计算机组成原理(3.2算术逻辑运算部件)
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。
计算机组成原理 [袁春风]chap3_1
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南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
3.2.3 先行进位ALU
(1)为什么用先行进位方式 行波进位是串行逐级传递的 整个和的生成受到行波进位的影响 因此 现代计算机采用一种先行进位(Carry look ahead)方式 (2)如何产生先行进位 定义两个辅助函数 Gi=aibi…进位生成 Pi=ai⊕bi…进位传递 通常把实现上述逻辑的电路称为进位生成/传递部件 全加逻辑方程 Si=Pi⊕Ci Ci+1=Gi+PiCi (i=0,1,…n) 设n=4,则 C1=G0+P0C0 C2=G1+P1C1=G1+P1G0+P1P0C0 C3=G2+P2C2=G2+P2G1+P2P1G0+P2P1P0C0 C4=G3+P3C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0+P3P2P1P0C0 由上式可知:各进位之间无等待 相互独立并同时产生 通常把实现上述逻辑的电路称为4位CLA部件 由此 根据Si=Pi⊕Ci 可并行求出各位和 通常把实现Si=Pi⊕Ci的电路称为求和部件 CLA加法器由“进位生成/传递部件” “CLA部件”和“求和部件”构成
高位进位逻辑表达式
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全加和逻辑
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全加和逻辑 续
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全加器逻辑图
上述全加器和Sum的延迟为6ty,进位Cout的延迟为 (假定一个与/或门延迟为1ty 异或门的延迟则为
AL BL CL DL CS DS SS ES IP 16位
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。
计算机组成原理实验
二、通用寄存器单元实验
3.实验说明 (2)通用寄存器单元的工作原理
二、通用寄存器单元实验
3.实验说明 (2)通用寄存器单元的工作原理 通用寄存器单元的核心部件为2片GAL16V8，它 具有锁存、左移、右移、保存等功能。各个功能 都由X1、X2信号和工作脉冲RACK来决定。当置 ERA=0、X0=1、X1=1，RACK有上升沿时，把总线上 的数据打入通用寄存器。可通过设置X0、X1来指 定通用寄存器工作方式，通用寄存器的输出端Q0-Q7接入判零电路。LED(ZD)亮时，表示当前通用 寄存器内数据为0。
A+B
CN=0，M=0 A+1 (A+B)+1
(A+B) + 1
0
0
AB
B A⊕B A B A +B A⊕B
A+AB (A+B)+AB
A-B-1
AB- 1
A+AB+ 1 (A + B )+ A B +1
A-B
A B
A+AB A+B AB-1 A+A (A+B)+A
(A+B)+A
(A+B)+AB
A+AB+1 A+B+1
一、算术逻辑运算单元实验
4.实验步骤 (2)不带进位位加法 74LS181的M=0，CN=1，S3S2S1S0=1110，则 74LS181工作在无进位位加法运算状态，运算为 F=A加B 本实验中，A=33H，B=55H 应得结果为：F=33H加55H=88H LED显示结果：88H 结果正确？
一、算术逻辑运算单元实验
一、算术逻辑运算单元实验
计算机专升本中的计算机组成原理
计算机专升本中的计算机组成原理计算机专升本是指在已经获得专科学历的基础上，进一步学习计算机相关专业知识，提升学历层次的过程。
在计算机专升本的学习过程中，计算机组成原理是一个重要的学科，它涉及计算机硬件的各个方面，对于理解和应用计算机技术都具有重要的意义。
一、计算机组成原理的基本概念计算机组成原理是计算机科学与技术的一门基础学科，它研究计算机硬件系统的结构、功能和工作原理。
计算机由中央处理器、存储器、输入输出设备和系统总线等组成，而计算机组成原理就是研究这些组成部分的结构和相互配合的原理，以及它们在计算机系统中的工作方式。
二、计算机的基本组成部分1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机系统的核心，它负责执行指令和进行数据处理。
CPU由运算器、控制器和寄存器组成，运算器负责执行算术和逻辑运算，控制器负责解析和执行指令，寄存器用于存储数据和指令的临时存储。
2. 存储器存储器用于存储计算机的指令和数据，分为主存储器和辅助存储器。
主存储器是计算机与外部存储器之间进行数据交换的媒介，它有时也被称为内存或随机存储器（RAM）。
辅助存储器包括硬盘、光盘、磁带等，用于长期储存大量的数据。
3. 输入输出设备输入输出设备用于计算机与外部环境的信息交换。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等，而输出设备包括显示器、打印机、音箱等。
