2019计算机组成与结构课件

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1、计算机组成与结构,燕山大学计算机系,参考书,计算机组成与结构 王爱英 清华大学出版社 计算机组成原理 白中英 科学出版社 计算机组成与系统结构 李亚民 清华大学出版社 计算机组织与结构性能设计（第四版） William Stallings 清华大学出版社 计算机系统体系结构 第三版 Morris Mano 清华大学出版社,第一章 计算机系统概论,第一节 计算机语言 计算机语言与计算机执行程序之间的关系 汇编语言指令的格式 汇编语言程序例子,第一章 计算机系统概论,第二节 计算机硬件 计算机硬件的构成,第一章 计算机系统概论,1. 计算机由五大部件组成,3. 指令和数据用二进制表示,4. 指令由

2、操作码和地址码组成,6. 以运算器为中心,5. 存储程序,一、冯诺依曼计算机的特点,5. 存储程序,第一章 计算机系统概论,第二节 计算机硬件（三总线结构）,CPU,存储器,输入/输出,输入/输出,数据总线,地址总线,控制总线,第一章 计算机系统概论,PC机结构框图,CPU,CPU clock(2x-5x system clock),CPU to PCI bridge,PCI to ISA bridge,AGP,Memory controller,L2 Cache,IDE,serial,parallel,Key board,audio,FDC,Super I/O,Memory,System b

3、us,PCI bus,ISA bus,PCI slot,AGP slot,第二章 计算机的逻辑部件,加法器的构成: Fn=XnYnCn-1+ XnYnCn-1+ XnYnCn-1+ XnYnCn-1 Cn= XnYnCn-1+ XnYnCn-1+ XnYnCn-1+ XnYnCn-1 化简以后得：Fn=Xn与Yn与Cn-1 Cn=XnYn+(Xn+Yn)Cn-1,第二章 计算机的逻辑部件,超前进位的原理 C1=X1Y1+(X1+Y1)C0 C2=X2Y2+(X2+Y2)C1 C3=X3Y3+(X3+Y3)C2 C4=X4Y4+(X4+Y4)C3 令：Pi=Xi+Yi Gi=XiYi 将P20公

4、式2.16-2.19化简得2.22-2.25式，转换成与非式得2.26-2.29式。P21图2.8,第二章 计算机的逻辑部件,SN74181的工作原理（P22 图2.9） M=1: 执行逻辑运算 M=0：执行算术运算 门22，门24，门26，门28为G0，P0；G1，P1；G2，P2；G3，P3的求和门，既门22=G0异或P0异或C0。 门13，门14，门15，门16，门19为C0，C1，C2，C3，C4。,第二章 计算机的逻辑部件,16位超前进位加法器工作原理（P24 图2.12）,G P,Cn,G P,G P,G P,Cn,Cn,Cn,G0 P0 Gn+x G1 P1 Gn+y G2 P2

5、 Gn+z G3 P3 Cn,Cn,74182,74181*4,第三章 运算方法和运算器,第一节 数据的表示方法和转换 数值型数据的表示和转换（数制） 1.二进制与十进制之间得转换 2.二进制与八进制、十六进制之间得转换 3.二进制小数与十进制小数之间得转换,第三章 运算方法和运算器,第一节 数据的表示方法和转换 数值型数据的编码和计算（有权码BCD码、无权码余3码、格雷码） BCD码：二进制表示的十进制数。运算调整规则：运算结果大于9或有进位时+6调整（加法）。运算结果大于9或有借位时6调整（减法）。 余3码、格雷码（P63 表3.3） 数字串在计算机中的表示。（用ASCII码表示数字、符号

6、）,第三章 运算方法和运算器,第二节 带符号数在计算机中的表示方法及加减运算 原码、反码、补码的表示及计算。（P66图3.1解释） 溢出的判断及解决方法。（1.符号原则：正+正=正 ，负+负=负 2.双符号位原则，运算结果只能为00或11。 3.溢出=最高符号位与最高数值位的异或。） 计算机实现加减运算要解决的问题：溢出、多个寄存器、结果的移位、运算结果影响标志位。 定点数和浮点数的概念。（单精度浮点数、双精度浮点数、临时浮点数。浮点数的隐藏位，浮点数的规格化）,第三章 运算方法和运算器,第三节 二进制乘法运算 定点原码一位乘（手工实现乘法与计算机实现乘法的区别？符号问题、乘数的存放及乘数最低

