计算机的逻辑部件示例
2：计算机的逻辑部件
四位一组的组进位传递函数PN为“1”的条件为： （1）X3，Y3中有一个为“1”。 （2）同时X2，Y2中有一个为“1”。 （3）同时X1，Y1中有一个为“1”。 （4）同时X0，Y0中有一个为“1”。 依此，可得PN的表达式为 PN=P3P2P1P0
把第0片ALU向第Ⅰ片、第Ⅰ片向第Ⅱ片、第Ⅱ片向第Ⅲ片传送 的进位分别命名为Cn+X、Cn+Y、Cn+Z。 把第0片ALU向第Ⅰ片、第Ⅰ片向第Ⅱ片、第Ⅱ片向第Ⅲ片的进 位传递表示为PN0、 PN1、 PN2。 GN0、 GN1、 GN2也是同理。
下图给出了二输入四输出译码器的逻辑图。译码器 中常设置“使能”控制端，当该端为“1”时，译码 器功能被禁止，此时所有输出均为“1”。使能端的 一个主要功能是用来扩充输入变量数。
二输入四输出译码器
用两片三输入八输出译码器扩展成一个四输入十六 输出译码器的实例。
（5） 数据选择器 数据选择器又称多路开关，它从多个输入通道中选 择某一个通道的数据作为输出，起到选择信号的作 用。
由功能表可知，当全加器的输入均取反码时，它的输 出也均取反码。据此，可把它们以“与非”、“或 非”、“与或非”的形式进行改写，形式如下： C1= P1+ G1C 0 C2= P2+ G2 P + G2G1C0 1
C3= P3+ G3 P + G3G2 P1+ G3 G2 G C0 2 1
C4= P + G4 P + G G3 P2+ G4 G3 G P1+ G G G G C 4 3 4 2 4 3 2 1 0 注意与非运算和或非运算！
正 逻
S3 H S2 L S1 L S0 L M=H 逻辑运算 A+B A B
计算机逻辑部件
计算机逻辑部件
计算机逻辑部件是计算机中用于处理和执行逻辑运算的基本组件。
这些部件是构成计算机中央处理器（CPU）的重要组成部分，负责执行各种算术和逻辑操作。
常见的计算机逻辑部件包括：
逻辑门（Logic Gates）：逻辑门是计算机中最基本的逻辑部件，用于执行逻辑运算，如与门、或门、非门等。
所有计算机的逻辑运算都是通过组合不同类型的逻辑门来实现的。
加法器（Adder）：加法器用于执行二进制的加法运算，是计算机中常见的算术逻辑单元（ALU）的一部分。
算术逻辑单元（ALU）：ALU是计算机中用于执行算术和逻辑运算的核心部件。
它可以执行加法、减法、逻辑与、逻辑或等操作。
寄存器（Register）：寄存器是用于暂时存储数据的高速存储单元。
计算机的数据处理通常涉及将数据暂时存储在寄存器中，然后进行操作和传输。
随机存取存储器（RAM）：RAM是用于临时存储数据和程序的主要内存。
它允许CPU快速读取和写入数据。
可编程逻辑器件（例如FPGA）：这些器件允许用户根据需要配置和重新配置逻辑功能，从而实现特定的计算任务。
这些逻辑部件的组合和协调，使计算机能够进行复杂的计算和数据处理，从而实现各种应用和功能。
在现代计算机中，这些部件已经高度集成，并且存在于微处理器芯片中，使得计算机能够执行高效和多样化的任务。
二进制计算机采用的主要逻辑元件
主题：二进制计算机的主要逻辑元件一、概述二进制计算机是当今世界上最广泛使用的计算机系统。
它们采用二进制系统来表示和处理数据和指令。
在二进制计算机中，存在着一些主要的逻辑元件，它们在计算机的运行中起着至关重要的作用。
二、主要逻辑元件1. 逻辑门逻辑门是构成计算机的基本逻辑元件。
它们能够执行基本的逻辑运算，如与、或、非等。
常见的逻辑门有与门、或门、非门等。
在计算机中，逻辑门被组合成各种复杂的逻辑电路，用来实现各种功能。
2. 寄存器寄存器是一种用来存储数据的元件。
在计算机中，寄存器通常用来存储临时数据、位置区域或指令。
