1、计算机组成原理计算机组成原理一、课程主要内容讨论计算机单机系统的硬件组成。即几大功能部件的即几大功能部件的工作原理工作原理、逻辑逻辑实现实现、设计方法设计方法及相互连接及相互连接构成整构成整机的方法机的方法。计算机组成原理强调两个层次的整机概念：CPUCPU整机概念整机概念 硬件系统整机概念硬件系统整机概念紧紧抓住各部件之间的信息传送方式和传送途径。逻辑组成逻辑组成工作机制工作机制逻辑组成逻辑组成工作机制工作机制计算机组成原理二、学习目的为培养同学们在分析、设计、开发计算机系统方面的能力打下坚实的基础。计算机组成原理三、教学特点1、以模型机模型机为背景讨论基本原理，适当辐射实用机型。2、讨论硬
2、件组成时，在寄存器级寄存器级进行分析。计算机组成原理四、知识架构与教学安排知识架构：计算机组成原理计算机组成原理 信息的表示信息的表示 计算机硬件系统计算机硬件系统 CPU CPU 存储器存储器 I/O I/O 系统结构系统结构计算机组成原理第一章第一章 概论概论 4学时 第二章第二章 计算机中的信息表示计算机中的信息表示 6学时 第三章第三章 CPUCPU子系统子系统 30学时 第四章第四章 存储子系统存储子系统 10学时 第五章第五章 I/OI/O子系统子系统 8学时 第六章第六章 输入输入/输出设备及输出设备及I/OI/O接口接口 6学时 第七章第七章 计算机硬件系统模型计算机硬件系统模
3、型 自学计算机组成原理五、学习方法 抓住重点，解决难点：CPUCPU部分（部分（通路结构通路结构、指令流程指令流程）存储器部分（存储器部分（逻辑设计逻辑设计）I/OI/O系统部分（系统部分（中断机制及其接口设计中断机制及其接口设计）充分利用教学网站（参考书、课程辅导、参考书、课程辅导、在线学习、课程实践、课程资源、学生空间在线学习、课程实践、课程资源、学生空间）计算机组成原理六、考核平时成绩（作业平时成绩（作业+半期考试）：半期考试）：20%20%实验：实验：10%10%期末考试：期末考试：70%70%主要内容：主要内容：计算机的基本概念计算机的基本概念 系统硬件组成系统硬件组成（主要部件、系
4、统结构）（主要部件、系统结构）计算机的性能指标计算机的性能指标第一章第一章 概论概论 第一节第一节 计算机的基本概念计算机的基本概念1.1.1 冯冯 诺依曼思想诺依曼思想1.用二进制代码表示程序和数据；用二进制代码表示程序和数据；2.计算机采用存储程序的工作方式；计算机采用存储程序的工作方式；3.计算机硬件由存储器、运算器、控制计算机硬件由存储器、运算器、控制 器、输入设备和输出设备组成。器、输入设备和输出设备组成。1.1.2 信息的数字化表示信息的数字化表示 1.在计算机中用数字代码表示各种信息在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码二进制代码例例1 用数字代码表示数据用数字代码表示数据
5、 5-5 表示为表示为 0 101 表示为表示为 1 101 例例2 用数字代码表示字符用数字代码表示字符 A B 表示为表示为 1000001 表示为表示为 1000010 例例3 用数字代码表示命令、状态用数字代码表示命令、状态 启动启动 停止停止 正在工作正在工作 工作结束工作结束 表示为表示为 00 表示为表示为 01 表示为表示为 10 表示为表示为 11 2.在物理机制上用数字信号在物理机制上用数字信号 数字型电信号数字型电信号例例1 用电平信号表示数字代码用电平信号表示数字代码 高电平高电平 1 低电平低电平 高电平高电平 0 1 例例2 用脉冲信号表示数字代码用脉冲信号表示数字
6、代码 有脉冲有脉冲无脉冲无脉冲有脉冲有脉冲101 表示数字代码表示数字代码 实现并行实现并行操作操作实现串行实现串行操作操作1.1.3 存储程序工作方式存储程序工作方式 1.事先编制程序事先编制程序 3.自动、连续地执行程序自动、连续地执行程序 2.事先存储程序事先存储程序 传统诺依曼机串行执行指令。传统诺依曼机串行执行指令。对传统诺依曼机的改造：增加对传统诺依曼机的改造：增加并并行处理行处理功能。功能。第二节第二节 计算机系统的硬件组成计算机系统的硬件组成1.2.1 主要功能部件主要功能部件1.CPU由运算器、控制器、寄存器组成。由运算器、控制器、寄存器组成。（1）运算器运算器 1）功能：）