7、位的判断、部分积的右移实现数位对齐、每次只能两个数据相加。P73 图3.5的解释） 原码一位乘：设X=0.1101, Y=0.1011，求X*Y=？,第三章 运算方法和运算器,部分积 乘数 说明 00 0000 1011 初始 乘数最低位为1，加被乘数 + 00 1101 00 1101 部分积和乘数共同右移一位 00 0110 1 101 1 移出部分丢失，此时乘数最低位为1，+被乘数 + 00 1101 01 0011 部分积和乘数共同右移一位 00 1001 11 10 1 移出部分丢失，此时乘数最低位为0，+0 + 00 0000 00 1001 11 10 部分积和乘数共同右移一位

8、00 0100 111 1 移出部分丢失，此时乘数最低位为1，+被乘数 00 1101 01 0001 111 1 部分积和乘数共同右移一位,3.3.1 定点数一位乘法1. 定点原码一位乘,规则:在机器中采用A,B,C寄存器来分别存放部分积，被乘数和乘数 （1）在机器内一次加法操作只能求出两数之和，因此每求得一个相加数时，就得与上次部分积相加。 （2）人工计算时，相加数逐次向左偏移一位，由于最后的乘积位数是乘数（或被乘数）的两倍.由于在求本次部分积时，前一次部分积的最低位，不再参与运算，因此可将其右移一位。相加数可直送而不必偏移，于是用N位加法器就可实现两个N位数相乘。 （3）部分积右移时乘数

9、寄存器同时右移一位，这样可以用乘数寄存器的最低位来控制相加数（取被乘数或零），同时乘数寄存器的最高位可接收部分积右移出来的一位，因此，完成乘法运算后，A寄存器中保存乘积的高位部分，乘数寄存器C中保存乘积的低位部分。,例:设X=0.1101,Y=0.1011,求XY. 其中寄存器B=X ,Cd=4.流程图3.6 计算过程如下:,1(丢失) 1(丢失) 0(丢失) 1(丢失),XY=0.10001111,注意： 两操作数的绝对值相乘， 符号位单独处理。 寄存器A.B均设置双符号位，第1符号位始终是部分积符号，决定在右移时第1符号位补0 操作步数由乘数的尾数位数决定，用计数器Cd来计数。即作n次累加

10、和移位。 最后是加符号位，根据SxSy决定。,2.定点补码一位乘法,实现补码乘法有两种方法，现在广泛使用的是Booth算法，也称为比较法。这种方法在机器实现中要在乘数末位Yi之后再增加一个附加位Yi+1,并令其初始值为0。然后根据比较Yi、 Yi+1的值决定下一步操作，规则如下：(部分积初始为0) Yi Yi+1 操 作 0 0 原部分积右移一位 0 1 原部分积加X补后再右移一位 1 0 原部分积加-X补后再右移一位 1 1 原部分积右移一位,第三章 运算方法和运算器,定点补码一位乘（Booth 方法） X*Y补=X补*-Y0+Y12-1+Y22-2+Yn2-n =X补*-Y0+（Y1-Y1

11、2-1)+（Y22-1-Y22-2） +（Yn2-n+1-Yn2-n) =X补（Y1-Y0）+（Y2-Y1）2-1+ （Yn-Yn-1）2-（n-1)+(0-Yn)2-n,第三章 运算方法和运算器,定点补码一位乘（Booth 方法）（续） P0补=0 P1补=P0补+（Yn+1-Yn)X补2-1 P2补=P1补+（Yn-Yn-1)X补2-1 P3补=P2补+（Yn-1-Yn-2)X补2-1 Pn补=Pn-1补+（Y2-Y1)X补2-1 Pn+1补=Pn补+（Y1-Y0)X补2-1=X*Y补,第三章 运算方法和运算器,定点补码两位乘 Pi+1补=Pi补+（Yn- i+1-Yn-i)X补2-1 P

