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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南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
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。
计算机组成原理第3章2 加法器与运算部件
所以 Ci = Gi + Pi Ci-1
本地进位、绝对进位
（2）串行进位
条件进位、传递进位
特点：进位信号逐位形成。C1 = G1 + P1C0
设n位加法器 1）逻辑式
C2 = G2 + P2C1
Cn = Gn + PnCn-1
2）结构举例
Gi
Pi
C2 G2 P2 C1 G1 P1 C0 Ai Bi Ai Bi
第二步: 结合时序, 拟定每一步操作所需要的微操作 命令, 并以操作时间表的形式将微命令以及 微命令产生的条件列出来。
第4步是CPU设计过程的关键步骤。
5、形成控制逻辑
如果采用组合逻辑设计方法: 根据第4步的工作, 将微命令产生的条件进行综合、 简化以后, 形成逻辑表达式, 用逻辑电路予以实 现。
3.3 加法器与运算部件
计算机中的算术运算和逻辑运算都用一个 算术、逻辑运算部件ALU(Arithmetic Logic Unit)来实现。 本节内容重点讨论用加法器来实现各种运 算处理。
复杂运算 四则运算 加法运算
加法单元
（本位进位）
Ci
（本位和）
∑i
加法单元 i
一个输入为1时， ∑i为1，Ci为0；
GⅡ
组间： C8 = G8 + P8G7 + P8P7G6 + P8P7P6G5 + P8P7P6P5CI
PⅡ
所以 CⅡ = GⅡ + PⅡCI
3）第3组进位逻辑式
组内： C9 = G9 + P9CⅡ C10 = G10 + P10G9 + P10P9CⅡ C11 = G11 + P11G10 + P11P10G9 + P11P10P9CⅡ
计算机组成原理讲义
计算机组成原理讲义计算机组成原理是一门研究计算机硬件和软件协同工作的学科。
它研究计算机系统的组成、结构、工作原理和设计方法，涉及到计算机的各个层次、各个组成部分和各种操作。
计算机组成原理作为计算机科学和计算机工程的基础课程，对于理解计算机的工作原理和提高计算机系统设计和性能优化具有重要意义。
首先，计算机组成原理涵盖了计算机的硬件组成。
计算机的硬件部分主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备和总线等。
中央处理器是计算机的核心部件，又被称为计算机的大脑。
它包括算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU），负责执行指令、算术运算和逻辑运算等。
存储器用于存储数据和指令，分为主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。
输入输出设备用于与计算机交互，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
总线用于连接计算机的各个组成部分，包括数据总线、地址总线和控制总线等。
了解计算机硬件组成，对于设计和优化计算机系统具有重要意义。
其次，计算机组成原理涉及计算机的工作原理。
计算机的工作原理主要包括数据的表示和存储、指令的执行和流水线技术等。
数据的表示和存储是计算机进行数据处理的基础。
计算机使用二进制表示数据，将数据存储在内存中。
指令的执行是计算机进行计算和逻辑操作的基本单元。
计算机通过解码和执行指令，对数据进行处理。
流水线技术是提高计算机执行效率的一种重要方法。
通过将指令执行分解成多个阶段，可以提高指令的吞吐量。
计算机组成原理对于理解计算机工作原理和提高计算机系统性能具有重要意义。
最后，计算机组成原理涉及计算机的设计方法。
计算机的设计方法包括指令系统的设计、组合逻辑电路的设计和微程序设计等。
指令系统的设计是计算机体系结构的基础，决定了计算机的功能和性能。
组合逻辑电路设计是实现计算机各个功能模块的基础，包括加法器、乘法器、寄存器和控制电路等。
微程序设计是实现指令的执行和控制的基础，将指令分解成微指令并存储在控制存储器中。
计算机组成原理习题答案(蒋本珊)
第一章１．电子数字计算机和电子模拟计算机的区别在哪里？解：电子数字计算机中处理的信息是在时间上离散的数字量，运算的过程是不连续的；电子模拟计算机中处理的信息是连续变化的物理量，运算的过程是连续的。
