計算機組成原理[完整版](羅克露)(全)原版1.1.2信息的數(shù)字化表示

1.在計算機中用數(shù)字代碼表示各種信息

二進(jìn)制代碼例1用數(shù)字代碼表示數(shù)據(jù)

5

-5

表示為0101

表示為1101

例2用數(shù)字代碼表示字符

A

B

表示為1000001

表示為1000010

例3用數(shù)字代碼表示命令、狀態(tài)

啟動

停止

正在工作

工作結(jié)束

表示為00

表示為01

表示為10

表示為11

2.在物理機制上用數(shù)字信號

數(shù)字型電信號例1用電平信號表示數(shù)字代碼

高電平

1

低電平

高電平

0

1

例2用脈沖信號表示數(shù)字代碼

有脈沖無脈沖有脈沖101

表示數(shù)字代碼

實現(xiàn)并行操作實現(xiàn)串行操作1.1.3存儲程序工作方式

1.事先編制程序3.自動、連續(xù)地執(zhí)行程序

2.事先存儲程序傳統(tǒng)諾依曼機串行執(zhí)行指令。對傳統(tǒng)諾依曼機的改造：增加并行處理功能。第二節(jié)計算機系統(tǒng)的硬件組成1.2.1主要功能部件1.CPU由運算器、控制器組成。（1）運算器1）功能：加工信息。2）組成：移位器ALU選擇器通用寄存器組選擇器移位器ALU選擇器通用寄存器組選擇器

ALU:通過加法器實現(xiàn)運算操作（由全加器求和、由進(jìn)位鏈傳遞進(jìn)位信號）。移位器ALU選擇器通用寄存器組選擇器通用寄存器組：提供操作數(shù)，存放運算結(jié)果。移位器ALU選擇器通用寄存器組選擇器選擇器：選擇操作數(shù)；選擇控制條件，實現(xiàn)各種算法。移位器ALU選擇器通用寄存器組選擇器移位器：直接或者移位送出運算結(jié)果。3）討論幾種典型的運算器組成

幾種主要的運算方法（定、?。?）控制器1）功能：產(chǎn)生控制命令(微命令)，控制全機操作。2）組成：微命令發(fā)生器指令信息狀態(tài)信息時序信號微命令序列微命令產(chǎn)生方式（指令執(zhí)行控制方式）：3）討論兩種控制器組成原理與控制機制；模型機的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)和指令執(zhí)行過程。組合邏輯控制方式：微程序控制方式：由組合邏輯電路產(chǎn)生微命令由微指令產(chǎn)生微命令存儲體地址寄存器譯碼器讀/寫線路數(shù)據(jù)寄存器控制線路……………………2.存儲器1）功能:存儲信息。2）組成（主存儲器）：存儲體地址寄存器譯碼器讀/寫線路數(shù)據(jù)寄存器控制線路……………………

存儲體:存放信息的實體。

尋址系統(tǒng)：對地址碼譯碼，選擇存儲單元。

讀/寫線路和數(shù)據(jù)寄存器：完成讀/寫操作，暫存讀/寫數(shù)據(jù)。存儲體地址寄存器譯碼器讀/寫線路數(shù)據(jù)寄存器控制線路……………………控制線路：產(chǎn)生讀/寫時序，控制讀/寫操作。3.輸入/輸出設(shè)備1）功能：轉(zhuǎn)換信息。輸入：原始信息代碼，送入主機輸出：處理結(jié)果人所能接受的形式，并輸出（代碼）2）討論顯示器的工作原理和信息轉(zhuǎn)換過程。3）討論存儲單元讀/寫原理、存儲器邏輯設(shè)計

1.2.2硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.以總線為基礎(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總線：能為多個部件分時共享的一組信息傳送線路。總線部件部件部件總線功能

內(nèi)總線

局部總線

系統(tǒng)總線

外總線信息

地址總線

數(shù)據(jù)總線

控制總線時序

同步總線

異步總線格式

并行總線

串行總線方向

單向總線

雙向總線（1）以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)CPUM接口接口I/OI/OI/O總線M總線（2）單總線結(jié)構(gòu)CPUM接口接口I/OI/O系統(tǒng)總線（3）以M為中心的雙總線結(jié)構(gòu)CPUM接口接口I/OI/O系統(tǒng)總線

M總線（4）多級總線結(jié)構(gòu)CPURAMROM公共接口總線控制邏輯M擴展板I/O接口板局部總線系統(tǒng)總線2.采用通道或IOP的大型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）帶通道的系統(tǒng)I/O控制器主機I/O通道（2）帶IOP的系統(tǒng)CPUM接口I/OIOPLM接口I/O系統(tǒng)總線I/O總線3.模型機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線CPUM公共接口接口接口I/OI/O4.討論接口：中斷接口、DMA接口總線：分類、信號組成第三節(jié)計算機系統(tǒng)的性能指標(biāo)1.基本字長指操作數(shù)的基本位數(shù)。它影響計算精度、指令功能。2.存儲容量（1）主存容量指存儲單元個數(shù)×位數(shù)。決定地址位數(shù)表明編址單位表示為：字?jǐn)?shù)×字長（按字編址）或字節(jié)數(shù)（按字節(jié)編址）（2）外存容量常表示為字節(jié)數(shù)。

外存容量與地址碼位數(shù)無關(guān)。3.運算速度（1）定點/浮點四則運算時間（2）每秒平均執(zhí)行的指令條數(shù)（MIPS）（3）CPU時鐘頻率（MHz）總線位數(shù)×總線時鐘頻率85.處理功能（1）指令系統(tǒng)功能（尋址方式、指令

類型）（2）系統(tǒng)軟件配置總線帶寬=4.數(shù)據(jù)傳輸率（B/S）第二章計算機中的信息表示

數(shù)據(jù)信息控制信息數(shù)值型數(shù)據(jù)非數(shù)值型數(shù)據(jù)指令信息等

第一節(jié)數(shù)據(jù)信息的表示

2.1.1表示數(shù)據(jù)的大小二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制、二-十進(jìn)制2.1.2表示數(shù)據(jù)的符號原碼、補碼、反碼2.1.3表示小數(shù)點定點、浮點1.定點表示法無符號數(shù)定點整數(shù)定點小數(shù)0000000011111111（0）（255）1111111101111111原原（-127）

