī)各部分內(nèi)部工作過程2計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英本課程的重要地位

本課程是計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)后續(xù)課程（操作系統(tǒng)、接口與通信等）的學(xué)習(xí)十分重要?？佳斜乜颊n程。通過課程的學(xué)習(xí)主要掌握以下內(nèi)容

本課程主要講授單處理機(jī)系統(tǒng)的組成及工作原理。分析和說明計(jì)算機(jī)由哪些功能部件組成（結(jié)構(gòu)），各功能部件在整機(jī)中的作用，以及它們?nèi)绾瓮瓿筛髯运峙涞娜蝿?wù)（工作原理）。學(xué)習(xí)難點(diǎn) 內(nèi)容較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要有數(shù)字邏輯的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)思路（方法） 分析結(jié)構(gòu)、弄清原理、多做練習(xí)3計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述（計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、基本概念）運(yùn)算方法和運(yùn)算器（計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示和編碼：包括數(shù)值、非數(shù)值數(shù)據(jù)，整數(shù)、小數(shù)，漢字，校驗(yàn)碼等。計(jì)算機(jī)中運(yùn)算方法：定點(diǎn)運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算。運(yùn)算器及實(shí)現(xiàn))內(nèi)部存儲(chǔ)器(存儲(chǔ)器芯片的結(jié)構(gòu)與工作原理，存儲(chǔ)器的組織與連接，高速存儲(chǔ)器、ＣＡＣＨＥ等)指令系統(tǒng)（指令格式、尋址方式、典型指令）中央處理器（CPU的組成及工作原理，控制器的實(shí)現(xiàn)，ＣＰＵ實(shí)現(xiàn)技術(shù)）總線系統(tǒng)（總線概念、總線技術(shù)）外圍設(shè)備（典型外圍設(shè)備基本工作原理）輸入輸出系統(tǒng)（輸入輸出控制方式）操作系統(tǒng)支持(調(diào)度，存儲(chǔ)管理，虛擬存儲(chǔ)器等)4計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第一節(jié)計(jì)算機(jī)分類 電子計(jì)算機(jī)從總體上來說分為兩大類:電子模擬計(jì)算機(jī)和電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。電子模擬計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是數(shù)值由連續(xù)量來表示,運(yùn)算過程也是連續(xù)的。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是按位運(yùn)算,并且不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算。5計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英數(shù)字計(jì)算機(jī)又可分為專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。專用和通用是根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來劃分的。專用機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī),它是針對(duì)某一任務(wù)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī),但是它的適應(yīng)性很差。通用機(jī)適應(yīng)性很大,但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。通用計(jì)算機(jī)又分巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)和單片機(jī)六類。它們的區(qū)別在于體積、簡易性、功率損耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機(jī)器價(jià)格。

6計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

第二節(jié)計(jì)算機(jī)的發(fā)展1、計(jì)算機(jī)五代變化2、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的發(fā)展3、微處理器的發(fā)展4、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的變化 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是在馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，圍繞提高速度、提高字長、擴(kuò)大存儲(chǔ)容量、降低成本、提高系統(tǒng)可靠性和方便使用等諸方面，通過新器件和新軟件提高計(jì)算機(jī)性能。 體系結(jié)構(gòu)上，從指令系統(tǒng)、微程序設(shè)計(jì)、流水線結(jié)構(gòu)、多級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)、輸入/輸出體系結(jié)構(gòu)、并行體系結(jié)構(gòu)、分布式體系結(jié)構(gòu)等方面的形成和發(fā)展。體系結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢：網(wǎng)絡(luò)化、智能化、模塊化、多媒體應(yīng)用。7計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第三節(jié)計(jì)算機(jī)的硬件一、數(shù)字計(jì)算機(jī)硬件的組成硬件：指計(jì)算機(jī)中的電子線路和物理裝置。 計(jì)算機(jī)硬件由五大部分組成：即運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。運(yùn)算器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或信息加工（Ｐ８）包括各種算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和判斷處理存儲(chǔ)器存放程序和數(shù)據(jù)（Ｐ９）程序是計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種操作和控制的依據(jù)數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作的對(duì)象計(jì)算機(jī)中存放的程序和數(shù)據(jù)都是二進(jìn)制形式的8計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英控制器控制計(jì)算機(jī)各部分自動(dòng)協(xié)調(diào)的工作（Ｐ１０）完成的工作是從內(nèi)存中讀取指令，分析和解釋指令，然后按指令的要求發(fā)出操作命令，控制計(jì)算機(jī)各部分自動(dòng)協(xié)調(diào)的工作。 簡單程序 指令形式 控制器的基本任務(wù) 指令流和數(shù)據(jù)流馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的主要特征是：采用存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，由指令流來控制計(jì)算機(jī)的操作。輸入設(shè)備輸入信息到計(jì)算機(jī)中的設(shè)備輸出設(shè)備從計(jì)算機(jī)中輸出信息的設(shè)備9計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第四節(jié)計(jì)算機(jī)軟件一、軟件的組成與分類

計(jì)算機(jī)中的各種程序、數(shù)據(jù)和有關(guān)文檔構(gòu)成計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的軟件一般分為兩大類：系統(tǒng)軟件：便于計(jì)算機(jī)使用的系統(tǒng)管理程序(包括操作系統(tǒng)、語言處理、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等）應(yīng)用軟件：針對(duì)用戶具體實(shí)際應(yīng)用的程序10計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英二、軟件的發(fā)展目的程序匯編程序源程序編譯程序操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

11計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第四節(jié) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

一、多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微程序設(shè)計(jì)級(jí)一般機(jī)器級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)匯編語言級(jí)高級(jí)語言級(jí)二、軟件與硬件的邏輯等價(jià)性12計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第四節(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有層次性，它是由多級(jí)層次結(jié)構(gòu)組成的。其層次之間的關(guān)系十分緊密，上層是下層功能的擴(kuò)展，下層是上層的基礎(chǔ)；層次的劃分不是絕對(duì)的，各層之間有時(shí)是相互滲透的。13計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第二章運(yùn)算方法和運(yùn)算器第一節(jié)數(shù)據(jù)與文字的表示數(shù)據(jù)一般分為兩大類：數(shù)值數(shù)據(jù)：有確定的值，相互間有大小關(guān)系非數(shù)值數(shù)據(jù)：相互間無大小關(guān)系，用于表示符號(hào)、文字或?qū)傩浴?4計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英一、數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換1、數(shù)制常用數(shù)制十進(jìn)制（D）：日常使用數(shù)制二進(jìn)制（B）：數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用數(shù)制十六進(jìn)制（H）：為使于對(duì)二進(jìn)制的閱讀和書寫，常采用十六進(jìn)制（或八進(jìn)制）表示。15計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英對(duì)一任意數(shù)S，其r進(jìn)制數(shù)表示為（S）r＝kn×rn-1+kn-1×rn-2+…+ki

×ri-1+…+k-m

×r-m-1

其中０≤ki﹤rr稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)值的基數(shù)，ki為第i位數(shù)字符，i為位序號(hào),ri為第i位的位權(quán)。16計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英(347)8=3×82+4×81+7×80=(103)10(347.5)8=3×82+4×81+7×80+5×8-1=(231.625)10(34E.5)16=3×162+4×161+14×160+5×16-1=(846.3125)1017計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英2、不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換1＞十進(jìn)制八，十六進(jìn)制二進(jìn)制法則整數(shù)部分：除8（16）取余數(shù)小數(shù)部分：乘8（16）取整重復(fù)循環(huán)18計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英2＞八，十六進(jìn)制二進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制以小數(shù)點(diǎn)為界，分別向左和向右每三位分為一組，然后寫出各組對(duì)應(yīng)的八進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制十六進(jìn)制以小數(shù)點(diǎn)為界，分別向左和向右每四位分為一組，然后寫出各組對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)。19計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英3＞八，十六進(jìn)制十進(jìn)制直接按照相應(yīng)進(jìn)制數(shù)的公式，依“按權(quán)相加”的方法計(jì)算出通式的值。(10110.01)=1×24+0×23+1×22+1×81+1×20+0×2-1+1×2-2=(22.25)10(347.5)8=3×82+4×81+7×80+5×8-1=(231.625)10(34E.5)16=3×162+4×161+14×160+5×16-1=(846.3125)1020計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英二、數(shù)據(jù)格式 在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)表示時(shí)需考慮的幾個(gè)因素：表示數(shù)的類型（小數(shù)、整數(shù)、實(shí)數(shù)等）數(shù)值的范圍數(shù)值的精度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理的硬件代價(jià)