寄存器的大小通常是以位（bit）来表示的，如8位寄存器、16位寄存器等。
3. 存储器存储器是计算机中用来存储数据和指令的元件。
存储器分为内存和外存，内存通常指的是随机存取存储器（RAM），它用来存储正在运行的程序和数据；外存通常指的是磁盘或固态硬盘，它用来存储长期的数据和程序。
4. ALU（算术逻辑单元）ALU是计算机中用来执行算术和逻辑运算的部件。
它能够执行加、减、乘、除等算术运算，也能够执行与、或、非等逻辑运算。
5. 控制单元控制单元是计算机中用来控制指令执行顺序的部件。
它能够从存储器中取出指令，解码指令，并且控制各个部件的工作。
6. 时钟时钟是计算机中用来同步各个部件工作的部件。
它能够在一个固定的时间间隔内发出脉冲信号，使得各个部件按照统一的节拍工作。
7. 数据总线数据总线是计算机中用来传输数据的通道。
它能够同时传输多位数据，如8位、16位、32位等。
8. 位置区域总线位置区域总线是计算机中用来传输位置区域信息的通道。
它能够指示存储器中的特定位置。
9. 控制总线控制总线是计算机中用来传输控制信号的通道。
它能够传输各种控制信号，如读写信号、中断信号等。
三、总结二进制计算机中的主要逻辑元件包括逻辑门、寄存器、存储器、ALU、控制单元、时钟、数据总线、位置区域总线和控制总线。
它们共同构成了计算机的基本操作和功能。
计算机系统的逻辑组成结构
计算机系统的逻辑组成结构计算机系统是由硬件和软件两部分组成的。
其中，硬件是指计算机的物理设备，而软件是指运行在计算机上的程序和数据。
计算机系统的逻辑组成结构是指计算机系统中各个组成部分之间的逻辑关系和功能划分。
一、中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）中央处理器是计算机系统的核心，负责执行各种指令和进行数据处理。
它由控制器和运算器两部分组成。
控制器负责指令的解析和执行，运算器负责数据的运算和处理。
中央处理器通过控制总线、数据总线和地址总线与其他硬件设备进行通信。
二、存储器存储器是计算机系统中用于存储数据和程序的设备。
根据存取方式的不同，存储器可以分为随机存取存储器（Random Access Memory，简称RAM）和只读存储器（Read-Only Memory，简称ROM）。
RAM用于存储临时数据和程序，而ROM用于存储固定的程序和数据。
三、输入设备输入设备用于将外部数据或指令输入到计算机系统中。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。
输入设备将输入的数据转化为计算机可以识别和处理的形式，并通过输入接口传输给计算机系统。
四、输出设备输出设备用于将计算机系统处理后的数据或结果输出到外部环境中。
常见的输出设备有显示器、打印机、投影仪等。
输出设备将计算机系统的输出信号转化为人类可以理解的形式，并通过输出接口传输给外部环境。
五、外部存储器外部存储器用于扩展计算机系统的存储容量，可以独立于计算机系统进行数据的存储和读取。
常见的外部存储器有硬盘、光盘、U盘等。
外部存储器通过接口与计算机系统进行数据的传输和交换。
六、总线总线是计算机系统中各个硬件设备之间传输数据和信号的通道。
根据功能和传输速率的不同，总线可以分为数据总线、控制总线和地址总线。
数据总线用于传输数据，控制总线用于传输控制信号，地址总线用于传输设备地址。
七、操作系统操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理和控制计算机系统的各个硬件和软件资源。
计算机硬件基本结构树状图
