计算机组成_ 算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit)_
冯诺依曼计算机体系结构
冯诺依曼计算机体系结构冯·诺依曼计算机体系结构（von Neumann architecture）是一种包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、存储器（Memory）、输入/输出设备（Input/Output Device）和控制单元（Control Unit）等基本组件的计算机系统的组织结构。
这种计算机体系结构在20世纪40年代末至50年代初由冯·诺依曼提出，并成为了现代计算机的基础。
下面将详细介绍冯·诺依曼计算机体系结构的各个方面。
首先，中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部件，负责执行指令、进行运算和控制计算机的其他组件。
它由算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和控制单元（Control Unit）组成。
ALU负责进行算术和逻辑运算，而控制单元则负责解码和执行指令、管理数据传输和控制计算机的其他组件。
CPU的设计使得计算机可以按照指令进行顺序执行，实现数据的处理和计算。
其次，存储器（Memory）是计算机系统中用于存储和获取数据和指令的组件。
冯·诺依曼计算机体系结构中的存储器被划分为两个主要部分：主存储器（Main Memory）和辅助存储器（Secondary Storage）。
主存储器是CPU能够直接访问的存储设备，它通常采用随机存储器（Random Access Memory，RAM）的形式，用于暂时保存计算机运行时的数据和指令。
与之相对，辅助存储器类似于硬盘或固态硬盘，用于长期存储数据和程序。
再次，输入/输出设备（Input/Output Device）用于计算机与外部世界之间的数据交换。
输入设备用于向计算机系统输入数据和指令，包括键盘、鼠标、触摸屏等；而输出设备用于将计算机处理的结果输出给用户，包括显示器、打印机、扬声器等。
输入/输出设备通过输入/输出接口与计算机系统的其他组件连接，实现数据的传输和交换。
十六位体系结构计算机组成原理
十六位体系结构计算机组成原理
十六位体系结构计算机组成原理是指计算机的硬件和软件组成原理，可以分为以下几个部分：
1.中央处理器(Central Processing Unit, CPU)：负责执行计算机指令和进行数据处理。
CPU包括指令寄存器、程序计数器、算术逻辑单元(ALU)和寄存器等。
2.存储器：存储器包括主存储器和辅助存储器。
主存储器用于存储正在运行的程序和数据，可分为RAM和ROM。
辅助存储器用于长期存储程序和数据，如硬盘、光盘等。
3.输入输出设备：用于与外部设备进行数据交互，如键盘、鼠标、打印机、显示器等。
4.总线(Bus)：计算机内各个部件之间传送数据和控制信息的通道。
总线分为数据总线、地址总线和控制总线。
5.指令系统：计算机的指令系统决定了计算机的操作特性和功能。
按照十六位体系结构，指令由16位表示，可以包括逻辑运算、算术运算、存储和转移等操作。
6.中断系统：用于处理紧急情况和异步事件，如异常中断、硬件中断和软件中断等。
7.时钟系统：用于同步计算机内各个部件的工作节奏和时序，提供时钟脉冲。
8.控制单元(Control Unit)：负责控制计算机的操作，根据指令操作码的不同，控制单元产生特定的控制信号和时序信号，控制各个部件的工作。
9.运算器(アrithmetic and Logic Unit, ALU)：负责进行算术运算和逻辑运算，包括加法、减法、乘法、除法和与、或、非、异或等逻辑运算。
以上是十六位体系结构计算机组成原理的基本内容，具体实施中可能会有一些差异。
简述计算机控制系统基本组成
简述计算机控制系统基本组成计算机控制系统是指对计算机硬件和软件进行有效管理、协调和控制的系统，以实现计算机正常运行和完成特定任务。
计算机控制系统的基本组成包括以下几个方面：1. 中央处理器（Central Processing Unit, CPU）：-功能：CPU是计算机的大脑，负责执行指令、进行算术和逻辑运算。
-组成：包括控制单元（Control Unit）和算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit）。
2. 存储器（Memory）：-功能：存储器用于存放程序和数据，分为主存储器（RAM）和辅助存储器（如硬盘、固态硬盘）。
