详细课件：数字电子技术与计算机组成原理.ppt

计算机组成原理 全校公选课 教学大纲 1 该课程的目的和任务 本课程以计算机组成原理为主要内容 重点是机器硬件的组成 CPU的核心是ALU逻辑运算部件 围绕逻辑代数和算术代数等展开 使得学生对于计算机体系结构和工作原理有一个基本而完整的认识 2 课程的基本要求 数字逻辑电路 的教学内容包括 第1章 逻辑代数基础 计算机组成原理 的主要教学内容包括 第1章 计算机概述 绪论 第3章 机器数的表示 第4章 机器数的运算方法 第5章 编码和校验码3 学时安排 理论24课时 还有拆装计算机试验4 教材选用情况 余孟尝编写的 数字电子技术基础简明教程 第三版 高等教育出版社 ISBN7 04 018921 6 李文兵编写的 计算机组成原理 第三版 清华大学出版社ISBN7 302 13546 0 计算机组成原理教学日历 一 计算机组成原理 第1章 3课时 计算机组成原理 第1章 1 1 计算机硬件与软件1 2 数字计算机组成1 3 微型计算机1 4 计算机的主要技术指标1 5 计算机发展史作业1 一 计算机组成原理 第1章 3课时 1 1 计算机硬件与软件1 1 1 计算机软硬件 1 硬件 计算机是包括中央处理器CPU 存储装置和外部输入输出设备组成 2 软件 指计算机程序及有关文档 也包括版本化了的有关计算机使用方法或手册的信息 软件包括系统软件和应用软件两大类 1 系统软件 包括操作系统 编辑程序 诊断程序 调试程序 语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序 数据库管理系统及链接程序 2 应用软件 包括厂家出售的通用软件和自己编写的应用程序 一 计算机组成原理 第1章 3课时 1 1 2 计算机程序和语言 1 计算机程序 是为解决问题计算机所要执行的指令或语句的集合 2 指令 是指挥计算机硬件完成特定操作的命令 又称为机器码或机器语言 全部是二进制 指令系统 是指一台计算机所能执行的全部指令 一 计算机组成原理 第1章 3课时 3 汇编语言 由于计算机语言是二进制的 直接用来编写或阅读程序十分困难 为了提高编程和读程的效率 产生了用与机器语言相对应的符号 称为助记符 来编写的程序 称为符号语言 后来规范化后成为汇编语言 4 汇编程序 由于计算机只认识二进制不认识汇编语言 所以必须通过叫汇编程序的软件把它转换为机器语言 其过程见黑板 一 计算机组成原理 第1章 3课时 5 高级语言 由于不同型号的机器所使用的语言都是厂家特定的 如Intel8086和Zilog 80两种机器的指令系统就完全不同 因此对于编程人员来说 在使用不同的机器时就要使用不同的汇编语言 显然属于重复劳动 于是出现了不针对具体机种高级语言 如 Basic Fortran Algol Pascal Cobol及C语言和C 语言等 其典型的执行过程为黑板所示 一 计算机组成原理 第1章 3课时 1 1 3 操作系统人们习惯上把计算机资源分为四大类 即CPU 存储器 外部设备和信息 程序和数据 所谓操作系统就是管理这四类资源的一组程序 以便使计算机资源更有效地发挥作用 1 1 4 计算机系统的层次结构从内到外分为6个层次 1 硬件 2 指令系统 3 操作系统 4 系统软件 汇编程序 编译程序 编辑程序 数据库管理系统 5 应用程序 6 用户见黑板1 1 层次结构图 一 计算机组成原理 第1章 3课时 1 2 数字计算机组成1 2 1 模拟计算机和数字计算机计算机包括模拟计算机和数字计算机两种 它们在输入形式 输出形式 运算形式 能否编程及对象方面都有很大区别 由于模拟计算机在其精度和通用性上都远远不如数字计算机 所以只作为特殊用途的计算机有很大差别 1 2 2 数字计算机的组成 根据冯 诺依曼的机器模型 数字计算机包括5个部分 A 存储器 B 运算器 C 控制器 D 输入设备 E 输出设备 其组成原理图见黑板1 2 冯 诺依曼的机器模型 一 计算机组成原理 第1章 3课时 1 2 3 数字计算机的特点 1 采用二进制表示数据和指令 2 整个系统由五个部分组成 存储器 运算器 控制器 输入设备和输出设备 以运算器为中心 由控制器集中控制整个系统 3 存储器按线性编址 按地址访问其单元 单元的位数固定 存储器用于存放数据和指令 4 指令在存储器中按其执行顺序执行 指令包括操作码和地址码 由程序计数器 PC 指明要执行的下一条指令的地址 一 计算机组成原理 第1章 3课时 1 2 4 中央处理器的分类由于半导体集成电路的飞速发展 已将控制器和与运算器一起集中在一个芯片上 所以叫做中央处理器 中央处理器可以划分 1 根据数的表示方法 定点机和浮点机 2 根据控制的技术 组合逻辑控制技术和微程序控制技术 3 CISC 复杂指令系统技术 和RISC 减少指令技术 一 计算机组成原理 第1章 3课时 1 3 微型计算机1 3 1 发展历史 微处理器时代 微机和微型计算机系统1 3 2 分类标准 1 按字节 8 16 32 64位 2 按集成片数 单片机 多片机 3 按印刷电路板数 单板机和多板机 4 按微处理器 8086 286 386 486 Pentium PII PIII P4 586系列 5 按功能分 PC机器和工作站 一 计算机组成原理 第1章 3课时 1 3 3 按照时间分1 单片机时代 1971 1974 IC的集成水平为小于1万PMOS或NMOS 片 时间代表性产品主要应用技术特点第一代1971Intel4004单片机计算4位 