第2章(组成原理)

1、1第第2 2章章 计算机系统组成及工作原理计算机系统组成及工作原理 二进制数与信息表示二进制数与信息表示二进制数据表示二进制数据表示二进制表示、与十进制、十六进制的转换二进制表示、与十进制、十六进制的转换非数值型数据非数值型数据ASCII码于汉字编码码于汉字编码定点与浮点的二进制表示定点与浮点的二进制表示补码补码规则、特点、运算规则、特点、运算 逻辑电路逻辑电路逻辑电路的基础知识逻辑电路的基础知识逻辑逻辑“门门”电路电路组合逻辑电路组合逻辑电路加法器、编码器、译码器加法器、编码器、译码器触发器触发器基本时序电路基本时序电路寄存器、计数器寄存器、计数器 计算机的硬件组成计算机的硬件组成CPU组成

2、与工作原理组成与工作原理指令系统、寻址方式的概念指令系统、寻址方式的概念CPU的工作过程举例的工作过程举例22.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示关于二进制关于二进制 在计算机内一切信息必须进行数字化编码（即用二进制代码在计算机内一切信息必须进行数字化编码（即用二进制代码形式），才能在机内传送、存储和处理。形式），才能在机内传送、存储和处理。 二进制：只有二进制：只有0和和1，按，按“逢二进一逢二进一”规律，第规律，第k位权是位权是2k。 二进制二进制 十进制十进制 bn-1bn-2 b0 = dn-1dn-2 . d0 = 1011=1X23+0X22+1X21+1X20 30

3、5 = 3X102 + 0X101 + 5X100 = 1X8 + 0X4 + 1X2 + 1X1 = 3X100 + 0X10 + 5X1输入电路 10110101计算机 10100010输出电路bkX2kk=0n-1dkX10kk=0n-132.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示二进制变换二进制变换 二进制整数：第二进制整数：第n位的权是位的权是2n。二进制：二进制：b7b6b5b4b3b2b1b0 27 26 25 2423 22 21 20权值：权值： 128 64 32 1684 2 1 二进制小数：小数点后第二进制小数：小数点后第n位权值位位权值位2-n = 1/2n

4、。二进制：二进制：0 . b-1b-2b-3b-42-12-22-32-4权值：权值： 1/21/4 1/81/160.5 0.25 0.125 0.0625 1101.1001 (二进制二进制) = 1X8 + 1X4 + 0X2 + 1X1 + 1X0.5 + 0X0.25 + 0X0.125 + 1X0.0625 = 13.5625 (十进制十进制) 以上规律可以推广到以上规律可以推广到K进制，整数部分第进制，整数部分第n位的权值是位的权值是Kn，小，小数部分第数部分第n位的权是位的权是K-n。42.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示二进制变换二进制变换 十进制十进制二进制

5、二进制整数部分连续除整数部分连续除2取余数，小数部分连续乘取余数，小数部分连续乘2取整数。取整数。 123.456(十进制十进制) 1111011. (二进制二进制) 2 | 1 2 3 0.456 X 2 = 0.912 2 | 6 1 1.912 X 2 = 1.824 2 | 3 0 1.824 X 2 = 1.648 2 | 1 5 0.648 X 2 = 1.296 2 | 7 1.296 X 2 = 0.592 2 | 3 1.592 X 2 = 1.184 2 | 1 1.184 X 2 = 0.368 0 1.368 X 2 = 0.736 123 = 64 + 32 + 16

6、 + 8.736 X 2 = 1.472 + 2 +1.472 X 2 = 0.994 .994 X 2 = 1.888 八进制和十六进制：八进制八进制和十六进制：八进制每每3位二进制对应一位八进制，位二进制对应一位八进制，十六进制十六进制每每4位二进制对应一位十六进制位二进制对应一位十六进制52.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示ASCIIASCII码码 ASCII码码（American Standard Code for Information Interchange，美国标，美国标准信息交换码）准信息交换码），它，它已被国际标准化组已被国际标准化组织（织（ISO）定为国）定

7、为国际标准，称为际标准，称为ISO 646标准。标准。 内容包括：内容包括： 控制码：控制码：00H1FH 数字：数字：30H39H 大写字母：大写字母：41H5AH 小写字母：小写字母：61H7AH 其他代码为符号其他代码为符号62.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示汉字编码的概念汉字编码的概念 输入编码：通过西文键盘进行汉字输入的编码规则，如拼音、输入编码：通过西文键盘进行汉字输入的编码规则，如拼音、双拼、五笔字型等。双拼、五笔字型等。 汉字内码：汉字文本信息在计算机中进行存储和处理的二进汉字内码：汉字文本信息在计算机中进行存储和处理的二进制编码规则，如制编码规则，如GB码（