计算机硬件基本结构树状图计算机硬件基本结构计算机的5个基本组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
算术逻辑部件P46 、P731.运算器寄存器P46 、P72随机存取存储器RAM P74内存储器（又称为只读存储器ROM P75主存储器或内存或互补金属氧化物半导体CMOS P76主存）1.44MB31/2英寸软盘P94软盘Zip盘P94大容量软盘超级盘P942.存储器HiFD盘P94内置硬盘P95盒式硬盘P95外存储器硬盘硬盘组P95（又称为辅USB移动硬盘P95助存储器光盘-只读存储器CD-ROM或外存或光盘CD 写一次，读多次光盘CD-R（又称为WORM）辅存）P97可写光盘CD-RW光盘数字化视频光盘-只读存储器DVD-ROM数字化视频光盘DVD DVD-RP97DVD-RAM和DVD-RW磁盘P98程序计数器PC P47指令寄存器IR P473.控制器指令译码器ID P47时序控制电路P47微操作控制电路P47传统设计键盘P80键盘轮廓设计键盘P80键盘输入无处理能力终端P81智能型终端P81终端网络终端P81Internet终端P81鼠标P82游戏杆P82触摸屏P82定点输入设备光笔P82数字转换器P834.输入设备数码相机P83平台式扫描仪P83图像扫描仪手持式扫描仪P83扫描输入设备传真机P84条形码阅读器P85磁墨水字符识别MICR P85字符和标记识别设备光学字符识别OCR P85 光学标记识别OMR P85 语音输入设备P86 数字笔记本P88其他输入设备视觉系统P88标准P89显示器阴极射线管P89平面显示器P89高清晰度电视机P90喷墨打印机P91非接触式打印机激光打印机P91 热学打印机P91打印机点针打印机P31接触式打印机菊花轮打印机P31 5.输出设备行式打印机P31笔式绘图仪P92喷墨绘图仪P92绘图仪静电绘图仪P92直接成像绘图仪P92缩微输出设备P93其他输出设备语音输出设备P93。
计算机组成_ 算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit)_
B
A
B
A
B
A
B
Cout 1-bit Cin Cout 1-bit Cin Cout 1-bit Cin Cout 1-bit Cin
Full Adder
Full Adder
Full Adder
Full Adder
S
S
S
S
4-bit RCA的门电路实现
A
A
B
B
Cin
S Cin
S
Cout
Cout
A
A
B
加法器的优化思路
主要问题
◦ 高位的运算必须等待低位的“进位输出信号”
优化思路
◦ 能否提前计算出“进位输出信号” ？
进位输出信号的分析
Ci+1 =(Ai·Bi)+(Ai·Ci)+(Bi·Ci)
=(Ai·Bi)+(Ai+Bi)·Ci 设：
◦ 生成（Generate）信号：Gi=Ai·Bi ◦ 传播（Propagate）信号：Pi=Ai+Bi
R8
Q CLR
控制电路 指令译码
IR PC
R0 ($0)
clock
D SET Q
R9
Q CLR
D SET Q
R8 ($8)
R9 ($9)
内
R10 ($10)
部
总
R31 ($31)
线
R10
Q CLR
op=and
ALU
op=and
B
ALU
本节小结
逻辑运算的实现
北京大学 · 慕课 计算机组成
制作人：陆俊林
本节主题
门电路的基本原理
属于cpu中算术逻辑单元的部件
属于cpu中算术逻辑单元的部件CPU是计算机的核心部件，它负责执行指令和处理数据。
在CPU中，算术逻辑单元（ALU）是其中一个重要的组成部分。
本文将详细介绍属于CPU中算术逻辑单元的部件。
一、什么是算术逻辑单元（ALU）算术逻辑单元（ALU）是CPU中的一个电路模块，它用于执行各种算术和逻辑运算。