２．冯·诺依曼计算机的特点是什么？其中最主要的一点是什么？解：冯·诺依曼计算机的特点如下：①计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；②计算机内部采用二进制来表示指令和数据；③将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。
第③点是最主要的一点。
３．计算机的硬件是由哪些部件组成的？它们各有哪些功能？解：计算机的硬件应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。
它们各自的功能是：①输入设备：把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。
②输出设备：将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。
③存储器：用来存放程序和数据。
④运算器：对信息进行处理和运算。
⑤控制器：按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。
４．什么叫总线？简述单总线结构的特点。
解：总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息。
单总线结构即各大部件都连接在单一的一组总线上，这个总线被称为系统总线。
CPU 与主存、CPU 与外设之间可以直接进行信息交换，主存与外设、外设与外设之间也可以直接进行信息交换，而无须经过CPU 的干预。
５．简单描述计算机的层次结构，说明各层次的主要特点。
解：现代计算机系统是一个硬件与软件组成的综合体，可以把它看成是按功能划分的多级层次结构。
第０级为硬件组成的实体。
第１级是微程序级。
这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序一般是直接由硬件执行的。
第２级是传统机器级。
这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。
(完整版)计算机组成原理知识点总结
第2章数据的表示和运算主要内容：（一）数据信息的表示1.数据的表示2.真值和机器数（二）定点数的表示和运算1.定点数的表示：无符号数的表示；有符号数的表示。
2.定点数的运算：定点数的位移运算；原码定点数的加/减运算；补码定点数的加/减运算；定点数的乘/除运算；溢出概念和判别方法。
（三）浮点数的表示和运算1.浮点数的表示：浮点数的表示范围；IEEE754标准2.浮点数的加/减运算（四）算术逻辑单元ALU1.串行加法器和并行加法器2.算术逻辑单元ALU的功能和机构2.3 浮点数的表示和运算2.3.1 浮点数的表示（1）浮点数的表示范围•浮点数是指小数点位置可浮动的数据，通常以下式表示：N=M·RE其中，N为浮点数，M为尾数，E为阶码，R称为“阶的基数（底）”，而且R为一常数，一般为2、8或16。
在一台计算机中，所有数据的R都是相同的，于是不需要在每个数据中表示出来。
浮点数的机内表示浮点数真值：N=M ×2E浮点数的一般机器格式：数符阶符阶码值 . 尾数值1位1位n位m位•Ms是尾数的符号位，设置在最高位上。
•E为阶码，有n+1位，一般为整数，其中有一位符号位EJ，设置在E的最高位上，用来表示正阶或负阶。
•M为尾数，有m位，为一个定点小数。
Ms=0，表示正号，Ms=1，表示负。
•为了保证数据精度，尾数通常用规格化形式表示：当R＝2，且尾数值不为0时，其绝对值大于或等于0.5。
对非规格化浮点数，通过将尾数左移或右移，并修改阶码值使之满足规格化要求。
浮点数的机内表示阶码通常为定点整数，补码或移码表示。
其位数决定数值范围。
阶符表示数的大小。
尾数通常为定点小数，原码或补码表示。
其位数决定数的精度。
数符表示数的正负。
浮点数的规格化字长固定的情况下提高表示精度的措施：•增加尾数位数（但数值范围减小）•采用浮点规格化形式尾数规格化：1/2≤M <1 最高有效位绝对值为1浮点数规格化方法：调整阶码使尾数满足下列关系：•尾数为原码表示时，无论正负应满足1/2 ≤M <1即：小数点后的第一位数一定要为1。
计算机组成原理(任国林第二版)名词解释