并行第二代1972Intel8008单片机计算8位 并行1974Intel8080单片机计算8位 并行2 单板机时代 1975 1977 IC的集成水平为小于1万个PMOS或NMOS 片时间代表性产品主要应用技术特点1975Zilog80单板机计算8位 并行1976Intel8085单板机计算8位 并行1976Motorola68000单板机计算8位 并行 一 计算机组成原理 第1章 3课时 单板机的引进我国从1978年改革开放后到1986年左右 几乎绝大多数高校的电子系或计算机系都引进了由Z80CPU组成的单板机TP801系统和Z80汇编语言 该系统的显示技术是六个8字型数码显示管 键盘是64键 安装在一个电路试验箱上 有若干输入键 但是没有后来那样标准的键盘 主要是汇编语言的使用 一 计算机组成原理 第1章 3课时 3 微型计算机 PC 系统时代 1978 至今 1978年Intel公司率先在超大规模集成电路VLSI取得突破 使得Intel8086微处理的集成水平达到每片1万个以上的CMOS 第一代微机系统 1978 1982 国内1980 1986 实现了如下技术指标为 CPU主频fc数据总线DB地址总线内存寻址范围管脚80865MHZ16位20位1MB40 一 计算机组成原理 第1章 3课时 其主要技术特点是 1 CPU内部采用流水线结构 设置6字节的指令预取队列 2 CPU内部的通用寄存器组为8个16位寄存器 既能作为累加器又能做寄存器 3 指令分为6类 数据传送指令 算术指令 逻辑指令 字串处理指令 控制转移指令 处理机控制指令 共有113条 4 适用于单任务 单用户的系统 同时采用多CPU工作方式 如Intel8087具有浮点运算能力 协助Intel8086处理运算问题 一 计算机组成原理 第1章 3课时 5 微型计算机 PC 系统的产生 1981年IBM公司推出全球的首台个人计算机系统 其特点是 CPU上采用Intel8086 键盘上采用西德1980年的DIN键盘标准 打印机采用EPSON的点阵标准 串行通信采用美国的RS 232C标准 软件上采用了Microsoft公司的PCDOS操作系 输入输出设备总线上采用了具有5个扩展槽的工业标准总线ISA总线 一 计算机组成原理 第1章 3课时 后来为了扩充硬件设备 又推出8个扩展槽的PC XT机系统 实现了人类微机的系统化 个人化和兼容性 奠定了PC机的发展方向 其他公司纷纷采用该标准 计算机系统的引进 我国的许多高等院校陆续引进了美国苹果公司生产的AppleII 并广泛用于教学中 一直到Intel80286的出现 一 计算机组成原理 第1章 3课时 第一代IBMPC机系统存在着如下技术不足 1 显示器主要为字符型 分辨率不够 颜色只有黑白两种 2 无硬盘设备 因此需要5 25英寸的启动盘才能将DOS装入 内存640KB 3 PCDOS采用英文命令 无中文操作系统 4 无Windows系统和鼠标 5 指令有100多个因此 PC机在国内没有普及 主要在教育和科研部门中应用 应用BASIC语言上机 一 计算机组成原理 第1章 3课时 第二代AT微机系统 1982 1985 国内1984 1989 CPU主频fc数据总线DB地址总线内存寻址范围管脚8028616MHZ16位24位16MB68由Intel80286机系统具有如下改进 1 主频增加 运算速度更快 2 地址总线增加24位 内存寻址范围更大 一般在1MB以内 3 配备10MB 20MB的硬盘 微机启动时不再需要从A盘安装操作系统 4 指令有一些新的增加 5 显示器可以配备CGA彩色显示方式 一 计算机组成原理 第1章 3课时 286微机系统的主要缺点是 1 运算速度不够快 2 无中文操作系统 3 无中文应用软件 4 无Windows系统和鼠标 因此 286以前的PC机在国内没有普及 主要在教育科研部门中应用 与此同时国内在汉字应用软件上有了相当的进步 如中国科学院希望电脑公司研究的UCDOS 电子工业部研究的CCDOS 王永民先生研究的五笔字型输入法 裘泊君先生正在研究的金山WPS汉字处理软件得到很大发展 一 计算机组成原理 第1章 3课时 第三代微机系统 1985 1989 国内1990 1994 CPU主频fc数据总线DB地址总线内存寻址 虚拟存储集成 管脚8038633MHZ准32位32位4GB 64TB30万 132Intel80386机系统显然具有了质的改进 1 数据总线增加到32位 运算的速度更快 2 地址总线增加到32位 直接内存寻址范围可达到4GB 一般是4MB左右 3 采用逻辑的虚拟存储技术 达到64TB 硬盘一般只有300MB左右 4 显示器可以配备VGA 分辨率大大提高 1024 768显示 5 软盘采用了3 5英寸的驱动器 而容量达到1 44MB 硬盘可以达到200 500MB 6 中文WPS诞生 FOXPRO出现 一 计算机组成原理 第1章 3课时 广泛应用 第三代微机系统从1990 1994年 在国内迅速发展 主要原因是在Intel80386和MSDOS3 1操作系统的支持下 如中国科学院希望电脑公司研究的UCDOS 电子工业部研究的CCDOS 王永民先生研究的五笔字型输入法 裘泊君先生的金山WPS汉字处理软件等 为国内的办公汉字自动化和简单数据库的处理提供了广阔的应用前景 特别是汉字的五笔和拼音的输入方法使许多人可以自如地进行汉字信息处理和交换 特别是 国内迅速发展的无线寻呼系统大大促进了汉字处理技术的推广 