ALU通常由多个子模块组成，包括加法器、减法器、移位器、比较器等。
二、属于CPU中算术逻辑单元的部件1. 加法器加法器是ALU中最基本的子模块之一。
它用于执行两个二进制数的加法运算。
加法器可以实现多位数相加，其原理是将每一位上的数字相加，并考虑进位问题。
2. 减法器减法器也是ALU中的一个重要子模块。
它用于执行两个二进制数的减法运算。
与加法器不同，减法器需要考虑借位问题。
3. 移位器移位器用于将一个二进制数向左或向右移动指定数量的位数。
移位操作可以实现乘以2或除以2等功能。
4. 比较器比较器用于比较两个二进制数的大小。
比较器通常会输出一个信号，表示两个数的大小关系（例如大于、小于或等于）。
5. 逻辑门逻辑门是ALU中的另一个重要部件。
逻辑门可以实现各种逻辑运算，如与、或、非等。
在ALU中，逻辑门通常用于执行位运算。
6. 寄存器寄存器是CPU中的另一个重要组成部分。
它用于存储数据和指令。
在ALU中，寄存器通常用于暂时存储计算结果。
三、ALU的工作原理ALU的工作原理可以简单描述为：接收输入数据 -> 执行运算 -> 输出结果。
具体来说，当CPU需要进行算术或逻辑运算时，它会将需要计算的数据传输到ALU中。
ALU会根据指令和操作码来判断需要执行哪种运算，并将结果输出到寄存器中。
如果需要多次计算，则会使用多级流水线来提高计算效率。
四、总结在CPU中，算术逻辑单元（ALU）是其中一个重要的组成部分。
它由多个子模块组成，包括加法器、减法器、移位器、比较器等。
ALU的工作原理是接收输入数据，执行运算，输出结果。
3 计算机中常用的逻辑部件
*练习 1、写出四位并行加法以Pi、Gi和C-1为输入信号的Ci 逻辑表 写出四位并行加法以Pi Gi和 为输入信号的Ci Pi、 达式， 并画出逻辑电路图。 达式， 并画出逻辑电路图。 写出四位并行加法以Pi Gi和 为输入信号的Ci Pi、 *作业 1、写出四位并行加法以Pi、Gi和C-1为输入信号的Ci 逻辑表 达式，并画出逻辑电路图。 达式，并画出逻辑电路图。 写出全加器的功能表、逻辑表达式，并画出由基本与、 2、写出全加器的功能表、逻辑表达式，并画出由基本与、 非门组成的逻辑电路和逻辑符号。 或、非门组成的逻辑电路和逻辑符号。
2、并行加法器 、 并行加法器由多个全加器组成， 并行加法器由多个全加器组成，其位数的多少取决于机器的长 各位同时运算。并行加法可同时对数据的各位相加， ，数据的 各位同时运算。并行加法可同时对数据的各位相加，由于 进位链： 进位链：进位信号的产生与传递逻辑 多个全加器的进位输出是另一个全加器的进位输入， 多个全加器的进位输出是另一个全加器的进位输入，因而并行加法 器中进位信号的传递问题是影响全加器本身速度的主要因素。 进位信号的传递问题是影响全加器本身速度的主要因素 器中进位信号的传递问题是影响全加器本身速度的主要因素。 （1）N位串行进位加法器 ） 位串行进位加法器 可知， 位的进位C 由Cn = Xn·Yn +（Xn+Yn）·Cn-1可知，第n位的进位Cn与第 （ 位有关， 位与i 位有关， ..最后一位 有关， n-1位有关，第i – 1位与i – 2位有关，……..最后一位C1与C0有关， ..最后一位C （高一级进位是低一级进位的函数）逐次连接起来，这个链叫串 高一级进位是低一级进位的函数）逐次连接起来， 行进位链。采用串行进位链的加法器为串行进位加法器。 行进位链。采用串行进位链的加法器为串行进位加法器。
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五、实验原理