7、功能：加工信息加工信息。2）组成：）组成：移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 ALU:ALU:通过加法器实现运算通过加法器实现运算操作（由全加器求和、由进位操作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。链传递进位信号）。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 通用寄存器组：提供操作数，通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。存放运算结果。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 选择器：选择操作数；选择控选择器：选择操作数；选择控制条件，实现各种算法。制条件，实现各种算
8、法。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 移位器：直接或者移位移位器：直接或者移位送出运算结果。送出运算结果。（2）控制器）控制器 1）功能：）功能：产生控制命令产生控制命令(微命令微命令)，控制全机操作控制全机操作。2）组成：）组成：微命令发生器微命令发生器指令信息指令信息状态信息状态信息时序信号时序信号微命令序列微命令序列微命令产生方式（指令执行控制方式）：微命令产生方式（指令执行控制方式）：组合逻辑控制方式：组合逻辑控制方式：微程序控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电由组合逻辑电 路产生微命令路产生微命令由微指令产生由微指令产生微命令微命令存储体存储体地址寄存器
9、地址寄存器译码器译码器读读/写线路写线路数据寄存器数据寄存器控制线路控制线路2.存储器存储器 1）功能）功能:存储信息存储信息。2）组成（主存储器）：）组成（主存储器）：存储体存储体地址寄存器地址寄存器译码器译码器读读/写线路写线路数据寄存器数据寄存器控制线路控制线路 存储体存储体:存放信息的实体。存放信息的实体。寻址系统寻址系统：对地址码译码，：对地址码译码，选择存储单元。选择存储单元。读读/写线路和数据寄存器写线路和数据寄存器：完成读：完成读/写写操作，暂存读操作，暂存读/写数据。写数据。存储体存储体地址寄存器地址寄存器译码器译码器读读/写线路写线路数据寄存器数据寄存器控制线路控制线路 控
10、制线路控制线路：产生读：产生读/写时序，控制读写时序，控制读/写操作。写操作。3.输入输入/输出设备输出设备 1）功能：）功能：转换信息转换信息。输入输入：原始信息：原始信息 代码，送入主机代码，送入主机输出输出：处理结果：处理结果 人所能接受的形式，人所能接受的形式，并输出并输出（代码）（代码）1.2.2 硬件系统结构硬件系统结构1.以总线为基础的系统结构以总线为基础的系统结构 总线：能为多个部件分时共享的总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。一组信息传送线路。总总 线线部件部件部件部件部件部件总总 线线功能功能 内总线内总线 局部总线局部总线 系统总线系统总线 外总线外总线信息信息
11、 地址总线地址总线 数据总线数据总线 控制总线控制总线时序时序 同步总线同步总线 异步总线异步总线格式格式 并行总线并行总线 串行总线串行总线方向方向 单向总线单向总线 双向总线双向总线（1）以）以CPU为中心的双总线结构为中心的双总线结构CPUCPUM M接口接口接口接口I/OI/OI/OI/OI/OI/O 总线总线M M 总线总线 （2）单总线结构）单总线结构CPUCPUM M接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O系系 统统 总总 线线（3）以）以M为中心的双总线结构为中心的双总线结构CPUCPUM M接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O系系 统统 总总 线线 M M 总线总线 （4