（127）補1000000001111111補（-128）

（127）1.11111110.1111111原原-(1-2-7)(1-2-7)1.00000000.1111111補補（-1）(1-2-7)類型E浮點數(shù)真值：N=+R×M階碼Ef

E1…EmMf

M1

…Mn浮點數(shù)機器格式：尾數(shù)階符數(shù)符R：階碼底，隱含約定。E：階碼，為定點整數(shù)，補碼或移碼表示。其位數(shù)決定數(shù)值范圍；階符表示數(shù)的大小。M：尾數(shù)，為定點小數(shù)，原碼或補碼表示。其位數(shù)決定數(shù)的精度；數(shù)符表示數(shù)的正負(fù)。尾數(shù)規(guī)格化：1/2≤M＜1最高有效位絕對值為12.浮點表示法

第二節(jié)指令信息的表示

指令：指示計算機執(zhí)行某類操作的信息的集合。本節(jié)主要討論：一般指令格式常用尋址方式面向用戶指令類型2.2.1指令格式指令基本格式操作碼θ地址碼D一個一個或幾個1.指令字長定長指令格式變長指令格式便于控制（1）定長操作碼各指令θ的位置、位數(shù)固定相同。（2）擴展操作碼各指令θ的位置、位數(shù)不固定，根據(jù)需要變化。合理利用存儲空間2.操作碼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵在設(shè)置擴展標(biāo)志。例.指令字長16位，可含有3、2、1或0個地址，每個地址占4位。操作碼地址碼

15~1211~87~43~00000X

Y

Z

1110X

Y

Z............11110000YZ

11111110

YZ............三地址指令15條二地址指令15條1111

11110000Z

111111111110Z............一地址指令15條1111

1111

1111000011111111

11111111............零地址指令16條（3）復(fù)合型操作碼操作碼分為幾部分，每部分表示一種操作。例.某機算邏指令3.地址結(jié)構(gòu)01234567815基本操作進(jìn)位移位回送判跳操作數(shù)指令中提供的地址數(shù)存儲單元地址碼寄存器編號（1）指令提供地址的方式顯地址方式隱地址方式:指令中明顯指明地址。:地址隱含約定,不出現(xiàn)在指令中。直接或間接給出（2）地址結(jié)構(gòu)的簡化操作數(shù)地址●四地址結(jié)構(gòu)指令格式：使用隱地址可以減少指令中的地址數(shù)，簡化地址結(jié)構(gòu)。θD1D2D3D4結(jié)果地址下條指令地址功能：(D1)θ(D2)D3(D4)下條指令用指令計數(shù)器PC指示指令地址。●三地址結(jié)構(gòu)指令格式：操作數(shù)地址θD1D2D3結(jié)果地址下條指令地址功能：轉(zhuǎn)移時，用轉(zhuǎn)移地址修改PC內(nèi)容。(D1)θ(D2)D3(PC)+1PC源/目的●二地址結(jié)構(gòu)指令格式：θD1D2目的/源功能：(D1)θ(D2)D2/D1(PC)+1PC雙操作數(shù)：●一地址結(jié)構(gòu)指令格式：θD1隱含約定單操作數(shù)：功能：●零地址結(jié)構(gòu)指令格式：(D1)θ(A)A(PC)+1PCθ(D1)D1(PC)+1PCθ

功能：用于堆?；蛱厥庵噶畈僮鳌＠?ADD；執(zhí)行前：低SP102046SP3046執(zhí)行后：高低高2.2.2尋址方式是指尋找操作數(shù)地址或操作數(shù)的方式。操作碼θ立即數(shù)S（1）立即尋址指令直接給出操作數(shù)。1.常見尋址方式定長格式：變長格式：基本指令

立即數(shù)S數(shù)在指令中，其長度固定、有限。數(shù)在基本指令之后，其長度可變。用來提供常數(shù)、設(shè)置初值等。操作碼θ有效地址D（2）直接尋址指令直接給出操作數(shù)地址。存儲單元號寄存器號(數(shù)在M中)(數(shù)在R中)

●存儲器直接尋址（直接尋址）定長格式D的位數(shù)有限,限制訪存范圍變長格式基本指令

DL

DHD的位數(shù)可覆蓋整個存儲空間S=（D）操作碼θ寄存器號R存儲單元號寄存器號(數(shù)在M中)(數(shù)在M中)●寄存器直接尋址（寄存器尋址）格式R所占位數(shù)少；訪問R比訪問M快格式S=（R）用于訪問固定的存儲單元或寄存器。（3）間接尋址指令給出操作數(shù)的間接地址。●存儲器間址操作碼θ間接地址DD=00300060...0060

S...S=((D))

M間址單元地址指針操作碼θ寄存器號R●寄存器間址格式R所占位數(shù)少；R可提供全字長地址碼；修改R內(nèi)容比修改M內(nèi)容快。格式S=((R))指針不變(由指令指定)，指針內(nèi)容可變，使同一指令可指向不同存儲單元，以實現(xiàn)程序的循環(huán)、共享，并提供轉(zhuǎn)移地址。●堆棧尋址操作碼θ堆棧指針SP

SP...