8、国标码）、码（国标码）、GBK码（扩展国标码）、码（扩展国标码）、Big5（台湾、香港的繁体字编码）等。（台湾、香港的繁体字编码）等。 汉字字库：描述汉字字形的二进制编码规则，有点阵字库和汉字字库：描述汉字字形的二进制编码规则，有点阵字库和矢量字库两类。矢量字库两类。汉字输入汉字处理存储汉字输出输入编码汉字内码汉字字库显示打印汉字内码输入设备72.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示常见汉字编码常见汉字编码 GB2312-80 全称是全称是GB2312-80信息交换用汉字编码字符集信息交换用汉字编码字符集 基本集基本集，1980年发布，是中文信息处理的国家标准，中文年发布，是中文信

9、息处理的国家标准，中文Windows3.2就是以就是以GB2312-80为基本汉字编码。为基本汉字编码。GB2312-80码共收录码共收录6763个简体汉字、个简体汉字、682个符号，其中汉字部分：个符号，其中汉字部分：一级字一级字3755，以拼音排序，二级字，以拼音排序，二级字3008，以偏旁排序。，以偏旁排序。 GB12345-90 信息交换用汉字编码字符集信息交换用汉字编码字符集 第一辅助集第一辅助集，目的在于规，目的在于规范必须使用繁体字的各种场合，以及古籍整理等。范必须使用繁体字的各种场合，以及古籍整理等。 BIG5 是目前台湾、香港地区普遍使用的一种繁体汉字的编码标是目前台湾、香港

10、地区普遍使用的一种繁体汉字的编码标准，包括准，包括440个符号，一级汉字个符号，一级汉字5401个、二级汉字个、二级汉字7652个，个，共计共计13060个汉字。个汉字。82.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示常见汉字编码常见汉字编码 ISO 10646 国际标准化组织制定的，初始的版本包含国际标准化组织制定的，初始的版本包含GB 3212-80、GB 12345、Big 5 以及日、韩文字汉字部分的国际标准。以及日、韩文字汉字部分的国际标准。 ISO10646从从3.0版开始扩展版开始扩展4字节编码，实现字符编码空间字节编码，实现字符编码空间150万个。实现中、日、韩、蒙、藏、

11、彝、维等多文种并存。万个。实现中、日、韩、蒙、藏、彝、维等多文种并存。 Unicode是和是和ISO10646相近的另一个工业标准。相近的另一个工业标准。ISO 10646-1:2000 = Unicode 3.0ISO 10646-2:2003 = Unicode 4.0 GBK GBK编码是中文编码扩展国家规范。兼容编码是中文编码扩展国家规范。兼容GB2312，GBK收录汉字收录汉字21003个个(包括日韩文中的汉字包括日韩文中的汉字)、符号、符号883个，简、个，简、繁体字融于一库。繁体字融于一库。GB 2312GBKUnicode92.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示定

12、点与浮点定点与浮点 定点表示法定点表示法 所有数据的小数点位置固定不变。小数点所有数据的小数点位置固定不变。小数点“. .”在机器中的在机器中的位置是隐含约定的，并不需要真正地占据一个二进制位。一位置是隐含约定的，并不需要真正地占据一个二进制位。一般有两种：般有两种：纯整数（小数点在最右边）纯整数（小数点在最右边）纯小数（小数点在最左边）纯小数（小数点在最左边）X1XSX2XN-1XN符号位符号位 N位数值位位数值位纯小数小数点位置纯小数小数点位置 纯整数小数点位置纯整数小数点位置 102.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示定点与浮点定点与浮点 浮点表示法浮点表示法 小数的规格化

13、：小数的规格化：-5678.1234 = - 0.56781234 -5678.1234 = - 0.56781234 10 10+4+4 0.0056781234 = + 0.56781234 0.0056781234 = + 0.56781234 1010-2-2 任何一个数十进制数任何一个数十进制数N的浮点表示形式为：的浮点表示形式为：N=M10E 记为记为 N=M E 任何一个二进制数任何一个二进制数N的浮点表示形式为：的浮点表示形式为： N=M2E 式中：式中：E E和和MM都是带符号的定点数，都是带符号的定点数，E E为阶码部分，为阶码部分，MM为尾数为尾数部分。在计算机中，尾数为

14、纯小数，阶码为纯整数。部分。在计算机中，尾数为纯小数，阶码为纯整数。112.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示定点与浮点定点与浮点 IEEE 754标准浮点数标准浮点数 CPU的浮点处理指令支持的浮点数据格式基于的浮点处理指令支持的浮点数据格式基于IEEE 754标标准，支持浮点运算的浮点部件包括早期的浮点处理器（准，支持浮点运算的浮点部件包括早期的浮点处理器（FPU：intel 8087/287/387）和现代的具备浮点处理指令的）和现代的具备浮点处理指令的CPU。 符合符合IEEE 754标准的浮点数有标准的浮点数有32位位(单精度单精度)、64位位(双精度双精度)和和80位