12、）多级总线结构）多级总线结构CPUCPURAMRAMROMROM公共接口公共接口总线控制逻辑总线控制逻辑M M扩展板扩展板I/OI/O接口板接口板局部总线局部总线系统总线系统总线2.采用通道或采用通道或IOP的大型系统结构的大型系统结构 （1）带通道的系统）带通道的系统I/OI/O控制器控制器主机主机I/OI/O通道通道（2）带）带IOP的系统的系统CPUCPUM M接口接口I/OI/OIOPIOPLMLM接口接口I/OI/O系统总线系统总线I/O总线总线3.模型机系统结构模型机系统结构系系 统统 总总 线线CPUCPUM M公共接口公共接口接口接口接口接口I/OI/OI/OI/O第三节第三节
13、 计算机系统的性能指标计算机系统的性能指标1.基本字长基本字长 指操作数的基本位数。指操作数的基本位数。它影响计算精度、指令功能。它影响计算精度、指令功能。2.存储容量存储容量 （1）主存容量）主存容量 指存储单元个数位数。指存储单元个数位数。决定地址位数决定地址位数表明编址单位表明编址单位表示为：表示为：字数字长字数字长（按字编址）（按字编址）或或 字节数字节数（按字节编址）（按字节编址）（2）外存容量）外存容量 常表示为常表示为字节数字节数。外存容量与地址码位数无关外存容量与地址码位数无关。3.运算速度运算速度（1）定点）定点/浮点四则运算时间浮点四则运算时间（2）每秒平均执行的指令条数（
14、）每秒平均执行的指令条数（MIPS）（3）CPU时钟频率（时钟频率（MHz）总线位数总线时钟频率总线位数总线时钟频率 8 5.处理功能处理功能（1）指令系统功能（）指令系统功能（寻址方式寻址方式、指令指令 类型类型）（2）系统软件配置）系统软件配置总线带宽总线带宽=4.数据传输率数据传输率（B/S）第二章 计算机中的信息表示 数据信息控制信息数值型数据非数值型数据指令信息等 第一节 数据信息的表示 2.1.1 表示数据的大小二进制、八进制、十六进制、二-十进制2.1.2 表示数据的符号原码、补码、反码2.1.3 表示小数点定点、浮点1.定点表示法无符号数定点整数定点小数00000000 111
15、11111（0）（255）11111111 01111111原原（-127）（127）补10000000 01111111补（-128）（127）1.1111111 0.1111111原原-(1-2-7)(1-2-7)1.0000000 0.1111111补补（-1）(1-2-7)类型 E浮点数真值：N=+R M 阶码Ef E1 Em Mf M1 Mn浮点数机器格式：尾数阶符数符R：阶码底，隐含约定。E：阶码，为定点整数，补码或移码表示。其位数决定数值范围；阶符表示数的大小。M：尾数，为定点小数，原码或补码表示。其位数决定数的精度；数符表示数的正负。尾数规格化：1/2 M 1最高有效位绝对值为
16、12.浮点表示法3.浮点表示范围表示范围：-231 231(1-2-9)例.某规格化浮点数用补码表示，其中阶码6位，含1位阶符；尾数10位，含1位数符。阶符1位，阶码m位，补码表示，以2为底；数符1位，尾数n位，补码表示，规格化。最小浮点数：最大浮点数：最小浮点正数：阶码为最大数：2 -1m尾数为绝对值最大的负数：-1尾数为最大数：阶码为最大数：2 -1m1-2-n阶码为最小数：-2 m尾数为最小正数：2-1表示精度：2-33 第二节 指令信息的表示 指令：指示计算机执行某类操作的信息的集合。本节主要讨论：一般指令格式 常用寻址方式 面向用户指令类型2.2.1 指令格式指令基本格式操作码 地址
17、码 D一个一个或几个1.指令字长定长指令格式变长指令格式便于控制（1）定长操作码各指令的位置、位数固定相同。（2）扩展操作码各指令的位置、位数不固定，根据需要变化。合理利用存储空间2.操作码结构关键在设置扩展标志。例.指令字长16位，可含有3、2、1或0个地址，每个地址占4位。操作码 地址码 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条二地址指令 15条1111 1111 0000 Z 1111 1111 1110 Z.一地址指令 15条1111 1111 1111 0000 1111
18、 1111 1111 1111.零地址指令 16条（3）复合型操作码操作码分为几部分，每部分表示一种操作。例.某机算逻指令3.地址结构0 1 2 3 4 5 6 7 8 15基本操作 进位 移位 回送 判跳 操作数指令中提供的地址数存储单元地址码寄存器编号（1）指令提供地址的方式显地址方式隐地址方式:指令中明显指明地址。:地址隐含约定,不出现在指令中。直接或间接给出（2）地址结构的简化操作数地址 四地址结构指令格式：使用隐地址可以减少指令中的地址数，简化地址结构。D1 D2 D3 D4结果地址下条指令地址功能：(D1)(D2)D3(D4)下条指令用指令计数器PC指示指令地址。三地址结构指令格式