S...S=((SP))

MR=02

M00400040

S.........地址指針0070...棧頂格式SP既可出現(xiàn)在指令中，也可隱含約定。●變址尋址（4）變址、基址尋址及其變化SP棧頂

M

S.........低高堆棧向上生成壓棧：SP自動減1，再存數(shù)。-(SP)，自減型間址。先取數(shù)，SP再自動加1。(SP)+，自增型間址。出棧：指令給出一個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。操作碼θRXDD的位數(shù)有限，若不能提供全字長地址碼，會使訪存空間受到限制。變址寄存器號例.用變址方式訪問一組連續(xù)區(qū)間內(nèi)的數(shù)組元素。S=((RX)+D)D=首址D為存儲區(qū)首址；(RX)為所訪單元距離首址的長度；RX初值為0，每訪問一個單元，(RX)+1。格式操作碼θRXD形式地址修改量基準(zhǔn)地址n-1...012...D+1D+2D+n-1

...格式（D的位數(shù)只需覆蓋一個較小的存儲區(qū)間）●基址尋址基址寄存器號Rb

4K指令給出一個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。操作碼θRbD位移量S=((Rb)+D)基準(zhǔn)地址相對于基址的位移

M......…...…...Rb

4K改變Rb的內(nèi)容，程序能訪問存儲空間中任何一個定長區(qū)間(4K)。便于訪問兩維數(shù)組中某類指定的元素。

4K

4KRb

M......…...…...RbD=2D=2學(xué)生姓名性別性別年齡年齡學(xué)生姓名變址與基址的區(qū)別：變址：指令提供基準(zhǔn)量(不變)，

R提供修改量(可變)；適于處理一維數(shù)組?；罚褐噶钐峁┪灰屏?不變)，

R提供基準(zhǔn)量(可變)；用于擴大有限字長指令的訪存空間。S=((RX)+(Rb)+D)格式●基址加變址變址寄存器號指令給出兩個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。位移量操作碼θRXRbD基址寄存器號便于處理兩維數(shù)組。格式●相對尋址指令給出位移量，PC內(nèi)容與位移量之和為有效地址。位移量操作碼θPC

±D或隱含指定S=((PC)±D)有效地址相對PC上下浮動,給編程帶來方便。格式●頁面尋址指令給出位移量，PC的高位部分與位移量拼接，形成有效地址。位移量操作碼θPC

D或隱含指定S=((PC)H，D)例.M為64KB，劃分為256頁，每頁256B。頁號頁內(nèi)地址用于頁式管理存儲系統(tǒng)。尋址速度快，適于組織程序模塊，有效利用存儲空間。PC0165H7C.........017CHS2.對尋址方式的說明

（1）操作碼隱含說明不同尋址方式例.某機指令操作碼最高兩位00：RR型指令，寄存器-寄存器尋址01：RX型指令，寄存器-變址尋址10：SI型指令，基址-立即尋址11：SS型指令，基址-基址尋址（2）指令中設(shè)置專門字段說明尋址方式例.某機指令的每個地址字段中各設(shè)置一個3位的尋址方式字段。操作碼θ尋址方式R尋址方式R源地址字段目的地址字段3位3位2.2.3指令類型1.傳送指令源地址目的地址數(shù)設(shè)置時需考慮：（1）規(guī)定傳送范圍例.DJS-100系列：

80X86：

IBM370：R

MR

M，R

RR

M，R

R，M

M（2）指明傳送單位例.用操作碼說明(VAX-11)：用地址量說明(80X86)：傳送次數(shù)由計數(shù)器控制MOVB

8MOVAX，BX

MOVW

16MOVL

32MOVAL，BL

MOVEAX，EBX

例.80X86的串傳送指令：REP

MOVSW（3）設(shè)置尋址方式在尋址方式的設(shè)置上幾乎不受限制，能比較集中地反映指令系統(tǒng)各種尋址方式的實現(xiàn)。816322.輸入/輸出指令各種信息主機外設(shè)設(shè)置時需考慮：（1）I/O指令的功能擴展如何用通用I/O指令實現(xiàn)對各種具體設(shè)備的控制？●I/O指令中留有擴展余地指令中某些字段編碼事先不定義，需要時再約定其含義?！馡/O接口中設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器用于外設(shè)種類、數(shù)量不多的場合。（2）主機對外設(shè)的尋址方式如何設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器是接口設(shè)計的關(guān)鍵。尋找I/O接口中的寄存器的方式。主機用輸出指令或傳送指令將具體設(shè)備的控制命令按約定的代碼格式送往接口中的控制寄存器，向外設(shè)發(fā)出命令。外設(shè)的狀態(tài)信息也以某種格式放在接口的狀態(tài)寄存器中，主機用輸入指令或傳送指令從狀態(tài)寄存器中取出有關(guān)信息進(jìn)行查詢、分析。I/O端口尋找I/O接口中的寄存器的方式。如何為I/O端口分配地址？●單獨編址I/O地址空間不占主存空間，可與主存空間重疊。=1訪問存儲器=0訪問I/O端口需設(shè)置標(biāo)志區(qū)分訪問對象，如編址到寄存器：為每個寄存器(I/O端口)分配獨立的端口地址；

I/O指令中給出端口地址。M/IO●統(tǒng)一編址I/O端口占據(jù)部分主存空間。常將存儲空間的低端分配給主存單元，高端分配給I/O端口，以示區(qū)分。編址到寄存器●設(shè)置專用I/O指令針對單獨編址，用I/O指令訪問I/O端口。指令中說明輸入/輸出操作，并給出端口地址。

：為每個寄存器(I/O端口)分配總線地址；訪問外設(shè)時，指令中給出總線地址。（3）I/O指令設(shè)置方式顯式I/O指令例.80X86I/O指令設(shè)置輸入：INAL，n；端口地址(n)AL(直接端口尋址)

INAL，DX；間接端口地址((DX))AL(間接端口尋址)輸出：OUTn，AL；(AL)n(直接端口尋址)

OUTDX，AL；(AL)(DX)(間接端口尋址)主機調(diào)用輸入機：●用傳送指令實現(xiàn)I/O操作針對統(tǒng)一編址，用傳送指令訪問I/O端口。不設(shè)專用I/O指令。例.某機I/O接口中設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器CSR,其總線地址為177550(8進(jìn)制)數(shù)據(jù)緩沖寄存器DBR，其總線地址為177552隱式I/O指令控制/狀態(tài)字格式：出錯

故障

忙

完成

允許中斷

維護(hù)

