東南大學(xué)計算機結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計課件

1、1計 算 機 結(jié) 構(gòu)與 邏 輯 設(shè) 計東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2007年9月黃 清 研 究 員 Email: Phone: 837920662目的與任務(wù)： 本課程是信息工程類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，其學(xué)習(xí)目標(biāo)是掌握計算機的基本原理和數(shù)字邏輯設(shè)計的基本技術(shù)，為學(xué)習(xí)計算機類的其他課程和通信、電子、控制，信號處理直至電力電子等專業(yè)課程奠定必要基礎(chǔ)，同時培養(yǎng)用計算機組成的基本思路去考慮系統(tǒng)設(shè)計問題的能力，運用數(shù)字技術(shù)的基本原理分析數(shù)字電路的能力，用CPLD方法設(shè)計數(shù)字模塊及運用數(shù)字模塊構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)的能力。0 緒 論3教學(xué)重點1、掌握邏輯電路、時序電路的分析 和設(shè)計方法，2、理解邏輯運算電路的硬件

2、結(jié)構(gòu)，3、應(yīng)用中小規(guī)模集成電路設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)。4相關(guān)課程1、數(shù)學(xué)：布爾代數(shù)，集合論2、電路、電子線路基礎(chǔ)：門電路基礎(chǔ)3、VHDL語言(Top-down設(shè)計方法)4、微機原理與接口技術(shù)5、計算機組織結(jié)構(gòu)與性能(英文)50.1 計算機發(fā)展 復(fù)雜指令系統(tǒng): 80808086 80486 Pentium變指令格式！TMS32010 TMS320C3X TMS320C6X 簡易指令系統(tǒng)(RISC)：i860, PowerPC固定指令格式！0.2.1 數(shù)字信號：0、1 用二進(jìn)制表示，布爾代數(shù)描述0.2 數(shù)字信號與數(shù)字電路0.2.2 數(shù)字電路的優(yōu)點（1）數(shù)字信息存貯方便，可以通過打印或制成(光)盤長期保存（2

3、）便于用數(shù)字計算機控制或處理（3）集成化程度高6 0.3 計算機的基本結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器運算器控 制 器圖0.2 計算機的基本結(jié)構(gòu)7總線結(jié)構(gòu)：計算機各部分之間是依靠總線相聯(lián)系的， 總線是一組用來傳輸數(shù)據(jù)和信息的連線。 I/O設(shè)備I/O設(shè)備存儲器CPU存儲器CPUI/O設(shè)備I/O設(shè)備以內(nèi)存為中心的雙總線結(jié)構(gòu)單 總 線 結(jié) 構(gòu)80.4 計算機的運行虛擬機器M4（使用高級語言）虛擬機器M3（使用匯編語言或其它中間語言）虛擬機器M2（使用操作系統(tǒng)）實際機器M1（使用機器語言）執(zhí)行 由硬件或微程序執(zhí)行機器語言解釋 由機器語言解釋操作系統(tǒng)語言編譯2 經(jīng)編譯程序翻譯成機器語言程序或操作系統(tǒng)語言編譯1

4、 經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語言程序或其它中間語言程序9計算機的運行過程可概括為： 通過輸入設(shè)備將使用者提供的數(shù)據(jù)和程序存入存儲器；按程序的安排將數(shù)據(jù)從存儲器中取出，送到運算器中處理，然后再送入存儲器；將處理的結(jié)果從存儲器中取出，通過輸出設(shè)備報告使用者或完成某項控制任務(wù)。輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器運算器控 制 器100.5 計算機與數(shù)字系統(tǒng)1）計算機的活動是控制器按照存放在存儲器中的程序，一條指令一條指令地按序執(zhí)行；2） 每條指令包含若干操作，這些操作的基本內(nèi)容是將數(shù)據(jù)從一個寄存器（經(jīng)過處理）向另一個寄存器傳送，而每一個操作都是在控制器的命令下完成的。 計算機與數(shù)字系統(tǒng)對比純硬件構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)： 只完成

5、特定功能；耗材多；速度高數(shù)字計算機： 處理能力強；速度低111.1 計算機中的數(shù)制、權(quán)的概念1.2 計算機中的數(shù)的表示方法與格式1 計算機中的數(shù)制和碼制121.1 計算機中的數(shù)制、權(quán)的概念1.1 .1 十進(jìn)制1.1 .2 R進(jìn)制基數(shù)di0,1,9基數(shù)ri0,1,R-1131.1 .3 二進(jìn)制1.1 .4 二進(jìn)制的優(yōu)點電路實現(xiàn)方便, 2) 需要的設(shè)備量少, 3) 運算規(guī)則簡單1.1 .5 數(shù)制間的轉(zhuǎn)換141.1.5.1 二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制二進(jìn)制數(shù)：01011010.11 b=90.75 d151.1.5.2 十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制十進(jìn)制數(shù)：26d=11010b 商 01 3 6 13 26 (2)

