算术逻辑运算部件ALU
计算机组成原理概念术语
计算机组成原理概念术语第一章1、主机：主机中包含了除输入输出设备以外的所有电路部件，是一个能够独立工作的系统。
2、CPU：中央处理器，是计算机的核心部件，同运算器和控制器构成。
3、运算器：计算机中完成运算功能的部件，由ALU和寄存器构成。
4、ALU：算术逻辑运算单元，执行所有的算术运算和逻辑运算。
5、外围设备：计算机的输入输出设备，包括输入设备，输出设备和外存储设备。
6、数据：编码形式的各种信息，在计算机中作为程序的操作对象。
7、指令：是一种经过编码的操作命令，它指定需要进行的操作，支配计算机中的信息传递以及主机与输入输出设备之间的信息传递，是构成计算机软件的基本元素。
8、透明：在计算机中，从某个角度看不到的特性称该特性是透明的。
9、位：计算机中的一个二进制数据代码，计算机中数据的最小表示单位。
10、字：数据运算和存储的单位，其位数取决于具体的计算机。
11、字节：衡量数据量以及存储容量的基本单位。
1字节等于8位二进制信息。
12、字长：一个数据字中包含的位数，反应了计算机并行计算的能力。
一般为8位、16位、32位或64位。
13、地址：给主存器中不同的存储位置指定的一个二进制编号。
14、存储器：计算机中存储程序和数据的部件，分为内存和外存。
15、总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合，包括数据总线、地址总线和控制总线。
16、硬件：由物理元器件构成的系统，计算机硬件是一个能够执行指令的设备。
17、软件：由程序构成的系统，分为系统软件和应用软件。
18、兼容：计算机部件的通用性。
19、软件兼容：一个计算机系统上的软件能在另一个计算机系统上运行，并得到相同的结果，则称这两个计算机系统是软件兼容的。
20、程序：完成某种功能的指令序列。
21、寄存器：是运算器中若干个临时存放数据的部件，由触发器构成，用于存储最频繁使用的数据。
22、容量：是衡量容纳信息能力的指标。
23、主存：一般采用半导体存储器件实现，速度较高、成本高且当电源断开时存储器的内容会丢失。
计算机组成原理习题答案第七章
１．控制器有哪几种控制方式？各有何特点？解：控制器的控制方式可以分为３种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。
同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。
这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。
异步控制方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间，就占用多少时间。
异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。
联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。
２．什么是三级时序系统？解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。
计算机中每个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工作脉冲。
３．控制器有哪些基本功能？它可分为哪几类？分类的依据是什么？解：控制器的基本功能有：（１）从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。
（２）对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。
（３）指挥并控制CPU 、主存和输入输出设备之间的数据流动。
控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型３类，分类的依据在于控制器的核心———微操作信号发生器（控制单元CU）的实现方法不同。
４．中央处理器有哪些功能？它由哪些基本部件所组成？解：从程序运行的角度来看，CPU 的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。
对于冯? 诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。
５．中央处理器中有哪几个主要寄存器？试说明它们的结构和功能。
解：CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。
通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。
计算机系统原理13015习题答案
习题解答第1章计算机系统概述1. 给出以下概念的解释说明1. 中央处理器（CPU）通常把控制部件、运算部件和各类寄存器互联组成的电路称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU），简称处理器。
2. 算术逻辑部件（ALU）用来进行算术逻辑运算的部件，即算术逻辑部件（Arithmetic Logic Unit）。
3. 通用寄存器临时存放从主存取来的数据或运算的结果。
4. 程序计数器（PC）在执行当前指令的过程中，自动计算出下一条指令的地址并送到PC（Program Counter，PC）中保存。
5. 指令寄存器（IR）从主存取来的指令需要临时保存在指令寄存器（Instruction Register，IR）。
