计算机的逻辑部件
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5
第三讲 数据表示
1、数字化信息编码 • 编码 用少量、简单的基本符号，选用一定的组
合，以表示大量复杂多样的信息： 数字+字母 • 二进制码：在计算机内广泛采用用“0”、“1”
两个基本符号组成的基二码，也称为二进制码 • 2、二进制编码和码制转换 • N=Dm-1Dm-2…D1D0D-1…D-k • 基、权 N=Di*Wi(见p52) • 二进制编码是计算机内使用最多的编码，它只
但符号位不变。 [＋91]反＝01011011 [－91]反＝10100100 [ [Ｘ]反]反＝Ｘ
因此，把负数的反码求反可得到原码
13
正数的补码和原码相同 负数的补码是反码的最后位＋１的结果
[＋91]补＝01011011 [－91]补＝10100101 [ [Ｘ]补]补＝Ｘ 因此，把负数的补码求补可得到原码。
通常称表示一个数值数据的机内编码为机器数，而把它所
代表的实际值称为机器数的真值
• 定点小数的编码方法
（1）原码表示法：是用机器数的最高一位代表符号，以
下各位给数值绝对值的表示方法。其定义为：
[X]原=X 当X在0和1之间； [X]原=1-X 当X在-1和0之间 例如：X=+0.1011 [X]原=01011 ;
完成；它的第二项功能是暂存参加运算的数据和中间结果，这是 由其内部的通用寄存器完成；另外，为了用硬件线路完成乘除指 令运算，运算器内还有一个能自行左右移位的专用寄存器，通常 称乘商寄存器。 • 以上部件通过几组多路选择器电路实现相互连接和数据传送，同 时运算器要与计算机其他几个功能部件连接在一起协同运行，还 必须有接收外部数据输入和送出运算结果的逻辑电路。 • 对运算器的控制与操作，指的是如何让运算器完成所预期的功能， 这是通过正确地向其提供控制信号，包括选哪个数据参加运算， 执行何种运算功能，对运算结果如何保存与送出等；同时要解决 正确向运算器提供参加运算数据的种种问题，包括从外部向运算 器送入数据，正确给出ALU最低位的进位信号，运算器左右移位 操作中的移位输入信号等。 2、位片结构的运算器芯片AM2901（略见p97-120) 3、浮点运算与浮点运算器（略见P121-132） 4、习题（P132-133）ex1、ex2、ex4
二、整数的编码方法
数据本身的大小 ── 真值
数据的二进制编码 ── 原码
真值 原码
＋91 01011011
－91 记作：
11011011
[＋91]原＝01011011 [－91]原＝11011011 [＋0]原＝00000000 [－0]原＝10000000
12
正数的反码和原码相同 负数的反码是原码的各位取反后的结果
• 十进制无权码：是指表示一个十进制数位的4位基2码 的每一位没有确定的位权。（早期用的是余3码、格雷 码） （P73）
• 十进制数的其他编码方法（略）
• 数字串在计算机内的表示与存贮（一是字符串形式，
另一是压缩的十进制数串形式见P74-P75）
10
第四讲 二进制数值数据的编码与运算
一、原码、反码、补码的定义
7
第三讲 数据表示、运算和运算器部件（续）
奇偶校验码实现的具体方法：通常是为1个字补 充1个二进制位，称为校验位，通过设置校验 位的值为0或1的方式，使字节本身的8位和该 校验位有1值的位数一定为奇数或偶数。在使 用奇数个1的方案进行校验时，称为奇校验， 反之则称为偶校验。例如：
数据 奇校验的编码 偶校验的编码
定点补码一位乘法的实现算法（P84-P86） 原码一位除法的实现算法（P86-90）
定点补码一位乘法的实现算法（P90-P91） 加速乘除法运算的有关算法介绍（略）
15
第四讲 运算器部件的组成与设计（续篇）
1、运算器部件的功能与组成概述 • 运算器部件是计算机五大功能部件中的数据加工部件 • 运算器的首要功能是完成对数据的算术和逻辑运算，这是由ALU
到高的顺序，也有从高到低的顺序存放字符串内容的。
（P68）
• 中文的编码表示：在计算机中，通常用2个字节表示
1个汉字，为了与西文字符编码区别，把表示汉字的2
个字节的高位设定为1