校驗

啟動：測試：取數(shù)：主機

177550控制字(啟動位為1)傳送指令主機

177550

狀態(tài)字傳送指令主機

177552

數(shù)據(jù)傳送指令●通過I/O處理機進(jìn)行I/O操作CPU執(zhí)行簡單I/O指令

(啟動、停止、查詢、清除)設(shè)置時需考慮操作數(shù)類型、符號、進(jìn)制等；運算結(jié)束后設(shè)置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志。兩級I/O指令（1）算術(shù)運算指令I(lǐng)/O處理機執(zhí)行I/O操作指令

(輸入、輸出……)3.算術(shù)邏輯運算指令（2）邏輯運算指令實現(xiàn)對代碼位的設(shè)置、測試、清除、修改等。與或異或控制程序流程。（1）轉(zhuǎn)移指令4.程序控制指令（2）轉(zhuǎn)子指令與返回指令轉(zhuǎn)子：操作碼子程序入口無條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移循環(huán)：操作碼轉(zhuǎn)移地址：操作碼轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移條件：轉(zhuǎn)移條件為循環(huán)計數(shù)值返回：操作碼返回地址同一條返回指令應(yīng)能提供多個不同的返回地址。返回地址的存?。河枚褩４娣欧祷氐刂?。（3）軟中斷指令程序自陷指令第二章復(fù)習(xí)提綱1.I/O指令的功能擴展(目的、方法)，外設(shè)編址方式和指令設(shè)置方式。2.基本概念：擴展操作碼(擴展方法)、地址結(jié)構(gòu)(簡化方法)、隱地址、顯地址、基本尋址方式(立即、直接、間址、變址)的含義與應(yīng)用場合。表示不同的功能調(diào)用…調(diào)試程序………早期主要用于程序的調(diào)試?，F(xiàn)在常常用于系統(tǒng)功能調(diào)用。以INTn

的形式出現(xiàn)在程序中。第三章CPU子系統(tǒng)運算部件寄存器寄存器控制部件運算器控制器本章主要討論：運算器控制器數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)與外部的連接指令的執(zhí)行過程CPU組成CPU工作原理

第一節(jié)運算器組織

獨立結(jié)構(gòu)小型存儲器結(jié)構(gòu)單口雙口寄存器組獨立R、雙口RAM用多路選擇器作為ALU的輸入邏輯，單口RAM用鎖存器作為ALU的輸入邏輯。3.1.1帶多路選擇器的運算器移位器ALU多路選擇器多路選擇器R0RnR0...RnR0...Rn內(nèi)部總線（單向）特點：R各自獨立；可同時向ALU提供兩個操作數(shù)；采用單向內(nèi)總線。3.1.2帶輸入鎖存器的運算器特點：單口RAM不能同時向ALU提供兩個操作數(shù)；用鎖存器暫存操作數(shù)；采用雙向內(nèi)總線。移位器ALU鎖存器鎖存器內(nèi)部總線（雙向）R0Rn通用寄存器組（小型存儲器）3.1.3位片式運算器特點：用雙口RAM（兩地址端、兩數(shù)據(jù)端）作通用寄存器組，可同時提供數(shù)據(jù)；用多路選擇器作輸入邏輯，不需暫存操作數(shù)；ALU增加乘、除功能，用乘商寄存器存放乘數(shù)、乘積或商。例.4位片運算器粗框移位器ALU多路選擇器多路選擇器DO

RAMDi

B地址A地址CnDBDAG、P控制信息Cn+4乘商寄存器444444444444

第二節(jié)運算方法3.2.1.1補碼加減法數(shù)用補碼表示，符號位參加運算。實際操作能否只取決于操作碼？結(jié)果需不需修正？如何將減法轉(zhuǎn)換為加法？

3.2.1定點加減運算1.基本關(guān)系式

(X+Y)補

=X補

+Y補

（1）

(X-Y)補

=X補

+(-Y)補

（2）式（1）：操作碼為“加”時，兩數(shù)直接相加。3)X=3Y=–2

X補=00011Y補=1111000001（+1補碼）2)X=–3Y=–2

X補=11101Y補=1111011011（–5補碼）1)X=3Y=2

X補=00011Y補=0001000101（+5補碼）4)X=–3Y=2

X補=11101Y補=0001011111（–1補碼）例.求(X+Y)補

(X+Y)補

=X補

+Y補

（1）

(X-Y)補

=X補

+(-Y)補

（2）式（2）：操作碼為“減”時，將減轉(zhuǎn)換為加。1)X=4Y=–5

X補=00100Y補=11011(-Y)補=0010101001（+9補碼）2)X=–4Y=5

X補=11100Y補=00101(-Y)補=1101110111（–9補碼）例.求(X–Y)補Y補(–Y)補：將Y補變補不管Y補為正或負(fù)，將其符號連同尾數(shù)一起各位變反，末位加1。即將減數(shù)變補后與被減數(shù)相加。

X補=00100

Y補=11011

X補=11100

Y補=00101注意：某數(shù)的補碼表示與某數(shù)變補的區(qū)別。例.10101原

11011補碼表示10011補

01101變補

00101原

00101補碼表示符號位不變；負(fù)數(shù)尾數(shù)改變，正數(shù)尾數(shù)不變。00011補

11101變補符號位改變，尾數(shù)改變。補碼的機器負(fù)數(shù)2.算法流程操作數(shù)用補碼表示，符號位參加運算結(jié)果為補碼表示，符號位指示結(jié)果正負(fù)X補+Y補X補+(-Y)補ADDSUB3.邏輯實現(xiàn)A(X補)B(Y補)+AABB+B+B+1CPA

∑

A（1）控制信號加法器輸入端：+A：打開控制門，將A送∑。+B：打開控制門，將B送∑。+1：控制末位加1。+B：打開控制門，將B送∑。加法器輸出端：∑

A：打開控制門，將結(jié)果送A輸入端。CPA：將結(jié)果打入A。（2）補碼加減運算器粗框∑3.2.1.2溢出判斷在什么情況下可能產(chǎn)生溢出？例.數(shù)A有4位尾數(shù)，1位符號SA