许多机关 工厂和学校的办公自动化就是从中文处理开始的 同时带动了打印机和复印机办公设备等巨大的国内市场需求 一 计算机组成原理 第1章 3课时 第三代微机系统存在如下不足 1 准32位的限制 为了兼容286的指令 有时工作在16位状态 2 DOS的固有缺点使PC机只能工作在640KB 1 088MB的运行模式下需要用config sys软件进行重新配制 内存槽最大允许为4MB 8MB左右 3 勉强安装windows3 1视窗操作系统 在只有4MB的Intel80386机器中运行很容易出现 死机 现象 因此必须发展新的64位硬件技术和突破DOS瓶竟颈限制的操作系统 Windows 以满足其发展的需要 一 计算机组成原理 第1章 3课时 第四代微机系统 1989 1993 国内1993 1995 CPU主频fc数据总线DB地址总线内存寻址 虚拟存储集成 管脚48666MHZ32位36位64GB 64TB120万 168Intel80486机系统具有如下技术改进 1 增加高速缓存8KB 提高了数据处理速度 2 采用减少指令系统计算机RISC技术 3 集成水平使单个IC电路达到100万以上 4 配备鼠标输入设备 直接运行英文Windows3 1操作系统或中文Windows3 2操作系统或Windows95操作系统 网络软件也开始从操作系统中独立出来 在国内迅速发展 随着Windows操作系统的不断出现 特别是多媒体技术 网络技术和个人数据库等大型应用软件的需要 Intel80586随之诞生 一 计算机组成原理 第1章 3课时 第五代微机系统 1993 至今 时间CPU主频fc数据总线DB地址总线内存寻址 虚拟存储集成1993PI75 100MHZ32位36位64GB 1024TB0 6微米1995PII155 366MHZ32位36位64GB 1024TB0 35微米1996PIII450 600MHZ32位36位64GB 1024TB0 25微米1998PIII600M 933MHZ32位36位64GB 1024TB0 18微米2000PIV1 4GHZ32位36位64GB 1024TB4200万CMOS2007P R 3 07GHZ32位36位64GB 1024TB4200万CMOS从软件来看微软公司1995年推出WIN95 中文板 开始占领国内市场 1998年推出较成熟网络功能和多媒体功能的WIN98 中文板 2000后又推出WIN2000 Windowsme WINXP及vistar等 目前WINXP广泛使用 操作系统在完善中 一 计算机组成原理 第1章 3课时 在操作系统逐渐完善的条件下 许多优秀的系统软件和应用软件 如Office2003 含有中文字处理软件WORD 表格软件EXCEL 幻灯显示软件POWERPOINT 以及数据库软件ACCESS2003 结合在一起 以优良的技术 友好的界面和便于使用的功能使硬件得到充分的资源使用 另外 就是网络技术和多媒体技术使得PC机成为人们生活中必不可少的信息设备 一 计算机组成原理 第1章 3课时 一 计算机组成原理 第1章 3课时 一 计算机组成原理 第1章 3课时 1 5 计算机发展史1 5 1 大型计算机的发展史时间代表性产品主要应用技术特点 材料第一代1946 1954IBM701科学计算 电子管第二代1955 1964IBM7030过程控制 晶体管第三代1965 1974IBM360数据处理和自动化 IC集成第四代1975 1990IBM 3090网络等技术 LSI集成第五代1991 至今CRAYRESEARCH的MPPVHLSI集成1 5 2 大型计算机的IC集成电路发展特点及说明 1 摩尔规律 IC集成电路的发展使CPU的处理速度每18个月增加一倍 2 硬件特点 每一种新的IC集成电路的研究成果和在计算机领域的应用都将极大地提高信息设备的效费比 即性能越来越好 价格越来越便宜 一 计算机组成原理 第1章 3课时 1 5 3 软件特点 为了保护知识产权 美国各大公司敦促美国政府要求发展中国家严禁盗版其软件产品 这也是中国加入WTO的条件之一 因为软件产品具有知识含量大 技术高 价格高和易解密的特点 因此属于高附加值产品 价格一般维持在一个较高的水平 附介绍 在美国专用的大型机器与系统软件一般是配套统一出售的 用户不允许违反知识产权法 而PC机和系统软件一般是分别销售的 微机的厂家有IBM DELL等公司 中国著名的有联想公司 还有许多兼容机公司 将国际市场上的CPU等零买组装后 以较低成本在市场上销售 如南京的福中公司等 许多电子元件是台湾 菲律宾等生产的 微软发展战略 Microsoft公司作为全球霸主 其雇佣的高级程序员规模达到成千上万的水平 它的发展战略是发展不同语言的操作系统Windows和Office 占领不同语言的全球市场 一 计算机组成原理 第1章 3课时 知识产权和盗版问题 操作系统的知识产权由中国 连邦 等软件公司代销 联想曾经正式购买 由于价格较贵 1600元 采用捆绑式销售 没有得到中国的广大用户的的理解 国内许多用户以 一版多用 甚至 盗版 的方式来安装 刻录一张光盘只有几块钱 而一张正搬软件甚至千元以上 所以出现过 黑屏事件 拆解微软公司事件由于Microsoft公司涉嫌将浏览器InternetExplore与操作系统捆绑销售 违反美国的 反垄断法 克林顿政府曾经考虑将Microsoft公司拆分成三家公司 但布什新政府没有同意 因为重要的原因是美国经济开始低迷 而微软是利税大户 