计算机组成原理_2_2.ppt

1、第一单元第二讲,计算机发展简史 运算器功能及数据表示,内容提要,计算机发展简史 运算器基本功能 数据表示 数值 整数 定点小数 浮点数 字符 逻辑值,Computer Generations,Gen-0: Mechanical computers (BC to early 1940s) Gen-1: Vacuum Tubes (1943-1959) Gen-2: Transistors (1960-1968) John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley Gen-3: Integrated Circuits (1969-1977) Ja

2、ck Kilby (1958) Gen-4: VLSI (1978-present) Gen-5: Optical? Quantum? 生物？,古代及近代计算技术,公元前500年，中国出现算盘,1642年，Blaise Pascal发明自动进位的加法机器，齿轮驱动拨盘，在窗口显示结果,1822年，Charles Babbage，差分机（Differential Engie）,1833年，分析机（Analytical Engine），通用机器,16世纪，Alkhowarizmi 提出算法概念，并出版以算法（Algorithm）为题的书籍,Turing机,1937年，Alan Turing提出一种

3、“通用”计算机的概念，它可以执行任何一个描述好的程序（算法），实现需要的功能，形成了“可计算性”概念的基础。 存储程序的思想，使计算机从专用走向通用。正是这一创新，开创了计算机的新时代。,Turing机特点,通用计算机：并不是保存所有问题的结果。 存储程序计算机：问题的求解由程序或过程给出，程序和过程可以通过语言描述。 有限速度：计算机执行程序的时间是有限的。 是现代计算机的鼻祖。,现代计算机的里程碑,第一台通用电子计算机ENIAC,Electronic Numerical and Integrate Calculator,Mauchly and Eckert 设计 1946年2月14日 第一

4、台通用电子计算机，设计用于计算火炮的弹道 重30吨，占地15000平方英尺，18000个电子管，耗电 140KW,运算速度：5000次加法/秒 使用十进制数 20个寄存器，每个存放10位的十进制数 通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程,Von Neumann机IAS,现代计算机结构的鼻祖：五大功能部件 将程序和数据统一表示：存储器有4096个字，每个字40位。 采用二进制数据：简化了存储器 只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住小数点的位置。,第一台小型计算机：PDP-1,1957年由DEC公司生产 第二代计算机（晶体管） 18位字长，4K内存，机器周期为5微秒 售价

5、120000美元。售出50台。 开创了计算机产业！,第一个系列计算机：IBM 360,第三代计算机 计算机应用：科学计算和商务处理 如何在不同的硬件平台上运行相同的软件？ 系列计算机：IBM 360 计算机系统结构：程序员眼中的计算机。具有相同系统结构的计算机可以运行相同的程序。 微程序控制器,应用的普及：IBM PC机,RISC计算机,精简指令系统计算机 指令系统尽量简单，复杂指令通过简单指令的组合来完成 提高计算机的运行速度,下一代计算机,？,运算器基本功能,完成算术、逻辑运算 +、。 取得操作数 寄存器组、立即数 输出、存放运算结果 寄存器组、数据总线 暂存运算的中间结果 Q寄存器、移位

6、寄存器,运算器基本功能,获得运算结果的状态 C、Z、V、S 理解、响应控制信号,Datapath,Memory,I/O,ALU功能和设计,功能 对操作数A、B完成算术逻辑运算 ADD、AND、OR 设计 算术运算 加法器 逻辑运算 与门、或门,One-Bit Logical Instructions,Map directly onto hardware components AND instruction One of data lines should be a simple AND gate OR instruction Another data line should be a simp

7、le OR gate,A,B,C,0,1,Op (control),Definition,One-Bit Full Adder,Each bit of addition has Three input bits: Ai, Bi, CarryIni Two output bits: Sumi, CarryOuti ( CarryIni+1 = CarryOuti ),CarryIn,. . . (0) (1) (0) (0) (0) . . . 0 0 1 0 1 . . . 0 0 1 1 0 . . . 0 (0)1 (1)0 (0)1 (0)1,+,Inputs,Outputs,A: B:

8、 Sum:,CarryOut,Full Adders Truth Table,Sum,A,Symbol,B,CarryIn,CarryOut,+,Definition,A,B,CarryIn,CarryOut,Sum,0,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,1,0,0,1,0,1,1,1,0,1,0,0,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,0,1,1,1,1,1,CarryOut = (A*B*CarryIn) + (A*B*CarryIn) + (A*B*CarryIn) + (A*B*CarryIn) = (B*CarryIn) + (A*CarryIn) + (A*B) Su