-作用：主存储器用于存放当前运行的程序和数据，辅助存储器用于永久性存储数据和程序。
3. 输入设备（Input Devices）：-功能：输入设备用于向计算机输入数据，例如键盘、鼠标、触摸屏等。
-作用：通过输入设备，用户可以与计算机进行交互，向计算机提供操作指令和数据。
4. 输出设备（Output Devices）：-功能：输出设备用于将计算机处理的结果显示给用户，例如显示器、打印机、音响等。
-作用：通过输出设备，计算机可以向用户呈现运算结果、图形、声音等信息。
5. 系统总线（System Bus）：-功能：系统总线是连接计算机内部各个组件的数据通道，包括地址总线、数据总线和控制总线。
-作用：系统总线负责在各个硬件组件之间传递数据、地址和控制信号。
6. 输入/输出控制器（I/O Controller）：-功能：输入/输出控制器负责管理输入和输出设备的数据传输。
-作用：控制器将数据从输入设备传输到主存储器，或者将主存储器中的数据传输到输出设备。
7. 系统时钟（System Clock）：-功能：系统时钟用于同步计算机中的各个部件的工作。
-作用：时钟信号驱动CPU执行指令，确保各个部件协调一致地工作。
8. 操作系统（Operating System）：-功能：操作系统是计算机控制系统的核心，负责管理和协调计算机硬件和软件资源，提供用户界面和执行应用程序的环境。
什么是微处理器,由几部分组成
什么是微处理器,由几部分组成
微处理器是微型计算机的核心部分，又称为中央处理器(简称CPU)。
微处理器主要由控制器和运算器两部分组成（还有一些支撑电路），用以完成指令的解释与执行。
微处理器由算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logical Unit）、累加器和通用寄存器组、程序计数器（也叫指令指标器）、时序和控制逻辑部件、数据与地址锁存器/缓冲器、内部总线组成。
其中运算器和控制器是其主要组成部分。
逻辑部件：
英文Logic components；运算逻辑部件。
可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。
寄存器部件：
寄存器部件，包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。
通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。
通用寄存器是中央处理器的重要部件之一。
控制部件：
英文Control unit；控制部件，主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。
其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。
微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。
中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。
简单指令是由（3～5）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。
cpu各组成部件的作用
cpu各组成部件的作用CPU，即中央处理器（Central Processing Unit），是计算机的核心部件之一。
它负责执行计算机程序中的指令，控制和协调计算机的各个硬件和软件资源。
CPU由多个组成部件组成，每个部件都发挥着不同的作用。
以下是CPU各组成部件的作用。
1. 控制单元（Control Unit）控制单元是CPU的重要部分，负责解释指令、发出控制信号并协调各个部件的工作。
它从内存中读取指令，根据指令的要求控制其他部件的工作，确保指令按照正确的顺序执行。
2. 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）算术逻辑单元是CPU的核心部件之一，负责进行算术运算和逻辑运算。
它可以对整数和浮点数进行加减乘除等数学运算，并且可以执行逻辑运算，如与、或、非等操作。
3. 寄存器（Register）寄存器是CPU中的高速存储器件，用于暂时存储指令、数据和计算结果。
它的访问速度非常快，可以在CPU内部进行快速的数据传输和处理。
CPU中有多个寄存器，包括程序计数器、指令寄存器、累加器等。
4. 数据通路（Data Path）数据通路是CPU中连接各个部件的路径，负责数据的传输和处理。