输入输出设备的作用是将人类的信息输入到计算机中，并将计算机处理后的结果输出给人类。
4. 系统总线系统总线是计算机各个部件之间传输信息的通道。
它包括数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线用于传输数据和指令，地址总线用于传输存储器地址，控制总线用于传输指令控制信号。
系统总线起到连接和协调各个部件的作用，使得它们能够相互通信和协同工作。
三、计算机组成原理的重要性和应用1. 理解计算机内部工作原理学习计算机组成原理可以让我们深刻理解计算机内部各个组成部分的功能和相互关系，从而更好地了解计算机是如何工作的。
计算机组成原理重点整理
一.冯·诺依曼计算机的特点1945年，数学家冯诺依曼研究EDVAC机时提出了“存储程序”的概念1.计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成2.指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。
3.指令和数据均用二进制数表示。
4.指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
5.指令在存储器内按顺序存放。
通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
6.机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。
二.计算机硬件框图1.冯诺依曼计算机是以运算器为中心的2.现代计算机转化为以存储器为中心各部件功能：1.运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。
2.存储器用来存放数据和程序。
3.控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果4.输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式（鼠标键盘）。
5.输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式（打印机显示屏）。
计算机五大子系统在控制器的统一指挥下，有条不紊地自动工作。
由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，两大不见往往集成在同一芯片上，合起来统称为中央处理器（CPU）。
把输入设备与输出设备简称为I/O设备。
现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器。
CPU与主存储器合起来又可称为主机，I/O设备又可称为外部设备。
主存储器是存储器子系统中的一类，用来存放程序和数据，可以直接与CPU交换信息。
另一类称为辅助存储器，简称辅存，又称外村。
算术逻辑单元简称算逻部件，用来完成算术逻辑运算。
控制单元用来解实存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令。
ALU和CU是CPU的核心部件。
I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入输出操作。
计算机组成原理
计算机组成原理计算机组成原理是指计算机硬件和软件的组成以及它们之间的工作原理。
计算机硬件主要包括中央处理器(CPU)、存储器、输入输出设备和总线等。
计算机软件则由系统软件和应用软件组成。
在计算机中，中央处理器是计算机的核心，它负责执行计算机程序中的指令。
中央处理器由控制器和运算器组成。
控制器用于解码和执行指令，而运算器用于进行数据运算。
存储器用于存储数据和指令，其主要有两种类型：主存储器和辅助存储器。
主存储器一般是随机存取存储器(RAM)，用于存储当前正在执行的程序和数据。
辅助存储器一般是固态硬盘(SSD)或磁盘，用于长期存储数据和程序。
输入输出设备负责将数据和指令输入计算机，并将计算结果输出到外部设备或显示器上。
常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪，而输出设备有显示器、打印机和音频设备等。
总线是计算机各个组件之间进行通信的路径。
总线分为地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线用于指示存储器或I/O设备的地址，数据总线用于传输数据，而控制总线用于传输与控制操作有关的信息。
系统软件是计算机操作系统的核心部分，它管理计算机的资源和提供用户与计算机硬件之间的接口。
应用软件则是由用户使用的各种程序，如办公软件、图像处理软件和游戏等。
在计算机工作原理方面，计算机是按照指令的顺序执行程序的。
计算机从存储器中读取指令和数据，存储在寄存器中，并通过总线传递信息。
控制器解码指令并控制算术逻辑单元(ALU)进行数据运算。
运算结果再存储在寄存器中，最后输出到输出设备或存储器中。
总之，计算机组成原理是计算机硬件和软件的组成和工作原理的总称。
通过了解计算机的组成和工作原理，可以更好地理解计算机的工作方式，从而进行计算机系统的设计和优化。
第1-3章计算机组成原理课后习题答案