15、位(扩展精度扩展精度)三种。三种。如如3232位单精度浮点数位单精度浮点数 mms s：符号位，一位。：符号位，一位。 E E： 阶码，阶码，8 8位。移码位。移码( (偏移量偏移量127)127)表示的指数部分。表示的指数部分。 m: m: 尾数，尾数，2323位。原码表示的纯小数。位。原码表示的纯小数。msEm符号符号 阶码阶码 尾数尾数12一个机器浮点数由阶码和尾数及其符号位组成一个机器浮点数由阶码和尾数及其符号位组成（尾数：用定点小数表示，给出有效数字的位数决（尾数：用定点小数表示，给出有效数字的位数决定了浮点数的表示精度；阶码：用整数形式表示，定了浮点数的表示精度；阶码：用整数形式表

16、示，指明小数点在数据中的位置，决定了浮点数的表示指明小数点在数据中的位置，决定了浮点数的表示范围）范围）2.浮点数的表示法浮点数的表示法 在计算机中存放一个完整的浮点数，应该包括阶码、在计算机中存放一个完整的浮点数，应该包括阶码、阶符、尾数以及尾数的符号（数符）共阶符、尾数以及尾数的符号（数符）共4 4部分，即：部分，即：ES SE1E2Em MS M1M2Mn阶符阶符阶码阶码数符数符尾数尾数13一般按照一般按照IEEE 754标准，采用标准，采用32位浮点数和位浮点数和64位浮点数位浮点数两种标准格式两种标准格式(1) 32(1) 32位浮点数标准格式位浮点数标准格式 在在32位浮点数中，约

17、定基数位浮点数中，约定基数R=2， S是尾数是尾数的符号位，即浮点数的符号位，它占一位，安排的符号位，即浮点数的符号位，它占一位，安排在最高位，在最高位，0表示正数，表示正数，1表示负数，尾数表示负数，尾数M占占23位，放在低位部分，当然是纯小数。位，放在低位部分，当然是纯小数。E是阶码，占是阶码，占8位，阶码采用了移码方法来表示，将阶码上移位，阶码采用了移码方法来表示，将阶码上移127，即，即E=e+127 14例例【1-11-1】 X=20110.1011101 =20.1 =21.0 于是求得数于是求得数X的的3232位浮点数格式：位浮点数格式： S=0， E=e+127=0000001

18、0+01111111=10000001， M = 0，M值左移一位值左移一位根据规格化根据规格化3232位浮点数的表示形式，求数位浮点数的表示形式，求数X的真值为：的真值为： X=(-1)S(1.M)2E-127 (2.5)15 (2) 64(2) 64位浮点数格式位浮点数格式 它与它与3232位浮点数的组成原理相同，约定基数位浮点数的组成原理相同，约定基数R=2=2，尾数符号位，尾数符号位S占占一位，置于最高位，规格化的尾数一位，置于最高位，规格化的尾数M占占52位，最左边一位位，最左边一位1 1已被隐藏，已被隐藏，阶码阶码e上移上移1023，即，即E= =e+1023，移码形式的阶码占共计

19、，移码形式的阶码占共计11位位 反过来，已知一个规格化的反过来，已知一个规格化的6464位浮点数，求浮点数位浮点数，求浮点数X X的真值可表示的真值可表示为：为： X=(-1)S(1.M)2E-1023 (2.6) 16同一个浮点数的表示方法不是唯一的，如同一个浮点数的表示方法不是唯一的，如: (1.75)10=1.1120 (IEEE规格化表示规格化表示) =0.11121 (传统规格化传统规格化表示表示) =0.011122 =0.0011123 17 为提高数据的表示精度，当尾数的值不为为提高数据的表示精度，当尾数的值不为 0 时，其绝对值应时，其绝对值应0.5，即尾数域的最高有，即尾数

20、域的最高有效位应为效位应为1，否则以修改阶码同时左右移小数，否则以修改阶码同时左右移小数点的办法，使其变成这一表示形式，这称为点的办法，使其变成这一表示形式，这称为浮点数的规格化表示浮点数的规格化表示 当浮点数的尾数为当浮点数的尾数为 0，不论其阶码为何值，不论其阶码为何值，或者当阶码的值遇到比它能表示的最小值还或者当阶码的值遇到比它能表示的最小值还小时，不管其尾数为何值，计算机都把该浮小时，不管其尾数为何值，计算机都把该浮点数看成零值，称为机器零点数看成零值，称为机器零18例例1 若浮点数若浮点数的二进制存储格式为的二进制存储格式为(41360000)16，求其求其32位浮点数的十进制值位浮

21、点数的十进制值解：将解：将16进制数展开后，可得二进制数格式为：进制数展开后，可得二进制数格式为： 0 100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000 指数指数e=阶码阶码127 （3）10包括隐藏位包括隐藏位1位的尾数位的尾数1.M1.011 0110 0000 0000 0000 0000 1.011011于是有：于是有：x（1）S 1.M 2e （1.011011) 23 +1011.011 （11 .375）S阶码（阶码（8位）位）尾数（尾数（23位）位）19例例2 将十进制数数将十进制数数20.59375转换成转换成32位浮点数的二进位浮点数的二进制格式