6. 控制器用于自动逐条取出指令并进行译码的部件，即控制元件（Control Unit，CU），也称控制器。
7. 主存储器用来存放指令和数据。
8. 总线CPU为了从主存取指令和存取数据，需要通过传输介质和主存相连，通常把连接不同部件进行信息传输的介质称为总线。
9. 主存地址寄存器（MAR）CPU送到地址线的主存地址应先存放在主存地址寄存器（Memory Address Register, MAR)中。
10. 主存数据寄存器（MDR）CPU发送到或从数据线取来的信息存放在主存数据寄存器（Memory Data Register，MDR）中。
11. 机器指令计算机能理解和执行的程序称为机器代码或机器语言程序，其中的每条指令都由0和1组成，称为机器指令。
12. 存储程序13. 指令操作码操作码字段指出指令的操作类型，如取数、存数、加、减、传送、跳转等。
14. 高级程序设计语言高级程序设计语言简称高级编程语言，是指面向算法设计的、较接近于日常英语书面语言的程序设计语言，如BASIC、C/C++、Java等。
15. 汇编语言通过用简短的英文符号和机器指令建立对应关系，以方便程序员编写和阅读程序。
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。
02318自考计算机组成原理(名词解释)总结
第一章1.主机：由CPU、存储器与I/O接口合在一起构成的处理系统称为主机。
2.CPU:中央处理器，是计算机的核心部件，由运算器和控制器构成。
3．运算器：计算机中完成运算功能的部件，由ALU和寄存器构成。
4.ALU：算术逻辑运算单元，负责执行各种算术运算和逻辑运算。
5.外围设备：计算机的输入输出设备，包括输入设备，输出设备和外存储设备。
6.数据：编码形式的各种信息，在计算机中作为程序的操作对象。
7.指令：是一种经过编码的操作命令，它指定需要进行的操作，支配计算机中的信息传递以及主机与输入输出设备之间的信息传递，是构成计算机软件的基本元素。
8.透明：在计算机中，从某个角度看不到的特性称该特性是透明的。
9.位：计算机中的一个二进制数据代码，计算机中数据的最小表示单位。
10.字：数据运算和存储的单位，其位数取决于具体的计算机。
11.字节：衡量数据量以及存储容量的基本单位。
1字节等于8位二进制信息。
12.字长：一个数据字中包含的位数，反应了计算机并行计算的能力。
一般为8位、16位、32位或64位。
13.地址：给主存器中不同的存储位置指定的一个二进制编号。
14.存储器：计算机中存储程序和数据的部件，分为内存和外存。
15.总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合，包括数据总线.地址总线和控制总线。
16.硬件：由物理元器件构成的系统，计算机硬件是一个能够执行指令的设备。
17.软件：由程序构成的系统，分为系统软件和应用软件。
18.兼容：计算机部件的通用性。
19.软件兼容：一个计算机系统上的软件能在另一个计算机系统上运行，并得到相同的结果，则称这两个计算机系统是软件兼容的。
20.程序：完成某种功能的指令序列。
21.寄存器：是运算器中若干个临时存放数据的部件，由触发器构成，用于存储最频繁使用的数据。
22.容量：是衡量容纳信息能力的指标。
23.主存：一般采用半导体存储器件实现，速度较高.成本高且当电源断开时存储器的内容会丢失。
计算机硬件包括哪些
一、计算机硬件五大功能部分1.运算器运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit简称ALU）。
它是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较等）。
2.控制器控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。
控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。
硬件系统的核心是中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）。
它主要由控制器、运算器等组成，并采用大规模集成电路工艺制成的芯片，又称微处理器芯片。
3.存储器存储器是计算机记忆或暂存数据的部件。
计算机中的全部信息，包括原始的输入数据。
经过初步加工的中间数据以及最后处理完成的有用信息都存放在存储器中。
而且，指挥计算机运行的各种程序，即规定对输入数据如何进行加工处理的一系列指令也都存放在存储器中。
存储器分为内存储器（内存）和外存储器（外存）两种。
4.输入设备输入设备是给计算机输入信息的设备。
它是重要的人机接口，负责将输入的信息（包括数据和指令）转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。
5.输出设备输出设备是输出计算机处理结果的设备。
在大多数情况下，它将这些结果转换成便于人们识别的形式。
二、电脑主机包含的硬件及其功能计算机硬件是指有形的物理设备，它是计算机系统中实际物理装置的总称。
中央处理器、主存储器、辅助存储器、输入输出设备、总线等五个部分。
中央处理器：用来对数据进行各算术运算和逻辑运算，是计算机的执行单元。
主存储器：也称内存，直接与CPU相连，是计算机中的工作存储器，计算机当前正在运行的程序与数据必须存放在主存内。
存取速度快，但存储容量小。
辅助存储器：也称外存，存储容量大，几乎存放计算机中所有的信息，在计算机实际执行程序和加式处理数据时，辅助存储器中的信息需要先传送入内存后才能被CPU使用。
运算器的主要功能是__________.
