计算机组成原理[完整版](罗克露)(全)原版.ppt

1、主要内容： 计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标,第一章 概论,第一节 计算机的基本概念,1.1.1 冯 诺依曼思想,1. 用二进制代码表示程序和数据；,2. 计算机采用存储程序的工作方式；,3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制,器、输入设备和输出设备组成。,1.1.2 信息的数字化表示,1. 在计算机中用数字代码表示各种信息,二进制代码,例1 用数字代码表示数据,5,- 5,表示为 0 101,表示为 1 101,例2 用数字代码表示字符,A,B,表示为 1000001,表示为 1000010,例3 用数字代码表示命令、状态,启动,停止,正在工作,工作结束

2、,表示为 00,表示为 01,表示为 10,表示为 11,2. 在物理机制上用数字信号,数字型电信号,例1 用电平信号表示数字代码,高电平,1,低电平,高电平,0,1,例2 用脉冲信号表示数字代码,有脉冲,无脉冲,有脉冲,1,0,1,表示数字代码,实现并行操作,实现串行操作,1.1.3 存储程序工作方式,1.事先编制程序,3.自动、连续地执行程序,2.事先存储程序,传统诺依曼机串行执行指令。,对传统诺依曼机的改造：增加并行处理功能。,第二节 计算机系统的硬件组成,1.2.1 主要功能部件,1. CPU 由运算器、控制器组成。,（1） 运算器 1）功能：加工信息。 2）组成：,移位器,ALU,选

3、择器,通用寄存器组,选择器,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,ALU: 通过加法器实现运算操作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,选择器：选择操作数；选择控制条件，实现各种算法。,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,移位器：直接或者移位送出运算结果。,3）讨论 几种典型的运算器组成 几种主要的运算方法（定、浮）,（2）控制器 1）功能：产生控制命令(微命令)， 控制全机操作。 2）组成：,微命令序列,微命令产生方式（指令执行控制方式）

4、：,3）讨论 两种控制器组成原理与控制机制； 模型机的数据通路结构和指令执行 过程。,组合逻辑控制方式：,微程序控制方式：,由组合逻辑电 路产生微命令,由微指令产生微命令,2. 存储器 1）功能: 存储信息。 2）组成（主存储器）：,存储体: 存放信息的实体。,寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。,读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂存读/写数据。,控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。,3. 输入/输出设备 1）功能：转换信息。,输入：原始信息,代码，送入主机,输出：处理结果,人所能接受的形式，并输出,（代码）,2）讨论 显示器的工作原理和信息转换过程。,3）讨论 存储单元读/写

5、原理、存储器逻辑设计,1.2.2 硬件系统结构 1. 以总线为基础的系统结构 总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。,总 线,总 线,功能 内总线 局部总线 系统总线 外总线,信息 地址总线 数据总线 控制总线,时序 同步总线 异步总线,格式 并行总线 串行总线,方向 单向总线 双向总线,（1）以CPU为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,I/O 总线,M 总线,（2）单总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,（3）以M为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,M 总线,（4）多级总线结构,CPU,RAM

6、,ROM,公共接口,总线控制逻辑,M扩展板,I/O接口板,局部总线,系统总线,2. 采用通道或IOP的大型系统结构 （1）带通道的系统,I/O控制器,主机,I/O,通道,（2）带IOP的系统,CPU,M,接口,I/O,IOP,LM,接口,I/O,系统总线,I/O总线,3. 模型机系统结构,系 统 总 线,CPU,M,公共接口,接口,接口,I/O,I/O,4. 讨论 接口： 中断接口、DMA接口 总线：分类、信号组成,第三节 计算机系统的性能指标,1. 基本字长 指操作数的基本位数。 它影响计算精度、指令功能。 2. 存储容量 （1）主存容量 指存储单元个数位数。,决定地址位数,表明编址单位,表

7、示为：字数字长（按字编址）或 字节数（按字节编址）,（2）外存容量 常表示为字节数。 外存容量与地址码位数无关。,3. 运算速度 （1）定点/浮点四则运算时间 （2）每秒平均执行的指令条数（MIPS） （3）CPU时钟频率（MHz）,总线位数总线时钟频率 8,5. 处理功能 （1）指令系统功能（寻址方式、指令 类型） （2）系统软件配置,总线带宽 =,4. 数据传输率,（B/S）,第二章 计算机中的信息表示,数据信息,控制信息,数值型数据,非数值型数据,指令信息等,第一节 数据信息的表示,2.1.1 表示数据的大小,二进制、八进制、十六进制、二-十进制,2.1.2 表示数据的符号,原码、补码、

8、反码,2.1.3 表示小数点,定点、浮点,1. 定点表示法,无符号数,定点整数,定点小数,00000000 11111111,（0） （255）,（-127） （127）,（-128） （127）,-(1-2-7) (1-2-7),（-1） (1-2-7),类型,阶码,尾数,阶符,数符,R：阶码底，隐含约定。,E：阶码，为定点整数，补码或移码表示。 其位数决定数值范围；,阶符表示数的大小。,M：尾数，为定点小数，原码或补码表示。 其位数决定数的精度；,数符表示数的正负。,尾数规格化：1/2 M 1,最高有效位绝对值为1,2. 浮点表示法,第二节 指令信息的表示,指令：指示计算机执行某类操作的信