19、：操作数地址 D1 D2 D3 结果地址下条指令地址功能：转移时，用转移地址修改PC内容。(D1)(D2)D3(PC)+1 PC源/目的二地址结构指令格式：D1 D2 目的/源功能：(D1)(D2)D2/D1(PC)+1 PC双操作数：一地址结构指令格式：D1 隐含约定单操作数：功能：零地址结构指令格式：(D1)(A)A(PC)+1 PC(D1)D1(PC)+1 PC 功能：用于堆栈或特殊指令操作。例.ADD；执行前：低SP102046SP3046执行后：高低高2.2.2 寻址方式是指寻找操作数地址或操作数的方式。操作码 立即数S（1）立即寻址指令直接给出操作数。1.常见寻址方式定长格式：变长
20、格式：基本指令 立即数S数在指令中，其长度固定、有限。数在基本指令之后，其长度可变。用来提供常数、设置初值等。操作码 有效地址D（2）直接寻址指令直接给出操作数地址。存储单元号寄存器号(数在M中)(数在R中)存储器直接寻址（直接寻址）定长格式D的位数有限,限制访存范围变长格式 基本指令 DL DHD的位数可覆盖整个存储空间S=（D）操作码 寄存器号R 存储单元号寄存器号(数在M中)(数在M中)寄存器直接寻址（寄存器寻址）格式R所占位数少；访问R比访问M快格式S=（R）用于访问固定的存储单元或寄存器。（3）间接寻址指令给出操作数的间接地址。存储器间址操作码 间接地址D D=00300060.00
21、60 S.S=(D)M间址单元地址指针操作码 寄存器号R 寄存器间址格式R所占位数少；R可提供全字长地址码；修改R内容比修改M内容快。格式S=(R)指针不变(由指令指定)，指针内容可变，使同一指令可指向不同存储单元，以实现程序的循环、共享，并提供转移地址。堆栈寻址操作码 堆栈指针SP SP.S.S=(SP)MR=02 M00400040 S.地址指针0070.栈顶格式SP既可出现在指令中，也可隐含约定。变址寻址（4）变址、基址寻址及其变化SP栈顶 M S.低高堆栈向上生成压栈：SP自动减1，再存数。-(SP)，自减型间址。先取数，SP再自动加1。(SP)+，自增型间址。出栈：指令给出一个寄存器
22、号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址。操作码 RX D D的位数有限，若不能提供全字长地址码，会使访存空间受到限制。变址寄存器号例.用变址方式访问一组连续区间内的数组元素。S=(RX)+D)D=首址D为存储区首址；(RX)为所访单元距离首址的长度；RX初值为0，每访问一个单元，(RX)+1。格式操作码 RX D 形式地址修改量基准地址n-1.012.D+1D+2D+n-1.格式（D的位数只需覆盖一个较小的存储区间）基址寻址基址寄存器号Rb 4K指令给出一个寄存器号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址。操作码 Rb D 位移量S=(Rb)+D)基准地址 相对于基址的位移 M
23、.Rb 4K改变Rb的内容，程序能访问存储空间中任何一个定长区间(4K)。便于访问两维数组中某类指定的元素。4K 4KRb M.RbD=2D=2学生姓名性别性别年龄年龄学生姓名变址与基址的区别：变址：指令提供基准量(不变)，R提供修改量(可变)；适 于处理一维数组。基址：指令提供位移量(不变)，R提供基准量(可变)；用 于扩大有限字长指令的访 存空间。S=(RX)+(Rb)+D)格式 基址加变址变址寄存器号指令给出两个寄存器号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址。位移量操作码 RX Rb D 基址寄存器号便于处理两维数组。格式 相对寻址指令给出位移量，PC内容与位移量之和为有效地址。
