《运算器总结和复习》PPT课件.ppt

1 第一单元第七讲 运算器总结和复习 2 内容提要 运算器功能 处理数据数据表示 原码 反码 补码 检错纠错功能实现 加减乘除电路设计 加法器 运算器基本设计 运算器实例 Am2901提高运算器性能 3 数据类型 逻辑型数据真 1 假 0 字符型数据单字符ASCII UNICODE字符串字符的拼接 存储数值型数据整数 定点小数 浮点数原码表示 反码表示 补码表示 4 数据检错和纠错 原理增加冗余线路 使合法码字带有某种特征 检查码字 是否保持这种特征 如果还能指出是哪一位出错 则可纠错 方法奇偶校验码 海明校验码 循环冗余码 5 海明码数据位与校验位关系 1 数据位有k位 校验位有r位 如要求可发现并改正一位错 则 2r个不同的编码中 至少有1个编码来表示没有错误 有k r个编码来表示其中哪一为出错 即 2r k r 12 如果还需要发现两位错 则r位中 至少需要有一位来表示是1位错还是2位错 剩下的r 1位来表示1位错中哪一位出错 则 2r 1 k r 6 海明码数据位与校验位关系 若海明码的最高位为m 最低位为1 即编码完成后的整个码字为HmHm 1 H1 校验位和数据位共有m位 其中 校验位Pi在海明码中被分配的位号为2i 1号 其余的位为数据位 海明码的每一位编码Hi由多个校验位校验 其关系是被校验的每一位位号要等于校验它的各个校验位的位号之和 7 海明码数据位与校验位关系 例 数据位有8位 校验位有5位 才能发现并改正一位错 并发现两位错 共13位编码 校验位为其中第1 2 4 8和13位 其余为数据位 P5D8D7D6D5P4D4D3D2P3D1P2P1 他们的校验关系为 偶校验 P1 D1 D2 D4 D5 D7S1 P1 D1 D2 D4 D5 D7P2 D1 D3 D4 D6 D7S2 P2 D1 D3 D4 D6 D7P3 D2 D3 D4 D8S3 P3 D2 D3 D4 D8P4 D5 D6 D7 D8S4 P4 D5 D6 D7 D8P5 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 P1 P2 P3 P4S5 P5 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 P1 P2 P3 P4 8 检错纠错码 1 K位码有2K个编码状态 全用于表示合法码 则任何一位出错 均会变成另一个合法码 不具有检错能力2 从一个合法码变成另一个合法码 只少要改变几位码的值 称为最小码距 码距 3 K 1位码 只用其2K个状态 可使码距为2 如果一个合法码中的一位错了 就成为非法码 通过检查码字的合法性 就得到检错能力 这就是奇偶校验码 9 检错纠错能力 4 对k位数据位 当给出r位校验位时 要发现并改正一位错 须满足如下关系 2r k r 1 要发现并改正一位错 也能发现两位错 则应 2r 1 k r 此时码距为4 10 数值数据在计算机内的格式 定点小数 N NNN N s 1 n 2 整数 N NNN NN 0 1 s n n 1 浮点数 N MEE EEMM M s s m 1 1 0 1 2 n 符号位阶码位尾数数码位总位数 短浮点数 182332 长浮点数 1115264 临时浮点数 1156480 IEEE标准 阶码用移码 尾数用原码 基为2 11 定点小数表示 NsN1N2 Nn X X X 原 X 1 X 1 X 0 反 X 2 2 X n 0 X 1 1 X 0 补 X 2 X Mod 2 2 0 X 1 1 X 0 Mod2 0 X 1 n 纯小数 原码 反码 补码的定义 12 原反补码表示 正数的原码 反码 补码表示均相同 符号位为0 数值位同数的真值 零的原码和反码均有2个编码 补码只一个码负数的原码 反码 补码表示均不同 符号位为1 数值位 原码为数的绝对值 反码为每一位均取反码 补码为反码再在最低位 1 由 X 补求 X 补 每一位取反后再在最低位 1 由 X 补求X的真值 X 1 Xi 2 i i 1 n 13 浮点数表示 规格化科学计数法 1 xxxx2 2yyyy2 阶 移码表示有效数 符号 尾数表示 14 数据及数据类型 1 986 10 7878 003 010 4UCB ADDR0 R1计算机中的数据可以表示任何事情 指令 操作数等 由上层次的抽象计算机来判断 对存储内容的错误理解 将ASCII码当作浮点数 指令作为数据 整数可能成为指令 程序中的安全漏洞 15 原码一位乘法 A31 A0 Q31 Q0 M31 M0 Add Control Shiftright C Multiplicand Multiplier 32 bitALU CAQM0000011011011010111101101100101111010110001011111011011011111101100110111110110001111110110100011111011 Initialvalues AddShift AddShift AddShift Shift 1 2 3 4 1011Multiplicand 11 x1101Multiplier 13 Product 143 16 寄存器移位输入信号 