22、来存储制格式来存储解解: 首先分别将整数和分数部分转换成二进制数：首先分别将整数和分数部分转换成二进制数：20.5937510100.10011然后移动小数点，使其在第然后移动小数点，使其在第1，2位之间位之间10100.100111.01001001124e4于是得到：于是得到：S0，E4127131，M010010011最后得到最后得到32位浮点数的二进制存储格式为：位浮点数的二进制存储格式为：0100 0001 1010 0100 1100 0000 0000 0000(41A4C000)16 202.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示原码、反码和补码原码、反码和补码 原码

23、：二进制的最高位为符号位，原码：二进制的最高位为符号位，0 0正正1 1负，其余各位同无符负，其余各位同无符号二进制。号二进制。125D125D原原 = 0 1111101= 0 1111101-125D-125D原原 = 1 = 1 11111011111101 符号位符号位 数值位数值位 8 8位原码表示数的范围：位原码表示数的范围：-127 +127-127 +127，且和含义相同。，且和含义相同。 反码：正数的反码和原码相同，负数的反码为其原码将数值位反码：正数的反码和原码相同，负数的反码为其原码将数值位求反，即求反，即0 0变变1 1，1 1变变0 0。125D125D反反 = =

24、0 11111010 1111101-125D-125D反反 = 1 = 1 00000100000010 符号位符号位 数值位数值位 8位反码表示数的范围：位反码表示数的范围：-127 +127，且，且0 0000000和含义和含义相同。相同。212.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示原码、反码和补码原码、反码和补码 补码：正数的补码和原码相同，负数的补码为其原码将数值位补码：正数的补码和原码相同，负数的补码为其原码将数值位求反求反+1+1。125D125D补补 = 0 1111101= 0 1111101-125D-125D补补 = 1 = 1 00000110000011

25、符号位符号位 数值位数值位 8 8位补码表示数的范围：位补码表示数的范围：-128 +127-128 +127，最主要的优点是在，最主要的优点是在加、减运算时不需要判断符号位，所以加、减运算时不需要判断符号位，所以CPUCPU在进行有符号数的在进行有符号数的加、减运算时用的是补码。加、减运算时用的是补码。 例：分别求出十进制数例：分别求出十进制数78D78D和和-120D-120D的的8 8位原码、反码和补码。位原码、反码和补码。 将将78D78D和和120D120D分别转换成二进制：分别转换成二进制： 78D = 64 + 8 + 4 + 2 = 100 1110B78D = 64 + 8

26、+ 4 + 2 = 100 1110B 120D = 64 + 32 + 16 + 8 = 111 1000B 120D = 64 + 32 + 16 + 8 = 111 1000B222.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示原码、反码和补码原码、反码和补码78D78D和和-120D-120D的原码：的原码：78D78D原原 = 0 = 0 10011101001110-120D-120D原原 = 1 1111000= 1 111100078D78D和和-120D-120D的反码：的反码：78D78D反反 = 0 = 0 10011101001110-120D-120D反反 = 1

27、 0000111= 1 000011178D78D和和-120D-120D的补码：的补码：78D78D补补 = 0 = 0 10011101001110-120D-120D补补 = 1 0001000= 1 0001000 2 | 1 2 0 2 | 6 0 0 2 | 3 0 0 2 | 1 5 0 2 | 7 1 2 | 3 1 2 | 1 1 0 1 120D = 2 | 7 8 2 | 3 9 0 2 | 1 9 1 2 | 9 1 2 | 4 1 2 | 2 0 2 | 1 0 0 1 78D = 232.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示原码、反码和补码原码、反码和补

28、码8 8位位( (字节数字节数) )有符号数的原码、反码和补码有符号数的原码、反码和补码十进制十进制+1270-1+2+1-2-126-127-128+126原码原码0 11111110 00000001 00000010 00000100 00000011 00000101 11111101 1111111 0 1111110反码反码0 11111110 00000001 11111100 00000100 00000011 11111011 00000011 0000000 0 1111110补码补码0 11111110 00000001 11111110 00000100 0000001

29、1 11111101 00000101 00000011 00000000 1111110+27-1 -(27-1) +27-1 -(27-1) +27-1 -27 242.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示补码的运算补码的运算 补码的运算法则补码的运算法则XX补补+Y+Y补补=X+Y=X+Y补补XX补补-Y-Y补补=X-Y=X-Y补补=X=X补补+-Y+-Y补补 已知已知YY补补求求-Y-Y补补的方法：将的方法：将YY补补连同符号位一起求反，末连同符号位一起求反，末尾加尾加1 1。-Y-Y补补称为称为YY补补的机器负数。的机器负数。 补码加减运算规则如下：补码加减运算规则如下：