數(shù)B有4位尾數(shù)，1位符號SB

符號位參加運算結(jié)果符號Sf符號位進(jìn)位Cf尾數(shù)最高位進(jìn)位C正確0001100010（1）A=3B=23+2：00101（2）A=10B=710+7：010100011110001正溢正確負(fù)溢正確正確（3）A=-3B=-2-3+(-2)：110111110111110（4）A=-10B=-7-10+(-7)：011111011011001（5）A=6B=-46+(-4)：000100011011100（6）A=-6B=4-6+4：111101101000100（2）A=10B=710+7：01010

0011110001（4）A=-10B=-7-10+(-7)：0111110110110011.硬件判斷邏輯一（SA、SB與Sf的關(guān)系）溢出=SASBSfSASfSB2.硬件判斷邏輯二（Cf與C的關(guān)系）正確0001100010（1）A=3B=23+2：00101（2）A=10B=710+7：010100011110001正溢正確負(fù)溢正確正確（3）A=-3B=-2-3+(-2)：110111110111110（4）A=-10B=-7-10+(-7)：011111011011001（5）A=6B=-46+(-4)：000100011011100（6）A=-6B=4-6+4：111101101000100Cf=0C=0Cf=0C=1Cf=1C=1Cf=1C=0Cf=1C=1Cf=0C=0111111（2）A=10B=710+7：01010

0011110001（4）A=-10B=-7-10+(-7)：0111110110110011.硬件判斷邏輯一（SA、SB與Sf的關(guān)系）溢出=SASBSfSASfSB2.硬件判斷邏輯二（Cf與C的關(guān)系）溢出=CfC3.硬件判斷邏輯三（雙符號位）（1）3+2：正確00001100001000

0101（2）10+7：001010000111010001正溢正確負(fù)溢正確正確（3）-3+(-2)：110111111101111110（4）-10+(-7)：101111110110111001（5）6+(-4)：000010000110111100（6）-6+4：11

111011

1010000100第一符號位Sf1第二符號位Sf2溢出=Sf1Sf2（2）A=10B=710+7：01010

0011110001（4）A=-10B=-7-10+(-7)：0111110110110011.硬件判斷邏輯一（SA、SB與Sf的關(guān)系）溢出=SASBSfSASfSB2.硬件判斷邏輯二（Cf與C的關(guān)系）溢出=CfC3.硬件判斷邏輯三（雙符號位）3.2.1.3移位操作邏輯移位

：數(shù)碼位置變化，數(shù)值不變。1.移位類型算術(shù)移位

10001111循環(huán)左移：0：數(shù)碼位置變化，數(shù)值變化,符號位不變。1001111算術(shù)左移：1

001

1111011110(-15)(-30)（1）單符號位：0011101110

（2）雙符號位：001110

0001112.正數(shù)補碼移位規(guī)則（3）移位規(guī)則左移右移右移0011100011左移左移右移右移011100

001110000111數(shù)符不變（單：符號位不變；雙：第一符號位不變）?？瘴谎a0（右移時第二符號位移至尾數(shù)最高位）。（1）單符號位：1101110110

（2）雙符號位：101100

1101103.負(fù)數(shù)補碼移位規(guī)則（3）移位規(guī)則左移右移右移1101111101左移右移右移110110111011數(shù)符不變（單：符號位不變；雙：第一符號位不變）。左移空位補0（第二符號位移至尾數(shù)最高位）。右移空位補13.2.1.4舍入方法1.0舍1入（原碼、補碼）000100原

100101原

111011補

2.末位恒置1（原碼、補碼）000100原

111011補

100101原

00010原

10011原

11110補

00011原

10011原

11101補

10011原

11101補

例.保留4位尾數(shù)：例.保留4位尾數(shù)：

3.2.2定點乘法運算3.2.2.1原碼一位乘法

每次用一位乘數(shù)去乘被乘數(shù)。

1.算法分析乘法部分積累加、移位。例.0.1101×1.1011乘積P=X×Y積符SP=SXSYX原Y原（1）手算0.1101×0.1011

1101110100001101

0.10001111上符號：1.10001111部分積問題：1）加數(shù)增多（由乘數(shù)位數(shù)決定）。

2）加數(shù)的位數(shù)增多（與被乘數(shù)、乘數(shù)位數(shù)有關(guān)）。改進(jìn)：將一次相加改為分步累加。（2）分步乘法每次將一位乘數(shù)所對應(yīng)的部分積與原部分積的累加和相加，并移位。設(shè)置寄存器：

A：存放部分積累加和、乘積高位

B：存放被乘數(shù)

C：存放乘數(shù)、乘積低位

設(shè)置初值：

A=00.0000B=X=00.1101C=Y=.1011

步數(shù)條件操作AC

00.0000.1011

1）Cn=1+BCn+00.110100.1101

0.1101×0.1011

1101110100001101

0.10001111BC

1101

00.01101.101

0.1101×0.10112）Cn=1+B+00.110101.001100.100111.10

0.1101×0.1011

0.1101×0.1011

1101110100001101

0.10001111BC3）Cn=0+0+00.000000.100100.0100111.14）Cn=1+B+00.110101.000100.10001111X原×Y原=1.10001111

2.算法流程0A、XB、YC、0CRCn=1？CR=n？1/2（A+B）A，C1/2（A+0）A，C

CR+1CRYYNN

Sx+SySA

3.運算規(guī)則（1）操作數(shù)、結(jié)果用原碼表示；（2）絕對值運算，符號單獨處理；（3）被乘數(shù)(B)、累加和(A)取雙符號位；（4）乘數(shù)末位(Cn)為判斷位，其狀態(tài)決定下步操作；（5）作n次循環(huán)（累加、右移）。3.2.2.2補碼一位乘法