9、m = (A*B*CarryIn) + (A*B*CarryIn) + (A*B*CarryIn) + (A*B*CarryIn),Full Adder Circuit (1/2),Construct the gates for Sum Implement the gates for CarryOut Connect all inputs with the same name,Full Adder Circuit (2/2),One-Bit ALU,Least significant bit,Other bits,数据编码与表示,计算机中要存储的数据 程序、整数、浮点数、字符（串）、逻辑值 需

10、要编码进行表示 存储方式 用数字电路的两个状态表示 由上一层的抽象计算机来识别不同的内容 编码原则 少量简单的基本符号 一定的规则 表示大量复杂的信息,基二码（二进制码）,只使用两个基本符号： 符号个数最少，物理上容易实现 与二值逻辑的 真 假 两个值对应简单 用二进制码表示数值数据运算规则简单,数据表示,二进制位可以表示任何对象: 字符 26 字母 = 5 位 大/小写 + 其它符号 = 7 bits (in 8) 世界上其他语言 = 16 bits (unicode) 无符号整数 (0, 1, , 2n-1) 逻辑值 0 - False, 1 = True 颜色 位置 / 地址 / 指令

11、但 n 位只能代表 2n 个不同的对象,逻辑型数据,逻辑型数据只有两个值：真 和 假， 正好可以用二进制码的两个符号分别表示， 例如 1 表示 真 则 0 表示 假 不必使用另外的编码规则。 对逻辑型数据可以执行逻辑的 与 或 非等基本逻辑运算。其规则如下：,逻辑型数据基本运算规则,X Y X与Y X或Y X的非 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0,字符型数据的表示,字符作为人机联系的媒介，是最重要的数据类型之一，当前的西文字符集由 128 个符号组成，通常用 8 位二进制编码,即用一个字节来表示每一个符号，当前通用的两个标准字符集是： ASCII

12、码： 即 American Standard Code for Information Interchange UNICODE: IS10646 ASCII码字符集具体编码如下表所示：,ASCII字符编码集,b6 b5 b4 000 001 010 011 100 101 110 111 b3 b2 b1 b0 0000 NUL DLE SP 0 P , p 0001 SOH DC1 ! 1 A Q a q 0010 STX DC2 “ 2 B R b r 0011 ETX DC3 # 3 C S c s 0100 EOT DC4 $ 4 D T d t 0101 ENQ NAK % 5 E

13、U e u 0110 ACK SYN K k 1100 FF FS , N n 1111 SI US / ? O _ o,字符串的表示与存储,字符串是指连续的一串字符，它们占据主存中连续的多个字节，每个字节存放一个字符，对一个主存字的多个字节，有按从低位到高位字节次序存放的，也有按从高位到低位字节次序存放的。表示字符串数据要给出串存放的主存起始地址和串的长度。例如：IF AB THEN READ(C)就可以有如下不同的存放方式： I F A A F I B T T B 假定每个字 H E N N E H 由 4 个字节 R E A D D A E R 组成 ( C ) ) C (,UNICOD

14、E编码,使用16位表示一个字符，可以表示65536个字符 将整个编码空间划分为块，每块为16的整数倍，按块进行分配。 保留6400个码点供本地化使用。 并无法覆盖所有字符。,进位记数法与进制转换,进位记数法,N,=,i=m,D,i,*,i,r,N 代表一个数值,r 是这个数制的基(Radix),i表示这些符号排列的位号,D,i,是位号为i的位上的一个符号,r,i,是位号为i的位上的一个 1 代表的值,i,r,D,i,*,是第i位的所代表的实际值,表示m+k+1位的值求累加和,-k,十进制转二进制,整数部分除2取余 小数部分乘2取整,2,1 1,2,2,2,5,2,1,0,1,1,0,1,0.6

15、25 * 2,1,0.25 * 2,0,0.5 * 2,1,0.0,除尽为止 求得位数满足要求为止,低,高,高,低,从二进制数求其十进制的值，逐位码权累加求和,二到八或十六进制转换,二到八 从小数点向左右三位一分组 （10 011 100 . 01)2 = ( 234 . 2 )8 010 二到十六 从小数点向左右四位一分组 （1001 1100 . 01)2 = ( 9C . 4 )16 0100 说明：整数部分不足位数对转换无影响， 小数部分不足位数要补零凑足， 否则出错。,二 十进制编码（BCD编码）,用四位二进制表示一位十进制， 16个编码状态选用其中的10个编码 有多种方案，例如：