21計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)據(jù)表示格式有兩種，一是定點(diǎn)格式，二是浮點(diǎn)格式。 一般來說

定點(diǎn)格式容許的數(shù)值范圍有限(通常用于表示整數(shù)或純小數(shù)），但要求的處理硬件比較簡單。

浮點(diǎn)格式容許的數(shù)值范圍很大（可以表示實(shí)數(shù)），但要求的處理硬件比較復(fù)雜。22計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英１、定點(diǎn)數(shù)的表示 定點(diǎn)表示：約定機(jī)器中所有數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)位置是固定不變的。 由于約定在固定的位置，小數(shù)點(diǎn)就不再使用記號(hào)“.”來表示。通常將數(shù)據(jù)表示成純小數(shù)或純整數(shù)。

n+1位定點(diǎn)數(shù)表示：

X0X1X2X3…Xi…

Xn-2Xn-1Xn

其中X0為符號(hào)位，X１…Xn為數(shù)值部分, Xi為０或１。23計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英1>定點(diǎn)小數(shù)最高位為符號(hào)位，小數(shù)點(diǎn)位置隱含約定在符號(hào)位后，其后為數(shù)值部分n+1位定點(diǎn)小數(shù)的表示范圍是

0≤︱X︱≤1－2－n

或：

—

(1－2－n)≤

X≤1－2－n（16位小數(shù)范圍：—

(1－2－１５)≤

X≤1－2－１５）24計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英2＞定點(diǎn)整數(shù)最高位為符號(hào)位，其后為數(shù)值部分，小數(shù)點(diǎn)位置隱含約定在數(shù)值部分的后面。n+1位定點(diǎn)整數(shù)的表示范圍是

0≤︱X︱≤2n－1

或：

—

(2n－1)≤

X≤2n－1（16位整數(shù)范圍：—

(215－1)≤

X≤(215－1)25計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英2、浮點(diǎn)表示法1＞數(shù)的浮點(diǎn)表示其范圍和精度部分分別用定點(diǎn)數(shù)表示123.45=1234.5×10－1=12345×10－2 =123450×10－34796.54＝0.479654×1040.00479654＝0.479654×10－2－0.00479654＝－0.479654×10－226計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英101.1101=0.1011101×20011=0.010111010×20100－101.1101=－0.1011101×20011

=－0.010111010×201000.0001011101=0.1011101×2－0011

=0.010111010×2－0010－0.0001011101=－0.1011101×2－0011

=－0.010111010×2－001027計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

任意十進(jìn)制N，可以化為

N＝M×10E其中M為小數(shù)，E為整數(shù)一個(gè)數(shù)S的任意進(jìn)制表示（S）R＝m×Re

m

：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)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)計(jì)數(shù)值的機(jī)器是一個(gè)常數(shù)，一般規(guī)定Ｒ為2，8或16。28計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英浮點(diǎn)表示法：把一個(gè)數(shù)的有效數(shù)字和數(shù)的范圍在計(jì)算機(jī)的一個(gè)存儲(chǔ)單元中分別予以表示，這種把數(shù)的范圍和精度分別表示的方法，數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置隨比例因子的不同而在一定范圍內(nèi)自由浮動(dòng)。

對(duì)于：101.1101（=0.1011101×20011）只需存放0.1011101和0011即001129計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英一個(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)在數(shù)據(jù)中的位置，決定了浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍。）具體格式見教材Ｐ1730計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

IEEE標(biāo)準(zhǔn)

總位數(shù)符號(hào)位階碼尾數(shù)短實(shí)數(shù)32

1

8

23長實(shí)數(shù)64

1

11

52

臨時(shí)實(shí)數(shù)80

1

15

6431計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

階碼和尾數(shù)各占用的位數(shù)確定了浮點(diǎn)數(shù)的格式對(duì)二進(jìn)制數(shù)而言：

1110.011＝0.1110011×2100

0.001110011＝0.1110011×2－10

－0.001110011＝－0.1110011×2－10在將上面的數(shù)以浮點(diǎn)數(shù)格式存放時(shí)，只需將紅色部分按照浮點(diǎn)數(shù)格式要求的位數(shù)，化為相應(yīng)的補(bǔ)碼或移碼，按照浮點(diǎn)數(shù)格式存放。32計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英為提高數(shù)據(jù)的表示精度，當(dāng)尾數(shù)的值不為0時(shí)，其絕對(duì)值應(yīng)≥0.5，即尾數(shù)域的最高有效位應(yīng)為1,否則以修改階碼同時(shí)左右移小數(shù)點(diǎn)的辦法，使其變成這一表示形式，這稱為浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化表示。

101.1101=0.1011101×20011=0.010111010×20100

規(guī)格化表示為尾數(shù)是0.1011101，階碼是0011而尾數(shù)是0.01011101，階碼是0100不是規(guī)格化表示。33計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英當(dāng)浮點(diǎn)數(shù)的①尾數(shù)為0，不論其階碼為何值，或者②階碼的值遇到比它能表示的最小值還小時(shí)，不管其尾數(shù)為何值，計(jì)算機(jī)都把該浮點(diǎn)數(shù)看成零值，稱為機(jī)器零。浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)例見Ｐ1834計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英IEEE754浮點(diǎn)數(shù)格式說明一個(gè)規(guī)格化的32位浮點(diǎn)數(shù)ｘ的真值可表示為

ｘ＝(－1)s×(1.Ｍ)×2Ｅ－127

e＝Ｅ－127

其中Ｅ的范圍是１～２５４（階碼范圍－126～+127），0和255作特殊用途：①浮點(diǎn)數(shù)+０,－0：Ｅ＝０，Ｍ＝０時(shí)表示x＝(－1)Ｓ×０②＋∞，－∞：Ｅ＝255，M＝0時(shí)x＝(－1)Ｓ×∞IEEE754的32位浮點(diǎn)數(shù)表示的除０外的絕對(duì)值最小的數(shù)：

s0000000100000000000000000000000 x＝(－１)S×2－126×1.0IEEE754的32位浮點(diǎn)數(shù)表示的除∞外的絕對(duì)值最大的數(shù)：

s1111111011111111111111111111111 x＝(－１)S×2127×(2－2－23)35計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英3、十進(jìn)制數(shù)串的表示十進(jìn)制數(shù)串在計(jì)算機(jī)內(nèi)主要有兩種表示形式：1＞字符串形式字符串形式：一個(gè)字節(jié)存放一個(gè)十進(jìn)制的數(shù)位或符號(hào)位。為了指明這樣一個(gè)數(shù)，需要給出該數(shù)在主存中的起始地址和位數(shù)(串的長度)。36計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英2.壓縮的十進(jìn)制數(shù)串形式壓縮的十進(jìn)制數(shù)串形式：一個(gè)字節(jié)存放兩個(gè)十進(jìn)制的數(shù)位。它比前一種形式節(jié)省存儲(chǔ)空間，又便于直接完成十進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算，是廣泛采用的較為理想的方法。ＢＣＤ碼（二－十進(jìn)制編碼）37計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英４、自定義數(shù)據(jù)表示自定義數(shù)據(jù)表示則用數(shù)據(jù)本身來說明數(shù)據(jù)類型。其表示形式有兩種，即標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示和描述符數(shù)據(jù)表示。標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示要求對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)都附加標(biāo)志符（Ｐ２２），其中標(biāo)志符指明后面的數(shù)據(jù)所具有的類型，如整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、BCD數(shù)、字符串等。38計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英描述符數(shù)據(jù)表示主要用來描述多維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)類型，如向量、矩陣、記錄等（Ｐ２３）。描述符標(biāo)志位部分指明這是一個(gè)數(shù)據(jù)描述符；特征標(biāo)記部分指明數(shù)據(jù)的各種特征；長度部分指明數(shù)組中元素個(gè)數(shù)；起始地址部分指明數(shù)據(jù)塊的首地址。39計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英標(biāo)志符與描述符表示的區(qū)別是：