3>数值型 数据的表示
• 定点小数的表示
• 整数的表示方法（带符号和不带符号）
• 浮点数的表示方法
说明：浮点数表示比前两种表示方法更方便。
（3）补码的简单求法：当X>=0时， [X]补=[X]原 当X<0时 [X]补的符号位取1，将X的各位数值取反+1 11
（4）反码表示方法：是用机器数的最高位代表符号，数值位是对
负数各位取反的表示方法：例如：X=+0.1011 [X]反=01011 ; X=-0.1011 [X]反=10100;(p78见原码的性质）
00000000 100000000 000000000
01010100 001010100 101010100
海明校验码：是只要增加几个校验位就能检测
出二位同时出错、也能检测出一位出错并能
自动恢复该出错位的正确值的有效手段。它
的实现原理是：在K个数据位之外加上R个校
验位，从而形成一个K+R位的新的码字，使
二、电位触发方式触发器（P21）
1、逻辑图(P21,g(a))
2、功能表和符号、典型波形图
(p21,g(b),g©)
三、边沿触发方式触发器（P22）
D触发器（P22）
四、主-从触发器（P23-P24）
R-S触发器、（分析）
J-K触发器 （略）
五、寄存器和移位寄存器（略讲）
寄存器由触发器和一些控制门组成
<2>变长的操作码的组织方案：（P138）
<3>操作码字段与操作数地址有交叉的方案（P138）
17
第五讲 指令、指令系统和控制器部件（续）
表(分析） 1.2.2 算术逻辑单元（ALU）(p14) 表达式（P14-18 ，公式1.22、1.23）逻辑图、功
能表(p13) 1.2.3、译码器和 1.2.4 数据选择器（略讲）2第二讲 时序逻辑电路介绍
一、触发器分类
1、按时钟控制方式来分
电位触发、边沿触发、主-从触发等
2、按功能分类
R-S型、D型 、J-K型等
4
第二讲 时序逻辑电路（序）
七、时序逻辑电路的开关特性（P32-34） ：有描述
传输延迟的参数，也有描述各输入波形宽度的参数， 还有描述各输入波形之间时间配合要求的参数。若在 使用时序电路时不能满足参数的要求，那么，电路就 不能正常工作。（略见教材） 1.4 阵列逻辑电路：（P35-47） ：”阵列”是指逻辑 元件在硅芯片上以阵列形式排列，常见的有：RAM、 ROM、PLA、GAL、PGA、PMA等等下面简单分析一 下ROM阵列电路（P35-38） 其它阵列电路（略介绍） 课后习题（Ｐ４８，ＥＸ１、ＥＸ３、ＥＸ６） 第二讲结束，SEE ＹＯＵ NEXT ＴＩＭＥ
（P24-28）
3
第二讲 时序逻辑电路（序）
六、计数器 计数器按时钟作用方式来分，有同步计数器和异步计
数器 异步计数器（P21）:计数速度较低，而且位数愈多速
度愈低，由于各触发器不是在同一时间翻转的，因此 各触发器输出之间存在“偏移”，若对计数器输出进 行译码就会出现“毛刺”，但其结构简单 同步计数器（P21）：它中各触发器的时钟信号是由 同一脉冲来提供，因此，各触发器是同时翻转的，不 存在触发器时钟到输出的传输延迟的积累，它的工作 频率比异步计数器高，但其结构较复杂 计数器按计数进位来分：有二进制、十进制两大类 注：在计算机内较少使用异步计数器 简单分析P29-P31中的十进制同步计数器
16
第五讲 指令、指令系统和控制器部件
一、指令和指令系统概述
指令的涵义：计算机 的指令，从用户和计算机两个角度看，指令 都是用户使用计算机与计算机本身运行的最小功能单位。一台计 算机支持的全部指令构成该机的指令系统。
评价计算机的指令系统的优劣
<1>指令系统的完备性，常用指令齐全，编程方便
<2>指令系统的高效性，程序占内存空间少，运行速度快
新的码字的码距比较均匀地拉大。（分析
8
第三讲 数据表示、运算和运算器部件（续）
6、常用的信息编码：
1> 逻辑数据的表示 (p66)
2> 字符数据的表示
• （ASCII码、EBCDIC码）表示单个字符
• 字符串的表示：通常方式下，它们占用主存中连续 的多个字节，每个字节存放一个字符，当存贮单元由2
个或4个字节组成时，在同一个存贮单元中，有按从低
数相比有3个显著的特点：