计算机组成原理（任国林第二版）名词解释第一单元计算机系统概述存储程序方式：⑴程序和数据预先存放在存储器中⑵机器工作时，自动、逐条地取出指令并执行主机：CPU（运算器+控制器）+MM（主存储器）外设：输入设备，输出设备，辅助存储器CPU：运算器，控制器ALU：算术逻辑单元（只进行整型运算）FPU：浮点运算部件CU：Controller Unit，控制单元PC：Program Counter，程序计数器IR：Instruction Register，指令寄存器ID：Instruction Decode，指令译码器存储元：可存储一个二进制位的元件，存储单元—可同时存储一串二进制位的元件(与一个地址相对应)，存储阵列—所有存储单元的集合存储单元：一般以8位二进制作为一个存储单元，也就是一个字节存储阵列：多个存储单元排列形成存储单元长度：存储字长,一个字节由多少位二进制组成存储单元地址：每个存储单元被赋予的唯一编号，存储单元长度—一个存储单元能存储的二进制信息位数存储字：存储单元中存储的二进制信息存储字长：存储单元中容纳的二进制信息个数总线：一组用于信息传输的公共信号线主设备：发送信息（CPU）从设备：接收信息（存储器等）I/O接口：实现数据缓冲，格式转换，通信控制，协调总线系统总线：连接计算机各大部分的总线DBus：Data Bus，数据总线ABus：Address Bus，地址总线Cbus：Control Bus，控制总线实际机器：所编写程序可悲硬件识别和执行的机器虚拟机器：除了实际机器的机器解释：先将程序转换为低级机器上的等效程序，再运行翻译：对程序中每一条语句，都转去执行低级机器上的一段等效程序指令：告诉计算机从事其中一特殊运算的代码语句：计算机结构：硬件的概念性结构和功能特性计算机实现：物理结构（硬件）ISA：Instruction Set Architecture执行时：指令在主存中的首地址(由系统随机分配)逻辑地址：指令地址物理地址：运行时在存储器中的地址机器字长：CPU一次能处理的二进制（整型）位数时钟周期：CPU主时钟脉冲宽度主频：主时钟脉冲频率主存编址单位：主存单元长度：主存地址空间：主存为最大容量时的地址空间CPU可寻址空间：主存地址空间响应时间：一个任务从提交到完成的总时间（T响应＝TCPU＋T等待）吞吐率：单位时间能处理的工作量CPI：Cycles Per Instruction（一条指令所需的平均时钟周期）MIPS：每秒百万次指令（主频/CPI/10^6）MFLOPS：每秒百万次浮点运算第二单元数据的表示与运算数制：进位计数制，二进制，八进制，十进制，十六进制码制：机器数：计算机内部用编码表示的数真值：数学上的数原码：最高位为符号位，其余各位为真值的绝对值补码：正数的补码为本身，负数的补码为取反加一移码：正数为前加一位1，复数取反加1首位补0（000的移码为1000）模：\log_{2}模表示机器数的位数补数：补码同余：余数相同BCD码：二进制数表示十进制的编码交换码：用于字符的索引、传送（例：ASCII码）内码：用于字符的存储和处理码距：任意两个码字中位值不相同的个数的最小值校验码：由数据信息和校验信息组成的编码奇偶校验：检测校验码中1的个数是奇数还是偶数（所有位取异或的结果补在最后）海明校验：多重奇偶校验，将数据位分为多个有重叠的组，每个组进行奇偶校验循环冗余校验(CRC)：数据类型：一个值的集合，及定义在该值集上的一组操作（例：8位二进制及二进制逻辑）数据表示：截断运算：保留数据的低位部分位扩展运算：零扩展，符号扩展零扩展：无符号数补零符号扩展：有符号数补符号位上溢：浮点数的阶大于最大阶码，是真正的溢出，应进行溢出处理（正上溢，负上溢）下溢：浮点数的阶小于最小阶码，下溢可以认为是机器零不是溢出机器零：机器零在数轴上表示为0点及其附近的一段区域，即在计算机中小到机器数的精度达不到的数均视为“机器零”，而真值零则表示0这一个点。
计算机组成原理--教学大纲
计算机组成原理教学大纲是计算机专业系统能力培养核心课程。
采用系统观、构造观和工程观的教学设计，研究冯诺依曼计算机各功能部件的工作原理与设计方法，指导大家进行系列组成原理实验，提升智能硬件设计及软/硬协同计算机系统编程能力！提升研究生入学组成原理备考能力。
课程概述“计算机组成原理”是一门理论性、工程性、技术性和实践性都很强的核心专业基础课程，在计算机学科系列课程中处于承上启下的作用。
课程教学目标是通过相关的教学活动，帮助学生理解计算机基本组成部件(包括运算器、控制器、存储器、输入/输出)的结构、工作原理、内部运行机制和设计方法。
加深学生对计算机软、硬件系统的整体化理解，建立硬件/软件协同的整机概念，并有效增强学生的计算机系统设计能力。
课程学习为研究生考试、后续课程（如系统结构，并行编程、嵌入式系统、接口技术）的学习，参加IT企业招聘等都奠定了坚实的基础。
本MOOC 课程具有如下特点：1.面向系统能力培养的教学设计结合课程特点与教学目标，创造性提出基于构造观、系统观、工程观的教学设计。
其中，构造观重在培养软/硬功能部件设计方法，提升部件级的设计能力；系统观强调硬件结构对软件执行正确性及性能的影响，提升学生软硬协同的系统分析与解决问题的能力；工程观训练考虑工程制约因素,选择恰当技术、优化工程的意识，提升系统实现能力。