30、 参加运算的两个操作数均用补码表示；参加运算的两个操作数均用补码表示； 按无符号二进制规则运算，符号位作为数的一部分参加按无符号二进制规则运算，符号位作为数的一部分参加运算，运算结果为补码。运算，运算结果为补码。 若做加法，则两数直接相加，若做减法，则将被减数与若做加法，则两数直接相加，若做减法，则将被减数与减数的机器负数相加；减数的机器负数相加；252.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示补码的运算举例补码的运算举例例：无符号二进制数例：无符号二进制数 X=00011101、Y=10110100 求求 X+YX+Y = + = 11010001 29 180 209例：有符号二进

31、制数例：有符号二进制数 X补补=00011101 Y补补=10110100 求求 X+Y补补和和X-Y补补X+Y补补 = X补补+Y补补 = + = 11010001 29 -76 -47X-Y补补 = X补补+-Y补补 = + = 01101001 29 -76补补=76 105 0001 1101 0001 1101 + 1011 0100 + 1011 0100 1101 0001 1101 0001 0001 1101 0001 1101 + 0100 1100 + 0100 1100 0110 1001 0110 1001 0001 1101 0001 1101 + 1011 010

32、0 + 1011 0100 1101 0001 1101 0001262.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示进位和溢出进位和溢出 进位和溢出的产生进位和溢出的产生 运算所得结果超过机器字长额定位数。运算所得结果超过机器字长额定位数。 无符号数运算无符号数运算进位进位/ /借位借位 有符号数运算有符号数运算溢出溢出 无符号数运算的进位无符号数运算的进位/ /借位借位 8 8位无符号数相加结果超过位无符号数相加结果超过255255，产生进位；，产生进位； 8 8位无符号数相减，被减数小于减数，产生借位。位无符号数相减，被减数小于减数，产生借位。 X86 CPUX86 CPU中的进位中

33、的进位/ /借位标志借位标志 (CF) (CF) 可以标记进位或借位。可以标记进位或借位。如：如：X=01100110X=01100110，Y=11100010Y=11100010，求，求CPUCPU进行加、减的运进行加、减的运算结果。算结果。X+Y = 0110 0110 + 1110 0010 = 0100 1000 X+Y = 0110 0110 + 1110 0010 = 0100 1000 产生进位产生进位X-X- Y = 0110 0110Y = 0110 0110 - 1110 0010 = 1000 0100 - 1110 0010 = 1000 0100 产生借位产生借位 0

34、110 0110 0110 0110 + 1110 0010 + 1110 0010 10100 100010100 100010110 011010110 0110 - 1110 0010 - 1110 0010 1000 0100 1000 0100272.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示进位和溢出进位和溢出 有符号数运算的溢出有符号数运算的溢出 当有符号数运算的结果超出当有符号数运算的结果超出CPUCPU字长则产生溢出。字长则产生溢出。 x86 CPUx86 CPU中根据溢出标志中根据溢出标志(OF)(OF)来判断有符号数运算溢出。来判断有符号数运算溢出。 二进制运算溢出

35、和进位二进制运算溢出和进位/ /借位没有必然联系。借位没有必然联系。 溢出的判断溢出的判断 - - 直观判断：直观判断： 两个符号相同的数相加，和的符号相反两个符号相同的数相加，和的符号相反溢出；溢出； 两个符号不同的数相减，差的符号和减数相同两个符号不同的数相减，差的符号和减数相同溢出溢出 - - 双符号位判断法：将原符号位扩充为两位，两个符号位作为双符号位判断法：将原符号位扩充为两位，两个符号位作为数的一部分参加运算。结果符号位为数的一部分参加运算。结果符号位为0000、1111则无溢出，符号位则无溢出，符号位为为0101、1010则结果溢出。则结果溢出。 11110 0110 11110

36、 0110 + 11110 0010 + 11110 0010 11100 1000 11100 1000 11010 1110 11010 1110 - 00100 1010 - 00100 1010 10110 0100 10110 0100282.1 2.1 二进制数与信息表示二进制数与信息表示补码运算例补码运算例01011101 01011101 10001100 10001100 9393140140无符号数无符号数9393-116-116有符号数有符号数233233-23-23209209(借位借位)-47-47(溢出溢出)X XY YX+YX+YX-YX-Y47474747(溢出

37、溢出)Y-XY-X 0101 1101 0101 1101 - 1000 1100 - 1000 110011101 000111101 0001 0101 1101 0101 1101 + 1000 1100 + 1000 1100 1110 1001 1110 1001 1000 1100 1000 1100 - 0101 1101 - 0101 1101 0010 1111 0010 1111例：二进制数例：二进制数 X=0101 1101 Y=1000 1100，将其分别作为，将其分别作为无符号数和有符号数进行加、减运算。无符号数和有符号数进行加、减运算。 X+Y X-Y Y-X 29