并且InternetExplore被广大用户所统一接受 一 计算机组成原理 第1章 3课时 技术漏洞与补丁修复问题比尔 盖茨的退休与基金会全球经济不景气与微软的裁人问题 一 计算机组成原理 第1章 3课时 1 5 4大型机的特点 1 逻辑元件 主存储器采用了VHLSI超高速大规模集成电路 2 采用多CPU的 并行MPP技术 3 超大容量的硬盘存储器技术和光存储器技术支持软件规模 4 软件规模越来越大 注明 中型机技术就是将大型机标准的适当降低 如SUN工作站 一 计算机组成原理 第1章 3课时 作业1 一 填空 1 计算机硬件主要包括 2 计算机软件主要包括 其中操作系统是对 资源管理的程序 3 解释系统的特点是 编译系统的特点是 4 Pentium的内部含有 个 位的ALU和 个FPU 因此其外部数据总线为 位 目前其主频可达到 GHZ Cache为 KB 内存为 MB 配备有 和 三种外部存储设备 一 计算机组成原理 第1章 3课时 二 名词解释 1 机器码与指令系统2 机器语言与汇编语言三 画出计算机组成原理结构图并简答计算机的特点 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 作业1答案 一 填空 1 计算机硬件主要包括 CPU 存储器 输入输出设备 总线 2 计算机软件主要包括 系统软件 应用软件 其中操作系统是对 CPU 存储器 输入输出设备 数据和程序 管理的一组程序 3 解释系统的特点是 按高级语言动态程序逐句翻译执行 编译系统的特点是 将整个高级语言程序翻译后一起执行 4 Pentium的内部含有 2 个 32 位的ALU和 1 个FPU 因此其外部数据总线为 64 位 目前其主频可达到 3 GHZ Cache为 512 KB 内存为 1 GB 配备有 光驱 硬盘 和 USB移动硬盘 三种外部存储设备 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 作业2答案 二 名词解释答案 略 1 机器码与指令系统2 机器语言与汇编语言三 画出计算机组成原理结构图并简答计算机的特点答案 略 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 一 概述 二 二进制表示法及进制转换 三 逻辑代数部分1 1 逻辑代数的基本概念 公式 定理1 1 1基本和常用逻辑运算一 三种基本逻辑运算 二 八种基本逻辑电路1 1 2公式和定理一 常量之间的关系 二 变量和常量之间的关系三 与普通代数相似的定理 四 特殊定理六 若干常用公式1 2逻辑函数的化简方法一 标准与或表达式二 其他最简表达式 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 一 概述 1 二进制优点及进制转换 1 从算术代数上看 用二进制的0和1来表达数值是最简单的 以加法为例 1 1 10 1 0 1 0 0 0 只有3种 而十进制 0 9 是人们最常用的 但是其加法有55种 结论A 对于n进制来说 其加法种类K为 K n n 1 2 B 由于历史的原因 人类的计算采用10进制 因此必须相互转换 这就是整数和小数的十 二进制的互相转换 由于上学期我们在 计算机文化 中进行了讨论 所以基本上不再重复 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 2 计算机内符号的表示是复杂的计算机内并不是用简单的BCD二进制码 0000 1001来表示0 9 而是用标准的国际信息交换代码 即ASCII码 7位 若加上奇偶校验码为8位 这一点我们在后面还要讨论 见后ASCII码表 实际上 0 01100001 01100012 01100103 01100114 01101005 01101016 01101107 01101118 01110009 0111001除了0 9十位数字符号外 还有字母及其他需要表示的符号 甚至包括计算机信息处理和传输等等 但是计算是用补码来进行的 这一点我们在后面的 计算机组成原理 中将进一步讨论 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 3 计算机内存在两种运算CPU实际上包括ALU部件和控制部件 这个ALU就是英文的ArithmeticLogicalUnit 即算术逻辑部件 实际上计算机内存在两种运算 即二进制的算术运算和开关门的逻辑运算 1 从算术运算上来看 二进制数字在计算机中的运算和存储是按照定点码或浮点数补码来实现的 前者称为定点码计算机 后者称为浮点数计算机 目前计算机已主要使用浮点数码 因为计算能力更强一些 从浮点补码运算中是连符号一起进行计算的 用 0 表示 用 1 号表示 因此比较复杂 但是符号的位置必须要指定 否则会和其他数值混淆 其原理将在后面进一步介绍 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 2 从逻辑代数上看 逻辑值 0 和 1 与算术二进制有着本质的不同 逻辑二进制的最基本的 与 或 非 关系对应于数字门电路的串联 并联和短路电路 其最基本的运算关系包括 0 0 0 0 1 1 1 1 0 不是10 3 从工程电路上看 晶体二 三极管和CMOS TTL集成电路是实现上述电路的物质基础 关于这一点在第二章中将专门介绍 由数字逻辑电路构成的组合逻辑电路 