2位控制码左移操作右移操作指令SSHRAM0Q0RAM15 7 Q15 7 000 0 SHLSHR01C C RCLRCR10Q15 7 F15 7 CyRAM0DIVMUL实现中 具体移位输入信号是用SSH编码和ALU中的结果处理控制信号I7共同决定的 17 补码乘法 A31 A0 Q31 Q0 M31 M0 Add Subtract Control SRA Multiplicand Multiplier 32 bitALU Q 1 M M 0 18 举例 AQQ 1M00000011001111001001100111110010011011111100100101111010101001011100101010001110001010100111 初态 A A MShift Shift Shift 1 2 3 4 A A MShift 7 0111 x3 0011 A3 F3 OV 19 原码一位除法 恢复余数法余数 除数 余数为Ri若Ri 0 则上商1 余数左移1位 Ri 1 2Ri Y 若Ri0 则上商1 余数左移1位 Ri 1 2Ri Y 若Ri 0 则上商0 不恢复余数 直接对Ri左移 然后 Y 可得新的余数 Ri 1 2Ri Y 20 32 位除数寄存器 32 位ALU 64 位余数 被除数 寄存器 余数 商 除数 32 bitALU Write Control 32bits 64bits 左移 除法的实现 余数符号位求反 21 寄存器移位输入信号 2位控制码左移操作右移操作指令SSHRAM0Q0RAM15 7 Q15 7 000 0 SHLSHR01C C RCLRCR10Q15 7 F15 7 CyRAM0DIVMUL实现中 具体移位输入信号是用SSH编码和ALU中的结果处理控制信号I7共同决定的 22 实现运算的逻辑电路 ALU 通用寄存器组 乘商寄存器 选通门 选通门 选通门 F1 Y FsOVRZC 1 运算部件ALU2 通用寄存器组3 支持移位的选通门4 与其它部件的关系 选通门 送入 输出 23 二选一 B16个A通用寄存器 三选一 二选一 三选一 三选一 ALUSR B锁存器 A锁存器 乘商寄存器Q Cn OE Q3 Q0 RAM0 RAM3 F 输出Y F3F 0000OVRCn 4 输入D A口地址 B口地址 Am2901内部组成 组成算逻运算部件16个累加器乘商寄存器Q5组多路选择门功能8种运算功能8种数据组合8种结果处理 I5 I3 I2 I0 I8 I6 24 运算器 三大件运算暂存乘除快多路选通连起来 数据组合选择 I2I1I0 运算功能选择 I5I4I3 运算结果处理 I8I7I6 运算 暂存 乘除快 数据组合有内外 运算功能指明白 存移输出巧安排 多路选通连起来 存移输出巧安排 存移输出巧安排 存移输出巧安排 25 Am2901完成功能需要的控制信号 数据组合 I2I1I0 功能代码 I5I4I3 结果处理 I8I7I6 A口地址B口地址最低位进位控制信号 SCi 状态寄存器接收信号 SST 移位控制信号 SSH 26 浮点运算部件 27 提高计算机性能 首先是提高集成电路的工艺水平 带动半导体器件性能的提高 计算机体系结构和组成方面的创新和进步提高并行性 将任务分解 使在同一时间段内能处理多个任务 提高资源利用率 扩大资源数量 使之能处理的任务量得到提高 资源共享 使多个任务能共同使用资源得到完成 28 计算机并行性 时间重叠 timeinterleaving 使多个处理过程轮流重叠地使用同一套硬件设备的不同部分 流水线 资源重复 resourcereplication 使用多个硬件资源同时工作资源共享 Resourcesharing 多个处理任务按一定规则来使用同一资源 29 运算器并行 时间重叠 以浮点运算器进行浮点加法为例 计算阶差 对阶 尾数相加 规格化 计算阶差 对阶 尾数相加 规格化 计算阶差 对阶 尾数相加 规格化 计算阶差 对阶 尾数相加 规格化 30 31 第一单元教学内容复习与总结 学习该单元的目标 1 数据在计算机内的表示 2 数值数据算术运算的实现算法 数字化编码 基二码 逻辑型数据 字符与字符串 UNICODE 检错纠错码 定点小数 整数 浮点数 二进制数的原 反 补 移码 补码加 减法运算 原码一位乘法 补码乘法 原码一位除法 定点运算器 浮点运算与浮点运算器 数制与进制转换 器件实例 运算器设计 简介 用于讲课和浮点数的尾数 运算器的功能与组成 运算器部件的设计 32 第一单元教学内容复习与总结 学习该单元的最终目标 数据在计算机内的表示 数字化编码 基二码 逻辑型数据 字符与字符串 UNICODE 检错纠错码 运算器的功能与组成 运算器部件的设计 检错纠错码目的 原理 纠错编码的分类 用法 码距与检错纠错能力 几种常用的检错纠错码 增加计算机的可靠性 用冗余线路增加特性 再检查 系统码 线性码 分组码 循环码 编码过程 译码过程 D t l 1 l t 奇偶检错码 海明检错纠错码 33 第一单元教学内容复习与总结 进位记数法与进制转换 N代表一个数值 r是这个数制的基 Radix 该数制所用的符号个数 i表示这些符号排列的位序号 34 数值数据格式 二 十进制 八 二 十六进制 八 十 十六进制 短浮点数 182332 长浮点数 1115264 临时浮点数 1