24、位移量操作码 PC D 或隐含指定S=(PC)D)有效地址相对PC上下浮动,给编程带来方便。格式 页面寻址指令给出位移量，PC的高位部分与位移量拼接，形成有效地址。位移量操作码 PC D 或隐含指定S=(PC)H，D)例.M为64KB，划分为256页，每页256B。页号页内地址用于页式管理存储系统。寻址速度快，适于组织程序模块，有效利用存储空间。PC0165H7C.017CHS2.对寻址方式的说明（1）操作码隐含说明不同寻址方式例.某机指令操作码最高两位00：RR型指令，寄存器-寄存器寻址01：RX型指令，寄存器-变址寻址10：SI型指令，基址-立即寻址11：SS型指令，基址-基址寻址（2）指
25、令中设置专门字段说明寻址方式例.某机指令的每个地址字段中各设置一个3位的寻址方式字段。操作码 寻址方式 R 寻址方式 R 源地址字段目的地址字段3位3位2.2.3 指令类型1.传送指令源地址 目的地址数设置时需考虑：（1）规定传送范围例.DJS-100系列：80X86：IBM370：R MR M，R RR M，R R，M M（2）指明传送单位例.用操作码说明(VAX-11)：用地址量说明(80X86)：传送次数由计数器控制MOVB 8MOV AX，BX MOVW 16MOVL 32MOV AL，BL MOV EAX，EBX 例.80X86的串传送指令：REP MOVSW（3）设置寻址方式在寻址
26、方式的设置上几乎不受限制，能比较集中地反映指令系统各种寻址方式的实现。816322.输入/输出指令各种信息主机 外设设置时需考虑：（1）I/O指令的功能扩展如何用通用I/O指令实现对各种具体设备的控制？I/O指令中留有扩展余地指令中某些字段编码事先不定义，需要时再约定其含义。I/O接口中设置控制/状态寄存器用于外设种类、数量不多的场合。（2）主机对外设的寻址方式如何设置控制/状态寄存器是接口设计的关键。寻找I/O接口中的寄存器的方式。主机用输出指令或传送指令将具体设备的控制命令按约定的代码格式送往接口中的控制寄存器，向外设发出命令。外设的状态信息也以某种格式放在接口的状态寄存器中，主机用输入指
27、令或传送指令从状态寄存器中取出有关信息进行查询、分析。I/O端口寻找I/O接口中的寄存器的方式。如何为I/O端口分配地址？单独编址I/O地址空间不占主存空间，可与主存空间重叠。=1 访问存储器=0 访问I/O端口需设置标志区分访问对象，如编址到寄存器：为每个寄存器(I/O端口)分配独 立的端口地址；I/O指令中给出端口地址。M/IO 统一编址I/O端口占据部分主存空间。常将存储空间的低端分配给主存单元，高端分配给I/O端口，以示区分。编址到寄存器 设置专用I/O指令针对单独编址，用I/O指令访问I/O端口。指令中说明输入/输出操作，并给出端口地址。：为每个寄存器(I/O端口)分配总 线地址；访
28、问外设时，指令中给出总线地址。（3）I/O指令设置方式显式I/O指令例.80X86I/O指令设置 输入：IN AL，n；端口地址(n)AL(直接端口寻址)IN AL，DX；间接端口地址(DX)AL(间接端口寻址)输出：OUT n，AL；(AL)n(直接端口寻址)OUT DX，AL；(AL)(DX)(间接端口寻址)主机调用输入机：用传送指令实现I/O操作针对统一编址，用传送指令访问I/O端口。不设专用I/O指令。例.某机I/O接口中设置控制/状态寄存器CSR,其总线地址为177550(8进制)数据缓冲寄存器DBR，其总线地址为177552隐式I/O指令控制/状态字格式：出错 故障 忙 完成 允许
29、中断 维护 校验 启动15 14 12 7 6 2 1 0启动：测试：取数：主机 177550控制字(启动位为1)传送指令主机 177550 状态字传送指令主机 177552 数据传送指令 通过I/O处理机进行I/O操作CPU执行简单I/O指令 (启动、停止、查询、清除)设置时需考虑操作数类型、符号、进制等；运算结束后设置相应状态标志。两级I/O指令（1）算术运算指令I/O处理机执行I/O操作指令 (输入、输出)3.算术逻辑运算指令（2）逻辑运算指令实现对代码位的设置、测试、清除、修改等。与或异或控制程序流程。（1）转移指令4.程序控制指令（2）转子指令与返回指令转子：操作码 子程序入口地址无
30、条件转移条件转移循环：操作码 转移地址：操作码 转移地址 转移条件：转移条件为循环计数值返回：操作码 返回地址同一条返回指令应能提供多个不同的返回地址。返回地址的存取：用堆栈存放返回地址。（3）软中断指令程序自陷指令 第二章复习提纲1.I/O指令的功能扩展(目的、方法)，外设编址方式和指令设置方式。2.基本概念：扩展操作码(扩展方法)、地址结构(简化方法)、隐地址、显地址、基本寻址方式(立即、直接、间址、变址)的含义与应用场合。表示不同的功能调用调试程序早期主要用于程序的调试。现在常常用于系统功能调用。以 INT n 的形式出现在程序中。第三章第三章 CPUCPU子系统子系统运算部件运算部件