6、余數(shù) 1 1 0 1 0 (二進(jìn)制數(shù)， H -L)161.1 .6 八進(jìn)制與十六進(jìn)制(縮短書寫長度)二進(jìn)制數(shù)八進(jìn)制數(shù)0000010100111001011101110123456717十六進(jìn)制數(shù)h二進(jìn)制數(shù)b循環(huán)碼0123456789ABCDEF000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位二進(jìn)制碼、循環(huán)碼181.2.1 碼的概念（二進(jìn)制碼與循環(huán)碼）1.2 計算機中的數(shù)的表示方法與格式

7、1.2.2 實數(shù)在計算機中的表示原碼表示法：分符號位S和尾數(shù)m。0表示為正，1表示為負(fù)。Sm1.2.2.1 實數(shù)的補碼表示法同余：某個模（Mode)為M的系統(tǒng)中，一個數(shù)與其模的整數(shù)倍相加或相減時，其值不變，即 A=A+n M (mod M)Mod (x, y) = x - y*floor(x/y)1) 補數(shù)的概念 如果A和A兩個數(shù)之和等于某個固定的數(shù)M（稱為模），則稱數(shù)A是數(shù)A的關(guān)于模M的補數(shù)，或簡稱M的補數(shù)，即A=M-A；反之，數(shù)A也是數(shù)A的關(guān)于模M的補數(shù)（A=M-A）。A - B=A B + M （mod M) (同余的性質(zhì)） =A+（M-B） =A + B 利用補數(shù)可將加法和減法統(tǒng)一起來

8、。192) 二進(jìn)制的真補碼（R補碼, 補碼）對于n 位二進(jìn)制碼系統(tǒng)，實數(shù)m，不考慮符號位，用系統(tǒng)的模為2n-1 ，補碼為10000000-0000110101110011取n-1位，將符號位添加上得1111,0011。若符號位與尾數(shù)一起計算，系統(tǒng)模為2n，同樣符號位不變，如-13d=1000,1101b?？紤]符號位，得 100000000- 10001101001110011取n-1位，將符號位加上得1111,0011。在2的補碼系統(tǒng)中完成二進(jìn)制數(shù)+72d與-13d的加法運。+72d的補碼為01001000,-13d的2的補碼是11110011，將兩數(shù)相加，結(jié)果仍然是一個補碼，對應(yīng)數(shù)為+59d

9、。 01001000+ 11110011100111011舍去符號位不變。如-13d=1000,1101b，Sm=2n-1+m201.2.2.2 二進(jìn)制的基數(shù)減1補碼（R-1補碼，反碼）1的補碼的格式與2的補碼相同，只是其模為2n-1。對于8位二進(jìn)制數(shù)而言，其模為11111111。其余處理與2補碼相同。但是用1的補碼求得的運算結(jié)果還要再加上1。 求2的補碼方法：先求其1的補碼（即將尾數(shù)各位變反），然后再加1，而不再通過減法運算實現(xiàn)。 1.2.3 定點數(shù)與浮點數(shù)1.2.3.1 定點（Fixed-Point）數(shù)SI小數(shù)點默認(rèn)位置V=(-1)sI以上格式只能表示整數(shù)SF小數(shù)點默認(rèn)位置V=(-1)s0

10、.F以上格式只能表示小數(shù)211.2.3.2 浮點（Floating-Point）數(shù)SCCSI小數(shù)點默認(rèn)位置其中，S是此實數(shù)的符號，I 是尾數(shù)，C則稱為階碼，SC是階碼的符號。V=（-1)sI 2(-1) CSCSCCSF小數(shù)點默認(rèn)位置V=（-1)s0.F 2(-1) CSC格式1：格式2：221.2.3.3 兩種特殊的浮點數(shù)格式1）IBM浮點數(shù)格式（1）32位字長SCF位號017831SCF位號017863（2）64位字長V=（-1)s0.F 16C-642） IEEE浮點數(shù)格式（1）32位字長SEF位號019831SEF位號01111263V=（-1)s1.F 16E-1023V=（-1)s

11、1.F 16E-127 （2）64位字長231.2.4 十進(jìn)制數(shù)的表示方法十進(jìn)制數(shù)NNBCD（8421)碼余3碼2421碼循環(huán)碼00000001100000000100010100000100012001001010010001130011011000110010401000111010001105010110001011011160110100111000101701111010110101008100010111110110091001110011111000十進(jìn)制的數(shù)碼在計算機中以二進(jìn)制碼的形式出現(xiàn)，稱為BCD瑪（Binary Coded Decimal)。24表1.7 ASCII編碼表b3b2b1b0b6b5b40000010100111001011101110000NULDLESP0P、p0001SOHDC1!1AQaq0