第一、二、三（P5）
1
《计算机组成原理教程》讲座
1。1。3 三态电路的种类及应用 1、三态缓冲器及三态驱动器（P7、g(a),g(b) 2、双向总线驱动器/接收器（P8-9）（略） 1.2 计算机中常用的组合电路 1.2.1 加法器（P9-12） 1、半加器 表达式（P9 ，公式1.1）逻辑图、功能表（分析） 2、全加器 表达式（P9 ，公式1.2、1.3、1.4）逻辑图、功能
<3>指令系统的规整性，指令和数据作用规则统一简单，易学易记
<4>指令系统的兼容性，指在低档计算机的程序在新的高档的计算 机上也能用
指令组成
操作码+操作数地址；其中操作码用于指明本条指令的操作功能， 而第二部分的操作数地址用于给出被操作的信息的地址
操作码的组织与编码
<1>定长的操作码的组织方案 :当前用的计算机，一般在指令字的最 高位部分分配固定的若干位用于表示操作码。（如：8位等）
X=-0.1011 [X]原=11011;(p75见原码的性质） （2）补码表示法：用机器数的最高一位代表符号，以下
各位给出数值按2取模结果的表示方法，其定义为：
[X]补=X 当X在0和1之间； [X]补=2+X MOD 2 当X在-1和 0之间
例如：X=+0.1011 [X]补=01011 ; X=-0.1011 [X]补=10101;(p76-77见[补码的性质）
数据校验码就是一种常用的带有发现某些错误，甚至 带有一定自动改错能力的数据编码方法。它的实现原 理，是在合法的数据编码之间，加进一些不允许出现 编码，使合法数据编码出现某些错误，就成为非法编 码（P58）
计算机内经常遇到的错误的两大类：随机错误和突发 错误
奇偶校验码：是一种开销最小，能发现数据代码中一 位出错情况的编码，常用于存贮器读写检查，或ASCII 字符及其他类型信息传送过程中的出错检查。它的实 现原理：是使原来合法编码码距由1增加2。
使用两个基本符号“0”和“1”，并且通过由 这两个符号组成的符号串来表示各种信息。 （P52） • 二进数据（P52） • 3、数制转换（P53-P56） • 十进制《=》R进制 (r=2、8、16）
6
第三讲 数据表示、运算和运算器部件（续）
4.二进制数的运算规则 （略见）
5检错纠错码：数据在计算机系统内加工、存取和传送 的过程中可能产生错误。
第一章 计算机的逻辑部件
1、1 三态门(可以由两个或非门和两个NMOS、一
个非门组成
1、1、1 原理
所谓三态门是指正常“0”、“1”和高阻态
（p1-2、g1.1)
1、1、2 参数
1、开关参数（P3-4）
（1）tplh,tphl (2) tpzh,tpzl
(3) tphz,tplz
2、直流参数
三态门电路的直流参数和普通TTL门的直流参
9
第三讲 数据表示、运算和运算器部件（续）
4>十进制数的编码与运算
• 十进制有权码：是指表示一个十进制数位的4位基2码 的每一位有确定的位权（如：8421码、BCD码）；这
种编码修正规则是：若两个8421码数相加之和等于或 小于1001，也就是十进制的9，不需要修正；若相加之 和在10到15之间，一方面应向高位产生一进位，本位 还要进行加6修正，进位是在进行加6修正时产生的； 若相加之和在16到18之间，向高位的进位会在相加过 程中自己产生，对本位还需要进行加6修正（例如： P71-72）
14
第四讲 二进制数值数据的编码与运算（续）
补码加、减运算规则（P80） 在计算机中，通常总是用补码完成算术的加减法运算。其 规则是：
[X+Y]补=[X]补+[Y]补 [X-Y]补=[X]补-[Y]补=[X]补+[-Y]补
原码一位乘法的实现算法
原友表示的两个数相乘，其乘积的符号为相乘两数的符号的异或绝 对值数值则为两数绝对值之积（P82） （1）手工计算步骤（P82） （2）计算机计算步骤（P82-P84）
第三讲 数据表示
1、数字化信息编码 • 编码 用少量、简单的基本符号，选用一定的组
合，以表示大量复杂多样的信息： 数字+字母 • 二进制码：在计算机内广泛采用用“0”、“1”
两个基本符号组成的基二码，也称为二进制码 • 2、二进制编码和码制转换 • N=Dm-1Dm-2…D1D0D-1…D-k • 基、权 N=Di*Wi(见p52) • 二进制编码是计算机内使用最多的编码，它只