31、寄存器寄存器 寄存器寄存器控制部件控制部件运算器运算器控制器控制器本章主要讨论：本章主要讨论：运算器运算器 控制器控制器数据通路结构数据通路结构与外部的连接与外部的连接指令的执行过程指令的执行过程CPUCPU组成组成CPUCPU工作原理工作原理 CPUCPU组成原理组成原理 CPUCPU工作机制（设计模型机）工作机制（设计模型机）CPUCPU子系统子系统运算器组运算器组成和运算成和运算方法方法控制器控制器原理原理定定点点乘乘法法定定点点除除法法浮浮点点运运算算组合逻辑组合逻辑控制方式控制方式微程序控微程序控制方式制方式基基本本思思想想控控制制器器组组成成工工作作过过程程主机和外设主机和外设的信
32、息交换的信息交换连接连接方式方式传送控传送控制方式制方式查查询询中中断断D DM MA A微指令微指令编码和编码和微地址微地址形成形成基基本本思思想想控控制制器器组组成成工工作作过过程程时序时序控制控制本章本章知识架构：知识架构：第一节第一节 运算器组织运算器组织 3.1.1 运算器的硬件组成运算器的硬件组成运算器运算器 移位器移位器 ALUALU输入选择器输入选择器 ALUALU部件部件 寄存器寄存器 并行加法器并行加法器 加法器输入选择器加法器输入选择器 全加器全加器 进位链进位链 串行串行并行并行分组分组选择操作数来源选择操作数来源选择操作数组合选择操作数组合独立结构独立结构小型存储小型
33、存储器结构器结构单口单口双口双口寄存器组寄存器组独立独立R R、双口双口RAMRAM用用多路选择器多路选择器作为作为ALUALU的的输入逻辑，输入逻辑，单口单口RAMRAM用用锁存器锁存器作为作为ALUALU的输入逻辑。的输入逻辑。3.1.2 运算器的组织结构运算器的组织结构1.带多路选择器的运算器带多路选择器的运算器移位器移位器ALU多路选择器多路选择器多路选择器多路选择器R0RnR0.Rn R0.Rn 内部总线（单向）内部总线（单向）特点：特点：R R各自独立；各自独立；可同时向可同时向ALUALU提供两个操作数；提供两个操作数；采用单向内总线。采用单向内总线。2.带输入锁存器的运算器带输
34、入锁存器的运算器特点：特点：单口单口RAMRAM不能同时向不能同时向ALUALU提提供两个操作数；供两个操作数；用锁存器暂存操作数；用锁存器暂存操作数；采用双向内总线。采用双向内总线。移位器移位器ALU锁存器锁存器锁存器锁存器内部总线（双向）内部总线（双向）R0Rn通用寄存器组（小型存储器）通用寄存器组（小型存储器）3.位片式运算器位片式运算器特点：特点：用双口用双口RAMRAM（两地址两地址端、两数据端）作通端、两数据端）作通用寄存器组，可同时用寄存器组，可同时提供数据；提供数据；用多路选择器作输入用多路选择器作输入逻辑，不需暂存操作逻辑，不需暂存操作数；数；ALUALU增加乘、除功能，增加
35、乘、除功能，用乘商寄存器存放乘用乘商寄存器存放乘数、乘积或商。数、乘积或商。例例.4.4位片运算器粗框位片运算器粗框移位器移位器ALU多路选择器多路选择器多路选择器多路选择器DO RAMDi B 地址地址 A 地址地址 CnDBDAG、P控制信息控制信息Cn+4乘商寄存器乘商寄存器444444444444 第二节第二节 运算方法运算方法3.2.1.1 补码加减法补码加减法数用补码表示，符号位参加运算。数用补码表示，符号位参加运算。实际操作能否只取决于操作码实际操作能否只取决于操作码？结果需不需修正？结果需不需修正？如何将减法转换为加法？如何将减法转换为加法？3.2.1 定点加减运算定点加减运算
36、1.基本关系式基本关系式(X+Y)补补 =X补补 +Y补补 （1）(X-Y)补补 =X补补 +(-Y)补补 （2）式（式（1）：）：操作码为操作码为“加加”时，两数直接相加。时，两数直接相加。3)X=3 Y=2 X补补=0 0011 Y补补=1 11100 0001（+1补码）补码）2)X=3 Y=2 X补补=1 1101 Y补补=1 11101 1011（5补码）补码）1)X=3 Y=2 X补补=0 0011 Y补补=0 00100 0101（+5补码）补码）4)X=3 Y=2 X补补=1 1101 Y补补=0 00101 1111（1补码）补码）例例.求求(X+Y)补补(X+Y)补补 =X