16、8421码，余 3 码，循环码 又可区分为： 有权码：每位上的 1 代表确定的值 无权码：无法确定每位上的 1 代表的值,0 0000 0011 0000 0000 1 0001 0100 0001 0111 2 0010 0101 0011 0110 3 0011 0110 0010 0101 4 0100 0111 0110 0100 5 0101 1000 1110 1011 6 0110 1001 1010 1010 7 0111 1010 1000 1001 8 1000 1011 1100 1000 9 1001 1100 0100 1111,有权码 无权码,8421,余3码,循环

17、码,84-2-1,如何判定码权,0 0000 1 0111 4 +（-2）+（-1） 2 0110 4 +（-2） 验证每个码的值 3 0101 4 +（-1） 4 0100 4 从一编码求码权 5 1011 8 +（-2）+（-1） 6 1010 -2 结论 7 1001 -1 证明此编码系统为有权码 8 1000 8 9 1111 8 + 4 +（-2）+（-1）,如何判定码权,0 0011 2+1 = 0 验证各码的值 1 0100 1 从一编码求码权 2 0101 1 3 0110 2 4 0111 5 1000 6 1001 结论 7 1010 证明此编码系统为无权码 8 1011

18、9 1100,数值数据在计算机内的格式,定点小数: N = N N N .N,s,-1,-n,-2,整 数 : N = N N N . N N,0,1,s,n,n-1,浮点数: N = M E E .E E M M .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: 1 8 23 32,长浮点数: 1 11 52 64,临时浮点数: 1 15 64 80,IEEE 标准： 阶码用移码，尾数用原码,基为 2,数值数据在计算机内的格式,定点小数: N = N N N .N,s,-1,-n,-2,整 数 : N = N N N . N N,0,1,s,n,

19、n-1,浮点数: N = M E E .E E M M .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: 1 8 23 32,长浮点数: 1 11 52 64,临时浮点数: 1 15 64 80,IEEE 标准： 阶码用移码，尾数用原码,基为 2,数值数据在计算机内的格式,定点小数: N = N N N .N,s,-1,-n,-2,整 数 : N = N N N . N N,0,1,s,n,n-1,浮点数: N = M E E .E E M M .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: 1 8

20、23 32,长浮点数: 1 11 52 64,临时浮点数: 1 15 64 80,IEEE 标准： 阶码用移码，尾数用原码,基为 2,定点小数表示: Ns N1 N2 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,Mod 2,0 X 1,-n,（纯小数）原码，反码，补码的定义,定点小数表示: Ns N1 N2 Nn,原 码 定义： X 原 = 实例：X1 = 0.10110 -0.10110 0.0000 X 原 = 010110 110

21、110 00000 10000 结论：原码为符号位加数的绝对值，0正1负 原码零有两个编码，+0和 -0编码不同 原码难以用于加减运算，但乘除方便,X,1 - X,-1 X 0,0 X 1,定点小数表示: Ns N1 N2 Nn,反 码 定义： X 反 = 实例：X1 = 0.10110 -0.10110 0.0000 X 反 = 010110 101001 00000 11111 结论：反码为符号位跟数每一位的反，0正 1 负 反码零有二个编码，分+0 和 -0 反码难以用于加减运算，有循环进位问题,X,(2-2-n) + X,-1 X 0 MOD (2-2-n),0 X 1,定点小数表示:

22、 Ns N1 N2 Nn,模 2 补码 定义： X 补 = 实例：X = 0.10110 -0.10110 0.0000 X 补 = 010110 101010 00000 结论：补码最高一位是符号位，0正 1 负 补码表示为 2*符号位 + 数的真值 补码零只有一个编码，故能表示 -1 补码能很好地用于加减（乘除）运算,X,2 + X,-1 X 0 MOD 2,0 X 1,整数的编码表示,整数的 原码 反码 补码 表示 与小数的三种表示基本相同， 差别仅表现在小数点的位置， 可以认为整数的小数点在最低数值位的右侧 因此整数的模与整数位数有关， 讲课中不大用整数讲 原 反 补 码定义 例如：整数八位码： X = +01110 X原= 0 01110 X补= 0 01110 X = - 01110 X原= 1 01110 X补= 1 10010,补码表示中的符号位扩展,由 X补 求 X / 2补 的方法 原符号位不变， 且符号位与数值位均右移一位，例如， X补 =10010 则 X/2补 =110010 不同位数的整数补码相加减时， 位数少的补码数的符号位向左扩展， 一直扩展到与另一数的符号位对齐。 0101010111000011 0101010111000011 + 1