但符号位不变。 [＋91]反＝01011011 [－91]反＝10100100 [ [Ｘ]反]反＝Ｘ
因此，把负数的反码求反可得到原码
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正数的补码和原码相同 负数的补码是反码的最后位＋１的结果
[＋91]补＝01011011 [－91]补＝10100101 [ [Ｘ]补]补＝Ｘ 因此，把负数的补码求补可得到原码。
通常称表示一个数值数据的机内编码为机器数，而把它所
代表的实际值称为机器数的真值
• 定点小数的编码方法
（1）原码表示法：是用机器数的最高一位代表符号，以
下各位给数值绝对值的表示方法。其定义为：
[X]原=X 当X在0和1之间； [X]原=1-X 当X在-1和0之间 例如：X=+0.1011 [X]原=01011 ;
完成；它的第二项功能是暂存参加运算的数据和中间结果，这是 由其内部的通用寄存器完成；另外，为了用硬件线路完成乘除指 令运算，运算器内还有一个能自行左右移位的专用寄存器，通常 称乘商寄存器。 • 以上部件通过几组多路选择器电路实现相互连接和数据传送，同 时运算器要与计算机其他几个功能部件连接在一起协同运行，还 必须有接收外部数据输入和送出运算结果的逻辑电路。 • 对运算器的控制与操作，指的是如何让运算器完成所预期的功能， 这是通过正确地向其提供控制信号，包括选哪个数据参加运算， 执行何种运算功能，对运算结果如何保存与送出等；同时要解决 正确向运算器提供参加运算数据的种种问题，包括从外部向运算 器送入数据，正确给出ALU最低位的进位信号，运算器左右移位 操作中的移位输入信号等。 2、位片结构的运算器芯片AM2901（略见p97-120) 3、浮点运算与浮点运算器（略见P121-132） 4、习题（P132-133）ex1、ex2、ex4
二、整数的编码方法
数据本身的大小 ── 真值
数据的二进制编码 ── 原码
真值 原码
＋91 01011011
－91 记作：
11011011
[＋91]原＝01011011 [－91]原＝11011011 [＋0]原＝00000000 [－0]原＝10000000
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正数的反码和原码相同 负数的反码是原码的各位取反后的结果
• 十进制无权码：是指表示一个十进制数位的4位基2码 的每一位没有确定的位权。（早期用的是余3码、格雷 码） （P73）
• 十进制数的其他编码方法（略）
• 数字串在计算机内的表示与存贮（一是字符串形式，
另一是压缩的十进制数串形式见P74-P75）
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第四讲 二进制数值数据的编码与运算
一、原码、反码、补码的定义
7
第三讲 数据表示、运算和运算器部件（续）
奇偶校验码实现的具体方法：通常是为1个字补 充1个二进制位，称为校验位，通过设置校验 位的值为0或1的方式，使字节本身的8位和该 校验位有1值的位数一定为奇数或偶数。在使 用奇数个1的方案进行校验时，称为奇校验， 反之则称为偶校验。例如：
数据 奇校验的编码 偶校验的编码
定点补码一位乘法的实现算法（P84-P86） 原码一位除法的实现算法（P86-90）
定点补码一位乘法的实现算法（P90-P91） 加速乘除法运算的有关算法介绍（略）
15
第四讲 运算器部件的组成与设计（续篇）
1、运算器部件的功能与组成概述 • 运算器部件是计算机五大功能部件中的数据加工部件 • 运算器的首要功能是完成对数据的算术和逻辑运算，这是由ALU
到高的顺序，也有从高到低的顺序存放字符串内容的。
（P68）
• 中文的编码表示：在计算机中，通常用2个字节表示
1个汉字，为了与西文字符编码区别，把表示汉字的2
个字节的高位设定为1
3>数值型 数据的表示
• 定点小数的表示
• 整数的表示方法（带符号和不带符号）
• 浮点数的表示方法