运算器的主要功能一、运算器的核心功能运算器，英文名为arithmetic unit，运算器是计算机中处理数据的功能部件，是指计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。
其核心功能即是：执行对数据的各种算术和逻辑运算。
主要功能：1、算术运算及操作加、减、乘、除四则运算。
2、逻辑运算及操作计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外，还具有进行比较、判断等逻辑运算的功能，以及移位、比较和传送等操作。
例如：与、或、求反等逻辑运算，算术和逻辑移位操作，比较数值，变更符号，计算主存地址等。
二、运算器的结构及其功能著名计算机科学家冯·诺依曼将计算机运算器的结构分为：算术逻辑运算单元，浮点运算单元，通用寄存器组，专用寄存器。
1、算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic and Logic Unit）ALU主要完成对二进制数据的定点算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与或非异或）以及移位操作。
在某些CPU中还有专门用于处理移位操作的移位器。
通常ALU由两个输入端和一个输出端。
整数单元有时也称为IEU（Integer Execution Unit）。
我们通常所说的“CPU是XX位的”就是指ALU所能处理的数据的位数。
2、浮点运算单元FPU（Floating Point Unit）FPU主要负责浮点运算和高精度整数运算。
有些FPU还具有向量运算的功能，另外一些则有专门的向量处理单元。
3、通用寄存器组通用寄存器组是一组最快的存储器，用来保存参加运算的操作数和中间结果。
对于x86指令集只支持8个通用寄存器的缺点，Intel最新CPU采用了一种叫做“寄存器重命名”的技术，这种技术使x86CPU的寄存器可以突破8个的限制，达到32个甚至更多。
4、专用寄存器专用寄存器通常是一些状态寄存器，不能通过程序改变，由CPU自己控制，表明某种状态。
74181ALU算术逻辑运算单元
多功能算术/逻辑运算单元(ALU) ,什么是多功能算术/逻辑运算单元(ALU)由一位全加器(FA)构成的行波进位加法器，它可以实现补码数的加法运算和减法运算。
但是这种加法/减法器存在两个问题：一是由于串行进位，它的运算时间很长。
假如加法器由n位全加器构成，每一位的进位延迟时间为20ns，那么最坏情况下，进位信号从最低位传递到最高位而最后输出稳定，至少需要n*2 0ns，这在高速计算中显然是不利的。
二是就行波进位加法器本身来说，它只能完成加法和减法两种操作而不能完成逻辑操作。
本节我们介绍的多功能算术/逻辑运算单元(ALU)不仅具有多种算术运算和逻辑运算的功能，而且具有先行进位逻辑，从而能实现高速运算。
1.基本思想一位全加器(FA)的逻辑表达式为F i＝A i⊕B i⊕C iC i＋1＝A i B i＋B i C i＋C i A i(2.35)我们将A i和B i先组合成由控制参数S0，S1，S2，S3控制的组合函数X i和Y i，然后再将Xi，Yi和下一位进位数通过全加器进行全加。
这样，不同的控制参数可以得到不同的组合函数，因而能够实现多种算术运算和逻辑运算。
图2.10ALU的逻辑结构原理框图因此，一位算术/逻辑运算单元的逻辑表达式为F i=X i⊕Y i⊕X n+iC n+i+1=X i Y i+Y i C n+i+C n+i X i上式中进位下标用n＋i代替原来以为全加器中的i，i代表集成在一片电路上的ALU的二进制位数。
对于4位一片的ALU，i＝0，1，2，3。
n代表若干片ALU组成更大字长的运算器时每片电路的进位输入，例如当4片组成16位字长的运算器时，n＝0，4，8，12。
2.逻辑表达式控制参数S0，S1，S2，S3分别控制输入A i 和B i ，产生Y和X的函数。
其中Y i是受S0，S1控制的A i和B i的组合函数，而X i是受S2，S3控制的A i和B i组合函数，其函数关系如表2.4所示。
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1、CPU的的基本组成 3.3.1节给出的是一种简化的CPU内 部组成模型，它是拟定指令流程的 基础，
在理解CPU的组成时需要抓住以下几点： （1）ALU部件，以及它的输入与输出方式。 （2）用于运算的一组寄存器R0-R3或暂存器C、D、Z （3）用于控制的一组寄存器：指令寄存器IR、程序计
数器PC、程序状态字寄存器PSW （4）与访存相关的一组寄存器：存储器地址寄存器
低位送进来 的进位Ci
输出量
全加和Σi+向高位的进位Ci
全加器为考虑三个输入的加法单元，半加器为 考虑两个输入的加法单元。
用半加器构成全加器 （1）半加求和可用异或门实现：
半加和=AiO+B+ i （半加器的逻辑式） 半加器又称为异或门
（2）全加器=两个半加，其逻辑式：