第1章计算机系统概论什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件硬件和软件哪个更重要解：计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
硬件即指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等。
软件是看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成，用来充分发挥硬件功能，提高机器工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算机硬件系统工作的程序、资料、数据集合。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
如何理解计算机系统的层次结构解：（1）第一级：实际机器M1 (机器语言机器)，机器语言程序直接在M1上执行；（2）第二级：虚拟机器M2（汇编语言机器），将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，再在M1-上执行；（3）第三级：虚拟机器M3(高级语言机器)，将高级语言程序先翻译成汇编语言程序，再在M2、M1（或直接到M1）上执行；（4）第零级：微程序机器M0（微指令系统），由硬件直接执行微指令。
（5）实际上，实际机器M1和虚拟机器M2之间还有一级虚拟机，它是由操作系统软件构成，该级虚拟机用机器语言解释操作系统。
（6）虚拟机器M3还可以向上延伸，构成应用语言虚拟系统。
说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及联系。
解：机器语言由0、1代码组成，是机器能识别的一种语言。
用机器语言编写程序时要求程序员对他们所使用的计算机硬件及其指令系统十分熟悉，编写程序难度很大，操作过程也极易出错。
汇编语言是符号式的程序设计语言，汇编语言是面向机器的语言，它由一些特殊的符号表示指令。
用汇编语言编写的汇编语言程序必须先被翻译成机器语言程序，才能被机器接受并自动运行。
汇编语言的每一条语句都与机器语言的某一条语句（0、1代码）一一对应。
高级语言是面向用户的语言，与具体的计算机指令系统无关、对问题的描述更接近于人们习惯，且易于掌握和书写。
它具有较强的通用性，程序员完全不必了解、掌握实际机器M1的机型、内部的具体组成及其指令系统，只要掌握这类高级语言的语法和语义，便可直接用这种高级语言来编程，给程序员带来了极大的方便。
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移位器
ALU
锁存器
锁存器
特点： 单口RAM不能同时向ALU提 供两个操作数； 用锁存器暂存操作数； 采用双向内总线。
内部总线（双向） R0
通用寄存器组（小型存储器）
Rn
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位片式运算器——4位片运算器粗框
4
4 DO
移位器 乘商寄存器
4
4
G、P
Cn+4
ALU
CI =GI +PIC−1
PII = P7P6P5P4
GII
=
G 7
+
PG 76
+
PPG 765
+
PPPG 7654
CII =GII +PIICI =GII +PIIGI +PIIPIC−1
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10
3.2.3 多功能算术、逻辑运算部件
加法器+进位链+输入选择逻辑====>ALU
1.一位ALU的逻辑
S3 S2 Xi S1 S0 Yi
0 0 1 0 0 Ai
0 1 Ai+Bi 0 1 AiBi
1 0 Ai+Bi 1 0 AiBi
1 1 Ai 1 1 0
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2.多位ALU的逻辑
¾四位ALU ¾组内并行进位链 ¾符合比较逻辑
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S0 S1 S2 S3
LL L L LL L H LL H L LL H H LH L L LH L H LH H L LH H H HL L L HL L H HL H L HL H H HH L L HH L H HH H L HH H H
M=H 逻辑运算
A A+B A•B “0” A•B
20
A7 B7
A4B7 C3
A3 B3
A0B0 C-1
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8
组间并行进位
Σ15 Σ14 Σ13 Σ12
第四小组
Σ11 Σ10 Σ9 Σ8
第三小组
Σ7 Σ6 Σ5 Σ4
Σ3 Σ2 Σ1 Σ0
第二小组
第一小组
A15B15 CIV
A12B12
A11B11
CIII
＋
. . . .. GIV PIV
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6
并行进位生成的逻辑图
C3
＋
. G3 P3 .. ⊕
.
.
..
A3B3
Σ3 C2
. P3 ⊕
＋
. . . ... ... ..G2 P2
A2B2
Σ2 C1
. P2 ⊕
＋
. .. .. ..G1 P1
A1B1
Σ1 C0
Σ0
. P1 ⊕
P0 ⊕
＋
. ..