(1)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，而描述符要和數(shù)據(jù)分開存放。

(2)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。

(3)描述符是程序的一部分，而不是數(shù)據(jù)的一部分。40計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英二、數(shù)的機(jī)器碼表示在計(jì)算機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算操作時(shí)，符號(hào)位的表示，符號(hào)位是否也同數(shù)值位一道參加運(yùn)算，如何參加運(yùn)算？為了妥善的處理好這些問題，就需要把符號(hào)位和數(shù)字位一起編碼表示數(shù)據(jù)，為適應(yīng)不同的處理要求，產(chǎn)生了多種數(shù)據(jù)編碼方法，如原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼等。

41計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英計(jì)算機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)的表示都采用二進(jìn)制編碼真值：數(shù)值數(shù)據(jù)的實(shí)際值，如257，－33,1011B等機(jī)器數(shù)（機(jī)器碼）：數(shù)值數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的編碼表示42計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

在計(jì)算機(jī)中通常采用原碼、補(bǔ)碼、反碼和移碼表示數(shù)值數(shù)據(jù)原碼、補(bǔ)碼、反碼的共性：1)這幾種編碼表示中，正數(shù)的編碼值與真值一樣，負(fù)數(shù)具有不同的編碼。2）編碼的最高位為符號(hào)位：

0表示正

1表示負(fù)43計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英1、原碼表示法符號(hào)位：0表示正，1表示負(fù) 數(shù)值部分：與真值的二進(jìn)制形式一樣原碼的特征：1）零有兩種表示：＋0和－0

[+0]原=0.000...0

[-0]原=1.000...02）優(yōu)點(diǎn)：簡單直觀，便于乘、除法運(yùn)算缺點(diǎn)：加減法運(yùn)算不便（符號(hào)不能直接參預(yù)運(yùn)算）44計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英2、反碼表示法符號(hào)位：0表示正，1表示負(fù) 數(shù)值部分：正數(shù)不變；負(fù)數(shù)反碼是將真值的各位取反得到反碼的特征：

1）零有兩種表示：＋0和－0

[＋0]反＝0.00...0

[－0]反＝1.11...1

2）通常用于求補(bǔ)碼45計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英3、補(bǔ)碼表示法符號(hào)位：0表示正，1表示負(fù) 數(shù)值部分：正數(shù)不變；負(fù)數(shù)通過求補(bǔ)得到計(jì)算機(jī)中數(shù)值數(shù)據(jù)采用補(bǔ)碼形式，其符號(hào)部分可以直接參預(yù)加、減法運(yùn)算。補(bǔ)碼的特征：

1）零的表示唯一

2）補(bǔ)碼加減法運(yùn)算中，符號(hào)直接參預(yù)運(yùn)算

3）定點(diǎn)小數(shù)表示中，[-1]補(bǔ)＝1.00…046計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英４、移碼表示法 移碼通常用于表示浮點(diǎn)數(shù)的階碼。階碼是個(gè)n位的整數(shù)。n+1位移碼的定義是

[ｘ]移＝2n＋ｘ

2n＞ｘ≥－2n符號(hào)位：1表示正，0表示負(fù) 數(shù)值部分：與補(bǔ)碼數(shù)值部分相同移碼的特征：

1）零的表示唯一：100…00

2）移碼只能表示整數(shù)（只有整數(shù)有移碼），用于浮點(diǎn)數(shù)階碼表示47計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英例：寫出下列各數(shù)８位的原碼、反碼、補(bǔ)碼、移碼表示。

77 －103 －0.01101 －23/6477=1001101－103=－1100111－23/64=－10111×2－6=－0.01011148計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英例：寫出下列機(jī)器碼的真值。[x1]原＝0.110101 [x2]原＝1000101[x3]反＝1.010101 [x4]反＝0.000101[x5]補(bǔ)＝1.010101 [x6]補(bǔ)＝0.000101[x7]補(bǔ)＝1.000000 [x8]補(bǔ)＝10000000[x3]移＝1.010101 [x4]移＝0.00010149計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英三、字符與字符串的表示方法１、字符的表示采用７位ASCII碼表示‘0’～‘9’ 30H～39H‘A’ 41H‘a(chǎn)’ 61H50計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英2、字符串的表示 字符串是指連續(xù)的一串字符,通常方式下,它們占用主存中連續(xù)的多個(gè)字節(jié),每個(gè)字節(jié)存一個(gè)字符。 當(dāng)主存字由2個(gè)或4個(gè)字節(jié)組成時(shí),在同一個(gè)主存字中,既可按從低位字節(jié)向高位字節(jié)的順序存放字符串的內(nèi)容,也可按從高位字節(jié)向低位字節(jié)的次序順序存放字符串的內(nèi)容。51計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英四、漢字的表示方法 內(nèi)部編碼（內(nèi)碼），輸入碼，顯示（打印）碼52計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英五、校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼：按照一定的規(guī)律和方法，通過給數(shù)據(jù)增加一位或多位數(shù)據(jù)而重新編碼的方法，使得計(jì)算機(jī)能夠發(fā)現(xiàn)或糾正數(shù)據(jù)在存放或傳送過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。這樣得到的新的編碼稱為校驗(yàn)碼。其中增加的數(shù)據(jù)位稱為校驗(yàn)位。53計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英檢錯(cuò)碼：具有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤能力的校驗(yàn)碼稱為檢錯(cuò)碼。糾錯(cuò)碼：能夠發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤的校驗(yàn)碼稱為糾錯(cuò)碼。奇偶校驗(yàn)碼：能夠發(fā)現(xiàn)一位或奇數(shù)位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。奇校驗(yàn)碼：通過給數(shù)據(jù)增加一位校驗(yàn)位，使校驗(yàn)碼中‘1’的個(gè)數(shù)為奇數(shù)個(gè)。偶校驗(yàn)碼：通過給數(shù)據(jù)增加一位校驗(yàn)位，使校驗(yàn)碼中‘1’的個(gè)數(shù)為偶數(shù)個(gè)。54計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第二節(jié)定點(diǎn)加、減法運(yùn)算一、補(bǔ)碼加法1、補(bǔ)碼加法 負(fù)數(shù)用補(bǔ)碼表示后，可以和正數(shù)一樣來處理。這樣,運(yùn)算器里只需要一個(gè)加法器就可以了,不必為了負(fù)數(shù)的加法運(yùn)算,再配一個(gè)減法器。補(bǔ)碼加法的公式是

[ｘ]補(bǔ)＋[ｙ]補(bǔ)＝[ｘ＋ｙ]補(bǔ)(mod2)補(bǔ)碼加法的特點(diǎn)：符號(hào)位要作為數(shù)的一部分一起參加運(yùn)算,要在模2的意義下相加,即超過2的進(jìn)位要丟掉。55計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英２、補(bǔ)碼減法 負(fù)數(shù)的減法運(yùn)算也要設(shè)法化為加法來做,其所以使用這種方法而不使用直接減法,是因?yàn)樗梢院统Ｒ?guī)的加法運(yùn)算使用同一加法器電路,從而簡化了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。數(shù)用補(bǔ)碼表示時(shí),減法運(yùn)算的公式為

[ｘ－ｙ]補(bǔ)＝[ｘ]補(bǔ)－[ｙ]補(bǔ)＝[ｘ]補(bǔ)＋[－ｙ]補(bǔ)

在實(shí)際計(jì)算時(shí)，利用

[ｘ－ｙ]補(bǔ)＝[ｘ]補(bǔ)＋[－ｙ]補(bǔ)公式將減法運(yùn)算變?yōu)榧臃ㄟM(jìn)行56計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英現(xiàn)在的問題是如何從[y]補(bǔ)去求[－y]補(bǔ)這一點(diǎn)在硬件上實(shí)現(xiàn)也很簡單，只需對(duì)[y]補(bǔ)包括符號(hào)位“求反且最末位加1”（簡稱“求反加１”）,即可得到[－y]補(bǔ)。57計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英三、溢出概念與檢測方法

在定點(diǎn)小數(shù)機(jī)器中,數(shù)的表示范圍為|ｘ|<1.在運(yùn)算過程中如出現(xiàn)大于1的現(xiàn)象,稱為“溢出”。在定點(diǎn)機(jī)中,正常情況下溢出是不允許的。上溢：兩個(gè)正數(shù)相加,結(jié)果大于機(jī)器所能表示的最大正數(shù),稱為上溢。下溢：兩個(gè)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。58計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英為判斷運(yùn)算中是否產(chǎn)生溢出，可采用兩種檢測的方法。第一種方法是采用雙符號(hào)位法,第二種方法是采用單符號(hào)位法。１、雙符號(hào)位法雙符號(hào)位法,也稱為“變形補(bǔ)碼”或“模4補(bǔ)碼”變形補(bǔ)碼定義為：[ｘ]補(bǔ)＝ｘ