9、息的集合。,本节主要讨论：一般指令格式 常用寻址方式 面向用户指令类型,2.2.1 指令格式,指令基本格式,一个,一个或几个,1. 指令字长,定长指令格式 变长指令格式,便于控制,（1） 定长操作码 各指令的位置、位数固定相同。 （2）扩展操作码 各指令的位置、位数不固定，根据需要 变化。,合理利用存储空间,2. 操作码结构,关键在设置扩展标志。,例. 指令字长16位，可含有3、2、1或0 个地址，每个地址占4位。,操作码 地址码,15 12 11 8 7 4 3 0,0000 X Y Z 1110 X Y Z,1111 0000 Y Z 1111 1110 Y Z,三地址指令 15条,二地址

10、指令 15条,1111 1111 0000 Z 1111 1111 1110 Z,一地址指令 15条,1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 1111,零地址指令 16条,（3）复合型操作码 操作码分为几部分，每部分表示一种操作。 例.某机算逻指令,3. 地址结构,指令中提供的地址数,存储单元地址码 寄存器编号,（1）指令提供地址的方式 显地址方式 隐地址方式,:指令中明显指明地址。 :地址隐含约定,不出现在指令中。,直接或间接给出,（2） 地址结构的简化,操作数地址, 四地址结构指令 格式：,使用隐地址可以减少指令中的地址数，简化 地址结构。,结果地址,下条指令

11、地址,功能：,用指令计数器PC指示指令地址。,三地址结构指令 格式：,操作数地址,结果地址,下条指令地址,功能：,转移时，用转移 地址修改PC内容。,源/目的,二地址结构指令 格式：,目的/源,功能：,双操作数：,一地址结构指令 格式：,隐含约定,单操作数：,功能：,零地址结构指令 格式：,功能：,用于堆栈或特殊指令操作。,例.ADD；,执行前：,低,执行后：,高,低,高,2.2.2 寻址方式,是指寻找操作数地址或操作数的方式。,（1） 立即寻址,指令直接给出操作数。,1. 常见寻址方式,定长格式：,变长格式：,数在指令中，其长度固定、有限。,数在基本指令之后，其长度可变。,用来提供常数、设置

12、初值等。,（2） 直接寻址,指令直接给出操作数地址。,存储单元号 寄存器号,(数在M中) (数在R中), 存储器直接寻址,（直接寻址）,定长格式,D的位数有限, 限制访存范围,变长格式,D的位数可覆盖 整个存储空间,S =（D）,存储单元号 寄存器号,(数在M中) (数在M中), 寄存器直接寻址,（寄存器寻址）,格式,R所占位数少； 访问R比访问M快,格式,S =（R）,用于访问固定的存储单元或寄存器。,（3）间接寻址,指令给出操作数的间接地址。, 存储器间址,D=0030,0060,.,0060,S,.,S =(D),M,间址单元,地址指针, 寄存器间址,格式,R所占位数少；R可提供全字长地

13、址码； 修改R内容比修改M内容快。,格式,S =(R),指针不变(由指令指定)，指针内容可变，使同一指令可指向不同存储单元，以实现程序的循环、共享，并提供转移地址。, 堆栈寻址,SP,.,S,.,S =(SP),M,R=02,M,0040,S,.,.,.,地址指针,.,栈顶,格式,SP既可出现在指令中，也可隐含约定。, 变址寻址,（4）变址、基址寻址及其变化,堆栈向上生成,压栈：,SP自动减1，再存数。 -(SP)，自减型间址。,先取数，SP再自动加1。 (SP)+，自增型间址。,出栈：,指令给出一个寄存器号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址。,D的位数有限，若不能提供全字长地址码

14、，会使访存空间受到限制。,变址寄存器号,例. 用变址方式访问一组连续区间内的数组元素。,S =(RX)+ D),D=首址,D为存储区首址； (RX)为所访单元距离 首址的长度； RX初值为0，每访问一 个单元，(RX)+1。,形式地址,修改量,基准地址,D+1,D+2,D+n-1,.,格式,（D的位数只需覆盖一个较小的存储区间）, 基址寻址,基址寄存器号,4K,指令给出一个寄存器号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址。,位移量,S =(Rb)+ D),基准地址,相对于基址的位移,4K,改变Rb的内容，程序能访问存储空间中任何一个定长区间(4K)。,便于访问两维数组中某类 指定的元素。

15、,变址与基址的区别：,变址：指令提供基准量(不变)， R提供修改量(可变)；适 于处理一维数组。,基址：指令提供位移量(不变)， R提供基准量(可变)；用 于扩大有限字长指令的访 存空间。,S =(RX)+(Rb)+ D),格式, 基址加变址,变址寄存器号,指令给出两个寄存器号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址。,位移量,基址寄存器号,便于处理两维数组。,格式, 相对寻址,指令给出位移量，PC内容与位移量之和为有效地址。,位移量,或隐含指定,S =(PC)D),有效地址相对PC上下浮动,给编程带来方便。,格式, 页面寻址,指令给出位移量，PC的高位部分与位移量拼接，形成有效地址。,