说明：浮点数表示比前两种表示方法更方便。
（3）补码的简单求法：当X>=0时， [X]补=[X]原 当X<0时 [X]补的符号位取1，将X的各位数值取反+1 11
（4）反码表示方法：是用机器数的最高位代表符号，数值位是对
负数各位取反的表示方法：例如：X=+0.1011 [X]反=01011 ; X=-0.1011 [X]反=10100;(p78见原码的性质）
00000000 100000000 000000000
01010100 001010100 101010100
海明校验码：是只要增加几个校验位就能检测
出二位同时出错、也能检测出一位出错并能
自动恢复该出错位的正确值的有效手段。它
的实现原理是：在K个数据位之外加上R个校
验位，从而形成一个K+R位的新的码字，使
二、电位触发方式触发器（P21）
1、逻辑图(P21,g(a))
2、功能表和符号、典型波形图
(p21,g(b),g©)
三、边沿触发方式触发器（P22）
D触发器（P22）
四、主-从触发器（P23-P24）
R-S触发器、（分析）
J-K触发器 （略）
五、寄存器和移位寄存器（略讲）
寄存器由触发器和一些控制门组成
<2>变长的操作码的组织方案：（P138）
<3>操作码字段与操作数地址有交叉的方案（P138）
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第五讲 指令、指令系统和控制器部件（续）
表(分析） 1.2.2 算术逻辑单元（ALU）(p14) 表达式（P14-18 ，公式1.22、1.23）逻辑图、功
能表(p13) 1.2.3、译码器和 1.2.4 数据选择器（略讲）2第二讲 时序逻辑电路介绍
一、触发器分类
1、按时钟控制方式来分
电位触发、边沿触发、主-从触发等
2、按功能分类
R-S型、D型 、J-K型等
4
第二讲 时序逻辑电路（序）
七、时序逻辑电路的开关特性（P32-34） ：有描述
传输延迟的参数，也有描述各输入波形宽度的参数， 还有描述各输入波形之间时间配合要求的参数。若在 使用时序电路时不能满足参数的要求，那么，电路就 不能正常工作。（略见教材） 1.4 阵列逻辑电路：（P35-47） ：”阵列”是指逻辑 元件在硅芯片上以阵列形式排列，常见的有：RAM、 ROM、PLA、GAL、PGA、PMA等等下面简单分析一 下ROM阵列电路（P35-38） 其它阵列电路（略介绍） 课后习题（Ｐ４８，ＥＸ１、ＥＸ３、ＥＸ６） 第二讲结束，SEE ＹＯＵ NEXT ＴＩＭＥ
（P24-28）
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第二讲 时序逻辑电路（序）
六、计数器 计数器按时钟作用方式来分，有同步计数器和异步计
数器 异步计数器（P21）:计数速度较低，而且位数愈多速
度愈低，由于各触发器不是在同一时间翻转的，因此 各触发器输出之间存在“偏移”，若对计数器输出进 行译码就会出现“毛刺”，但其结构简单 同步计数器（P21）：它中各触发器的时钟信号是由 同一脉冲来提供，因此，各触发器是同时翻转的，不 存在触发器时钟到输出的传输延迟的积累，它的工作 频率比异步计数器高，但其结构较复杂 计数器按计数进位来分：有二进制、十进制两大类 注：在计算机内较少使用异步计数器 简单分析P29-P31中的十进制同步计数器
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第五讲 指令、指令系统和控制器部件
一、指令和指令系统概述
指令的涵义：计算机 的指令，从用户和计算机两个角度看，指令 都是用户使用计算机与计算机本身运行的最小功能单位。一台计 算机支持的全部指令构成该机的指令系统。
评价计算机的指令系统的优劣
<1>指令系统的完备性，常用指令齐全，编程方便
<2>指令系统的高效性，程序占内存空间少，运行速度快
新的码字的码距比较均匀地拉大。（分析
8
第三讲 数据表示、运算和运算器部件（续）
6、常用的信息编码：
1> 逻辑数据的表示 (p66)
2> 字符数据的表示
• （ASCII码、EBCDIC码）表示单个字符