1.算法分析

X補

=X0.X1X2……Xn（1）Y為正：Y補=0.Y1Y2……Yn

(XY)補=X補(0.Y1Y2……Yn)（2）Y為負(fù)：Y補

=1.Y1Y2……Yn

(XY)補=X補(0.Y1Y2……Yn)+(-X)補（3）Y符號任意：

(XY)補=X補(0.Y1Y2……Yn)+(-X)補Y0符號位（4）展開為部分積的累加和形式：(XY)補=X補(0.Y1Y2……Yn)+(-X)補Y0

=X補(0.Y1Y2……Yn)-X補Y0

=X補(-Y0+2Y1+2

Y2+……+2

Yn)-1

-2

-n

=X補

-Y0+(Y1-2Y1)+(2Y2-2Y2)+……-1-1-2-(n-1)-n

+(2Yn-2Yn)

=X補(Y1-Y0)+2(Y2-Y1)+2(Y3-Y2)+……-1-2

+2(0-Yn)-n

+2(0-Yn)-nYn+1

=X補(Y1-Y0)+2(Y2-Y1)+2(Y3-Y2)+……-1-2

+2(0

-Yn)-nYn+1比較法：用相鄰兩位乘數(shù)比較的結(jié)果決定

+X補、-X補或+0。

2.比較法算法Yn(高位)Yn+1(低位)操作(A補為部分積累加和)00011011

1/2A補

1/2(A補+X補)1/2(A補-X補)1/2A補(0)(1)(-1)(0)3.運算實例X=-0.1101,Y=-0.1011,求(XY)補。初值：A=00.0000,B=X補=11.0011,-B=(-X)補=00.1101,C=Y補=1.0101步數(shù)條件操作AC

00.00001.0101

1）10-BCn+00.110100.110100.011011.01012）01+B+11.001111.100111.1100111.0103）10-B+00.110100.100100.01001111.014）01+B+11.001111.011111.101111111.00Cn+1CnCn+15）10-B+00.1101(XY)補

=0.100011114）01+B+11.001111.011111.101111111.05）10-B+00.110100.10001111修正(1)A、B取雙符號位，符號參加運算；(2)C取單符號位，符號參加移位，以決定最后是否修正；(3)C末位設(shè)置附加位Cn+1，初值為0，CnCn+1組成判斷位，決定運算操作；(4)作n步循環(huán),若需作第n+1步,則不移位,僅修正。

4.運算規(guī)則1.0:-B修正0.1:+B修正0.0:不修正1.1:不修正

3.2.3定點除法運算除法若干余數(shù)與除數(shù)加減、移位。例.0.10110÷0.111110.10110

11010.01

111110.111110001

11111

1010101

11111

101100.00000.0.商：0.10110余數(shù)：0.10110×2

5實現(xiàn)除法的關(guān)鍵：比較余數(shù)、除數(shù)絕對值大小，以決定上商。3.2.3.1原碼恢復(fù)余數(shù)法1.算法

比較兩數(shù)大小可用減法試探。2×余數(shù)-除數(shù)=新余數(shù)為正:夠減,商1。為負(fù):不夠減,商0,恢復(fù)原余數(shù)。2.實例X=-0.10110，Y=0.11111，求X/Y，給出商Q和余數(shù)R設(shè)置：A：被除數(shù)、余數(shù)，B：除數(shù)，C：商初值：A=X=00.10110

B=Y=00.11111

C=Q=0.00000

-B=11.00001步數(shù)條件操作AC00.101100.00000

1）0-B

01.01100+11.0000100.011010.000012）1-B00.11010+11.0000111.110110.000103）恢復(fù)余數(shù)+B+00.1111100.1101001.101000.001014）0-B+11.0000100.10101CnSAQ1

Q2

Q3

r02r0r12r1r2’r22r2r3步數(shù)條件操作AC00.101010.00101

5）0-B

01.01010+11.0000100.010110.010116）1-B00.10110+11.0000111.101110.101107）恢復(fù)余數(shù)+B+00.1111100.10110Q=-0.10110CnQ4

Q5

Q3

r32r3r42r4r5’r5R=0.10110×2-5X/Y=-0.10110+-0.10110×2-5

0.111113.說明（1）A、B雙符號位，X、Y絕對值，X小于Y。（2）運算結(jié)束后，余數(shù)乘以2，與被除數(shù)同號。-n3.2.3.2原碼不恢復(fù)余數(shù)法（加減交替法）1.算法分析第二步:2r1-B=r2’<0第三步:r2’+B=r2(恢復(fù)余數(shù))第四步:2r2-B=r32r2-B=2(r2’+B)-B=2r2’+B=r3第二步:2r1-B=r2<0第三步:2r2+B=r3(不恢復(fù)余數(shù))2.算法

ri+1=2ri+(1-2Qi)Yri為正，則Qi為1，第i+1步作2ri-Y；ri為負(fù)，則Qi為0，第i+1步作2ri+Y。3.實例X=0.10110，Y=-0.11111，求X/Y，給出商Q和余數(shù)R。初值：A=X=00.10110

B=Y=00.11111

C=Q=0.00000

-B=11.00001步數(shù)條件操作AC00.101100.00000

1）為正-B

01.01100+11.0000100.011010.000012）為負(fù)-B00.11010+11.0000111.110110.000103）+B+00.1111111.101100.00101為正00.10101Cn

rQ1

Q2

Q3

r02r0r12r1r22r2r34）為正-B

01.01010+11.0000100.010110.01011Q4

2r3r4步數(shù)條件操作AC00.010110.01011

6）為負(fù)恢復(fù)余數(shù)+B+00.1111100.10110Q=-0.10110CnQ4

r45）為正-B

00.10110+11.0000111.101110.10110Q5

2r4r5’r5R=0.10110×2-5X/Y=-0.10110+

0.10110×2-5

-0.11111

4.運算規(guī)則（1）A、B取雙符號位，X、Y取絕對值運算，X<Y。（2）根據(jù)余數(shù)的正負(fù)決定商值及下一步操作。（3）求n位商，作n步操作；若第n步余數(shù)為負(fù)，則第

n+1步恢復(fù)余數(shù)，不移位。3.2.3.3補碼不恢復(fù)余數(shù)法（加減交替法）如何判斷是否夠減？如何上商？

如何確定商符？

1.判夠減(1)同號相除4774-4-7-7-41-47-744-77-4010-43-7-3-(-4)-3-(-7)3夠減不夠減夠減不夠減夠減：r與X、Y同號；不夠減：r與X、Y異號。(2)異號相除