触发器和时序逻辑电路是计算机组成的基础 如CPU的核心就是ALU部件 后面再专门介绍 我们这里不做更高要求 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 二 二进制算术表示法及进制转换 1 十进制数包括0 9十种数字 二进制数只有0 1两种数字 2 十进制数向二进制数转换的主要方法是 1 整数采用除的方法 自下而上求出k7 k6 k5 k4 k3 k2 k1 k0 2 小数采用乘的方法 自上而下求出k 1 k 2 k 3 k 4例如 将173 8125换算成二进制数 见黑板 3 反过来 二进制数向十进制数转换是按照D ki 2i 举例 1011 01 2 见黑板 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 1 1 逻辑代数的基本概念 公式 定理1 1 1基本和常用逻辑运算一 三种基本逻辑运算 1 串联的 与 门电路 1 电路图 见黑板 2 功能表和真值表 见黑板 3 逻辑电路符号与关系式 Y AB2 并联的 或 门电路 1 电路图 见黑板 2 功能表和真值表 见黑板 3 逻辑电路符号与关系式 Y A B 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 3 短路的 非 门电路 1 电路图 见黑板 2 功能表和真值表 见黑板 3 逻辑电路符号和关系式 Y A二 其他五种常用基本逻辑电路及逻辑关系 见P9 4 与非 门 1 电路图 见黑板 2 功能表和真值表 见黑板 3 逻辑电路符号和关系式 Y AB 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 5 或非 门 1 电路图 见黑板 2 功能表和真值表 见黑板 3 逻辑电路符号和关系式 Y A B6 与或非 门 1 电路图 见黑板 2 功能表和真值表 见黑板 3 逻辑电路符号和关系式 Y AB CD7 异或 门 1 电路图 见黑板 2 功能表和真值表 见黑板 3 逻辑电路符号和关系式 Y AB AB8 同或 门 1 电路图 见黑板 2 功能表和真值表 见黑板 3 逻辑电路符号和关系式 Y AB AB 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 1 1 2公式和定理一 常量之间的八种关系 1 与 门电路 见黑板 0 公式1 0 公式2 公式3 或 门电路 见黑板 0 公式3 0 公式2 公式1 非 门电路 见黑板 0 1 公式4 0 公式4 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 二 变量和常量之间的6种关系公式5 A 1 A 0 1 0 1 1 1 公式5 A A 0 1 0 公式6 A 0 0 0 0 0 1 0 0 公式6 A 1 1 0 1 1 1 1 公式7 A A 0 0 0 0 1 0 公式7 A A 1 0 0 1 1 1 1 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 三 与普通代数相似的定理交换律 公式8 A B B A 公式8 A B B A 结合律 公式9 A B C A B C 公式9 A B C A B C 分配律 公式10 A B C A B A C公式10 A BC A B A C 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 三 逻辑代数的一些特殊定理同一律 公式11 A A A 公式11 A A A 德 摩根定律 公式12 A B A B公式12 A B AB还原律 公式13 A A 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 若干常用公式 公式14 A B A B A公式15 A A B A公式16 A A B A B公式17 A B A C B C AB A C公式18 A B A B AB A B 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 说明 1 八种基本逻辑电路 主要电路的逻辑关系2 逻辑函数的基本定律和公式 逻辑代数的运算规律和算术代数不完全相同 此外逻辑代数的还有自己的一些特殊规律 如 非门 和 摩根定律 等 而算术代数的运算规律却没有 其常用化简公式 特别要注意与算术运算不同的公式或推论 如公式公式10 公式11 11 公式12 12 公式13推论16 推论17 以上公式完全可用真值表代入法来证明 二 数字电子技术基础 第1章 3课时 作业21 将109 625化成二进制 八进制和十六进制数2 用真值表验证公式17 A B A C B C AB A C3 P68 习题1 4 三 数字电子技术基础 第1章 3课时 作业2讲评 1 2 逻辑函数的化简方法1 2 1逻辑函数的标准与或式和最简式1 2 2逻辑函数的公式法化简一 并项法 二 吸收法 三 消去法 四 配项消去法 1 2 3逻辑函数的图形法化简一 逻辑变量的卡诺图 1 二变量卡诺图 2 三变量卡诺图 3 四变量卡诺图 4 五变量卡诺图 二 逻辑函数的卡诺图 举例见黑板 三 数字电子技术基础 第1章 3课时 1 2 逻辑函数的化简方法1 2 1逻辑函数的标准与或式和最简式举例见黑板例1 2 11 三变量函数最小项的概念 