16、位移量,或隐含指定,S =(PC)H，D),例. M为64KB，划分为256页，每页256B。,页号,页内地址,用于页式管理存储系统。 寻址速度快，适于组织程序模块， 有效利用存储空间。,017CH,S,2. 对寻址方式的说明,（1）操作码隐含说明不同寻址方式,例.某机指令操作码最高两位,00：RR型指令，寄存器-寄存器寻址 01：RX型指令，寄存器-变址寻址 10：SI型指令，基址-立即寻址 11：SS型指令，基址-基址寻址,（2）指令中设置专门字段说明寻址方式,例.某机指令的每个地址字段中各设置一个 3位的寻址方式字段。,源地址字段,目的地址字段,3位,3位,2.2.3 指令类型,1.传送

17、指令,源地址 目的地址,数,设置时需考虑：,（1）规定传送范围,例. DJS-100系列：,80X86：,IBM370：,（2）指明传送单位,例. 用操作码说明(VAX-11)：,用地址量说明(80X86)：,传送次数由计数器控制,MOVB 8,MOV AX，BX,MOVW 16,MOVL 32,MOV AL，BL,MOV EAX，EBX,例. 80X86的串传送指令：REP MOVSW,（3）设置寻址方式,在寻址方式的设置上几乎不受限制，能比较 集中地反映指令系统各种寻址方式的实现。,8,16,32,2.输入/输出指令,各种信息,设置时需考虑：,（1）I/O指令的功能扩展,如何用通用I/O指

18、令实现对各种具体设备的控制？, I/O指令中留有扩展余地,指令中某些字段编码事先不定义，需要时再约定 其含义。, I/O接口中设置控制/状态寄存器,用于外设种类、数量不多的场合。,（2）主机对外设的寻址方式,如何设置控制/状态寄存器是接口设计的关键。,寻找I/O接口中的寄存器的方式。,主机用输出指令或传送指令将具体设备的控制命令 按约定的代码格式送往接口中的控制寄存器，向外 设发出命令。 外设的状态信息也以某种格式放在接口的状态寄存 器中，主机用输入指令或传送指令从状态寄存器中 取出有关信息进行查询、分析。,I/O端口,寻找I/O接口中的寄存器的方式。,如何为I/O端口分配地址？, 单独编址,

19、I/O地址空间不占主存空间，可与主存空间重叠。,=1 访问存储器 =0 访问I/O端口,需设置标志区分访问对象，如,编址到寄存器：为每个寄存器(I/O端口)分配独 立的端口地址； I/O指令中给出端口地址。, 统一编址,I/O端口占据部分主存空间。 常将存储空间的低端分配给主存单元，高端分配 给I/O端口，以示区分。,编址到寄存器, 设置专用I/O指令 针对单独编址，用I/O指令访问I/O端口。 指令中说明输入/输出操作，并给出端口地址。,：为每个寄存器(I/O端口)分配总 线地址； 访问外设时，指令中给出总线地址。,（3）I/O指令设置方式,显式I/O指令,例. 80X86I/O指令设置,输

20、入：IN AL，n；,端口地址,(直接端口寻址),IN AL，DX；,间接端口地址,(间接端口寻址),输出：OUT n，AL；,(直接端口寻址),OUT DX，AL；,(间接端口寻址),主机调用输入机：, 用传送指令实现I/O操作 针对统一编址，用传送指令访问I/O端口。 不设专用I/O指令。,例. 某机I/O接口中设置 控制/状态寄存器CSR,其总线地址为177550(8进制) 数据缓冲寄存器DBR，其总线地址为177552,隐式I/O指令,控制/状态字格式：,15 14 12 7 6 2 1 0,启动： 测试： 取数：, 通过I/O处理机进行I/O操作,CPU执行简单I/O指令 (启动、停

21、止、查询、清除),设置时需考虑操作数类型、符号、进制等； 运算结束后设置相应状态标志。,两级I/O指令,（1）算术运算指令,I/O处理机执行I/O操作指令 (输入、输出),3.算术逻辑运算指令,（2）逻辑运算指令,实现对代码位的设置、测试、清除、修改等。,与,或,异或,控制程序流程。,（1）转移指令,4. 程序控制指令,（2）转子指令与返回指令,转子：操作码 子程序入口,无条件转移 条件转移 循环,：操作码 转移地址 ：操作码 转移地址 转移条件 ：转移条件为循环计数值,返回：操作码 返回地址,同一条返回指令应能提供多个不同的返回地址。 返回地址的存取：,用堆栈存放返回地址。,（3）软中断指令