6. KA（KAH、KAL），KB（KBH、KBL），KC （KCH，KCL）：数据通路开关
7. KR（KRH、KRL）：寄存器输出通路选择开关
16
CC：接数控制脉冲（上升沿有效） CG：接数控制电平（低电平有效）
11
五、实验原理
2. TEMP（74373）： 暂存器（3态输出8D锁存器）
CT：接数控制（高电平有效） OT：输出控制（低电平有效）
12
五、实验原理
3. BUFFER（74245）： 输出缓冲器（8位双向3态传输门）
条件
7
四、四位并行加法器示例
8
四、四位并行加法器示例
2. SN74182 超前进位发生器（并行）
3 4 1 2 15 14 5 6
G0 P0 G1 P1
Cn
Cn+x
13
12
G2 P2 Cn+y 11
G3 P3 Cn+z P G 9 7 10
9
四、四位并行加法器示例
3. 16位全并行加法器进位结构
Cn
Cn
74181
GP
Cn
74181
GP
Cn
741பைடு நூலகம்1
GP
Cn Cn+4
74181
GP
3 4 12 1 2 11 15 14 9 5 6
G0 P0 Cn+x G1 P1 Cn+y G2 P2 Cn+z G3 P3 74182
Cn
PG
13
7 10
Cn+16
10
五、实验原理
1. ACT（74377）： 累加器暂存器（8D触发器）
= G4 + P4G3 + P4P3G2 + P4P3P2G1 + P4P3P2P1C0 其中：Gi =AiBi ； Pi =Ai + Bi
3. 进位方案
组内并行，组间串行进位 单重分组跳跃进位 组内并行，组间并行进位
6
四、四位并行加法器示例
1. SN74181： 4位并行加法器，有正负逻辑之分
Lecture2 计算机的逻辑部件
运算器
一、常用的加法器
1. 半加器
AB 00 01 10 11
FC 00 10 10 01
F=A⊕B C=A·B
FC
∑
AB
2
一、常用的加法器
2. 全加器
Fi=Ai⊕Bi⊕Ci-1 Ci=Ai· Bi + (Ai⊕Bi)· Ci-1
Fi
Ci
∑
Ai Bi Ci-1
高位的求和运算依 赖于低位的运算
绝对进位
进位传递条件
本位进位
进位传递函数
进位产生函数
5
三、并行加法器的进位逻辑
2. 并行进位：进位不依赖于低位的进位
C1 = G1 + P1C0 C2 = G2 + P2C1
= G2 + P2G1 + P2P1C0 C3 = G3 + P3C2
= G3 + P3G2 + P3P2G1 + P3P2P1C0 C4 = G4 + P4C3
2 23 21 19 1 22 20 18
=0,算术运算 =1,逻辑运算
工作 方式 选择
7 8 6 5 4 3
Cn M
S0 S1 S2 S3
A0 A1 A2 A3 B0 B1 B2 B3 16 本位
Cn+4 14 进位
74181
A=B 17
Gn+4 15
Pn+4
F0 F1 F2 F3
传递
功能表 page 22 9 10 11 13
OB：输出控制（低电平有效）
13
五、实验原理
4. ALU（74181）： 算术逻辑运算单元（4位ALU）（P22）
M：逻辑运算、算术运算选择控制端 S0~S3：运算功能控制端
14
五、实验原理
5. ACC（74198）：累加器（8位移位寄存器）
CA：工作脉冲（上升沿有效） X0、X1：工作方式选择 SL、SR：右移入、左移入
3
二、串行加法器与并行加法器
1. 串行加法器
由一个一位的加法器完成一个数据位的求和 及进位计算
2. 并行加法器
由一个多位加法器完成一个数据所有位的求 和及进位计算
4
三、并行加法器的进位逻辑
1. 进位形成
Ci=Ai· Bi + (Ai+Bi)· Ci-1 Ci=Gi + Pi· Ci-1