每个乘积项都有三个因子 每个变量 每个变量都以原变量或反变量的形式 作为一个因子在乘积项中出现并仅出现一次 这样的乘积项就称为最小项 在卡诺图中十分明显 见黑板 实际上有8个最小项 2 推广 一变量函数的最小项有2个 二变量的函数的最小项有4个 三变量的函数的最小项有8个 四变量的函数的最小项有16个 n个变量的函数的最小项有2n个 三 数字电子技术基础 第1章 3课时 3 最小项的性质列出F A B C 全部最小项的真值表 见黑板 显然最小项具有下列性质 每一个最小项都有一组也只有一组使其值为1的对应变量取值 任意两个不同的最小项之积 值恒为0 变量全部最小项之和 值恒为14 最小项是组成逻辑函数的基本单元任何逻辑函数都可以表示成为最小项之和的形式 标准 与或 表达式 例如1 2 2 P17 标准的与或表达式是唯一的 但是不一定是最简化的 通过合并可以简化 三 数字电子技术基础 第1章 3课时 5 最小项的编号将与最小项对应的变量取值当作二进制数 与之相应的10进制数就是该最小项的编号 这在真值表中是最清晰的 举例见黑板 P18 1 2 2逻辑函数的公式法化简一 并项法 见黑板例1 2 7 二 吸收法 见黑板例1 2 8 三 消去法 见黑板例1 2 9 四 配项消去法 见黑板例1 2 10 三 数字电子技术基础 第1章 3课时 1 2 3逻辑函数的图形法化简一 逻辑变量的卡诺图 1 二变量卡诺图 2 三变量卡诺图 3 四变量卡诺图 4 五变量卡诺图 二 变量卡诺图的特点与化简1 几何相邻 一是卡诺图的相邻性 又叫相接 即紧挨着 二是卡诺图的循环性 即任一行或一列的两头也是相邻的 三是卡诺图的对称性 又是对折性2 化简原则 一 按照几何来观察相邻的最小项数按照16个或8个或4个或2个进行组合 可以相应地约掉4个或3个或2个或1个变量 二 每个最小项都可以重复使用 按照行列来观察 三 数字电子技术基础 第1章 3课时 作业3 P66卡诺图化简 习题1 4 1 2 3 4 P69公式法图化简 习题1 9 1 2 3 四 数字电子技术基础 第1章 3课时 作业3讲评 二 约束条件下的真值表与卡诺图1 约束条件是客观存在的 典型例题P27 1 2 15三八妇女节 某单位包了一场演出 票只发给在本单位工作的女同志 试分析逻辑电路图 1 约束条件是客观存在的 四 数字电子技术基础 第1章 3课时 四 数字电子技术基础 第1章 3课时 四 数字电子技术基础 第1章 3课时 3 卡诺图 见黑板 4 约束条件下的表示方法 见黑板 例题2 化简下列函数Y AC ABCBC 0结论 1 在约束条件下 约束最小项X完全可以根据需要参与卡诺图的化简 2 既可以重复使用也可以不使用 四 数字电子技术基础 第1章 3课时 1 3 逻辑函数的五种表示方法 1 真值表2 卡诺图3 逻辑函数式4 逻辑电路图5 波形图P36 例1 3 4已知逻辑图如图所示 请列出输出信号的真值表P33 例1 3 2 四 数字电子技术基础 第1章 3课时 1 3 逻辑函数的五种表示方法 1 真值表2 卡诺图3 逻辑函数式4 逻辑电路图 见黑板 与门 Y AB 或门 Y A B 非门 Y A与非门 Y AB 或非门 Y A B 与或非 Y AB CD异或门 Y AB AB 同或门 Y AB AB5 波形图 见教材1 4 典型的加法运算器的电路举例 四 数字电子技术基础 第1章 3课时 三 数字电子技术基础 第1章 3课时 2 ALU加法运算器卡诺图3 ALU加法运算器逻辑关系式4 ALU加法运算器逻辑电路图 四 计算机组成原理 第1章 3课时 一 全加器1 全加器的概念 在两个1位二进制数Ai和Bi相加的基础上 还有1个进位数Ci 1 2 全加器分析 输入变量 Ai Bi和Ci 1 输出变量 Si和Ci 真值表和卡诺图 见黑板 逻辑表达式 Si Ai Bi Ci 1 Ci AiBi BiCi 1 AiCi 13 集成全加器 串行1位 74LS183 TTL C661 CMOS 超前进位4位 74LS283 TTL CC4008 CMOS 四 数字电子技术基础 第1章 3课时 作业三 P66 习题1 3 4 P66 习题1 4 4 P70 习题1 12 2 3 五 计算机组成原理 3章 3课时 作业4讲评5 1 机器数的特点5 2 定点数的原码 反码和补码5 3 变形码补码和浮点数的表示 五 计算机组成原理 第3章 3课时 5 1 机器数的特点一 特点是 1 机器数用二进制表示 可以用 0 1 两种稳定状态元件表示 不仅够进行逻辑运算 而且能够进行算术二进制运算 2 算术二进制进行加减乘除的四则运算是简单而可靠的 加法举例3 1 加法的三种运算 0 0 0 0 1 1 1 1 10 减法的三种运算 0 0 0 1 0 1 1 1 0 乘法的三种运算 0 0 0 0 1 1 1 1 除法的两种运算 0 1 0 1 1 1 五 计算机组成原理 第3章 3课时 3 节省存储设备例如 用十进制表示0 9这10个数码需要用10个设备 而用二进制却只需要4个设备就能表示0000 1111 即0 15的数值范围 4 便于逻辑电路的分析和设计加法器ALU逻辑电路的表达式 Si Ai Bi Ci 1 Ci AiBi BiCi 1 AiCi 1 输入变量 Ai Bi和Ci 1 输出变量 Si和Ci 586计算机是64位的 五 计算机组成原理 第3章 3课时 二 机器数所表示的范围有限因为计算机的字长有限 如16位 32位 64位或80位 那么这个长度不论是完全用来表示小数还是表示整数 