它包括数据总线、地址总线和控制总线，通过这些总线传输数据和控制信号，实现各个部件之间的协作工作。
5. 缓存（Cache）缓存是CPU中的高速缓存存储器，用于暂时存储频繁使用的数据和指令。
它位于CPU内部，速度比主存储器快，可以提高数据的访问速度。
缓存分为多级，包括一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache）等。
6. 时钟（Clock）时钟是CPU中的时钟发生器，用于产生精确的时序信号，控制CPU 的工作节奏。
时钟信号以固定的频率发生，用于同步CPU中的各个部件的工作，确保它们按照正确的时间顺序执行。
7. 总线（Bus）总线是计算机中各个部件之间传输数据和信号的通道。
CPU中有多种总线，如数据总线、地址总线和控制总线，它们负责CPU与内存、输入输出设备之间的数据传输和控制信号传递。
计算机组成原理中的ALU及其设计研究
计算机组成原理中的ALU及其设计研究一、前言计算机是现代信息社会中最为重要的工具之一，而计算机组成原理则是计算机科学中的基础。
ALU作为计算机组成中主要的逻辑运算器，其设计与研究对于计算机的性能与功能起着至关重要的作用。
二、ALU简介ALU全称为算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit），是计算机中执行算术、逻辑运算的核心部件之一。
在计算机中，所有的数据操作都是由ALU来完成的。
ALU的主要功能包括加减乘除、位运算、比较等逻辑运算，以及与、或、非等逻辑运算，是计算机运算速度的关键因素之一。
三、ALU的设计方法目前，ALU的设计方法主要分为两种：组合电路设计和时序电路设计。
组合电路是指由多个门电路组成的逻辑电路，其输出只与输入状态相关，没有时序要求，主要应用于ALU中的逻辑运算。
而时序电路是指带有时序要求的电路，在不同时刻采用不同的输入状态，输出也会有所不同，主要应用于ALU中的算术运算。
四、常见的ALU设计1、纯组合式ALU设计纯组合式ALU是指ALU的输出只跟输入状态相关，没有时序要求，采用多个门电路组合起来构成。
该设计简单，但是由于门电路数量较多，故其面积较大，耗能量较大。
2、微程序控制ALU设计微程序控制ALU采用微程序控制器来控制ALU的运行，该控制器相当于一个指令解码器，可以对ALU的运行顺序、输入输出等进行控制，具有极高的灵活性和扩展性。
微程序控制ALU的设计更加灵活，可以方便地修改和扩展，但是其运行速度较慢，需要较长的微指令序列。
3、准则算法ALU设计准则算法是一种运算方法，它先将数字按照某个准则进行转化，再进行运算。
准则算法ALU通过准则算法实现算术运算，可以大大降低运算次数，从而提高ALU的运行速度。
准则算法ALU的设计比较复杂，但是运行速度快，功耗低。
五、ALU的优化设计为了进一步提高ALU的性能，工程师们采用了各种方法进行优化设计。
1、增加操作数宽度增加操作数宽度可以减少运算次数，从而提高运行速度。
CPU的结构和功能解析
CPU的结构和功能解析CPU（中央处理器）是计算机的核心组件，它被设计用于执行各种计算和数据处理任务。
CPU的结构和功能包括以下几个方面：1. 控制单元（Control Unit）：控制单元是CPU的一个重要组成部分，负责协调和管理所有的计算机操作。
它从存储器中读取指令并解码，然后将其发送到其他部件以执行相应的操作。
控制单元还负责处理器内部的时序和同步操作。
2. 算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）：ALU是CPU的核心部分，负责执行计算和逻辑运算。
它可以执行加减乘除、移位、逻辑运算（与、或、非）等操作。
ALU的设计通常包括一组寄存器，用于存储和处理操作数和结果。
3. 寄存器（Register）：寄存器是CPU内部的高速存储器，用于存储临时数据和指令。
CPU中包含多个不同类型的寄存器，如数据寄存器、地址寄存器、程序计数寄存器等。
寄存器具有极快的读写速度，能够提高数据的访问效率。
4. 数据总线和地址总线（Data Bus and Address Bus）：数据总线用于在各个组件之间传输数据，地址总线用于标识存储器中的特定位置。
数据总线的宽度决定了CPU能够同时处理的数据量，地址总线的宽度决定了CPU能够寻址的存储器空间大小。
5. 运算器（Arithmetic Unit）：运算器是CPU的一个子部件，用于执行数学运算，如加法、减法、乘法和除法。
运算器通常由ALU和一些辅助电路组成，它能够高效地进行数值计算。
