计算机组成与结构PPT课件(全)第2章计算机的逻辑部

1,第二章计算机的逻辑部件,本章内容是计算机组成原理的预备性知识包括：一、预备知识二、组合逻辑电路三、时序逻辑电路四、阵列逻辑电路,2,一、预备知识,1、基本知识2、三种基本逻辑操作3、基本门电路4、等效电路,3,1、基本知识,半导体：单向导电的物体，可用来实现二极管导体：双向导电的物体；绝缘体：不导电的物体电流方向在半导体基础上经过加工可生成三极管,4,2、三种基本逻辑操作,与全部输入为1时，输出为1，否则为0或全部输入为0时，输出为0，否则为1非取相反数,5,3、基本门电路,6,二、组合逻辑电路,定义：逻辑电路的输出状态仅与当时的输入状态有关，与过去的输入状态无关常用的组合逻辑电路有：1、加法器2、算术逻辑单元3、译码器4、数据选择器,7,1、加法器,半加器不考虑进位，两个输入、一个输出用途：求两数相乘除的符号位,8,半加器的功能表和逻辑图,9,全加器带进位的加法器两个输入两个输出,10,全加器的功能表及逻辑图,将n个全加器相连可得n位加法器，但其加法时间较长。这是因为其位间进位是串行传送的，本位全加和Fi必须等低位进位Ci-1来到后才能进行，加法时间与位数有关。只有改变进位逐位传送的路径，才能提高加法器工作速度。解决办法之一是采用“超前进位产生电路”来同时形成各位进位，从而实现快速加法。我们称这种加法器为超前进位加法器。,串行加法器,超前进位产生电路是根据各位进位的形成条件来实现的。只要满足下述两条件中任一个，就可形成C1：(1)X1，Y1均为“1”；(2)X1，Y1任一个为“1”，且进位C0为“1”。由此，可写得C1的表达式为C1=X1Y1+(X1+Y1)C0只要满足下述条件中任一个即可形成C2：(1)X2，Y2均为“1”；(2)X2，Y2任一为“1”，且X1，Y1均为“1”；(3)X2，Y2任一为“1”，同时X1，Y1任一为“1”，且C0为“1”。由此可得C2表达式为C2=X2Y2+(X2+Y2)X1Y1+(X2+Y2)(X1+Y1)C0,下面我们引入进位传递函数Pi和进位产生函数Gi的概念。它们的定义为：Pi=Xi+YiGi=XiYi,P1的意义是：当X1，Y1中有一个为“1”时，若有进位输入，则本位向高位传送进位，这个进位可看成是低位进位越过本位直接向高位传递的。G1的意义是：当X1，Y1均为“1”时，不管有无进位输入，定会产生向高位的进位。将P1、G1代入C1C4式，便可得：C1=G1+P1C0C2=G2+P2G1+P2P1C0C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0,四位超前进位加法器,17,2、算术逻辑单元(ALU),能进行32种算术逻辑运算和16种逻辑运算。P31ALU功能表的说明：S0S3：运算选择控制端，决定电路执行何种运算加：表示算术加+：表示逻辑加M=L：表示执行算术运算M=H：表示执行逻辑运算,18,补充内容,（1）逻辑加或按位进行或操作（2）逻辑乘与按位进行与操作例：A=（1010）2，B=（0110）2A+B=（1110）2AB=（0010）2,ALU的基本逻辑结构是超前进位加法器，它是通过改变加法器的Gi和Pi来获得多种运算能力的。下面通过介绍国际流行的美国SN74181型四位ALU中规模集成电路来介绍ALU的原理。,下图是SN74181型ALU逻辑图及其在正逻辑下的功能表，在功能表中，“加”表示算术加，“+”表示逻辑加。它能执行16种算术运算和16种逻辑运算，M是状态控制端，当M=H，执行逻辑运算；M=L，执行算术运算，S0S3是运算选择控制端，它决定电路执行哪种算术运算或哪种逻辑运算。A3A0，B3B0是参加运算的两个数，Cn是ALU的最低位进位输入，F3F0是运算结果，注脚3表示最高位。,四位ALU逻辑图及功能表,四位ALU逻辑图及功能表,(b)功能表(正逻辑),四位ALU逻辑图及功能表,(b)功能表(正逻辑)续,用4片74181电路可组成16位ALU(图2.10)。图中片内进位是快速的，但片间进位是逐片传递的，因此形成F0F15的时间还是比较长。用4片ALU构成的16位ALU,25,3、译码器,译码器有n个输入，2n个(或小于2n)输出，每个输出对应于输入变量的一个最小项。用途：把输入代码译成相应的控制电位。常用的译码器有2：4译码器和3：8译码器。,二输入四输出译码器,两块三输入变量译码器扩展成四输入译码器,数据选择器数据选择器又称多路开关，是以“与或”门或“与或非”门为主的电路。它能在选择信号的作用下，从多个输入通道中选择某一个通道的数据作为输出。,双四通道选一数据选择器,30,三、时序逻辑电路,定义：具有记忆功能的逻辑电路1、触发器2、寄存器3、计数器,31,1、触发器,能存储信息的记忆元件。触发器是构成时序电路的基础。按时钟控制方式分：电位触发、边沿触发器、主-从触发器等。,触发器的开关特性描述触发器特性的参数很多。其中既有描述传输延迟的参数，也有描述各输入波形宽度要求的参数，还有描述各输入波形之间时间配合要求的参数。如果在使用时不能满足参数的要求，那么，电路就不能正常地工作。,CP到Q、传输延迟、数据建立时间、数据保持时间的定义表示,34,2、寄存器,用途：临时存放数据、指令等信息。移位寄存器：有移位功能的寄存器。,四D寄存器,并行输入数据的四位移位寄存器,37,3、计