2.精心设计实验内容结合教学团队多年系统能力培养实践教学经验，参考国际一流计算机专业相关课程的先进经验，引入了易学易用的免费开源虚拟仿真实验平台，本着理论实践一体化、实验目标系统化、课内课外协同化等原则，建立了逐层递进、立足计算机系统、设计型实验为主导的实践教学体系开发了系列原创的课程实验，引导学生从逻辑门电路开始逐步设计运算部件、存储器、数据通路和控制器、流水线冲突冒险机制直至完整的MIPS 流水CPU来深入理解计算机软硬件系统。
授课目标通过该课程的学习，使学生全面、系统地掌握冯·诺依曼结构计算机各组成部件的基本结构、工作原理、内部运行机制和基本设计方法；加深学生对计算机软、硬件系统的整体化理解，建立硬件/软件协同的整机概念，并有效增强学生的计算机硬件素养和软件协同的系统观，有效增强学生的计算机系统设计能力。
计算机组成原理全部实验
计算机科学技术系王玉芬2012年11月3日基础实验部分该篇章共有五个基础实验组成，分别是：实验一运算器实验实验二存储器实验实验三数据通路组成与故障分析实验实验四微程序控制器实验实验五模型机CPU组成与指令周期实验实验一运算器实验运算器又称作算术逻辑运算单元（ALU），是计算机的五大基本组成部件之一，主要用来完成算术运算和逻辑运算。
运算器的核心部件是加法器，加减乘除运算等都是通过加法器进行的，因此，加快运算器的速度实质上是要加快加法器的速度。
机器字长n位，意味着能完成两个n位数的各种运算。
就应该由n个全加器构成n位并行加法器来实现。
通过本实验可以让学生对运算器有一个比较深刻的了解。
一、实验目的1．掌握简单运算器的数据传输方式。
2．掌握算术逻辑运算部件的工作原理。
3. 熟悉简单运算器的数据传送通路。
4. 给定数据，完成各种算术运算和逻辑运算。
二、实验内容：完成不带进位及带进位的算术运算、逻辑运算实验。
总结出不带进位及带进位运算的特点。
三、实验原理：1.实验电路图图4-1 运算器实验电路图2.实验数据流图图4-2 运算器实验数据流图3.实验原理运算器实验是在ALU UNIT单元进行；单板方式下，控制信号，数据，时序信号由实验仪的逻辑开关电路和时序发生器提供，SW7－SW0八个逻辑开关用于产生数据，并发送到总线上；系统方式下，其控制信号由系统机实验平台可视化软件通过管理CPU来进行控制，SW7－SW0八个逻辑开关由可视化实验平台提供数据信号。
（1）DR1，DR2：运算暂存器，（2）LDDR1：控制把总线上的数据打入运算暂存器DR1，高电平有效。
（3）LDDR2：控制把总线上的数据打入运算暂存器DR2，高电平有效。
（4）S3，S2，S1，S0：确定执行哪一种算术运算或逻辑运算（运算功能表见附录1或者课本第49页）。
（5）M：M＝0执行算术操作；M＝1执行逻辑操作。
（6）/CN ：/CN＝0表示ALU运算时最低位加进位1；/CN＝1则表示无进位。
计算机组成原理3
存储体
IR 1 4 2 7 3 9
CU
ALU
控制 单元
PC
I/O
MAR
MDR
X
运算器
控制器
8
主存储器
第一章 第三节 计算机性能评价指标
基本性能指标
一些与硬件相关的性能指标。 主频
衡量计算机工作速度的主要指标之一 CPU的工作节拍是由时钟来控制的，时钟不断产生固定频率 的时钟脉冲，这个时钟的频率就是CPU的主频 通常用一秒钟内发出的电子脉冲数来表示，常用单位是兆赫 兹（MHz） CPU主频对系统性能的影响 ：t= n × 1/f
运算器
A 硬件系统
C
内存储器
主机 外设
输入设备的功能是将程序和数据 从人们熟悉的形式转换成计算机 能接受的信息形式，输入到计算 机内部，如键盘和鼠标等。
输出设备用于输出计算机的处 理结果，它把内部的信息转换 成人们所需要或其它设备能接 受的信息形式，并传送到计算 机外部，如显示器和打印机。
输出设备
E
设计出了适合于各种类型应用的基准测试程序套件，且先后推出了多个版本。 如：SPEC89、SPEC92、SPEC95、SPEC2000和SPEC CPU2006等。 SPEC CPU2006有29个程序，其中整数程序12个（CINT2006），浮点程序17个 （CFP2006）。
计算机的性能指标
常见的输出设备：显示器，打印机等。
模型机硬件组织示意图（一台假想的简化了的计算机）
主机完成一条指令的过程 以取数指令为例
CPU
…
ACC MQ 5 6
存储体
IR 1 4
CU
ALU
2 7
3
8
王道计算机组成原理
王道计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门重要课程，它是计算机科学与技术专业学生的基础课程之一。