G0 P0
Cn
4
控制信息
4
4
多路选择器 多路选择器
DA
4
A 地址
4
4
RAM
4
DB
4
B 地址
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特点：
• 用双口RAM（两地址端、 两数据端）作通用寄存 器组，可同时提供数据；
• 用多路选择器作输入逻 辑，不需暂存操作数；
• ALU增加乘、除功能， 用乘商寄存器存放乘数、 乘积或商。
B A⊕B A•B A+B A⊕B
B A•B “1” A+B A+B
A
正 逻辑
M=L算术运算
Cn=1
Cn=0
A
A+B
A+B 减1 A加(A•B) (A•B)加(A+B) A减B减1 (A•B)减1 A加(A•B) A加B (A•B)加(A+B) (A•B)减1 A加A A加(A+B) A加(A+B) A减1
15
C
CI+3 GI+3 PI+3
中组(包括四小组)加法器
CI+2 GI+2 PI+2
CI+1 GI+1 PI+1
C0 CI+0 GI+0 PI+0
C15 C14 C13
C11 C10 C9
C7 C6 C5
C3 C2 C1
一级先行进位 第3组
一级先行进位 第2组
一级先行进位 第1组
一级先行进位 第0组 C0
3.2 算术、逻辑运算部件
半加器和全加器 并行加法器与进位逻辑结构 多功能算术、逻辑运算部件 十进制加法器
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3.2.1 半加器和全加器
全加器真值表
输入
Xi
Yi
Ci-1
输出
Zi
Ci
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
C0 =G0 +P0C−1
( ) C1 =G1+P1C0 =G1+P1 G0 +P0C−1 =G1+P1G0 +P1P0C−1
C2 =G2 +P2C1 =G2 +P2G1 +P2P1G0 +P2P1P0C−1 C3 =G3 +P3C2 =G3 +P3G2 +P3P2G1+P3P2P1G0 +P3P2P1P0C−1
..
A0B0 C-1
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7
多重分组并行进位加法器设计
组间串行进位
C15 Σ15 Σ14 Σ13 Σ12
第四小组
Σ11 Σ10 Σ9 Σ8
Σ7 Σ6 Σ5 Σ4
第三小组
第二小组
Σ3 Σ2 Σ1 Σ0
第一小组
A15B15
ห้องสมุดไป่ตู้
A12B12 C11
A11B11
C7
A8 B8
4
2. 并行进位（超前进位）n位加法器设计 并行进位原理： Gi = AiBi ——绝对进位或者本地进位； Pi = Ai ⊕—Bi—相对进位或者传递条件。
则
Ci = Gi + PiCi−1
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5
示例 n = 4 Σ = A + B
A = A3 A2 A1A0 B = B3B2B1B0 Σ = Σ3Σ2Σ1Σ0 C−1
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带多路选择器的运算器
内部总线（单向）
移位器
R0
Rn
ALU
特点：
R各自独立；
多路选择器 多路选择器
可同时向ALU提供两个操作数；
R0. . . Rn R0. . . Rn 采用单向内总线。
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带输入锁存器的运算器
A+1 (A+B)加1 (A+B)加1
“0” A加(A•B)加1 (A•B)加(A+B)加1 A减B
A•B A加(A•B)加1 A加B加1 (A•B)加(A+B)加1
(A•B) A加A加1 A加(A+B)加1 A加(A+B)加1
A
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13
用4片74181电路可组成16位ALU。图中片内进位是 快速的，但片间进位是逐片传递的，因此形成F0～ F15的时间还是比较长。
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14
74LS182采用组间超前进位电路，称作为“先行进 位部件CLA”。可利用四个74LS181 ALU位片和一个 74LS182 CLA部件，构成一个字长为16位的运算部 件，具有两级先行进位，CLA构成第二级的先行进 位逻辑。
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1
0
0
1
0
1
1
1
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2
加法器逻辑结构
Σi = Ai + Bi + Ci−1
C i = Ai Bi + ( Ai ⊕ Bi )C i−1
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3
3.2.2并行加法器与进位逻辑结构
1. 串行进位（行波进位）n位加法器设计
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…
…
…
…
G15 P15 G12 P12
G11 P11 G8 P8
G7 P7 G4 P4
G3 P3 G0 P0
由4片4位先行加法器构成的16位快速进位加法器逻辑示意图
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16
3.2.4 运算器组织
具有多路选择器的运算器 具有输入锁存器的运算器 位片式运算器
A8 B8
A7 B7
CII
＋
. . . ... ...
GIII PIII
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A4 B7 CI
A3 B3
＋
. . . ..
GII PII
A0 B0