其表示的范围都是有限的 其范围公式为 1 对于n位的整数来说 公式 1 x 2n 1举例3 1 n 7时 n最小值为1 n最大数为127 2 对于n位的小数来说 公式 2 n x 1 2 n举例3 2 n 7时 n最小值为1 128 最大数为127 128 五 计算机组成原理 第3章 3课时 三 符号的数值化1 以0表示 号 举例3 3 对于n 7 表示正整数 110101用 0 110101 举例3 4 对于n 7 表示正小数 0 110101用 0 110101 2 以1表示 号 举例3 5 对于n 7 表示负整数 110101用 1 110101 举例3 6 对于n 7 表示负小数 0 110101用 1 110101 3 符号的数值化特点是 在整数数值位的符号表示中用逗号 将它与整数数值部分分开 在小数数值位的符号表示中用符号 将它与小数数值部分分开 五 计算机组成原理 第3章 3课时 四 小数点的位置有一定的约定方式1 定点方式的约定 举例3 7 n 15 设定其中7位为整数 7位为小数 符号位为1位 那么 10001 1101的定点表示为什么 解 整数位实际为5位 因此前面补两个0 小数位实际有4位 因此前面应当补3个0 号为0 定点表达式 0 0010001 1101000 注意这里的逗号表示符号位和数值位分割 分号表示整数位和小数位分割 但是实际上是不存在的 定点方式的缺点 在同等n位长度的情况下 其表示数值的范围和精度都不如浮点数的能力 五 计算机组成原理 第3章 3课时 2 浮点方式的约定 在这种方式里 把二进制数表示成 X 2r x r称为X的阶数 含阶码 x 含阶码 称为X的尾数 表示X的有效数字 3 8接上例 n 15 设定其中3位为阶数 阶符1位 10位为小数 尾数符号位为1位 写出 10001 1101的浮点表示法 解 先化简 10001 1101 0 100011101 2 101 实际阶数为r 3位 阶符为1位 取0 小数位实际有9位 因此前面应当补一个0 尾符为1位 取0 于是浮点表示法为 0 101 0 0100011101 五 计算机组成原理 第3章 3课时 实际的IEEE标准中有三种浮点格式 1 32位 主要用来表示单精度格式31位 尾符 30 23 阶码 22 0 尾数 2 64位 主要用来表示双精度格式63位 尾符 62 52 阶码 51 0 尾数 3 80位 主要用来表示临时使用的浮点数79位 尾符 78 64 阶码 63 0 尾数 五 计算机组成原理 第3章 3课时 3 注意事项 1 采用定点方式的叫定点计算机 采用浮点方式的叫浮点计算机 现在计算机主要采用浮点方式 但是前面举例中的采用的是原码 还不能够进行运算 运算必须采用补码 这是因为原码在0上存在不唯一性 举例3 9 n 6 其中符号位1位 那么表示0的方法是什么 解 00000的表示方法为 0 00000 00000的表示方法为 1 00000 这种原码是不能够进入计算机数值运算的 五 计算机组成原理 第3章 3课时 2 在浮点表示中有两个问题需要考虑 在字长n一定的时候 r增加表示 数值范围增加 同时有效位数q减少 r减少 代表 数值表示范围减少 同时有效位数q则增加 因此r和q的位数根据计算范围和精度来分配当 举例3 10 请问IEEE80位格式浮点数的最大值和最小值为多少 解 尾符 79位 阶码 78 64 尾数 63 0 阶数14位为整数 尾数64位为整数时 为浮点数的最大值最大数值 2 214 1 1 2 64 阶整14数 阶数14位为小数 尾数64位为小数时 为浮点数的最小值最小数值 精度 2 2 14 2 64 五 计算机组成原理 第3章 3课时 3 另外就是浮点数存在规格化的问题 尾数规格化 要求尾数的第1个数值一定要为1 对于非规格化的尾数 做法是 尾数的小数点每向右移动1位 阶码就要减去1 这又称为尾数的 左规 举例3 11 x 0 0011101 2110解 因为尾数需要向右移动2位 才能实现规格化 因此 接数需要减2 即阶数从101 10 011这时 浮点真值表达式为 x 0 11101 2011浮点码表达式为 0 011 0 11101 五 计算机组成原理 第3章 3课时 5 2 定点数的原码 反码和补码一 原码 将二进制数的真值x连符号进行数值化 所表示出来的机器数称为原码 1 正数的原码举例3 12对于n 8的 1100101 其原码为0 11001012 负数的原码举例3 13对于n 8的 11001 其原码为1 0011001 五 计算机组成原理 第3章 3课时 3 0的原码举例3 14对于n 8的 0 0000000的原码是0 0000000 0 0000000的原码是1 0000000显然0的原码不具备唯一性 不再重复 4 正小数的原码举例3 15对于n 8的 0 11001 其原码为0 11001005 负数小数的原码举例3 16对于n 8的 0 11001 其原码为1 1100100 五 计算机组成原理 第3章 3课时 二 反码正数 整数或小数 的反码仍然是原码 而负数 整数或小数 的反码则是符号位不变 数值位取反 1 正整数的反码 与原码完全相同 举例3 17 对于n 8的 1100101 其原码为0 1100101 反码为0 1100101 2 负整数的反码 与原码在数值上取反 符号位不变举例3 18 对于n 8的 11001 其原码为1 0011001反码为1 11001103 0的反码 举例3 