2＞ｘ≥0

4＋ｘ

0＞ｘ≥－2采用變形補(bǔ)碼后，正數(shù)的符號(hào)位為00，負(fù)數(shù)的符號(hào)位為11，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果符號(hào)不為00或11時(shí)，說明產(chǎn)生了溢出。59計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英采用變形（模４）補(bǔ)碼運(yùn)算時(shí)有以下規(guī)律：當(dāng)以模4補(bǔ)碼運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果的二符號(hào)位相異時(shí),表示溢出；相同時(shí),表示未溢出。故溢出邏輯表達(dá)式為V＝Sf1⊕Sf2,其中Sf1和Sf2分別為最高符號(hào)位和第二符號(hào)位。此邏輯表達(dá)式可用異或門實(shí)現(xiàn)。模4補(bǔ)碼相加的結(jié)果,不論溢出與否,最高符號(hào)位始終指示正確的符號(hào)。60計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英２、單符號(hào)位法從補(bǔ)碼加、減法運(yùn)算中我們看到：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。當(dāng)最高有效位無進(jìn)位而符號(hào)位有進(jìn)位時(shí),產(chǎn)生下溢。我們可以借助進(jìn)位關(guān)系給出溢出邏輯表達(dá)式：

V＝Cf⊕Co

其中：Cf為符號(hào)位產(chǎn)生的進(jìn)位

Co為最高有效位產(chǎn)生的進(jìn)位 此邏輯表達(dá)式也可用異或門實(shí)現(xiàn)。61計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英四、基本的二進(jìn)制加/減法器１、全加器ＦＡ全加器ＦＡ可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字Ai,Bi和一個(gè)進(jìn)位輸入Ci相加,產(chǎn)生一個(gè)本位和輸出Si,以及一個(gè)進(jìn)位輸出Ci＋1。其邏輯關(guān)系為：

Si＝Ai⊕Bi⊕Ci Ci＋1＝AiBi＋BiCi＋CiAi可用如圖所示電路實(shí)現(xiàn)一位加法62計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英２、行波進(jìn)位加/減法器

n個(gè)1位的全加器(FA)可級(jí)聯(lián)成一個(gè)n位的行波進(jìn)位加減器（P35圖２.2）。

M為方式控制輸入線（控制進(jìn)行加法，還是減法運(yùn)算）：當(dāng)M＝0時(shí),作加法(A＋B)運(yùn)算；當(dāng)M＝1時(shí),作減法(A－B)運(yùn)算,在后一種情況下,A－B運(yùn)算轉(zhuǎn)化成[A]補(bǔ)＋[－B]補(bǔ)運(yùn)算,求補(bǔ)過程由B取反加1來實(shí)現(xiàn)。 電路采用單符號(hào)位法的溢出檢測邏輯：當(dāng)Cn＝Cn－1時(shí),運(yùn)算無溢出；當(dāng)Cn≠Cn－1時(shí),運(yùn)算有溢出,經(jīng)異或門產(chǎn)生溢出信號(hào)。63計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英n位行波進(jìn)位加法器的延遲時(shí)間ta為

ta＝n·2T＋9T＝(2n＋9)T從上式可看出，采用行波進(jìn)位加法器時(shí)，位數(shù)越多，延遲時(shí)間越長。64計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英五、十進(jìn)制加法器 十進(jìn)制加法器可由BCD碼(二－十進(jìn)制碼)來設(shè)計(jì),它是在二進(jìn)制加法器的基礎(chǔ)上加上適當(dāng)?shù)摹靶Ｕ边壿媮韺?shí)現(xiàn)的。 一位ＢＣＤ碼加法電路由四位二進(jìn)制加法電路加上校正電路構(gòu)成。校正邏輯關(guān)系為：本位十進(jìn)制和小于10時(shí)，不必校正；本位十進(jìn)制和大于10時(shí)，通過將本位和加６修正。

Si＝S'I

當(dāng)ｘi＋ｙi＋Ci＜10 Si＝S'i＋6

當(dāng)ｘi＋ｙi＋Ci＞1065計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第三節(jié) 定點(diǎn)乘法運(yùn)算一、原碼乘法 在定點(diǎn)計(jì)算機(jī)中,兩個(gè)原碼數(shù)相乘的運(yùn)算規(guī)則:

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。

66計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英設(shè)n位被乘數(shù)和乘數(shù)用定點(diǎn)小數(shù)表示(定點(diǎn)整數(shù)也同樣適用)被乘數(shù)

[ｘ]原＝ｘf.ｘn－1…ｘ1ｘ0乘數(shù)[ｙ]原＝ｙf.ｙn－1…ｙ1ｙ0則乘積

[ｚ]原＝(ｘf⊕ｙf)＋(0.ｘn－1…ｘ1ｘ0)(0.ｙn－1…ｙ1ｙ0)

式中,ｘf為被乘數(shù)符號(hào),ｙf為乘數(shù)符號(hào)。67計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英１、二進(jìn)制乘法的手算過程設(shè)ｘ＝0.1101,ｙ＝0.1011.讓我們先用習(xí)慣方法求其乘積,其過程如下:68計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英２、改進(jìn)的運(yùn)算過程

0.1101×0.1011的運(yùn)算過程

0.1101

× 0.1011 0.1101

→0.01101

＋0.1101 1.00111 →0.100111

＋ 0.0000 0.100111 → 0.0100111

＋ 0.1101 1.0001111 → 0.1000111169計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英３、一位原碼乘法X×Y=X·(0．Y1Y2…Yn) =X·(Y12-1+Y22-2+…+Yn2-n) =2-1(Y1X+2-1(Y2X+2-1(…+2-1(YnX+0)…)上式的遞推形式為

P0=0 P1=2-1(YnX+P0) P2=2-1(Yn-1X+P1) …… Pi=2-1(Yn-i+1X+Pi-1) …… Pn=2-1(Y1X+Pn-1)上式的實(shí)際操作為：累加、右移70計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英 X=-0.1101Y=0.1011

部分積 乘數(shù)判別位

00.0000 0.1011

+ 00.1101 00.1101 → 00.01101 0.101

+ 00.1101 01.00111 → 00.100111 0.10

+ 00.0000 00.100111 → 00.01001110.1

+ 00.1101 01.0001111 00.10001111Pf=1⊕0=1【X×Y】原

=1.10001111X×Y=-0.71計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英4、不帶符號(hào)的陣列乘法器設(shè)有兩個(gè)不帶符號(hào)的二進(jìn)制整數(shù)：A＝am－1…a1a0B＝bn－1…b1b0它們的數(shù)值分別為a和b,即

m－1

n－1

a

＝∑ai2i

b

＝∑bj2j

i＝0

j＝0在二進(jìn)制乘法中,被乘數(shù)A與乘數(shù)B相乘,產(chǎn)生m＋n位乘積P： P＝pm＋n－1…p1p0乘積P

的數(shù)值為：72計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英實(shí)現(xiàn)這個(gè)乘法過程所需要的操作： 其中的aibj實(shí)際為ai與bj的邏輯與73計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英按照Ｐ39圖2.5的電路構(gòu)成陣列乘法器，m位被乘數(shù)，n位乘數(shù)的陣列乘法器可由(m－1)×n個(gè)全加器構(gòu)成。為提高并行處理能力和速度，減少進(jìn)位延遲時(shí)間，每行相加產(chǎn)生的進(jìn)位移到下一行前一位的全加器處理。5、帶符號(hào)的陣列乘法器 原理陣列乘法器只能處理原碼的乘法運(yùn)算，但在計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)經(jīng)常采用補(bǔ)碼表示，為實(shí)現(xiàn)補(bǔ)碼乘法運(yùn)算，就需要采用帶符號(hào)的陣列乘法器。 帶符號(hào)的陣列乘法器可借助無符號(hào)的陣列乘法器加上求實(shí)電路實(shí)現(xiàn)。74計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英求補(bǔ)電路一個(gè)具有可控的二進(jìn)制對(duì)2求補(bǔ)器電路如圖２.6