22、,程序,自陷指令,第二章复习提纲 1.I/O指令的功能扩展(目的、方法)，外设编址方 式和指令设置方式。 2.基本概念：扩展操作码(扩展方法)、地址结构 (简化方法)、隐地址、显地址、基本寻址方式(立 即、直接、间址、变址)的含义与应用场合。,表示不同的功能调用,调试程序,早期主要用于程序的调试。,现在常常用于系统功能调用。,以 INT n 的形式出现在程序中。,第三章 CPU子系统,运算器,控制器,本章主要讨论：,运算器 控制器 数据通路结构 与外部的连接,指令的执行过程,CPU组成,CPU工作原理,第一节 运算器组织,独立结构,小型存储 器结构,单口 双口,寄存器组,独立R、双口RAM用多

23、路选择器作为ALU的输入逻辑， 单口RAM用锁存器作为ALU的输入逻辑。,3.1.1 带多路选择器的运算器,特点： R各自独立； 可同时向ALU提供两个操作数； 采用单向内总线。,3.1.2 带输入锁存器的运算器,特点： 单口RAM不能同时向ALU提供两个操作数； 用锁存器暂存操作数； 采用双向内总线。,3.1.3 位片式运算器,特点： 用双口RAM（两地址端、两数据端）作通用寄存器组，可同时提供数据； 用多路选择器作输入逻辑，不需暂存操作数； ALU增加乘、除功能，用乘商寄存器存放乘数、乘积或商。,例. 4位片运算器粗框,第二节 运算方法,3.2.1.1 补码加减法,数用补码表示，符号位参加

24、运算。,实际操作能否只取决于操作码？ 结果需不需修正？ 如何将减法转换为加法？,3.2.1 定点加减运算,1. 基本关系式,( X + Y )补 = X补 + Y补 （1） ( X - Y )补 = X补 + (-Y)补 （2）,式（1）：操作码为“加”时，两数直接相加。,3) X= 3 Y= 2,X补=0 0011 Y补=1 1110,0 0001,（+1补码）,2) X= 3 Y= 2,X补=1 1101 Y补=1 1110,1 1011,（ 5补码）,1) X=3 Y=2,X补=0 0011 Y补=0 0010,0 0101,（+5补码）,4) X= 3 Y= 2,X补=1 1101 Y

25、补=0 0010,1 1111,（1补码）,例. 求(X+Y)补,( X + Y )补 = X补 + Y补 （1） ( X - Y )补 = X补 + (-Y)补 （2）,式（2）：操作码为“减”时，将减转换为加。,1) X= 4 Y= 5,X补=0 0100 Y补=1 1011 (-Y)补=0 0101,0 1001,（+9补码）,2) X= 4 Y= 5,X补=1 1100 Y补=0 0101 (-Y)补=1 1011,1 0111,（9补码）,例. 求(X Y)补,Y补 (Y)补：,将Y补变补,不管Y补为正或负，将其符号连同尾数一起各位变反，末位加1。,即将减数变补后与被减数相加。,X补

26、=0 0100 Y补=1 1011,X补=1 1100 Y补=0 0101,注意：某数的补码表示与某数变补的区别。,例. 1 0101原 1 1011,补码表示,1 0011补 0 1101,变补,0 0101原 0 0101,补码表示,符号位不变；,负数尾数改变，正数尾数不变。,0 0011补 1 1101,变补,符号位改变，,尾数改变。,补码的机器负数,2. 算法流程,3. 逻辑实现,+1,（1）控制信号,加法器输入端：,+A：打开控制门，将A送。,+B：打开控制门，将B送。,+1：控制末位加 1 。,加法器输出端：,CPA：将结果打入A。,（2）补码加减运算器粗框,3.2.1.2 溢出判

27、断,在什么情况下可能产生溢出？,例.数A有4位尾数，1位符号SA 数B有4位尾数，1位符号SB,符号位参加运算,结果符号Sf 符号位进位Cf 尾数最高位进位C,正确,正溢,正确,负溢,正确,正确,1. 硬件判断逻辑一（SA、SB与Sf的关系）,溢出=,SA,SB,Sf,SA,Sf,SB,2. 硬件判断逻辑二（Cf与C的关系）,正确,正溢,正确,负溢,正确,正确,Cf=0 C =0,Cf=0 C =1,Cf=1 C =1,Cf=1 C =0,Cf=1 C =1,Cf=0 C =0,1,1,1,1,1,1,1. 硬件判断逻辑一（SA、SB与Sf的关系）,2. 硬件判断逻辑二（Cf与C的关系）,3.

28、 硬件判断逻辑三（双符号位）,第一符号位Sf1,第二符号位Sf2,1. 硬件判断逻辑一（SA、SB与Sf的关系）,2. 硬件判断逻辑二（Cf与C的关系）,3. 硬件判断逻辑三（双符号位）,3.2.1.3 移位操作,逻辑移位,：数码位置变化，数值不变。,1. 移位类型,算术移位,1 0 0 0 1 1 1 1,循环左移：,0,1 0 0 1 1 1 1,算术左移：,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,0,(-15),(-30),（1）单符号位 ：,0 0111,0 1110,（2）双符号位：,00 1110,00 0111,2.正数补码移位规则,（3）移位规则,0 0111,0