10

1

0+(-4)

3+(-7)-3

+4-3

+7

3夠減夠減不夠減不夠減夠減：r與X同號,與Y異號；不夠減：r與X異號,與Y同號。（3）判斷規(guī)則同號：作X補-Y補X補Y補夠減：r補與Y補同號不夠減：r補與Y補異號異號：作X補+Y補夠減：r補與Y補異號不夠減：r補與Y補同號2.求商值X補Y補同號：商為正異號：商為負(fù)夠減商1不夠減商0夠減商0不夠減商1(r、Y同號)(r、Y異號)(r、Y異號)(r、Y同號)夠減商1不夠減商0夠減商0不夠減商1(r、Y同號)(r、Y異號)(r、Y異號)(r、Y同號)(r、Y同號)(r、Y異號)(r、Y異號)(r、Y同號)夠減商1不夠減商0夠減商0不夠減商1上商規(guī)則：Qi=Sri⊕SY余數(shù)與除數(shù)同號商1，異號商0。3.算法

(ri+1)補=2ri補+(1-2Qi補)Y補ri補與Y補同號，則Qi補為1，第i+1步作2ri補-Y補；ri補與Y補異號，則Qi補為0，第i+1步作2ri補+Y補。4.求商符令X補=r0補r0補與Y補同號：Q0補=1異號：Q0補=0與實際商符相反商符5.商的校正X補Y補=(-1+2+∑2Qi補)+2rn補Y補-n-in-1i=0-n商余數(shù)真商=假商+1.000…01=Q0.Q1Q2……Qn-1求n-1位商(假商)X補Y補=(-1+2+∑2Qi補)+2rn補Y補-n-in-1i=0-n商余數(shù)(1)∑2Qi補n-1i=0-i(2)2-n第n位商(末位商)恒置1(3)-1商符變反n位(4)余數(shù)求至rn6.實例X=0.10110，Y=-0.11111，求X/Y，給出商Q和余數(shù)R。初值：A=X補=00.10110

B=Y補=11.00001C=Q補=0.00000

-B=00.11111步數(shù)條件操作AC00.101100.0000

1）異號+B

01.01100+11.0000100.01101

0.00002）同號+B00.11010+11.0000111.11011

0.0001Cn-1r、YQ1

Q2

r02r0r12r1r2求商符Q0

異號05）+B+11.0000100.1011011.10111步數(shù)條件操作AC11.110110.0001

3）異號-B

11.10110+00.1111100.10101

0.00104）異號+B01.01010+11.0000100.01011

0.0100Cn-1r、YQ3

Q2

r22r2r32r3r42r4r5假商=0.0100Q4

真商=0.0100+1.00001=1.01001Q=-0.10111R=-0.01001×2X/Y=-0.10111+-0.01001×2-5

-0.11111-5

7.運算規(guī)則（1）A、B取雙符號位，符號參加運算，并且

X<Y。（2）根據(jù)余數(shù)與除數(shù)的符號決定商值及下一步操作。（3）求n-1位商，作n步操作（求出rn）。（4）對商校正（商符變反，第n位商恒置1）。

3.2.4浮點四則運算3.2.4.1浮點加減運算步驟：1.檢測能否簡化操作。判操作數(shù)是否為0尾數(shù)為0階碼下溢2.對階例.10.01(1)對階：使兩數(shù)階碼相等(小數(shù)點實際位置對齊，尾數(shù)對應(yīng)權(quán)值相同)。(2)對階規(guī)則：小階向大階對齊。2×0.10012×0.110123110.1010.01110.12×0.010132×0.110133.尾數(shù)加減.(1)1.0001+0.1001(4)階碼比較：比較線路或減法。(3)對階操作：小階階碼增大，尾數(shù)右移。例.AE>BE，則BE+1BE，BM，直到BE=AE1.1010(2)0.0101+0.1101AM+BMAM4.結(jié)果規(guī)格化

M<1/21.0010

M>1應(yīng)左移規(guī)格化應(yīng)右移規(guī)格化AE-1AE若Af1⊕Af2=1,則右規(guī)：(1)11.0001+00.100111.1010(2)00.0101+00.110101.0010(-1/2除外)Af1Af2A1AM11.1010若Af1Af2A1+Af1Af2A1=1,則左規(guī)：01.0010Af1Af2AMAE+1AE3.2.4.2浮點乘法運算步驟：1.檢測操作數(shù)是否為0。2.階碼相加。若階碼用移碼表示，相加后要修正。浮點乘定點加、定點乘3.尾數(shù)相乘。相乘前不需對階。設(shè)A=2×AM，B=2×BMAEBEAE+BEA×B=2

×(AM×BM)

4.結(jié)果規(guī)格化。一般左規(guī)。3.2.4.3浮點除法運算步驟：1.檢測操作數(shù)是否為0。2.AM<BM?浮點除定點減、定點除4.尾數(shù)相除。相除前不需對階。設(shè)A=2×AM，B=2×BMAEBE5.結(jié)果不再規(guī)格化。AE-BEA÷B=2

×(AM÷BM)

3.階碼相減。若階碼用移碼表示，相減后要修正。簡要回答下列問題（1）原碼一位乘法與補碼一位乘法的主要區(qū)別是什么？（2）原碼加減交替除法和補碼加減交替除法分別根據(jù)什么情況商1、商0？（3）在浮點加減運算中如何進(jìn)行對階操作？（4）在什么情況下需要左移規(guī)格化？什么情況下需要右移規(guī)格化？第三章作業(yè)（一）第三節(jié)組合邏輯控制器原理3.3.1控制器組成微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...

PSW時序

IR地址形成PCθD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...