，其邏輯表達(dá)式如下：

C－1＝0,

Ci＝ai＋Ci－1 ai*＝ai⊕ECi－1,

0≤i≤n

在對(duì)2求補(bǔ)時(shí),是采用按位掃描技術(shù)來執(zhí)行所需要的求補(bǔ)操作：從最后一位開始，找到出現(xiàn)的第一個(gè)１，并保持該位不變，然后對(duì)前面所有的位求反。

75計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

帶求補(bǔ)器的陣列乘法器采用不帶符號(hào)的陣列乘法器附加三個(gè)求補(bǔ)器構(gòu)成：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,先變成正整數(shù)。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)。76計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英二、補(bǔ)碼乘法1、補(bǔ)碼性質(zhì)及補(bǔ)碼乘法運(yùn)算規(guī)則 為了解補(bǔ)碼乘法運(yùn)算規(guī)律，先要知道補(bǔ)碼一些性質(zhì)。①補(bǔ)碼與真值的關(guān)系 設(shè)[X]補(bǔ)＝X0.X1X2…Xn

則X＝－X0+0.X1X2…Xn②補(bǔ)碼乘法 設(shè)[X]補(bǔ)＝X0.X1X2…Xn，[Y]補(bǔ)＝Y(jié)0.Y1Y2…Yn

則 [X×Y]補(bǔ)＝[X]補(bǔ)×(－Y0+0.Y1Y2…Yn)77計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英③補(bǔ)碼乘法遞推式

[X×Y]補(bǔ)＝[X]補(bǔ)×[(Y1－Y0)+(Y2－Y1)2－1+……+ (0－Yn)2－n] =[X]補(bǔ)×∑(Yi+1－Yi)2－i

[P0]補(bǔ)=0[P1]補(bǔ)={[P0]補(bǔ)+(Yn+1－Yn)×[X]補(bǔ)}×2－1 Yn+1=0[P2]補(bǔ)={[P1]補(bǔ)+(Yn－Yn-1)×[X]補(bǔ)}×2－1

………[Pi]補(bǔ)={[Pi-1]補(bǔ)+(Yn-i+2－Yn-i+1)×[X]補(bǔ)}×2－1 ………[Pn]補(bǔ)={[Pn-1]補(bǔ)+(Y2－Y1)×[X]補(bǔ)}×2－1[X×Y]補(bǔ)＝[Pn+1]補(bǔ)={[Pn]補(bǔ)+(Y1－Y0)×[X]補(bǔ)}×2－178計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英2、補(bǔ)碼一位乘法例：設(shè)X=-0.1011Y=-0.110，用補(bǔ)碼一位乘法計(jì)算Ｘ＊Ｙ解：【X】補(bǔ)=1.0101【－X】補(bǔ)=0.1011【Y】補(bǔ)=1.0101

部分積 乘數(shù)判別位

00.0000 1.00110

－X

+ 00.1011 00.1011 → 00.01011 1.0011

＋0

+ 00.0000 00.01011

79計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

+ 00.0000 00.01011 → 00.001011 1.001

＋X

+ 11.0101 11.011111 → 11.10111111.00

+ 00.0000 11.1011111 → 11.11011111 1.0

－X

+ 00.1011 00.10001111【X×Y】補(bǔ)

=0.10001111X×Y=0.1000111180計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英３、補(bǔ)碼乘法陣列①一般化的全加器 常規(guī)的一位全加器可假定它的3個(gè)輸入和2個(gè)輸出都是正權(quán)。這種加法器通過把正權(quán)或負(fù)權(quán)加到輸入/輸出端,可以歸納出四類加法單元。（見Ｐ４３表２.3）81計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英②直接補(bǔ)碼陣列乘法器利用混合型的全加器就可以構(gòu)成直接補(bǔ)碼數(shù)陣列乘法器。設(shè)被乘數(shù)A和乘數(shù)B是兩個(gè)5位的二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù),即A＝(a4)a3a2a1a0B＝(b4)a3a2a1a0它們具有帶負(fù)權(quán)的符號(hào)位a4和b4,并用括號(hào)標(biāo)注。如果我們用括號(hào)來標(biāo)注負(fù)的被加項(xiàng),例如(aibJ),那么A和B相乘過程中所包含的操作步驟如矩陣所示。82計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

(a4)a3a2

a1

a0＝Ａ

×(b4)b3

b2

b1

b0＝B (a4b0)a3b0a1b0a1b0a0b0

(a4b1)a3b1a2b1a1b1a0b1

(a4b2)a3b2a2b2a1b2a0b2

(a4b3)a3b3a2b3a1b3a0b3＋)a4b4(a3b4)(a2b4)(a1b4)(a0b4)

p9

p8

p7

p6

p5

p4

p3

p2

p1

p0＝P

83計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第三節(jié) 定點(diǎn)除法運(yùn)算一、原碼除法運(yùn)算法則兩個(gè)原碼表示的數(shù)相除時(shí),商的符號(hào)由兩數(shù)的符號(hào)按位相加求得,商的數(shù)值部分由兩數(shù)的數(shù)值部分相除求得。設(shè)有n位定點(diǎn)小數(shù)(定點(diǎn)整數(shù)也同樣適用)：

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)由上公式可見，商的符號(hào)位很容易得到，關(guān)鍵是數(shù)值部分如何計(jì)算。84計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英二、原碼不恢復(fù)余數(shù)法(加減交替法)計(jì)算機(jī)中串行除法是通過左移余數(shù)和加（減）除數(shù)來實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算處理的。首先我們看一看原碼除法運(yùn)算規(guī)則。原碼不恢復(fù)余數(shù)法運(yùn)算法則：首先用被除數(shù)減去除數(shù)，然后按下列過程重復(fù)：當(dāng)余數(shù)為正時(shí)，商1，余數(shù)左移1位，減除數(shù)當(dāng)余數(shù)為負(fù)時(shí)，商0，余數(shù)左移1位，加除數(shù)85計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英例：設(shè)Ｘ＝0.1001,Y＝－0.1011,用原碼不恢復(fù)余數(shù)法求Ｘ÷Ｙ。解：[︱Y︱]補(bǔ)＝00.1011,[-︱Y︱]補(bǔ)＝11.0101

被除數(shù)/余數(shù)商 說明

00.1001+(-y)11.0101x-y 11.1110 0 余數(shù)＜0,商0← 11.1100 0左移＋y 00.1011

加上除數(shù)

00.01110.1余數(shù)＞0,商1← 00.1110 0.1左移+(-y)11.0101x-y 00.0011 0.11余數(shù)＞0,商1← 00.0110 0.11左移+(-y)11.0101x-y 11.1011 0.110余數(shù)＜0,商0

86計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英+(-y)11.0101x-y 11.1011 0.110余數(shù)＜0,商0←11.0110 0.110左移+y00.1011

加上除數(shù)

00.0001 0.1101余數(shù)＞0,商1Qf=0⊕1=1[X÷Y]原＝1.1101,∴X÷Y=-0.1101

87計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英三、并行除法器１、可控加法/減法(CAS)單元 可控加法/減法(CAS)單元,它將用于并行除法流水邏輯陣列中，它有四個(gè)輸出端和四個(gè)輸入端。當(dāng)控制端P＝0時(shí),CAS作加法運(yùn)算；

P＝1時(shí),CAS作減法運(yùn)算。２、不恢復(fù)余數(shù)法的除法陣列 不恢復(fù)余數(shù)法的除法陣列由一組可控加法/減法(CAS)單元的陣列來構(gòu)成。 根據(jù)原碼不恢復(fù)余數(shù)法的法則，當(dāng)余數(shù)為正時(shí)，商1，余數(shù)左移1位，減除數(shù)；當(dāng)余數(shù)為負(fù)時(shí)，商0，余數(shù)左移1位，加除數(shù)。 在不恢復(fù)余數(shù)法的除法陣列中，每行根據(jù)余數(shù)的有（無）借位（反映余數(shù)為負(fù)或正）確定商１（０），并確定下一行進(jìn)行余數(shù)減（加）除數(shù)的運(yùn)算。88計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第五節(jié) 定點(diǎn)運(yùn)算器的組成

運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)加工處理部件。 運(yùn)算器主要由算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ＡＬＵ）、數(shù)據(jù)緩沖寄存器、通用寄存器、多路轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)總線等邏輯器（部）件構(gòu)成。一、邏輯運(yùn)算

邏輯數(shù)：不帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)。 邏輯運(yùn)算是對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)位處理。主要包括邏輯非（求反）、邏輯加（或）、邏輯乘（與）和邏輯異（異或、按位加）基本運(yùn)算。89計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英二、多功能算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元(ALU)