29、0011,01 1100,00 1110,00 0111,数符不变,（单：符号位不变；双：第一符号位不变）。,空位补0,（右移时第二符号位移至尾数最高位）。,（1）单符号位 ：,1 1011,1 0110,（2）双符号位：,10 1100,11 0110,3.负数补码移位规则,（3）移位规则,1 1011,1 1101,11 0110,11 1011,数符不变,（单：符号位不变；双：第一符号位不变）。,左移空位补0,（第二符号位移至尾数最高位）。,右移空位补1,3.2.1.4 舍入方法,1. 0舍1入（原码、补码）,0 00100原,1 00101原,1 11011补,2. 末位恒置1（原码、

30、补码）,0 00100原,1 11011补,1 00101原,0 0010原,1 0011原,1 1110补,0 0011原,1 0011原,1 1101补,1 0011原,1 1101补,例. 保留4位尾数：,例. 保留4位尾数：,3.2.2 定点乘法运算,3.2.2.1 原码一位乘法 每次用一位乘数去乘被乘数。 1.算法分析,例. 0.11011.1011,X原,Y原,（1）手算 0.1101 0.1011,1101 1101 0000 1101,0.10001111 上符号：1.10001111,部分积,问题：1）加数增多（由乘数位数决定）。 2）加数的位数增多（与被乘数、乘 数位数有关

31、）。 改进：将一次相加改为分步累加。,（2）分步乘法,每次将一位乘数所对应的部分积与 原部分积的累加和相加，并移位。,设置寄存器： A：存放部分积累加和、乘积高位 B：存放被乘数 C：存放乘数、乘积低位,步数 条件 操作 A C,00.0000 .1011,1）,Cn=1,+B,Cn,+ 00.1101,00.1101,1101,00.0110,1.101,0.1101 0.1011,2）,Cn=1,+B,+ 00.1101,01.0011,00.1001,11.10,0.1101 0.1011,3）,Cn=0,+0,+ 00.0000,00.1001,00.0100,111.1,4）,Cn=

32、1,+B,+ 00.1101,01.0001,00.1000,1111,X原Y原 = 1.10001111,2.算法流程,Y,Y,N,N,3.运算规则,（1）操作数、结果用原码表示； （2）绝对值运算，符号单独处理； （3）被乘数(B)、累加和(A)取双符号位； （4）乘数末位(Cn)为判断位，其状态决定 下步操作； （5）作n次循环（累加、右移）。,3.2.2.2 补码一位乘法 1.算法分析 X补 = X0.X1X2Xn,（1）Y为正：Y补 = 0.Y1Y2Yn (XY)补 = X补(0.Y1Y2Yn) （2）Y为负：Y补 = 1.Y1Y2Yn (XY)补 = X补(0.Y1Y2Yn)+(-

33、X)补 （3）Y符号任意： (XY)补 = X补(0.Y1Y2Yn)+(-X)补Y0,符号位,（4）展开为部分积的累加和形式： (XY)补 = X补(0.Y1Y2Yn)+(-X)补Y0,= X补(0.Y1Y2Yn)-X补Y0,Yn+1,比较法：用相邻两位乘数比较的结果决定 +X补、-X补或+0。,2.比较法算法 Yn(高位) Yn+1(低位) 操作(A补为部分积累加和),0 0 0 1 1 0 1 1,1/2A补 1/2(A补+X补) 1/2(A补-X补) 1/2A补,( 0 ),( 1 ),(-1 ),( 0 ),3.运算实例 X=-0.1101,Y=-0.1011,求(XY)补。 初值：A

34、=00.0000,B=X补=11.0011, -B=(-X)补=00.1101,C =Y补=1.0101,步数 条件 操作 A C,00.0000 1.0101,1）,1 0,-B,Cn,+ 00.1101,00.1101,00.0110,11.0101,2）,0 1,+B,+ 11.0011,11.1001,11.1100,111.010,3）,1 0,-B,+ 00.1101,00.1001,00.0100,1111.01,4）,0 1,+B,+ 11.0011,11.0111,11.1011,11111.0,0,Cn+1,CnCn+1,5）,1 0,-B,+ 00.1101,(XY)补

35、= 0.10001111,4）,0 1,+B,+ 11.0011,11.0111,11.1011,11111.0,5）,1 0,-B,+ 00.1101,00.1000,1111,修正,(1)A、B取双符号位，符号参加运算； (2)C取单符号位，符号参加移位，以决定最后是否 修正； (3)C末位设置附加位Cn+1，初值为0，CnCn+1组成判 断位，决定运算操作； (4)作n步循环,若需作第n+1步,则不移位,仅修正。,4.运算规则,1.0 : -B修正 0.1 : +B修正 0.0 : 不修正 1.1 : 不修正,3.2.3 定点除法运算,例. 0.101100.11111,0.10110,

36、1101,0.,0,1,11111,0.11111,0,0,0,1,11111,10101,0,1,11111,1011,0,0,.,00000,.,0.,商： 0.10110 余数：0.101102,实现除法的关键： 比较余数、除数 绝对值大小，以 决定上商。,3.2.3.1 原码恢复余数法 1.算法 比较两数大小可用减法试探。,2余数-除数=新余数,为正:够减,商1。 为负:不够减,商0,恢复原余数。,2.实例,X=-0.10110，Y=0.11111，求X/Y，给出商Q和余数R,设置：A：被除数、余数，B：除数，C：商,初值：A= X = 00.10110,B= Y = 00.11111