6. 控制器（Controller）：控制器是CPU的另一个子部件，负责控制和协调各个组件之间的操作。
它从指令存储器中获取下一条指令，并将其发送给控制单元解码执行。
控制器还负责处理各种中断和异常情况，以及调度和控制指令的执行顺序。
7. 存储器接口（Memory Interface）：存储器接口是CPU与主存储器之间的桥梁，负责传输数据和指令。
存储器接口包括地址解码器、读写电路、数据缓冲器等，它能够提供合适的接口和协议，以保证数据的高效传输和正确处理。
了解CPU的架构和性能指标
了解CPU的架构和性能指标中央处理器（CPU）是计算机中最重要的组件之一，它负责执行各种计算和操作。
了解CPU的架构和性能指标对于选择合适的计算机以及优化计算机的性能至关重要。
一、CPU的基本架构CPU的基本架构通常由以下几个要素组成：1. 控制单元（Control Unit）：负责指令的解码和执行，在控制指令流程方面起着重要的作用。
2. 算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU）：负责执行各种算术和逻辑操作，例如加减乘除、位移和比较等。
3. 寄存器（Registers）：用于暂时存储指令和数据，在CPU内部起着重要的作用。
4. 数据通路（Data Path）：连接控制单元、ALU和寄存器等组件，实现数据的流动和存储。
5. 缓存（Cache）：用于临时存储访问频率较高的数据，可以加快CPU的访问速度。
二、CPU的性能指标1. 主频（Clock Speed）：主频指的是CPU每秒钟完成的时钟周期数，单位为赫兹（Hz），主频越高表示CPU每秒能执行的指令数越多，性能越强。
但主频并不是衡量CPU性能的唯一标准，其他因素如微架构、缓存大小等也会影响性能。
2. 缓存大小（Cache Size）：缓存是在CPU内部用于存储临时数据的高速存储器，缓存大小越大，能存储的数据越多，CPU访问数据的速度也会更快。
3. 核心数量（Number of Cores）：多核CPU可以在同一时间执行多个任务，提高系统的并行处理能力。
因此，核心数量越多，CPU的性能也越强大。
4. 指令集（Instruction Set）：指令集是CPU支持的指令的集合，不同的指令集对于不同的应用有不同的优劣。
常见的指令集包括x86、ARM等。
5. 浮点运算性能（Floating Point Performance）：浮点运算性能用于衡量CPU在处理科学计算、图形处理等需要大量浮点运算的任务时的性能。
常见的浮点运算性能指标包括FLOPS（每秒浮点运算次数）和GFLOPS（每秒十亿次浮点运算次数）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
与运算的实现
and rd,rs,rt
A0
32-bit
B0
rs
A1
B1
32-bit
rt
A31
B31
Y0
Y1
32-bit rd
Y31
或运算的实现
or rd,rs,rt
A0
32-bit
B0
rs
A1
B1
32-bit
rt
A31
B31
Y0
Y1
32-bit rd
Y31
包含多种功能的运算单元
32位输入
rs
32位输入
Y0
1A
10
1B
0 1
A=1, B=1 → Y=0
VDD
VDD
0
1
Y1
1A
1
0B
0
A=1, B=0 → Y=1
或门（OR gate）
逻辑 A
Y
符号 B
逻辑函数表示 Y=A+B
真值表
输入A 输入B 输出Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
异或门（Exclusive-OR gate, XOR gate）
异或运算：A⊕B=(A ·B) + (A ·B)
B
A
B
A
B
A
B
Cout 1-bit CinCout 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
B
A=0 → Y=1
VDD
1
1
1A
Y0
0
1
0
A=1 → Y=0
与门（AND gate）
逻辑 符号
真 值 表
A
Y 逻辑函数表示
B
Y=A·B
输入A 输入B 输出Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
A
Y
B
（实际用“与非门”和“非门”实现“与门”）
与非门原理图
VDD
VDD
Y A
B
与非门的工作过程示例
VDD
1
VDD
1
则： Ci+1=Gi+Pi·Ci
A3
B3
C4 1-bit C3 Full Adder
S3
A2
B2
1-bit C2 Full Adder