38、2.2 2.2 逻辑电路逻辑电路基础知识基础知识 逻辑电路中的逻辑电路中的0和和1 逻辑电路的信号电平只有两个稳定状态，分别代表逻辑逻辑电路的信号电平只有两个稳定状态，分别代表逻辑0和和1。一般采用正逻辑，即高电平为。一般采用正逻辑，即高电平为1，低电平为，低电平为0。 逻辑电压：逻辑电压： 逻辑电路的电压多为逻辑电路的电压多为5V和和3V，早期的逻辑器件为，早期的逻辑器件为5V，新，新型的逻辑器件多为型的逻辑器件多为3V，低电压逻辑可，低电压逻辑可以降低功耗。最新以降低功耗。最新的的CPU和存储器的和存储器的电压都低于电压都低于3V。 基本逻辑关系基本逻辑关系 “与与” ()“或或” (+)

39、“非非”与 或 非 00 = 0 00 = 0 01 = 0 01 = 1 0 = 1 10 = 0 10 = 1 11 = 1 11 = 1 1 = 0 0 与任何数结果为 0 仅当 1 与 1 时结果为 1 1 或任何数结果为 1 仅当 0 或 0 时结果为0 求反： 0 变 1 1 变 0 302.2 2.2 逻辑电路逻辑电路基础知识基础知识 逻辑关系描述逻辑关系描述 简单的逻辑关系可以通过逻辑表达式、逻辑电路图或真值简单的逻辑关系可以通过逻辑表达式、逻辑电路图或真值表描述。表描述。ABX X = A B + A BABX000011101110逻辑表达式逻辑表达式逻辑电路图逻辑电路图真

40、值表真值表312.2 2.2 逻辑电路逻辑电路逻辑门电路逻辑门电路 各种门电路各种门电路X = A+B双输入端或门双输入端或门X =AB双输入端与门双输入端与门 X = A非门非门ABXABXAX X =AB双输入端与非门双输入端与非门 X = A+B双输入端或非门双输入端或非门ABXABX X = A+B双反向输入端或门双反向输入端或门ABX322.2 2.2 逻辑电路逻辑电路逻辑门电路实现逻辑门电路实现 由二极管构成的门电路由二极管构成的门电路+5VABXABX 由三极管构成的非门由三极管构成的非门ABXABX+5VAXA+5VXAX332.2 2.2 逻辑电路逻辑电路组合逻辑组合逻辑 组

41、合逻辑电路组合逻辑电路 有基本门电路组合而成的、无记忆逻辑电路。有基本门电路组合而成的、无记忆逻辑电路。m个输入、个输入、n个输出的组合逻辑电路可以表示为以下电路。个输出的组合逻辑电路可以表示为以下电路。组合逻辑电路组合逻辑电路I0I1I2Im-1O0O1O2On-1输出的逻辑表达式：输出的逻辑表达式：Oi = F(I0 , I1 , I2 , , Im-1) i = 0,1, 2, , n-1 一位加法器一位加法器 A+ B C SABS000011101110C0001 ABSC342.2 2.2 逻辑电路逻辑电路加法器加法器 全加器全加器 A B+Ci CoSABS00000101101

42、0Co0001Ci010110110011011101110101 ABCiSCo 多位加法器：由多位加法器：由k个全加器级联而成的个全加器级联而成的k位加法器位加法器SoS1S2Sk-1 A0B0 A1B1Co A2B2C1 Ak-1Bk-1C2Ck-1352.2 2.2 逻辑电路逻辑电路编码器和译码器编码器和译码器 编码器编码器根据根据2N个输入信号，输出是有效输入端的编号。个输入信号，输出是有效输入端的编号。译码器译码器N个输入端，个输入端，2N个输出只有一个有效，该输出端个输出只有一个有效，该输出端的的 序号是序号是N。 译码器译码器A2A100000101A0010110101111

43、0101Y700000001Y600000010Y500000100Y400001000Y300010000Y200100000Y101000000Y010000000A2A1A0Y7Yo译译码码器器362.2 2.2 逻辑电路逻辑电路触发器触发器 触发器：最基本逻辑记忆单元触发器：最基本逻辑记忆单元 具有两个稳定状态，用来表示逻辑状态的具有两个稳定状态，用来表示逻辑状态的0 0 和和1 1 可通过不同的外部信号改变状态，输入信号消失以后，能可通过不同的外部信号改变状态，输入信号消失以后，能将获得的新状态保存下来将获得的新状态保存下来 基本基本RSRS触发器触发器SQQRSRQ00X01110

44、011Q注释注释不定不定置置1置置0不变不变SRQQRS触发器电路图触发器电路图RS触发器时序图触发器时序图RS触发器功能表触发器功能表372.2 2.2 逻辑电路逻辑电路同步同步RSRS触发器触发器 同步同步RSRS触发器触发器同步时序电路同步时序电路在同步时序脉冲的驱动下工作的时序电路。在同步时序脉冲的驱动下工作的时序电路。同步同步RSRS触发器触发器只有在同步时序脉冲的上升沿改变状态。只有在同步时序脉冲的上升沿改变状态。SQQRCPSRQQCPSR Qn+100Qn01010111X注释注释不变不变置置0置置1不定不定SR SCPRQ_Q _Qn+1 = S+RQn (SR1）同步同步R