37、,C= Q = 0.00000,-B= 11.00001,步数 条件 操作 A C,00.10110 0.00000,1）,0,-B,01.01100,+11.00001,00.01101,0.00001,2）,1,-B,00.11010,+11.00001,11.11011,0.00010,3）,恢复余数,+B,+00.11111,00.11010,01.10100,0.00101,4）,0,-B,+11.00001,00.10101,Cn,SA,Q1,Q2,Q3,r0,2r0,r1,2r1,r2,r2,2r2,r3,步数 条件 操作 A C,00.10101 0.00101,5）,0,-B

38、,01.01010,+11.00001,00.01011,0.01011,6）,1,-B,00.10110,+11.00001,11.10111,0.10110,7）,恢复余数,+B,+00.11111,00.10110,Q= -0.10110,Cn,Q4,Q5,Q3,r3,2r3,r4,2r4,r5,r5,3.说明,3.2.3.2 原码不恢复余数法（加减交替法） 1.算法分析 第二步:2r1-B=r20 第三步:r2+B=r2(恢复余数) 第四步:2r2-B=r3,2r2-B=2(r2+B)-B =2r2+B=r3,第二步:2r1-B=r20 第三步:2r2+B=r3 (不恢复余数),2.算

39、法 ri+1=2ri+(1-2Qi)Y,ri为正，则Qi为1，第i+1步作2ri-Y； ri为负，则Qi为0，第i+1步作2ri+Y。,3.实例,X=0.10110，Y=-0.11111，求X/Y，给出商Q和余数R。,初值：A= X = 00.10110,B= Y = 00.11111,C= Q = 0.00000,-B=11.00001,步数 条件 操作 A C,00.10110 0.00000,1）,为正,-B,01.01100,+11.00001,00.01101,0.00001,2）,为负,-B,00.11010,+11.00001,11.11011,0.00010,3）,+B,+00

40、.11111,11.10110,0.00101,为正,00.10101,Cn,r,Q1,Q2,Q3,r0,2r0,r1,2r1,r2,2r2,r3,4）,为正,-B,01.01010,+11.00001,00.01011,0.01011,Q4,2r3,r4,步数 条件 操作 A C,00.01011 0.01011,6）,为负,恢复余数,+B,+00.11111,00.10110,Q= -0.10110,Cn,Q4,r4,5）,为正,-B,00.10110,+11.00001,11.10111,0.10110,Q5,2r4,r5,r5,4.运算规则,（1）A、B取双符号位，X、Y取绝对值运算，

41、X Y 。 （2）根据余数的正负决定商值及下一步操作。 （3）求n位商，作n步操作；若第n步余数为负，则第 n+1步恢复余数，不移位。,3.2.3.3 补码不恢复余数法（加减交替法） 如何判断是否够减？,如何上商？,如何确定商符？,1.判够减,(1)同号相除,1,0,1,0,够减,不够减,够减,不够减,够减：r与X、Y同号；,不够减：r与X、Y异号。,(2)异号相除,1,0,1,0,够减,够减,不够减,不够减,够减：r与X同号,与Y异号；,不够减：r与X异号,与Y同号。,（3）判断规则,同号：作X补-Y补,X补,Y补,够减：r补与Y补同号,不够减：r补与Y补异号,异号：作X补+Y补,够减：r补

42、与Y补异号,不够减：r补与Y补同号,2.求商值,同号：商为正,异号：商为负,够减商1 不够减商0,够减商0 不够减商1,(r、Y同号) (r、Y异号) (r、Y异号) (r、Y同号),够减商1 不够减商0,够减商0 不够减商1,(r、Y同号) (r、Y异号) (r、Y异号) (r、Y同号),(r、Y同号) (r、Y异号) (r、Y异号) (r、Y同号),够减商1 不够减商0,够减商0 不够减商1,上商规则：,余数与除数同号商1，异号商0。,3.算法 (ri+1)补=2ri补+(1-2Qi补)Y补,ri补与Y补同号，则Qi补为1，第i+1步作2ri补-Y补； ri补与Y补异号，则Qi补为0，第i

43、+1步作2ri补+Y补。,4.求商符,令X补 = r0补,r0补与Y补,同号：Q0补=1 异号：Q0补=0,与实际商 符相反,商符,5.商的校正,商,余数,真商=假商+1.00001,=Q0.Q1Q2Qn-1,求n-1位商,(假商),第n位商(末位商)恒置1,(3)-1,商符变反,n位,(4)余数求至rn,6.实例,X=0.10110，Y=-0.11111，求X/Y，给出商Q和余数R。,初值：A =X补=00.10110,B =Y补=11.00001,C =Q补=0.00000,-B =00.11111,步数 条件 操作 A C,00.10110 0.0000,1）,异号,+B,01.0110