由一位全加器(FA)構(gòu)成的行波進(jìn)位加法器,它可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)碼數(shù)的加法運(yùn)算和減法運(yùn)算。但是這種加法/減法器存在兩個(gè)問題：一是由于串行進(jìn)位,它的運(yùn)算時(shí)間很長。二是就行波進(jìn)位加法器本身來說,它只能完成加法和減法兩種操作而不能完成邏輯操作。 多功能算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元(ALU)不僅具有多種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的功能,而且具有先行進(jìn)位邏輯,從而能實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算。90計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英1.基本思想

一位全加器(FA)的邏輯表達(dá)式為

Fi＝Ai⊕Bi⊕Ci Ci＋1＝AiBi＋BiCi＋CiAi

將Ai和Bi先組合成由控制參數(shù)S0,S1,S2,S3控制的組合函數(shù)Xi和Yi,然后再將Xi,Yi和下一位進(jìn)位數(shù)通過全加器進(jìn)行全加。這樣,不同的控制參數(shù)可以得到不同的組合函數(shù),因而能夠?qū)崿F(xiàn)多種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。 一位算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元的邏輯表達(dá)式為Fi＝Xi⊕Yi⊕Cn＋iCn＋i＋1＝XiYi＋YiCn＋i＋Cn＋iXi

控制參數(shù)S0,S1,S2,S3控制根據(jù)Ai和Bi產(chǎn)生不同Xi和Yi，經(jīng)由全加器處理，實(shí)現(xiàn)多種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。因此，不同控制參數(shù)S0,S1,S2,S3確定不同的運(yùn)算功能。91計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英２、ＡＬＵ的邏輯關(guān)系 控制參數(shù)S0,S1,S2,S3

分別控制輸入Ai

和Bi,產(chǎn)生Y和X的函數(shù)。其中Yi是受S0,S1控制的Ai和Bi的組合函數(shù),而Xi是受S2,S3控制的Ai和Bi組合函數(shù),其函數(shù)關(guān)系如表2.4所示。 綜合全加器的邏輯關(guān)系，可得ALU的某一位邏輯表達(dá)式如（教材Ｐ５３）公式２.3６。

92計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英一般ＡＬＵ以四位作為一組，四位間進(jìn)位采用先行進(jìn)位。各位間的進(jìn)位關(guān)系

Ci=XiYi+(Xi⊕Yi)Ci－1=Gi+PiCi－1

其中Gi=XiYi

稱為進(jìn)位生成函數(shù)

Pi=Xi⊕Yi 稱為進(jìn)位傳遞函數(shù)串行進(jìn)位

C１=G１+P１C０

C２=G２+P２C１

…… Ci=Gi+PiCi－1

…… Cn=Gn+PnCn-1

Gi、Pi只與第I位的輸入有關(guān)，進(jìn)位一位一位的傳遞93計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英先行進(jìn)位公式第0位向第1位的進(jìn)位公式為

Cn＋1＝Y(jié)0＋X0Cn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

Cn＋2＝Y(jié)1＋X1Cn＋1＝Y(jié)1＋Y0X1＋X0X1Cn

第2位向第3位的進(jìn)位公式為Cn＋3＝Y(jié)2＋X2Cn＋2＝Y(jié)2＋Y1X1＋Y0X1X2＋X0X1X2Cn

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

Cn＋4＝Y(jié)3＋X3Cn＋3

＝Y(jié)3＋Y2X3＋Y1X2X3＋Y0X1X2X3＋X0X1X2X3Cn

94計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

設(shè)

G＝Y(jié)3＋Y2X3＋Y1X2X3＋Y0X1X2X3 P＝X0X1X2X3

則

Cn＋4＝G＋PCn

這樣,對(duì)一片ALU來說,可有三個(gè)進(jìn)位輸出。其中Cn+4是本片(組)的最后進(jìn)位輸出，G稱為進(jìn)位發(fā)生輸出,P稱為進(jìn)位傳送輸出。 在電路中多加Ｇ和Ｐ這兩個(gè)進(jìn)位輸出的目的,是為了便于實(shí)現(xiàn)多片（組）ALU之間的先行進(jìn)位,為此還需一個(gè)配合電路,稱之為先行進(jìn)位發(fā)生器(CLA)。95計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英３、74181算術(shù)邏輯運(yùn)算單元

74181是一個(gè)四位的算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）。它除了S0－S3四個(gè)控制端外,還有一個(gè)控制端Ｍ,用于控制ALU是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算還是進(jìn)行邏輯運(yùn)算。當(dāng)Ｍ＝0時(shí),Ｍ對(duì)進(jìn)位信號(hào)沒有任何影響。此時(shí)F不僅與本位的被操作數(shù)Y和操作數(shù)X有關(guān),而且與本位的進(jìn)位輸出,即C有關(guān),因此Ｍ＝0時(shí),進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算。當(dāng)Ｍ＝1時(shí),封鎖了各位的進(jìn)位輸出,即C＝0,因此各位的運(yùn)算結(jié)果F僅與Y和X有關(guān),故Ｍ＝1時(shí),進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

74181的運(yùn)算功能見教材Ｐ５５圖２.596計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英４、兩級(jí)先行進(jìn)位的ALU

74181ALU設(shè)置了P和G兩個(gè)本組先行進(jìn)位輸出端。如果將四片74181的P,G輸出端送入到74182先行進(jìn)位部件（CLA）,又可實(shí)現(xiàn)第二級(jí)的先行進(jìn)位,即組與組之間的先行進(jìn)位。 假設(shè)4片（組）74181的先行進(jìn)位輸出依次為P0,G0,G1.P1,P2,G2,P3,G3,那么參考式(2.37)的進(jìn)位邏輯表達(dá)式，先行進(jìn)位部件74182CLA所提供的進(jìn)位邏輯關(guān)系如下：

Cn＋ｘ＝G0＋P0Cn

Cn＋ｙ＝G1＋P1Cn＋ｘ＝G1＋G0P1＋P0P1Cn

Cn＋ｚ＝G2＋P2Cn＋ｙ＝G2＋G1P2＋G0P1P2＋ P0P1P2Cn

Cn＋4＝G3＋P3Cn＋ｚ＝G3＋G2P3＋G1P1P2＋ G0P1P2P3＋P0P1P2P3Cn

＝G*＋P*Cn97計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英其中

P*＝P0P1P2P3G*＝G3＋G2P3＋G1P1P2＋G0P1P2P3G*稱為成組進(jìn)位發(fā)生輸出,P*稱為成組進(jìn)位傳送輸出。

可用若干個(gè)74181位片式ALU,與配套的74182先行進(jìn)位部件CLA在一起,構(gòu)成一個(gè)全字長的ALU。98計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英三、內(nèi)部總線 計(jì)算機(jī)內(nèi)部的主要工作過程是信息傳送和加工的過程，因此在機(jī)器內(nèi)部各部件之間的數(shù)據(jù)傳送非常頻繁。為了減少內(nèi)部的傳送線并便于控制，通常將一些寄存器之間數(shù)據(jù)傳送的通路加以歸并，組成總線結(jié)構(gòu)，使不同來源的信息分時(shí)在總線上傳送。 根據(jù)總線所在位置,總線分為內(nèi)部總線和外部總線兩類。內(nèi)部總線是指CPU內(nèi)各部件的連線。外部總線是指系統(tǒng)總線,即CPU與存儲(chǔ)器、I/O系統(tǒng)之間的連線。 根據(jù)總線的邏輯結(jié)構(gòu)來說,總線可分為單向傳送總線和雙向傳送總線。單向總線,就是信息只能向一個(gè)方向傳送。雙向總線,就是信息可以分兩個(gè)方向傳送,既可以發(fā)送數(shù)據(jù),也可以接收數(shù)據(jù)。99計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

圖2.14(a)是帶有緩沖驅(qū)動(dòng)器的4位雙向數(shù)據(jù)總其中所用的基本電路就是三態(tài)邏輯電路。 當(dāng)“發(fā)送”信號(hào)有效時(shí),數(shù)據(jù)從左向右傳送。反之，當(dāng)“接收”信號(hào)有效時(shí)，數(shù)據(jù)從右向左傳送。因此也稱為總線收發(fā)器。通過控制信號(hào)可以控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在總線上的傳送。 這種類型的緩沖器通常根據(jù)它們?nèi)绾问褂枚凶骺偩€擴(kuò)展器、總線驅(qū)動(dòng)器、總線接收器等等。 圖2.14(b)所示的是帶有鎖存器的4位雙向數(shù)據(jù)總線。它可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的鎖存和發(fā)送。