45、S触发器触发器功能表功能表382.2 2.2 逻辑电路逻辑电路JKJK、DD触发器触发器 其它常见触发器其它常见触发器常见的触发器除常见的触发器除RS触发器外，还有触发器外，还有JK触发器、触发器、D触发器等。触发器等。 J K JCPKQ_QJK Qn+100Qn01010111Qn注释注释不变不变置置0置置1翻转翻转D Qn+10011JK触发器功能表触发器功能表D触发器功能表触发器功能表 _ _ _Qn+1 = KQn + JK + JQnQn+1 = DDCPQ_Q D 392.2 2.2 逻辑电路逻辑电路计数器计数器 计数器：对输入的时计数器：对输入的时钟脉冲（钟脉冲（CPCP）的个

46、数）的个数进行计数，来一个进行计数，来一个CPCP脉冲计数器状态变化脉冲计数器状态变化一次。一次。0100100001100101011111001010101110011110000000101111110100010011加1计数器减1计数器Q0 Q1 Q2 Q3CP模模1616二进制计数器二进制计数器402.2 2.2 逻辑电路逻辑电路计数器计数器 由由D D触发器构成的模触发器构成的模1616减减1 1计数器计数器D Q _ QD Q _ QD Q _ QD Q _ QQ0Q1Q2Q3CPCPQ0Q1 Q2 Q31111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 10

47、00 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 思考题：将上述电路改成加1计数器412.2 2.2 逻辑电路逻辑电路寄存器寄存器 寄存器：存储二进制数的时序电寄存器：存储二进制数的时序电路组件，它具有接收和寄存二进路组件，它具有接收和寄存二进制数码的逻辑功能。制数码的逻辑功能。 CPD QD0Q0D QD1Q1D QD2Q2D QD3Q3D QD4Q4D QD5Q5D QD6Q6D QD7Q7D Q _ QQDCP寄存器D0-D7Q0-Q7CP422.2 2.2 逻辑电路逻辑电路移位寄存器移位寄存器 并行输入串行输出移位寄存器：并行输入串行输出移位寄存器：

48、D0D7:并行输入，并行输入，DIN:串行输入，串行输入，QOUT:串行输出，串行输出，CPP:并行并行输入控制脉冲。输入控制脉冲。 串行输入行并输出移位寄存器串行输入行并输出移位寄存器D6D5D7D4D2D1D3D0DINQOUTCPPCPD6D5D7D4D2D1D3D0DINCP432.3 2.3 计算机的硬件组成计算机的硬件组成冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构 计算机的组成部分计算机的组成部分运算器运算器进行运算的部件；进行运算的部件；存储器存储器记忆原始数据、运算程序及运算结果的部件；记忆原始数据、运算程序及运算结果的部件；控制器控制器发出各种控制信息，以便使计算机各部件协调发出各种控

49、制信息，以便使计算机各部件协调工作的部件；工作的部件；输入、输出设备输入、输出设备将原始数据及运算程序输入计算机，将原始数据及运算程序输入计算机，并将结果及其它信息输出的部件。并将结果及其它信息输出的部件。 中央处理器 (CPU) 输入设备 输出设备 控制器 算术逻辑部件 内部存储器 数据流 控制流 442.3 2.3 计算机的硬件组成计算机的硬件组成CPU地址寄存器地址寄存器MR数据寄存器数据寄存器DR指令寄存器指令寄存器IR通用寄存器通用寄存器1通用寄存器通用寄存器2通用寄存器通用寄存器n程序计数器程序计数器PC堆栈指针堆栈指针SP时序产生器时序产生器暂存器暂存器ALU累加器累加器标志寄存

50、器标志寄存器操作操作控制器控制器控制总线控制总线地址总线地址总线数据总线数据总线ALU(Arithmetic and Logic Unit)：主要完：主要完成对二进制数据的算成对二进制数据的算术运算、逻辑运算和术运算、逻辑运算和各种移位操作各种移位操作 。PC(Program Counter)：取指令的：取指令的地址，存放下面要执地址，存放下面要执行的指令的地址，行的指令的地址， 取指令后自动加取指令后自动加1。用来保存参用来保存参加运算的操加运算的操作数和运算作数和运算的中间结果的中间结果。 根据二进根据二进制的机器制的机器指令产生指令产生完成指令完成指令功能的微功能的微操作。操作。 根据译