Σi=AiO+BiO+Ci
• 掌握微型程序控制的概念，了解微指令的 编码方式和顺序控制方式，了解微指令的 格式。
重点难点：
补码定点加减运算、无符号整数一位乘 法和除法。（难点）
模型机的基本组成、数据通路及数据传 送，微命令的基本形式。
指令流程及组合逻辑控制器的工作原理。 （重点）
课时安排： 9课时。
媒体使用： 使用多媒体投影，主要采用PowerPoint准
MAR，存储器数据状态字寄存器MDR，堆栈指针SP （5）内部总路线的连接方式，如何向它发送信息，它
又如何输出信息
（6）CPU如何通过系统总路线与主存、I/O设备连接
2、拟定指令流程
指令流程体现了计算机工作原理中一个核心内 容：CPU怎样执行程序指令？考核方式是给出 一条特定的指令，以模型机CPU内部组成为背 景，用指令语句描述其读取与执行流程。关键 是要熟练掌握几种基本寻址方式的实现过程， 分清谁是源地址、谁是目的地址，操作码是什 么？
[X]补+[Y]补=[X+Y]补 两个相加的数无论正负，只要是以补码的 形式表示的，则可按二进制规则相加。
（2）补码的减法运算： [X-Y]补=[X+（-Y）]补=[X]补+[-Y]补
为[Y]补的机器负数
由[Y]补求[-Y]补（机器负数）的方法 定点小数：
[-Y]补= [Y]补+2-n 例： [Y]补 =0.01011
C i+1=AiBi+(AiO+Bi)Ci 因逻辑门电路均存在延迟时间，全加 器电路是一个延迟部件，其特性将影 响全加器的速度。
§ 3.1.2 并行加法器与进位链结构
并行加法器：是用n位全加器实现两个n 位操作数各位同时相加，其中的全加器 的位数与操作数的位数相同。
并行加法器的最长时间是由进位信号的 传递时间决定的，而每位全加器本身的 求和延迟是次要的因素。所以，加快进 位的产生和传递是提高其速度的关键。
• 掌握初码定点加减运算、移位操作，理解 浮点加减运算、十进制加法运算，掌握无 符号整数一位乘法并了解其逻辑实现，掌 握无符号整数一位除法，了解浮点乘除运 算。
学习目标：
• 掌握模型机的基本组成、数据通路及数据 传送，掌握微命令的基本形式。
• 理解控制器的功能，掌握指令流程及组合 逻辑控制器的工作原理。
§ 3.2 运算方法
§ 3.2.1 定点加减运算
1. 原码加减运算：
原码的加减法较复杂，很少使用，其原 因：
（1）原码的加减运算，因计算机的实际操 作取决于指令中的操作码和两个操作数 的符号；
（2）运算结果的符号判断也较复杂。
2.补码加减运算： （1）补码加法运算：
符号位作为数的一 部分直接参与运算。
例如：拟出指令MOV -（SP），X（R0）读取 与执行流程。
学习内容：
3．1 算术逻辑运算部件ALU 3．2 运算方法 3．3 CPU模型的组成及其数据通路 3．4 时序控制方式 3．5 指令的执行与组合逻辑控制器 3．6 微程序控制器
学习目标：
• 理解全加器的逻辑式和结构，并行加法器 及所采用的进位链、多功能算术逻辑运算 部件SN74181的功能。
备的电子教案。
§ 3.1 算术逻辑运算部件ALU
ALU是一种功能较强的组合逻辑电 路，有时被称为多功能函数发生器。
ALU的核心是加法器。 ALU主要完成对二进制代码的定点
算术运算和逻辑运算。
加器：
An An-1…Ai…A2 A1 A0
输 入 量
Bn Bn-1…Bi …B2 B1 B0 + Cn Cn-1…Ci …C2 C1 C0
（3）串行进位的延迟时间较长。 （4）串行进位的逻辑表达式：见教材
P61。
3. 并行进位（先行进位，同时进位） （1）定义：同时形成各级进位信号的方
法，称为~。 （2）采用并行进位的加法器的运算速度
较快，但是以增加硬件逻辑线路为代 价的。
§ 3.1.3 ALU举例
1. SN74181外特性 2. SN74181内部结构 3. SN74181功能表 4. 用SN74181构成多位的ALU
[-Y]补=1.10100+0.00001=1.10101
定点整数：
[-Y]补= [Y]补+1 例： [Y]补 =1001011
[-Y]补=0110100+1=0110101
(3) 补码的运算规则：
参加运算的操作数和运算结果均用补码 表示；
符号位作为数的一部分直接参与运算；
第3章 CPU原理
CPU的主要功能是执行存放在主存储器 中的程序即机器指令。CPU是由控制器 和运算器。
本章概述
本章重点在于：CPU基本组成与指令流 程。这涉及到建立整机概念的核心问题： CPU如何执行指令，计算机如何存储信 息，如何控制输入/输出。
1。CPU的的基本组成 2。拟定指令流程
进位链：并行加器中传递进位信号的逻 辑线路，称为~
1. 基本进位公式： C i+1=AiBi+(AiO+ Bi)Ci
Gi为进位 产生函数
Pi为进位传 递函数
2. 并行加法器的串行进位：
（1）串行进位的并行加法器是将n个全加 器串接起来，就可进行两个n 个位数相加。
（2）串行进位方式：是指相加的进位逐级 形成的，每一级的进位直接依赖于前一 级的进位。称为~（行波进位）