100計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英四、定點(diǎn)運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)

運(yùn)算器包括ALU、陣列乘除器、寄存器、多路開關(guān)、三態(tài)緩沖器、數(shù)據(jù)總線等邏輯部件。 運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)，主要是圍繞ALU、寄存器同數(shù)據(jù)總線之間如何傳送操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果考慮和設(shè)計(jì)的。 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器大體有三種結(jié)構(gòu)形式１、單總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器

單總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器所有部件都接到同一總線上，所以數(shù)據(jù)可以在任何兩個(gè)寄存器之間，或者在任一個(gè)寄存器和ALU之間傳送。 單總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器在同一時(shí)間內(nèi)，只能有一個(gè)操作數(shù)放在單總線上。為了把兩個(gè)操作數(shù)輸入到ALU，需要分兩次來進(jìn)行，而且還需要A，B兩個(gè)緩沖寄存器。特點(diǎn)：控制電路比較簡單，操作速度較慢。101計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英２、雙總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器 雙總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器具有兩條總線，并且可以各自將其數(shù)據(jù)送至ALU的輸入端。 在這種結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)操作數(shù)只需一次操作控制就可同時(shí)送到ALU進(jìn)行運(yùn)算，而且馬上就可以得到運(yùn)算結(jié)果。但是運(yùn)算的結(jié)果必須先暫存在緩沖器中。３、三總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器

三總線結(jié)構(gòu)運(yùn)算器中，ALU的兩個(gè)輸入端分別由兩條總線供給，而ALU的輸出則與第三條總線相連。這樣，算術(shù)邏輯操作就可以在一步的控制之內(nèi)完成。102計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第六節(jié) 浮點(diǎn)運(yùn)算方法和浮點(diǎn)運(yùn)算器一、浮點(diǎn)數(shù)加、減法運(yùn)算１、運(yùn)算規(guī)則 設(shè)有兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)ｘ和ｙ,它們分別為ｘ＝2Eｘ·Mｘｙ＝2Eｙ·Mｙ其中Eｘ和Eｙ分別為數(shù)ｘ和ｙ的階碼,Mｘ和Mｙ分別為數(shù)ｘ和ｙ的尾數(shù)。

1> 當(dāng)Ex=Ey=E時(shí)，

x±y=2E×(Mx±My)2> 當(dāng)EX≠EY

時(shí)，先通過對(duì)階，使X和Y的階碼相同，然后按照上式計(jì)算。

ｘ±ｙ＝(Mｘ2Eｘ－Eｙ±Mｙ)2Eｙ，Eｘ<＝Eｙ103計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英２、浮點(diǎn)數(shù)加、減法運(yùn)算步驟：1>0操作數(shù)檢查2>對(duì)階(小階向大階看齊)

先求階差△E=EX－EY①若△E=0，則不必對(duì)階②若△E＞0，則EX＞EY，階碼向EX看齊，MY右移△E位③若△E＜0，則EX＜EY，階碼向EY看齊，MX右移△E位3＞尾數(shù)相加減4＞結(jié)果規(guī)格化將尾數(shù)部分變?yōu)?.1…或1.0…的形式分為左規(guī)格化或右規(guī)格化5＞舍入處理104計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英３、對(duì)尾數(shù)采用補(bǔ)碼時(shí)的規(guī)格化處理右規(guī)格化：尾數(shù)結(jié)果為10.…或01.…時(shí)進(jìn)行處理方法：將尾數(shù)右移1位，并且階碼加1。左規(guī)格化：尾數(shù)結(jié)果為0.0…或1.1…時(shí)進(jìn)行處理方法：尾數(shù)每左移1位，階碼減1，重復(fù)直到結(jié)果尾數(shù)為0.1…或1.0…為止。４、舍入處理“0舍1入”法：如果右移時(shí)被丟掉數(shù)位的最高位為0則舍去,為1則將尾數(shù)的末位加“1”?！昂阒靡弧狈ǎ褐灰獢?shù)位被移掉,就在尾數(shù)的末尾恒置“1”。“就近舍入”：其實(shí)質(zhì)就是通常所說的"四舍五入"。“朝0舍入”：即朝數(shù)軸原點(diǎn)方向舍入,就是簡單的截尾。“朝＋∞舍入”：對(duì)正數(shù)來說,只要多余位不全為0則向最低有效位進(jìn)1;對(duì)負(fù)數(shù)來說則是簡單的截尾?！俺奚崛搿保簩?duì)正數(shù)來說,只要多余位不全為0則簡單截尾;對(duì)負(fù)數(shù)來說,向最低有效位進(jìn)1。105計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英５、溢出及處理 浮點(diǎn)數(shù)的溢出通常是以其階碼的溢出表現(xiàn)出來的。當(dāng)機(jī)器浮點(diǎn)數(shù)值大于最大正數(shù)，或小于最小負(fù)數(shù)時(shí)，稱為上溢。上溢時(shí)階碼運(yùn)算值超出了它所表示的范圍，機(jī)器必須做中斷處理。當(dāng)機(jī)器浮點(diǎn)數(shù)值小于最小正數(shù)a值，或大于最大負(fù)數(shù)b值時(shí)，稱為下溢。下溢通?？醋鳛闄C(jī)器零。

溢出的處理：階碼上溢：階碼超過了階碼可能表示的最大值的正指數(shù)值,一般將其認(rèn)為是＋∞和－∞。階碼下溢：階碼超過了階碼可能表示的最小值的負(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。106計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英二、浮點(diǎn)數(shù)的乘、除法運(yùn)算１、運(yùn)算規(guī)則設(shè)有兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)ｘ和ｙ：

ｘ＝2Eｘ·Mｘ

ｙ＝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)107計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英２、乘、除法運(yùn)算步驟 浮點(diǎn)數(shù)的乘除運(yùn)算大體分為以下幾個(gè)步驟：１＞0操作數(shù)檢查。２＞階碼加/減操作。３＞尾數(shù)乘/除操作。４＞結(jié)果規(guī)格化５＞舍入處理。３、移碼運(yùn)算 移碼加，減法運(yùn)算的公式為：

[ｘ＋ｙ]移＝[ｘ]移＋[ｙ]補(bǔ)

[ｘ－ｙ]移＝[ｘ]移＋[－ｙ]補(bǔ)上面公式表明執(zhí)行階碼加減時(shí),對(duì)加數(shù)或減數(shù)ｙ來說,應(yīng)送移碼符號(hào)位正常值的反碼。108計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

如果階碼運(yùn)算的結(jié)果溢出,上述條件則不成立。雙符號(hào)位的階碼加法器：規(guī)定移碼的第二個(gè)符號(hào)位,即最高符號(hào)位恒用0參加加減運(yùn)算。則溢出條件是結(jié)果的最高符號(hào)位為1。此時(shí),當(dāng)?shù)臀环?hào)位為0時(shí),表明結(jié)果上溢,為1時(shí),表明結(jié)果下溢。當(dāng)最高符號(hào)位為0時(shí),表明沒有溢出。此時(shí)，當(dāng)?shù)臀环?hào)位為1,表明結(jié)果為正；為0時(shí),表明結(jié)果為負(fù)。109計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英三、浮點(diǎn)運(yùn)算流水線１、流水線原理 計(jì)算機(jī)的流水處理過程同工廠中的流水裝配線類似。 為了實(shí)現(xiàn)流水,首先必須把輸入的任務(wù)分割為一系列的子任務(wù),使各子任務(wù)能在流水線的各個(gè)階段并發(fā)地執(zhí)行。將任務(wù)連續(xù)不斷地輸入流水線,從而實(shí)現(xiàn)了子任務(wù)的并行。 流水處理可以大幅度地改善計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)性能，是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)時(shí)間并行性的一種非常經(jīng)濟(jì)的方法。 在流水線中，原則上要求各個(gè)階段的處理時(shí)間都相同。若某一階段的處理時(shí)間較長，勢必造成其他階段的空轉(zhuǎn)等待。因此對(duì)子任務(wù)的劃分，是決定流水線性能的一個(gè)關(guān)鍵因素,它取決于操作部分的效率、所期望的處理速度，以及成本價(jià)格等等。110計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英線性流水線：假定作業(yè)T被分成k個(gè)子任務(wù),可表達(dá)為T＝{T1,T2,···,Tk}各個(gè)子任務(wù)之間有一定的優(yōu)先關(guān)系：若i<j，則必須在Ti