S2
A1
B1
1-bit C1 Full Adder
S1
A0
B0
1-bit C0 Full Adder
S0
如何提前计算“进位输出信号”
N型MOS管
Gate
Source P型MOS管
Source
Drain Gate
Drain
Source
Gate Drain
非门（NOT gate）
逻辑 A
Y
符号
真 输入A 输出Y
值
0
1
表
1
0
逻辑函数表示 Y=A （Y=~A，Y=!A）
VDD
A
Y
非门原理图
非门的工作过程示例
VDD
1
0
1
0A
Y1
0 0
加法器的优化
北京大学 · 慕课 计算机组成
制作人：陆俊林
4-bit加法器示例
+
1
进位C
1101
0110
0011
和S
被加数 A 加数 B
两个4-bit二进制数相加
由四个全加器 构成的4-bit加法器
10
11
01
10
A
B
A
B
A
B
A
B
1Cout 1-bit 1 Cin Cout 1-bit 0 Cin Cout 1-bit 0 Cin Cout 1-bit Cin0
◦ 两个值不相同，则异或结果为真。反之，为假。
逻辑 A 符号 B
Y
逻辑函数表示 Y=A⊕B Y=A^B
真值表
输入A 输入B 输出Y
0
0
0
0
1
1
1
0111 Nhomakorabea0
晶体管、逻辑门
NMOS PMOS
A B
Y
异或门
A
Y
非门
逻辑门
A Y
B
与门
and rd,rs,rt andi rt,rs,imm
A
或门
Y
or rd,rs,rt nor rd,rs,rt
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
Cin
S
Cin
S
Cout
Cout
4-bit RCA的关键路径（延迟最长的路径）
A
T
B
Cin
A
B S
Cin
T
T
Cout
S 总延迟时间
T T
(T+T)×n+T =(2n+1)T
Cout
A
A
B
B S
S 总延迟时间
Cin
Cin
(T+T)×4+T
T
T
=9T
T
T
Cout
Cout
32-bit RCA的性能分析
本节主题
门电路的基本原理
北京大学 · 慕课 计算机组成
制作人：陆俊林
晶体管（transistor）
现代集成电路中通常使用MOS晶体管
◦ Metal-Oxide-Semiconductor：金属-氧化物-半导体
CMOS集成电路（Complementary MOS）
◦ 由PMOS和NMOS共同构成的互补型MOS集成电路
rt
32-bit 32-bit 32-bit 32-bit
A0
B0
Y0
A1
B1
Y1
A31
B31
Y31
A0 Y0
B0
A1
Y1
B1
A31
B31
Y31
32-bit 32-bit
运算类型选择
(2-bit)
00
多选器
（四选一）
01
32位输出
rd
10 11
逻辑运算示例
and $8,$9,$10
D SET Q
R8
B
ori rt,rs,imm
本节小结
门电路的基本原理
北京大学 · 慕课 计算机组成
制作人：陆俊林
本节主题
逻辑运算的实现
北京大学 · 慕课 计算机组成
制作人：陆俊林
与门 和 与运算指令
A
Y
B
输入A 输入B 输出Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
32位目的寄存器
and rd,rs,rt
32位源寄存器 32位源寄存器
Full Adder
Full Adder
Full Adder
Full Adder
S
S
S
S
0
0
1
1
行波进位加法器（Ripple-Carry Adder，RCA）
结构特点
◦ 低位全加器的Cout连接到高一位全加器Cin
优点
◦ 电路布局简单，设计方便
缺点
◦ 高位的运算必须等待低位的运算完成，延迟时间长
A
总延迟时间： (2n+1)T =(2×32+1)×T =65T
4-bitRCA
延迟时间 0.18ns
时钟频率 5.56GHz
参考值
水果智能手机5s的A7 SoC 采用28nm制造工艺
主频1.3GHz（0.66ns）
32-bitRCA
1.3ns
769MHz
注：参照28nm制造工艺，门延迟T设为0.02ns
Q CLR
控制电路 指令译码
IR PC
R0 ($0)
clock
D SET Q
R9
Q CLR
D SET Q
R10
R8 ($8)
R9 ($9)
内
R10 ($10)
部
总
R31 ($31)
线
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