44、0,+11.00001,00.01101,0.0000,2）,同号,+B,00.11010,+11.00001,11.11011,0.0001,Cn-1,r、Y,Q1,Q2,r0,2r0,r1,2r1,r2,求商符,Q0,异号,0,5）,+B,+11.00001,00.10110,11.10111,步数 条件 操作 A C,11.11011 0.0001,3）,异号,-B,11.10110,+00.11111,00.10101,0.0010,4）,异号,+B,01.01010,+11.00001,00.01011,0.0100,Cn-1,r、Y,Q3,Q2,r2,2r2,r3,2r3,r4,2

45、r4,r5,假商=0.0100,Q4,真商=0.0100+1.00001=1.01001,Q= -0.10111 R= -0.010012,-5,7.运算规则,（1）A、B取双符号位，符号参加运算，并且 X Y 。 （2）根据余数与除数的符号决定商值及下一 步操作。 （3）求n-1位商，作n步操作（求出rn）。 （4）对商校正（商符变反，第n位商恒置1）。,3.2.4 浮点四则运算,3.2.4.1 浮点加减运算 步骤： 1.检测能否简化操作。,判操作数是否为0,尾数为0 阶码下溢,2.对阶 例.,10.0 1,(1)对阶：使两数阶码相等(小数点实际位置对齐， 尾数对应权值相同)。,(2)对阶规

46、则：小阶向大阶对齐。,11 0.1,010.01,110.1,3.尾数加减.,(1) 1.0001 +0.1001,(4)阶码比较：比较线路或减法。,(3)对阶操作：小阶阶码增大，尾数右移。 例.AEBE，则BE+1 BE，BM，直到BE=AE,1.1010,(2) 0.0101 +0.1101,4.结果规格化,1.0010,应左移规格化,应右移规格化,若 Af1Af2=1,则右规：,(1) 11.0001 +00.1001,11.1010,(2) 00.0101 +00.1101,01.0010,(-1/2除外),Af1Af2 A1,11.1010,01.0010,Af1Af2,3.2.4.

47、2 浮点乘法运算,步骤：,1.检测操作数是否为0。 2.阶码相加。 若阶码用移码表示，相加后要修正。,3.尾数相乘。,相乘前不需对阶。,4.结果规格化。,一般左规。,3.2.4.3 浮点除法运算,步骤：,1.检测操作数是否为0。 2. AM BM ?,4.尾数相除。,相除前不需对阶。,5.结果不再规格化。,3.阶码相减。 若阶码用移码表示，相减后要修正。,简要回答下列问题 （1）原码一位乘法与补码一位乘法的主要区别是 什么？ （2）原码加减交替除法和补码加减交替除法分别 根据什么情况商1、商0？ （3）在浮点加减运算中如何进行对阶操作？ （4）在什么情况下需要左移规格化？什么情况下 需要右移规

48、格化？,第三章作业（一）,第三节 组合逻辑控制器原理,3.3.1 控制器组成,1.微命令发生器,功能：,产生全机所需的各种微命令,控制最基本的操作(微操作)的命令,电位型 脉冲型,2.指令计数器PC,功能：,指示指令在M中的位置。,PC+1,顺序执行：,PC先+1，再用转移地址修改PC,转移执行：,3.指令寄存器IR,功能：,存放现行指令。,决定操作性质,操作码字段,操作数地址 转移地址,IR,地址码字段,译码器,微命令发生器,地址形成部件,寻,D,4.状态寄存器PSW,功能：,指示程序运行方式，反映程序运行结果。,例. 某机的PSW,PSW,15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1

49、0,C=1 进位 V=1 溢出 Z=1 结果为0 N=1 结果为负,T=1, 执行跟踪程序,（1）条件码,反映程序运行结果,15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0,（2）跟踪标志,为程序查错设置的断点标志T。,程序,初始化置T为1,.,测试T,跟踪程序,.,.,程序优先级高于外部优先级，不响应 程序优先级低于外部优先级，可响应,用户方式：禁止程序执行某些指令 核心方式：允许程序执行所有指令,（3）优先级,为现行程序赋予优先级别，以决定是否响应外部中断请求。,15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0,（4）工作方式,规定程序的特权级。,PSW在CPU中，反映程序运行状态

50、；控制/状态字在接口中,反映CPU命令、设备状态。,5.时序线路,功能：,控制操作时间和操作时刻。,时序,时钟脉冲,工作脉冲,时钟周期(节拍),产生电位型微命令，控制操作时间段,产生脉冲型微命令，控制定时操作,1.取指令,PC,时序,3.3.2 控制器工作过程,地址,M,指令,IR,、译码(、寻址方式),PC+1,PC,2.取数,时序,按寻址方式，或从寄存器取数，或从存储器取数。,3.执行,按操作码对数据进行运算处理。,1.组合逻辑控制器的时序划分,3.3.3 时序控制方式,即时序信号与操作的关系, 采用三级时序系统：,指令周期,工作周期1,工作周期2,工作周期n,时钟周期1,时钟周期2,时钟