12、i+2补=Pi+1补+（Yn- i-Yn-i-1)X补2-1 将1式代入2式得： Pi+2补=Pi补+（Yn- i+1+Yn-I-2 Yn-i-1)X补2-2 根据三位的组合得表3.5，进行补码两位乘。,初始值与符号位：A寄存器存放部分累加和，初始为0，采用双符号位。第1符号位指示累加和的正负，以控制右移时补0或补1。B中存放被乘数的补码，双符号位。 基本操作：用C寄存器最末两位作判断位，决定下一步的操作。 移位:在右移时，第2符号位值移入位数的最高位，第1符号位值不变且移入第2符号位，而A寄存器末位移入C寄存器。 步数与最后一步操作:乘数有效位是4位，共作5步。注意，最后一步不移位因为这一步

13、是用来处理符号位的。,3.4.1 定点除法运算,1.定点原码一位除法 有恢复余数法和不恢复余数法（加减交替法），计算机中常用后者。因为它的操作步骤少，而且也不复杂。其处理思想是：先减后判，如减后发现不够减，则在下一步改作加除数操作。这样操作步骤固定易于编程。其要点如下： (1)要求被除数|X|除数|Y|,并取原码尾数的绝对值相除；符号位单独处理，商的符号为相除两数符号的半加和。 （2）被除数的位数可以是除数的两倍，其低位的数值部分开始时放在商寄存器中。运算中，放被除数和商的A、C寄存器同时移位，并将商寄存器C中最高位移到被除数寄存器A的最低位中。 （3）每步操作后，可根据余数Ri符号来判断是否

14、够减：Ri位正表明够减，上商Q为1。Ri为负表明不够减，上商Q为0。 （4）基本操作可用通式描述为：Ri=2Ri+(1-2Qi)Y (5原码除的思想是先当成正数相除，若最后一步所得余数为负，则应恢复余数，但不移位，以保持Ri为正。 举例如下：,A寄存器中开始时存放被除数的绝对值，以后将存放各次余数，取双符号位。B寄存器存放除数的绝对值，取双符号位。C寄存器同来存放商，取单符号位。 第一步操作：将被除数X视为初始余数R0,根据R0符号位正（绝对值），令商符为0，正是的商符以后再置入。第一步为-Y。 商值则根据余数R0的符号来决定，正则商上1，求下一位商的办法是余数左移一位再减去除数；当余数为负则

15、商上0，求下一位商的办法是余数左移一位再加上除数。左移位时末位补0。 操作步数与最后一步操作：如果要求得n位商（不含符号位），则需作n步“左移-加减”循环；若第n步余数为负，则需增加一步恢复余数，这增加的一步不移位。,2.定点补码一位除法（加减交替法）,补码除法规则表：X补、Y补、r补分别为被除数、除数和余数,以上是在|X|Y|即不溢出的前提下； （1）第一步如果被除数与除数同号，用被除数减去除数；若两数异号，用被除数加上除数。如果所得余数与除数同号上商1，若余数与除数异号，上商0，该商即为结果的符号位。 （2）求商的数值部分 如果上次上商1，将余数左移一位后减去除数；如果上次上商0，将余数左移一位后加上除数。然后判断本次操作后的余数，如果余数与除数同号上商1；若余数与除数异号上商0。如此重复执行 n-l次（设数值部分有n位）。 （3）商的最后一位一般采用恒置1的办法，井省略了最低位+1的操作，此时最大误差为士2-n.如果对商的精度要求较高则可按规则（2）再进行一次操作以求得商的第n位。当除不尽时若商为负，要在商的最低一位加 1，使商从反码值转变成补码值;若商为正最低位不需要加1。,例3.40:设X补=1.0111,Y补=0.1101,求X/Y补. -Y补=11.0011,计算过程如下:,X/Y补=1.0101,例3.40最低位恒置1，余数不正确。