计算机组成原理课程的主要目的是让学生了解计算机的基本工作原理，包括计算机的硬件组成、数据的表示与运算、指令系统与指令的执行、中央处理器（CPU）的结构与功能、存储器的层次结构与管理、输入输出系统的基本原理等内容。
通过学习计算机组成原理，可以帮助学生建立对计算机系统整体结构和工作原理的认识，为进一步学习计算机体系结构、操作系统、编译原理、计算机网络等课程打下坚实的基础。
计算机组成原理课程通常包括以下几个方面的内容：一、计算机系统概述。
计算机系统是由硬件和软件两部分组成的。
硬件是计算机的实体部分，包括中央处理器、存储器、输入输出设备等；软件是计算机的非实体部分，包括系统软件和应用软件。
计算机系统的硬件和软件之间通过指令集体系结构（ISA）进行了良好的分离，这是计算机系统设计的基本原则之一。
二、数据的表示与运算。
计算机中的数据是以二进制形式表示的，包括整数、浮点数、字符等。
在计算机中，数据的运算是通过算术逻辑单元（ALU）来完成的，ALU可以对数据进行加减乘除等运算，也可以进行逻辑运算，如与、或、非等。
三、指令系统与指令的执行。
计算机通过执行指令来完成各种操作，指令系统是计算机硬件与软件之间的接口。
指令的执行包括取指令、译码指令、执行指令、访存等步骤，这些步骤是计算机工作的基本流程。
四、中央处理器（CPU）的结构与功能。
中央处理器是计算机的核心部件，它包括运算器、控制器、寄存器等部分，负责执行指令、进行数据运算等功能。
五、存储器的层次结构与管理。
存储器是计算机中用来存储数据和程序的设备，包括内存和外存。
存储器的层次结构包括高速缓存、内存、磁盘等，存储器管理是操作系统的重要功能之一。
六、输入输出系统的基本原理。
输入输出系统是计算机与外部设备之间的接口，它包括输入设备、输出设备、存储设备等，输入输出系统的设计对计算机系统的性能和可靠性有重要影响。
计算机组成原理名词解释
2.ROM：只读存储器，一种只能读取数据不能写入数据的存储器。
3.SRAM：静态随机访问存储器，采用双稳态电路存储信息。
4.DRAM：动态随机访问存储器，利用电容电荷存储信息。
5.EDO DRAM：增强数据输出动态随机访问存储，采用快速页面访问模式并增加了一个数据锁存器以提高数据传输速率。
1.原码：带符号数据表示方法之一，一个符号位表示数据的正负，0代表正号，1代表负号，其余的代表数据的绝对值。
2.补码：带符号数据表示方法之一，正数的补码与原码相同，负数的补码是将二进制位按位取反后在最低位上加1.
3.反码：带符号数据的表示方法之一，正数的反码与原码相同，负数的反码是将二进制位按位取反
12.操作数寻址方式：指令中地址码的内容及编码方式。
13.系统指令：改变计算机系统的工作状态的指令。
14.特权指令：改变执行特权的指令，用于操作系统对系统资源的控制。
15.自陷指令：特殊的处理程序，又叫中断指令。
16.寻址方式：对指令的地址码进行编码，以得到操作数在存储器中的地址的方式。
10.快闪存储器：一种非挥发性存储器，与EEPROM类似，能够用电子的方法擦除其中的内容。
11.相联存储器：一种按内容访问的存储器，每个存储单元有匹配电路，可用于是cache中查找数据。
12.多体交叉存储器：由多个相互独立、容量相同的存储体构成的存储器，每个存储体独立工作，读写操作重叠进行。
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。
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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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19
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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11
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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12
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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17
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