19 对于n 8的 0 0000000的原码是0 0000000 反码是0 0000000 0 0000000的原码是1 0000000 反码是1 1111111显然0的反码也不具备唯一性 五 计算机组成原理 第3章 3课时 4 正小数的反码举例3 20对于n 8的 0 11001 其原码为0 1100100其反码为0 11001005 负数小数的反码举例3 21对于n 8的 0 11001 其原码为1 1100100其反码为1 0011011 五 计算机组成原理 第3章 3课时 三 补码1 正整数的补码 与原码完全相同 举例3 22 对于n 8的 1100101 其原码为0 1100101 补码为0 1100101 2 负整数的补码 其反码在数值上加1 符号位不变举例3 23 对于n 8的 11001 其原码为1 0011001反码为1 1100110 补码为0 1100111 3 0的反码 举例3 24 对于n 8的 0 0000000的原码是0 0000000 反码是0 0000000 补码是0 0000000 0 0000000的原码是1 0000000 反码是1 1111111 补码是0 0000000显然0的补码具备唯一性 五 计算机组成原理 第3章 3课时 4 正小数的补码 与原码完全相同举例3 25对于n 8的 0 11001 其原码为0 1100100其反码为0 1100100其补码为0 11001005 负数小数的补码 其反码在数值上加1 符号位不变举例3 26对于n 8的 0 11001 其原码为1 1100100其反码为1 0011011其补码为1 0011100 五 计算机组成原理 第3章 3课时 五 计算机组成原理 第3章 3课时 四 变形补码和浮点数的表示一 变形补码 1 变形码是计算机补码进行加法运算时 为了防止符号位溢出而将符号码设定为2位的码 所以称为变形码 人们习惯上将2位符号码称为模4码 1位符号码称为模2码 模4码 变形码 由00表示 由11表示 也包括变形原码 变形反码和变形补码 但是 需要注意符号位取2位时 数值位为n 2位 而模2码 符号位取1位 数值位为n 1位 五 计算机组成原理 第3章 3课时 五 计算机组成原理 第3章 3课时 2 浮点变形码 1 浮点数的变形原码 变形反码和变形补码的表示举例3 27已知 n 16 阶码6位 尾码10位 的真值 110010 请求出其浮点数的变形原码 变形反码和变形补码 解 浮点数真值X 0 11001 2 110 阶码为6位 即 110的变形原码为00 0110 变形反码和变形补码也为00 0110 尾码10位 即 0 11001的变形原码为11 11001000 变形反码为11 00110111 变形补码为11 00111000 该浮点数的变形原码为 00 0110 11 11001000变形反码为 00 0110 11 00110111 变形补码为 00 0110 11 00111000 五 计算机组成原理 第3章 3课时 2 尾数规格化浮点数 对于正数来说 00 1 是规范形式 对于负数来说 11 01 是规范形式 对于00 0或者是11 1这种非规格化的补码 必须采取 左规格化 技术 左规格化方法是 尾数左移一位 阶码就减1 直到尾数为规格化形式为止 左规时尾数的末位补0即可 五 计算机组成原理 第3章 3课时 3 浮点数阶码的溢出通过浮点数的模4补码表示可以判断是否溢出 1 阶符为01或10时 整个浮点数肯定溢出 也没有办法处理 2 但是阶符为00或11 而尾符为01或10时 尾数溢出 这时候需要对尾数进行进行右规格化处理 使得该数仍然有效 其右规方法是 尾符连同尾数右移一位 阶码加1 尾符原来为01变为00 10变为11 举例见黑板3 16 五 计算机组成原理 第3章 3课时 一 P47 3 3 7 9 请将13 128 11 128化简位浮点数形式的真值 原码 反码及补码 二 作业 1 已知 浮点数补码为阶符阶码尾符尾数0001111110101请进行规格化处理 2 已知 浮点数补码为阶符阶码尾符尾数1110010110101请进行溢出的判断和规格化处理 六 计算机组成原理 第3章 3课时 作业5讲评3 4机器数表示形式的变换一 补码与真值X 原码及反码之间的关系1 对于正数X x 补 x 反 x 原 然后化成二进制数值 2 对于负数X x 反 x 补 1 就是 x 补符号位不变 数值 1 x 原 就是 x 反符号位不变 数值取反 3 X真值就是将 x 原化成二进制数值或十进制数值 六 计算机组成原理 第3章 3课时 举例 例3 18 已知 X 补 0 0011010 n 8 求真值 例3 19 已知 X 补 1 0011010 n 8 求真值 例3 20 已知 X 原 0 1000100 n 8 求 X 补 例3 21 已知 X 原 1 1000100 n 8 求 X 补 例3 22 已知 X 补 1 1011000 n 8 求 X 原 六 计算机组成原理 第3章 3课时 二 补码之和的公式 x y 补 x 补 y 补该公式的证明 略 其意义就是机器补码的加法 需先将真值X和Y转换为 x 原和 y 原 再转换为 x 补和 y 补 然后再求出 x y 补 再转换为 x y 原和 x y 例3 23 设X 0 0111000 Y 0 0011000 n 8 求X Y例3 24 设X 0 0111000 Y 0 0011000 n 8 求X Y 六 计算机组成原理 第3章 3课时