完成以后，Tj才能開始工作。具有這種線性優(yōu)先關(guān)系的流水線稱為線性流水線。線性流水線處理的硬件基本結(jié)構(gòu)如圖2.17所示 在線性流水線中，處理一個(gè)子任務(wù)的過程為過程段(Si)。線性流水線由一系列串聯(lián)的過程段組成，各個(gè)過程之間設(shè)有高速的緩沖寄存器(L)，以暫時(shí)保存上一過程子任務(wù)處理的結(jié)果。在一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘(C)控制下，數(shù)據(jù)從一個(gè)過程段流向相鄰的過程段。111計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

設(shè)過程段Si所需的時(shí)間為τi，緩沖寄存器的延時(shí)為τl,線性流水線的時(shí)鐘周期定義為

τ＝max{τi}＋τl＝τm＋τl

故流水線處理的頻率為f＝1/τ。 在流水線處理中,當(dāng)任務(wù)飽滿時(shí)，任務(wù)源源不斷的輸入流水線，不論有多少級(jí)過程段，每隔一個(gè)時(shí)鐘周期都能輸出一個(gè)任務(wù)。 從理論上說，一個(gè)具有k級(jí)過程段的流水線處理n個(gè)任務(wù)需要的時(shí)鐘周期數(shù)為

Tk＝k＋(n－1)

其中k個(gè)時(shí)鐘周期用于處理第一個(gè)任務(wù)。k個(gè)周期后，流水線被裝滿，剩余的n－1個(gè)任務(wù)只需n－1個(gè)周期就完成了。 用非流水線的硬件來處理這n個(gè)任務(wù)，時(shí)間上只能串行進(jìn)行，則所需時(shí)鐘周期數(shù)為

TL＝n·k

112計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

將TL和Tk的比值定義為k級(jí)線性流水線的加速比： ＣＫ＝ＴＬ/TK＝（n·k)/(k+(n-1))

當(dāng)n>>k時(shí),Ck－>k。這就是說,理論上k級(jí)線性流水線處理幾乎可以提高k倍速度。但實(shí)際上由于存儲(chǔ)器沖突、數(shù)據(jù)相關(guān),這個(gè)理想的加速比不一定能達(dá)到。113計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英２、流水線浮點(diǎn)加法器

浮點(diǎn)數(shù)加減法由0操作數(shù)檢查、對(duì)階操作、尾數(shù)操作、結(jié)果規(guī)格化及舍入處理共4步完成，因此流水線浮點(diǎn)加法器可由4個(gè)過程段組成。圖2.19僅示出了除0操作數(shù)檢查之外的3段流水線浮點(diǎn)加法器框圖。114計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英四、浮點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)例１、ＣＰＵ之外的浮點(diǎn)運(yùn)算器

80×87是美國Intel公司為處理浮點(diǎn)數(shù)等數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算和多種函數(shù)計(jì)算而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的專用算術(shù)運(yùn)算處理器。由于它們的算術(shù)運(yùn)算是配合80×86CPU進(jìn)行的，所以又稱為協(xié)處理器。

80×87浮點(diǎn)運(yùn)算器的特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)：以異步方式與80386并行工作，80×87相當(dāng)于386的一個(gè)I/O部件，本身有它自己的指令，但不能單獨(dú)使用，它只能作為386主CPU的協(xié)處理器才能運(yùn)算。可處理包括二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)、二進(jìn)制整數(shù)、和壓縮十進(jìn)制數(shù)串三大類7種數(shù)據(jù)，其中浮點(diǎn)數(shù)的格式符合IEEE754標(biāo)準(zhǔn)。全部數(shù)據(jù)在80×87中均以80位臨時(shí)數(shù)據(jù)的形式表示。因此80×87具有80位字長的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并有八個(gè)80位字長以“先進(jìn)后出”方式管理的寄存器組，又稱寄存器堆棧。115計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英80×87中有處理浮點(diǎn)數(shù)指數(shù)部分的部件和處理尾數(shù)部分的部件，還有加速移位操作的移位器路線，它們通過指數(shù)總線和小數(shù)總線與八個(gè)80位字長的寄存器堆棧相連接。80×87內(nèi)部還設(shè)置了三個(gè)各為16位字長的寄存器，即特征寄存器、控制寄存器和狀態(tài)寄存器。２、ＣＰＵ之內(nèi)的浮點(diǎn)運(yùn)算器

奔騰CPU將浮點(diǎn)運(yùn)算器包含在芯片內(nèi)。浮點(diǎn)運(yùn)算部件采用流水線設(shè)計(jì)。 指令執(zhí)行過程分為8段流水線。前4段為指令預(yù)取(DF)、指令譯碼(D1)、地址生成(D2)、取操作數(shù)(EX)，在U、V流水線中完成。 后4段為執(zhí)行1(X1)、執(zhí)行2(X2)、結(jié)果寫回寄存器堆(WF)、錯(cuò)誤報(bào)告(ER)，在浮點(diǎn)運(yùn)算器中完成。一般情況下，由U流水線完成一條浮點(diǎn)數(shù)操作指令。116計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英117計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英118計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第三章內(nèi)部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器：計(jì)算機(jī)中記錄信息的設(shè)備，用于存放程序和數(shù)據(jù)。 構(gòu)成存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)，目前主要采用半導(dǎo)體器件和磁性材料。

119計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英第一節(jié)存儲(chǔ)器概述一、存儲(chǔ)器分類

存儲(chǔ)器中最小的存儲(chǔ)單位就是一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體電路或一個(gè)CMOS晶體管或磁性材料的存儲(chǔ)元，它可存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制代碼。 由若干個(gè)存儲(chǔ)元組成一個(gè)存儲(chǔ)單元，然后再由許多存儲(chǔ)單元組成一個(gè)存儲(chǔ)器。

能構(gòu)成存儲(chǔ)元的材料或電路的特征：具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)兩種穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)控制信號(hào)可以轉(zhuǎn)換能讀出其中的信息無外部原因，其狀態(tài)能夠長期保存120計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英

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法:按存儲(chǔ)介質(zhì)分

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：用半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器。磁表面存儲(chǔ)器：用磁性材料做成的存儲(chǔ)器。按存儲(chǔ)方式分隨機(jī)存儲(chǔ)器：任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取，且存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置無關(guān)。順序存儲(chǔ)器：只能按某種順序來存取，存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)。按存儲(chǔ)器的讀寫功能分只讀存儲(chǔ)器(ROM)：存儲(chǔ)的內(nèi)容是固定不變的，只能讀出而不能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器(RAM)：既能讀出又能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。121計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英按信息的可保存性分非永久記憶的存儲(chǔ)器：斷電后信息即消失的存儲(chǔ)器。永久記憶性存儲(chǔ)器：斷電后仍能保存信息的存儲(chǔ)器。

按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分根據(jù)存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所起的作用，可分為主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器、控制存儲(chǔ)器等。二、存儲(chǔ)器的分級(jí)結(jié)構(gòu)

為了解決對(duì)存儲(chǔ)器要求容量大，速度快，成本低三者之間的矛盾，目前通常采用多級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)，即使用高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器和外（輔助）存儲(chǔ)器構(gòu)成的多級(jí)（三級(jí)）存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)。ＣＰＵ能夠直接訪問的存儲(chǔ)器稱為內(nèi)存儲(chǔ)器（內(nèi)存）。它包括高速緩沖存儲(chǔ)器和主存儲(chǔ)器（主存）。ＣＰＵ不能直接訪問外存儲(chǔ)器，外存儲(chǔ)器上的信息必須調(diào)入內(nèi)存后才能由ＣＰＵ處理。122計(jì)算機(jī)組成原理(本全)白中英高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）：是ＣＰＵ與主存儲(chǔ)器間的一個(gè)高速小容量的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。通過Cache可以使ＣＰＵ高速存取主存儲(chǔ)器中的指令和數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：存取速度快，但存儲(chǔ)容量小。主存儲(chǔ)器（主存）：主存存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間的大量程序和數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：存取速度較快，存儲(chǔ)容量不大。外存儲(chǔ)器（輔