37、补补 +Y补补 （1）(X-Y)补补 =X补补 +(-Y)补补 （2）式（式（2）：）：操作码为操作码为“减减”时，将减转换为加。时，将减转换为加。1)X=4 Y=5 X补补=0 0100 Y补补=1 1011(-Y)补补=0 01010 1001（+9补码）补码）2)X=4 Y=5 X补补=1 1100 Y补补=0 0101(-Y)补补=1 10111 0111（9补码）补码）例例.求求(X Y)补补Y补补 (Y)补补：将将Y Y补补变补变补不管不管Y Y补补为正或负，将其符号连同为正或负，将其符号连同尾数一起各位变反，末位加尾数一起各位变反，末位加1 1。即将减数变补后与被减数相加。即将减
38、数变补后与被减数相加。X补补=0 0100 Y补补=1 1011 X补补=1 1100 Y补补=0 0101注意：某数的注意：某数的补码表示补码表示与某数与某数变补变补的区别。的区别。例例.1 0101.1 0101原原 1 10111 1011补码表示补码表示1 00111 0011补补 0 11010 1101变补变补 0 0101 0 0101原原 0 01010 0101补码表示补码表示符号位不变；符号位不变；负数尾数改变，负数尾数改变，正数尾数不变。正数尾数不变。0 00110 0011补补 1 11011 1101变补变补符号位改变，符号位改变，尾数改变。尾数改变。补码的机器负数补
39、码的机器负数2.算法流程算法流程操作数用补码表示，操作数用补码表示，符号位参加运算符号位参加运算结果为补码表示，符结果为补码表示，符号位指示结果正负号位指示结果正负X补补+Y补补X补补+(-Y)补补ADDSUB3.逻辑实现逻辑实现A(X补补)B(Y补补)+AABB+B+B+1CPA A（1）控制信号控制信号加法器输入端：加法器输入端：+A+A：打开控制门，将打开控制门，将A A送送。+B+B：打开控制门，将打开控制门，将B B送送。+1+1：控制末位加控制末位加 1 1。+B+B：打开控制门，将打开控制门，将B B送送。加法器输出端：加法器输出端：A：打开控制门，将结打开控制门，将结 果送果送
40、A输入端。输入端。CPCPA A：将结果打入将结果打入A A。（2）补码加减运算器粗框补码加减运算器粗框3.2.1.2 溢出判断溢出判断在什么情况下可能产生溢出？在什么情况下可能产生溢出？例例.数数A A有有4 4位尾数，位尾数，1 1位符号位符号S SA A 数数B B有有4 4位尾数，位尾数，1 1位符号位符号S SB B 符号位参符号位参加运算加运算 结果符号结果符号S Sf f符号位进位符号位进位C Cf f尾数最高位进位尾数最高位进位C C正确正确0 00110 0010（1）A=3 B=2 3+2：0 0101 （2）A=10 B=7 10+7：0 10100 01111 0001
41、 正溢正溢正确正确负溢负溢正确正确正确正确（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.硬件判断逻辑一硬件判断逻辑一（SA、SB与与Sf的关系）的关系）溢出溢出=S SA A
42、S SB BS Sf fS SA AS Sf fS SB B2.硬件判断逻辑二硬件判断逻辑二（Cf与与C的关系）的关系）正确正确0 00110 0010（1）A=3 B=2 3+2：0 0101 （2）A=10 B=7 10+7：0 10100 01111 0001 正溢正溢正确正确负溢负溢正确正确正确正确（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 1
43、0100 0100CfCf=0=0C=0C=0CfCf=0=0C=1C=1CfCf=1=1C=1C=1CfCf=1=1C=0C=0CfCf=1=1C=1C=1CfCf=0=0C=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.硬件判断逻辑一硬件判断逻辑一（SA、SB与与Sf的关系）的关系）溢出溢出=S SA AS SB BS Sf fS SA AS Sf fS SB B2.硬件判断逻辑二硬件判断逻辑二（Cf与与C的关系）的关系）溢出溢出=C Cf f C C3.