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IR地址形成PCθD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器1.微命令發(fā)生器功能：產(chǎn)生全機所需的各種微命令控制最基本的操作(微操作)的命令電位型脈沖型微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...

PSW時序

IR地址形成PCθD尋來自M送M或ALU+1送M2.指令計數(shù)器PC功能：指示指令在M中的位置。PC+1順序執(zhí)行：PC先+1，再用轉(zhuǎn)移地址修改PC微命令發(fā)生器PC轉(zhuǎn)移執(zhí)行：3.指令寄存器IR功能：存放現(xiàn)行指令。決定操作性質(zhì)操作碼字段操作數(shù)地址轉(zhuǎn)移地址PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...

PSW時序

IR地址形成θD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PC

IR地址碼字段譯碼器微命令發(fā)生器地址形成部件尋D4.狀態(tài)寄存器PSW功能：指示程序運行方式，反映程序運行結(jié)果。例.某機的PSWPC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...

PSW時序

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IR

PSW工作方式

優(yōu)先級

T

NZVC151211876543210C=1進(jìn)位

V=1溢出Z=1結(jié)果為0N=1結(jié)果為負(fù)T=1,執(zhí)行跟蹤程序（1）條件碼反映程序運行結(jié)果工作方式

優(yōu)先級TNZVC151211876543210（2）跟蹤標(biāo)志為程序查錯設(shè)置的斷點標(biāo)志T。程序初始化置T為1...測試T跟蹤程序….....程序優(yōu)先級高于外部優(yōu)先級，不響應(yīng)程序優(yōu)先級低于外部優(yōu)先級，可響應(yīng)用戶方式：禁止程序執(zhí)行某些指令核心方式：允許程序執(zhí)行所有指令（3）優(yōu)先級為現(xiàn)行程序賦予優(yōu)先級別，以決定是否響應(yīng)外部中斷請求。工作方式優(yōu)先級TNZVC151211876543210（4）工作方式規(guī)定程序的特權(quán)級。PSW在CPU中，反映程序運行狀態(tài)；控制/狀態(tài)字在接口中,反映CPU命令、設(shè)備狀態(tài)。5.時序線路功能：控制操作時間和操作時刻。PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...

PSW時序

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IR

PSW時序振蕩器分頻器時鐘脈沖工作脈沖時鐘周期(節(jié)拍)產(chǎn)生電位型微命令，控制操作時間段產(chǎn)生脈沖型微命令，控制定時操作1.取指令PCPC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...

PSW時序

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IR

PSW時序3.3.2控制器工作過程地址M指令I(lǐng)R、譯碼(θ、尋址方式)PC+1PC2.取數(shù)PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺信息運行狀態(tài)譯碼…...

PSW時序

IR地址形成θD尋來自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PC

IR

PSW時序按尋址方式，或從寄存器取數(shù)，或從存儲器取數(shù)。3.執(zhí)行按操作碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理。1.組合邏輯控制器的時序劃分3.3.3時序控制方式即時序信號與操作的關(guān)系●

采用三級時序系統(tǒng)：指令周期工作周期1工作周期2工作周期n……時鐘周期1時鐘周期2時鐘周期m….….工作脈沖1工作脈沖2工作脈沖k…..……….(節(jié)拍1)(節(jié)拍2)(節(jié)拍m)●

時序關(guān)系：晶振輸出工作周期1工作周期2工作周期3時鐘T1工作脈沖P時鐘T2指令周期控制不同階段操作時間控制分步操作時間對微操作定時取指執(zhí)行取數(shù)取出指令修改PC打入IR打入PC2.時序控制方式及其變化（1）同步控制各項操作受統(tǒng)一時序控制。①定義：②特點：有明顯時序時間劃分，③優(yōu)缺點：時序關(guān)系簡單，時序劃分規(guī)整，控制不復(fù)雜；時間安排不合理。④應(yīng)用場合：用于CPU內(nèi)部、設(shè)備內(nèi)部、系統(tǒng)總線操作

控制邏輯易于集中，便于管理。

(各掛接部件速度相近，傳送時間確定，傳送距離較近)。時鐘周期時間固定，

各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送受嚴(yán)格同步定時控制。各項操作受統(tǒng)一時序控制。由CPU或其他設(shè)備提供（2）異步控制各項操作按不同需要安排時間，不受統(tǒng)一時序控制。①定義：②特點：無統(tǒng)一時鐘周期劃分，例.異步傳送操作●

主設(shè)備：申請并掌握總線權(quán)的設(shè)備。各操作間的銜接和各部件之間的信息交換采用異步應(yīng)答方式?？偩€主從●

從設(shè)備：響應(yīng)主設(shè)備請求的設(shè)備。發(fā)/接接/發(fā)主設(shè)備獲得總線控制權(quán)●

操作流程：主設(shè)備詢問從設(shè)備主設(shè)備發(fā)送/接收數(shù)據(jù)主設(shè)備釋放總線控制權(quán)從設(shè)備準(zhǔn)備好？YN主設(shè)備輸出端與總線連接主設(shè)備輸出端與總線斷開時間安排緊湊、合理；控制復(fù)雜。③優(yōu)缺點：④應(yīng)用場合：用于異步總線操作(各掛接部件速度差異大，傳送時間不確定，傳送距離較遠(yuǎn))。（3）同步方式的變化指令周期長度可變，時鐘周期長度不變。①不同指令安排不同時鐘周期數(shù)②總線周期中插入延長周期經(jīng)總線傳送一次數(shù)據(jù)所用的時間(送地址、讀/寫)總線周期長度可變，時鐘周期長度不變?？偩€周期(4T)例.一個總線周期包含4個時鐘周期時鐘T1T3T2T4送地址讀/寫數(shù)據(jù)結(jié)束同步方式時鐘T1T3T2T4T4T4Tw送地址讀/寫數(shù)據(jù)結(jié)束總線周期(5T)擴展同步方式③同步方式引入異步應(yīng)答以固定時鐘周期作為時序基礎(chǔ)，