51、码器产生的微根据译码器产生的微操作，产生控制各个操作，产生控制各个部件的信号，控制各部件的信号，控制各个部件完成指令的功个部件完成指令的功能。能。产生时基产生时基信号为各信号为各功能部件功能部件提供定时提供定时基准。基准。 452.3 2.3 计算机的硬件组成计算机的硬件组成指令系统指令系统 指令系统：是一个指令系统：是一个CPUCPU所能够处理的全部指令的集合，是一所能够处理的全部指令的集合，是一个个CPUCPU的根本属性。指令系统决定了一个的根本属性。指令系统决定了一个CPUCPU能够运行什么能够运行什么样的程序。样的程序。 指令的构成：指令由操作码字段指令的构成：指令由操作码字段(OP(

52、OP，指明操作功能，指明操作功能) )和地址和地址码字段码字段 (A,(A,或称操作数字段，指明操作数或称操作数字段，指明操作数) )两部分构成。两部分构成。OPA操作码：操作码：指令的操作码字段表明了所执行的操作。指令系统指令的操作码字段表明了所执行的操作。指令系统中的每一条指令都有一个唯一确定的操作码。中的每一条指令都有一个唯一确定的操作码。地址码结构：地址码结构：运算的操作数和运算结果存放的地址。根据指运算的操作数和运算结果存放的地址。根据指令功能的不同，地址码字段可以含有单地址、双地址或三地令功能的不同，地址码字段可以含有单地址、双地址或三地址结构，少量指令无地址码字段。址结构，少量指

53、令无地址码字段。462.3 2.3 计算机的硬件组成计算机的硬件组成8086指令举例指令举例例如：例如： Intel 8086 CPU加法指令加法指令 ADD AX, BX将寄存器将寄存器AX和和BX相加，和送到相加，和送到AX寄存器。寄存器。(AX) + (BX) (AX) 该指令由两个字节构成：该指令由两个字节构成：01D8H。01D8H = 00000001 11011000 其中其中 000000=ADD，指令操作码，指令操作码 0=源为寄存器，指明源操作数源为寄存器，指明源操作数1=字字(16位位)运算，区分字节、字运算运算，区分字节、字运算 11=寄存器方式，指明操作数类型寄存器方

54、式，指明操作数类型 011=BX，寄存器编号，寄存器编号000=AX，寄存器编号，寄存器编号472.3 2.3 计算机的硬件组成计算机的硬件组成指令分类指令分类 CPU CPU指令分为以下几类指令分为以下几类数据传送类指令数据传送类指令 实现寄存器与寄存器之间、寄存器与存储器之间的数据传送。实现寄存器与寄存器之间、寄存器与存储器之间的数据传送。算术、逻辑运算类指令算术、逻辑运算类指令 实现加、减、乘、除等基本算术运算，与、或、非、异或等实现加、减、乘、除等基本算术运算，与、或、非、异或等基本逻辑运算。基本逻辑运算。 带有浮点部件的带有浮点部件的CPUCPU还具有浮点运算指令。还具有浮点运算指令

55、。程序控制类指令程序控制类指令 转移控制指令、循环控制指令、子程序指令、中断控制指令转移控制指令、循环控制指令、子程序指令、中断控制指令等。等。1)1)输入输入/ /输出类指令输出类指令 实现主机与外部设备之间的信息交换。实现主机与外部设备之间的信息交换。482.3 2.3 计算机的硬件组成计算机的硬件组成指令的寻址方式指令的寻址方式寻址方式寻址方式指令获得操作数的方式，一般有以下几种：指令获得操作数的方式，一般有以下几种：立即寻址：指令中包含操作数立即寻址：指令中包含操作数ADD AX, 1000D (AX)+1000D(AX)寄存器寻址：操作数在寄存器中，指令中包含存放操作数的寄寄存器寻址

56、：操作数在寄存器中，指令中包含存放操作数的寄存器的编号存器的编号ADD AX, BX (AX)+(BX)(AX)直接寻址：操作数在存储器中，指令中包含存储器地址直接寻址：操作数在存储器中，指令中包含存储器地址ADD AX, 1000H (AX)+(1000H)(AX)间接寻址：操作数在存储器中，其地址在某个寄存器中，指令间接寻址：操作数在存储器中，其地址在某个寄存器中，指令中包含该寄存器的编号中包含该寄存器的编号 ADD AX, BX (AX)+(BX)(AX)492.3 2.3 计算机的硬件组成计算机的硬件组成CISCRISCCSIC(Complex Instruction Set Comp

57、uter)复杂指令系统计算机复杂指令系统计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)精简指令系统计算机精简指令系统计算机CSIC的特点的特点 指令系统多达几百条指令，具有多种复杂的寻址方式；指令系统多达几百条指令，具有多种复杂的寻址方式； 由于复杂指令操作，可能降低系统的执行速度；由于复杂指令操作，可能降低系统的执行速度； “20-80律律”RISC的特点的特点 只选择使用频度高的指令，指令数目一般不超过只选择使用频度高的指令，指令数目一般不超过100条。条。 寻址方式种类少，一般不超过寻址方式种类少，一般不超过2种，指令格式力求一致。种，指令格式力求一致。 所有或绝大多数指令在单个机器周期内完成。所有或绝大多数指令在单个机器周期内完成。