44、硬件判断逻辑三硬件判断逻辑三（双符号位（双符号位）（1）3+2：正确正确00 001100 001000 0101 （2）10+7：00 101000 011101 0001 正溢正溢正确正确负溢负溢正确正确正确正确（3）-3+(-2)：11 0111 11 110111 1110（4）-10+(-7)：10 1111 11 011011 1001（5）6+(-4)：00 0010 00 011011 1100（6）-6+4：11 1110 11 101000 0100第一符号位第一符号位Sf1第二符号位第二符号位Sf2溢出溢出=S Sf1f1 S Sf2f2（2）A=10 B=7 10+7：
45、0 1010 0 01111 0001 （4）A=-10 B=-7 -10+(-7)：0 1111 1 01101 10011.硬件判断逻辑一硬件判断逻辑一（SA、SB与与Sf的关系）的关系）溢出溢出=S SA AS SB BS Sf fS SA AS Sf fS SB B2.硬件判断逻辑二硬件判断逻辑二（Cf与与C的关系）的关系）溢出溢出=C Cf f C C3.硬件判断逻辑三硬件判断逻辑三（双符号位（双符号位）3.2.1.3 移位操作移位操作逻辑移位逻辑移位 ：数码位置变化，数值数码位置变化，数值不变不变。1.移位类型移位类型算术移位算术移位 1 0 0 0 1 1 1 1循环左移：循环左
46、移：0：数码位置变化，数值：数码位置变化，数值变化变化,符号位不变。符号位不变。1 0 0 1 1 1 1 算术左移：算术左移：1 0 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 0(-15)(-30)（1）单符号位）单符号位：0 01110 1110 （2）双符号位）双符号位：00 1110 00 01112.正数补码移位规则正数补码移位规则（3 3）移位规则）移位规则左移左移右移右移右移右移0 0111 0 0011 左移左移左移左移右移右移右移右移01 1100 00 1110 00 0111 数符不变数符不变（单：符号位不变；双：第一符号（单：符号位不变；双：第一符号位不变）。位不变）。
47、空位补空位补0（右移时第二符号位移至尾数最高位）。（右移时第二符号位移至尾数最高位）。（1）单符号位）单符号位：1 10111 0110 （2）双符号位）双符号位：10 1100 11 01103.负数补码移位规则负数补码移位规则（3 3）移位规则）移位规则左移左移右移右移右移右移1 1011 1 1101 左移左移右移右移右移右移11 0110 11 1011 数符不变数符不变（单：符号位不变；双：第一符号（单：符号位不变；双：第一符号位不变）。位不变）。左移空位补左移空位补0（第二符号位移至尾数最高位）。（第二符号位移至尾数最高位）。右移空位补右移空位补13.2.1.4 舍入方法舍入方法1
48、.0 0舍舍1 1入（原码、补码）入（原码、补码）0 00100原原 1 00101原原 1 11011补补 2.末位恒置末位恒置1 1（原码、补码）（原码、补码）0 00100原原 1 11011补补 1 00101原原 0 0010原原 1 0011原原 1 1110补补 0 0011原原 1 0011原原 1 1101补补 1 0011原原 1 1101补补 例例.保留保留4位尾数：位尾数：例例.保留保留4位尾数：位尾数：3.2.2 定点乘法运算定点乘法运算3.2.2.1 原码一位乘法原码一位乘法 每次用一位乘数去乘被乘数。每次用一位乘数去乘被乘数。1.1.算法分析算法分析乘法乘法 部分
49、积累加、移位。部分积累加、移位。例例.0.11011.10111.1011乘积乘积 P=X P=X Y Y积符积符 S SP P=S=SX X S SY YX原原Y原原（1 1）手算）手算 0.11010.1101 0.10110.1011 1101 1101 1101 1101 0000 0000 1101 1101 0.10001111 0.10001111上符号：上符号：1.100011111.10001111部分积部分积问题：问题：1 1）加数增多（由乘数位数决定）。）加数增多（由乘数位数决定）。2 2）加数的位数增多（与被乘数、乘）加数的位数增多（与被乘数、乘 数位数有关）。数位数有
50、关）。改进：将一次相加改为分步累加。改进：将一次相加改为分步累加。（2 2）分步乘法）分步乘法每次将一位乘数所对应的部分积与每次将一位乘数所对应的部分积与原部分积的累加和相加，并移位。原部分积的累加和相加，并移位。设置寄存器：设置寄存器：A A：存放存放部分积累加和部分积累加和、乘积高位乘积高位 B B：存放存放被乘数被乘数 C C：存放存放乘数乘数、乘积低位乘积低位 设置初值：设置初值：A=00.0000A=00.0000 B=X=00.1101 B=X=00.1101 C=Y=.1011 C=Y=.1011 步数步数 条件条件 操作操作 A C A C 00.0000 00.0000 .1