51、周期m,.,.,工作脉冲1,工作脉冲2,工作脉冲k,.,.,(节拍1),(节拍2),(节拍m), 时序关系：,晶振输出,工作周期1,工作周期2,工作周期3,时钟T1,工作脉冲P,时钟T2,指令周期,控制不同阶段操作时间,控制分步操作时间,对微操作定时,取指,执行,取数,取出指令,修改PC,打入IR,打入PC,2.时序控制方式及其变化,（1）同步控制,各项操作受统一时序控制。,定义：,特点：,有明显时序时间划分，,优缺点：,时序关系简单，时序划分规整， 控制不复杂；,时间安排不合理。,应用场合：,用于CPU内部、设备内部、系 统总线操作,控制逻辑易于集中，便于管理。,(各挂接部件速度相近，传送时

52、间确 定，传送距离较近)。,时钟周期时 间固定，,各步操作的衔接、各部件之间的数 据传送受严格同步定时控制。,各项操作受统一时序控制。,由CPU或其他设备提供,（2）异步控制,各项操作按不同需要安排时间，不 受统一时序控制。,定义：,特点：,无统一时钟周期划分，,例.异步传送操作, 主设备：,申请并掌握总线权的设备。,各操作间的 衔接和各部件之间的信息交换采用异步应答 方式。,主,从, 从设备：,响应主设备请求的设备。,发/接,接/发,主设备获得总线控制权, 操作流程：,主设备询问从设备,主设备发送/接收数据,主设备释放总线控制权,Y,N,主设备输出端与总线连接,主设备输出端与总线断开,时间安

53、排紧凑、合理； 控制复杂。,优缺点：,应用场合：,用于异步总线操作(各挂接部 件速度差异大，传送时间不确定，传送距离 较远)。,（3）同步方式的变化,指令周期长度可变，时钟周期长度不变。,不同指令安排不同时钟周期数,总线周期中插入延长周期,经总线传送一次数据所用的时间(送地址、读/写),总线周期长度可变，时钟周期长度不变。,总线周期(4T),例.一个总线周期包含4个时钟周期,送地址,读/写数据,结束,同步方式,送地址,读/写数据,结束,总线周期(5T),扩展同步方式,同步方式引入异步应答,以固定时钟周期作为时序基础，引入应答思 想。,例.8088最大模式，用一根总线请求/应答线实现总线权的转移

54、。,设备请求总线权,CPU使用总线,CPU使用总线,CPU使用总线,设备使用总线,设备,设备,CPU,CPU响应， 总线权交设备,CPU,设备释放总线权,CPU,设备,若干时钟,若干时钟,1.组合逻辑控制方式,3.3.4 组合逻辑控制方式的优缺点及应用,综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式， 用组合逻辑电路实现； 执行指令时，由组合逻辑电路(微命令发生 器)在相应时间发出所需微命令，控制有关 操作。, 产生微命令的速度较快。,2.优缺点, 设计不规整，设计效率较低；, 不易修改、扩展指令系统功能。,3.应用场合,用于高速计算机，或小规模计算机。,第五节 主机和外部设备的信息交换,3.5.1 主

55、机和外设的连接方式,1.辐射式,主机,I/O,I/O,I/O,早期：不易扩展,主机,接口,接口,现在：便于扩展,2.总线式,主机,接口,接口,I/O,I/O,I/O,便于扩展,总线,3.通道式,主机,通道,通道,I/O,I/O,I/O,并行能力 提高,3.5.2 信息传送控制方式,1.直接程序传送方式,用I/O指令编程实现信息传送。,（程序查询）,（1）外设状态,启动,完成一次 工作,调用完,再请求,00,01,10,空闲：调用前，设备不工作；,结束：调用后，设备完成工作。,在接口中设 置状态字表 示这些状态。,（2）查询流程,启动外设,N,Y,入/出操作,（3）优缺点,硬件开销小；,实时处理

56、能力差,并行程度低。,（4）应用场合,对CPU效率要求不高的场合，,或诊断、,调试过程。,2.中断方式,查询：,（1）中断的引入,程序,并行操作,主机,外设,空闲,启动,等待,工作,程序,交换数据,中断：,主机,程序,外设,空闲,启动,工作,程序,请求,中断程序,交换数据,程序,（2）中断定义,开中断,N,Y,继续原程序,（3）中断流程,CPU内设置允许中断标志,CPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为某个随机事态服务的中断处理程序。处理完毕后自动恢复原程序的执行。,=1 允许响应中断,（开中断）,=0 不允许响应中断,（关中断）,启动外设,执行中断服务程序,继续原程序,响应,返回,CLI ；,关中断，初始化,启动；,启动设备,响应,返回,例.PC系列机,允许中断位 IF=,0 关中断,1 开中断,STI ；,开中断,（4）程序组织,（5）硬件设置,响应逻辑,CPU禁止/允许设备请求,设备工作完成,（6）应用场合,用于中、低速I/O操作或处理复杂随机事态。,判优逻辑,请求逻辑,屏蔽逻辑,非屏蔽,CPU送屏蔽字,(动态改变设备优先级),设备提出请求,判别设备优先级,CPU响应请求，并转相应服务程序入口,CPU,接口,注意区分CPU对请求的屏蔽和对请求的响应。,送屏蔽字,