• 字符串的表示：通常方式下，它们占用主存中连续 的多个字节，每个字节存放一个字符，当存贮单元由2
个或4个字节组成时，在同一个存贮单元中，有按从低
数相比有3个显著的特点：
第一、二、三（P5）
1
《计算机组成原理教程》讲座
1。1。3 三态电路的种类及应用 1、三态缓冲器及三态驱动器（P7、g(a),g(b) 2、双向总线驱动器/接收器（P8-9）（略） 1.2 计算机中常用的组合电路 1.2.1 加法器（P9-12） 1、半加器 表达式（P9 ，公式1.1）逻辑图、功能表（分析） 2、全加器 表达式（P9 ，公式1.2、1.3、1.4）逻辑图、功能
<3>指令系统的规整性，指令和数据作用规则统一简单，易学易记
<4>指令系统的兼容性，指在低档计算机的程序在新的高档的计算 机上也能用
指令组成
操作码+操作数地址；其中操作码用于指明本条指令的操作功能， 而第二部分的操作数地址用于给出被操作的信息的地址
操作码的组织与编码
<1>定长的操作码的组织方案 :当前用的计算机，一般在指令字的最 高位部分分配固定的若干位用于表示操作码。（如：8位等）
X=-0.1011 [X]原=11011;(p75见原码的性质） （2）补码表示法：用机器数的最高一位代表符号，以下
各位给出数值按2取模结果的表示方法，其定义为：
[X]补=X 当X在0和1之间； [X]补=2+X MOD 2 当X在-1和 0之间
例如：X=+0.1011 [X]补=01011 ; X=-0.1011 [X]补=10101;(p76-77见[补码的性质）
数据校验码就是一种常用的带有发现某些错误，甚至 带有一定自动改错能力的数据编码方法。它的实现原 理，是在合法的数据编码之间，加进一些不允许出现 编码，使合法数据编码出现某些错误，就成为非法编 码（P58）
计算机内经常遇到的错误的两大类：随机错误和突发 错误
奇偶校验码：是一种开销最小，能发现数据代码中一 位出错情况的编码，常用于存贮器读写检查，或ASCII 字符及其他类型信息传送过程中的出错检查。它的实 现原理：是使原来合法编码码距由1增加2。
使用两个基本符号“0”和“1”，并且通过由 这两个符号组成的符号串来表示各种信息。 （P52） • 二进数据（P52） • 3、数制转换（P53-P56） • 十进制《=》R进制 (r=2、8、16）
6
第三讲 数据表示、运算和运算器部件（续）
4.二进制数的运算规则 （略见）
5检错纠错码：数据在计算机系统内加工、存取和传送 的过程中可能产生错误。
第一章 计算机的逻辑部件
1、1 三态门(可以由两个或非门和两个NMOS、一
个非门组成
1、1、1 原理
所谓三态门是指正常“0”、“1”和高阻态
（p1-2、g1.1)
1、1、2 参数
1、开关参数（P3-4）
（1）tplh,tphl (2) tpzh,tpzl
(3) tphz,tplz
2、直流参数
三态门电路的直流参数和普通TTL门的直流参
9
第三讲 数据表示、运算和运算器部件（续）
4>十进制数的编码与运算
• 十进制有权码：是指表示一个十进制数位的4位基2码 的每一位有确定的位权（如：8421码、BCD码）；这
种编码修正规则是：若两个8421码数相加之和等于或 小于1001，也就是十进制的9，不需要修正；若相加之 和在10到15之间，一方面应向高位产生一进位，本位 还要进行加6修正，进位是在进行加6修正时产生的； 若相加之和在16到18之间，向高位的进位会在相加过 程中自己产生，对本位还需要进行加6修正（例如： P71-72）
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第四讲 二进制数值数据的编码与运算（续）
补码加、减运算规则（P80） 在计算机中，通常总是用补码完成算术的加减法运算。其 规则是：
[X+Y]补=[X]补+[Y]补 [X-Y]补=[X]补-[Y]补=[X]补+[-Y]补
原码一位乘法的实现算法
原友表示的两个数相乘，其乘积的符号为相乘两数的符号的异或绝 对值数值则为两数绝对值之积（P82） （1）手工计算步骤（P82） （2）计算机计算步骤（P82-P84）