运算方法和运算部件
计算机中的运算器部件
计算机
微程序
电源 运算器 +5V
终端 PC机
串 控制器
(16 位)
接
内口
行
存实
接 硬布线 主存储器 扩 验
口
控制器
（16位）
展中 实断
按键 开关 指示灯
验实
验
微程序
控制器小板
组合逻辑
控制器
运算器
串行口接线座 串口电路 5V直流电源 电源开关
内存 储器
RESET,START
按键
I8~6 I5~3 I2~0 SST SCI SSH A口 B口
三选一
I8~I6
RAM3
RAM0
功能 8种运算功能 8种数据组合 8种结果处理
运算器的时钟脉冲信号
运算器的时钟脉冲信号 CP 教学计算机的主频: 1.8432MH z/6
周期
A、B口锁存
通用寄存器接受
Q 接受
注和 意低 两电 个平 跳的 变作 沿用
Am2901的操作使用
操作功能
R0R0+R1 R2R2R0
– 浮点运算器：完成对浮点类型数据的算术运算
运算器设计需要解决的问题
➢ 需要明确参加运算的数据来源，运算结果的去向。运 算器能直接运算的数据，通常来自于运算器本身的寄 存器。这些寄存器本身是暂存数据用的，是由触发器 构成的时序逻辑电路。
➢ 需要明确将要执行的运算功能，是对数值数据的何种 算术运算功能，还是对逻辑数据的何种逻辑运算功能。 完成数据运算功能的线路是组合逻辑电路。
16 位运算器最低位进位输入信号Cin
SCI
Y15~0
Cy F=0
最 低
0 1
GAL
OVR 16位的 Cin
计算机组成原理知识点总结
计算机组成原理知识点总结第一章一、数字计算机的五大部件（硬件）及各自主要功能（P6）计算机硬件组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。
1、存储器（主存）主要功能：保存原始数据和解题步骤。
包括：内存储器（CPU 直接访问），外存储器。
2、运算器主要功能：进行算术、逻辑运算。
3、控制器主要功能：从内存中取出解题步骤（程序）分析，执行操作。
包括：计算程序和指令（指令由操作码和地址码组成）。
4、输入设备主要功能：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。
5、输出设备主要功能：把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。
注：1、冯诺依曼结构：存储程序并按地址顺序执行。
2、中央处理器（CPU）：运算器和处理器的结合。
3、指令流：取指周期中从内存读出的信息流，流向控制器。
数据流：在执行器周期中从内存读出的信息流，由内存流向运算器。
二、数字计算机的软件及各自主要功能（P11）1、系统软件：包括服务性程序、语言程序、操作程序、数据库管理系统。
2、应用程序：用户利用计算机来解决某些问题而设计。
三、计算机的性能指标。
1、吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，用bps度量。
2、响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。
3、利用率：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所在的比率，用百分比表示。
4、处理机字长：常称机器字长，指处理机运算中一次能够完成二进制运算的位数，如32位机、64位机。
5、总线宽度：一般指CPU从运算器与存储器之间进行互连的内部总线一次操作可传输的二进制位数。
6、存储器容量：存储器中所有存储单元（通常是字节）的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。
7、存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用B/s（字节/秒）表示。
8、主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，按照规定在某个时间段做什么（从什么时候开始、多长时间完成），主时钟不断产生固定频率的时钟信号。
计算机组成原理第三章运算方法与运算器(含答案)
第三章运算方法与运算器3.1定点数运算及溢出检测随堂测验1、定点运算器可直接进行的运算是（) (单选)A、十进制数加法运算B、定点数运算C、浮点数运算D、定点数和浮点数运算2、设计计算机字长为8位，两个十进制数X = -97 ，Y = 63, [x]补- [y]补的结果为（）（单选）A、01100000B、11011110C、负溢出D、正溢出3、下列关于定点运算溢出的描述中，正确的是( ) （多选）A、补码数据表时，同号数相加可能发生溢出B、补码数据表时，异号数相减可能发生溢出C、参加运算的两个数，当作为有符号数和无符号数进行加法运算时，不可能两者都溢出D、溢出检测既可用硬件实现，也可用软件实现4、设Ｘ为被加（减）数，Ｙ为加（减）数，Ｓ为运算结果，均采用补码数据表示，下列关于溢出电路设计的描述中，正确的是（）（多选）A、采用单符号位时，直接用Ｘ、Ｙ和Ｓ的符号位就可设计溢出监测电路B、采用双符号位时，可直接用Ｓ的双符号位设计溢出检测电路C、采用单符号位时，可直接用Ｘ、Ｙ最高有效数据位运算后的进位位和Ｓ的进位设计溢出监测电路D、对无符号数的加／减运算，可利用运算器的进位信号设计溢出检测电路3.2 定点数补码加、减运算器设计随堂测验1、如图所示为基于FA的运算器：为了利用一位全加器FA并配合使用控制信号P，当P= 0/1时实现A、B两个数的加法/减法运算，图中空白方框处电路的逻辑功能应该是（）（单选）A、与门B、或门C、异或门D、非门2、如图所示为带溢出检测功能的运算器该电路完成的溢出检测功能是（）（多选）A、带符号数的加法溢出检测B、带符号数的加法溢出检测C、无符号数的加法溢出检测D、无符号数减法的溢出检测3、下列关于并行进位的描述中，正确的是（）（多选）A、并行进位可以提高运算速度B、并行进位模式下，各进位位采用不同电路各自产生，相互间不再有依存关系C、采用先行进位部件和ALU模块可构建长度可变的并行进位运算器D、并行进位只对加法有效，而对减法无效4、四位并行ALU中有两个特殊的输出端，分别是：G =A3B3+(A3+B3)(A2B2+(A2+B2)(A1B 1+ (A1+B1) A 0B0)) 为进位产生函数，P=(B3+A3) (B2+A2)( A1+B1 ) (A0+B0)为进位传递函数下列关于P、G的描述中，正确的是（）（多选）A、设计P和G的目的是为了构建位数更长的并行ALUB、P和G对算术运算和逻辑运算都有意义C、P的作用是将本片ALU的最低进位输入位传递到本片ALU的最高进位输出端D、G的作用是根据参与运算的两个数据产生本片ALU的最高进位输出3.3 原码一位乘法随堂测验1、设计算机字长为8位，X = - 19，对该分别执行算术左移和逻辑左移一位后的结果分别为（）（单选）A、11011010 ，11011010B、11110010 ，11110010C、11011000 ，11011000D、11110000 ，111100002、设计算机字长为8位，X = - 19，对该分别执行算术右移和逻辑右移一位后的结果分别为（）（单选）A、11111001，11111001B、11111001，01111001C、11110110，01110110D、11110110，111101103、关于原码一位乘法的下列描述中，正确的是（）（多选）A、数据取绝对值参加运算B、符号位单独处理C、乘法执行过程中的所有移位都是算术移位D、最后的结果由部分积寄存器和乘数寄存器共同保存4、计算机字长为n位, 下列关于原码一位乘法操作过程的描述中，正确的是（) （多选）A、乘法过程中共执行n 次算术右移和n 次加法运算B、乘法过程中共执行n -1次算术右移和n-1 次加法运算C、乘法过程中，部分积加0 还是加x的绝对值，取决于此时的YnD、乘法过程中右移部分积是为了使部分积与下次的加数按位对齐3.4 补码一位乘法随堂测验1、16位补码0X 8FA0扩展为32位的结果是（) （单选）A、0X 0000 8FA0B、0X FFFF 8FA0C、0X FFFF FFA0D、0X8000 8FA02、计算机字长为n位, 下列关于补码一位乘法操作过程的描述中，正确的是（) （多选）A、乘法过程中共执行n 次加法和n-1 部分积右移B、乘法过程中共执行n -1次算术右移和n-1 次加法运算C、乘法过程中，部分积加0 、[x]补还是[-x]补，取决于此时的Yn+1 与Yn的差D、乘法过程中右移部分积的目的是为了使部分积与下次的加数对齐3、关于补码码一位乘法的下列描述中，正确的是（）（多选）A、符号位和数据位一起参加运算B、运算开始前，需要在乘数寄存器Y后面补上Yn+1且其初值为0C、乘法执行过程中的对部分积的移位是算术右移D、最后的结果由部分积寄存器和乘数寄存器共同保存3.5 乘法运算器设计随堂测验1、下图为原码一位乘法器原理图正确的是（）（单选）A、A: 部分积寄存器B:乘数寄存器C: |X| D: YnB、A: 部分积寄存器B:乘数寄存器C: |X| D: Yn+1C、A: 被乘数寄存器B:乘数寄存器C: |X| D: YnD、A: 被乘数寄存器B:乘数寄存器C: |X| D: Yn+12、下图为补码一位乘法原理图正确的是（) （单选）。
计算机组成原理选择题1
【章节】第一章计算机系统概述1．运算器的核心部件是。
A．数据总线 B．数据选择器 C．累加寄存器 D．算术逻辑运算部件答案：D2．存储器主要用来。
A．存放程序 B．存放数据 C．存放微程序 D．存放程序和数据答案：D3．对计算机软、硬件资源进行管理，是的功能。
A．操作系统 B．数据库管理系统 C．语言处理程序 D．用户程序答案：C4．电子计算机的算术/逻辑单元、控制单元及主存储器合称为______。
A．CPU B．ALU C．主机 D．UP 答案：C5．输入、输出装置以及外接的辅助存储器称为______。
A．操作系统 B．存储器C．主机 D．外围设备答案：D6．下列______属于应用软件。
A．操作系统 B．编译程序C．连接程序 D．文本处理答案：D7．冯·诺伊曼机工作方式的基本特点是______。
A．多指令流单数据流；B．按地址访问并顺序执行指令；C．堆栈操作；D．存储器按内容选择地址。
答案：B8．计算机硬件能直接执行的只能是。
A．符号语言 B．机器语言 C．汇编语言 D．机器语言和汇编语言答案：B 9．由0、1代码组成的语言称为______。
A．汇编语言 B．人工语言 C．机器语言 D．高级语言答案：C10．计算机的算术逻辑单元和控制单元称为______。
A．ALU B．UP C．CPU D．CAD 答案：C11．计算机操作的最小单位时间是______。
A．时钟周期；B．指令周期；C．CPU周期；D．中断周期。
答案：A12．存储字长是指______。
A．存放在一个存储单元中的二进制代码组合；B．存放在一个存储单元中的二进制代码位数；C．存储单元的个数；D．机器指令的位数。
答案：B13．存储单元是指______ 。
A．存放一个字节的所有存储元集合；B．存放一个存储字的所有存储元集合；C．存放一个二进制信息位的存储元集合；D．存放一条指令的存储元集合。
答案：B 14．32位的个人计算机，一个字节由______位组成。
计算机组成原理第二章课后习题答案
第二章运算方法和运算器练习一、填空题1. 补码加减法中，（符号位）作为数的一部分参加运算，（符号位产生的进位）要丢掉。
2. 为判断溢出，可采用双符号位补码，此时正数的符号用（00）表示，负数的符号用（11）表示。
3. 采用双符号位的方法进行溢出检测时，若运算结果中两个符号位（不相同），则表明发生了溢出。
若结果的符号位为（01），表示发生正溢出；若为（10），表示发生负溢出。
4. 采用单符号位进行溢出检测时，若加数与被加数符号相同，而运算结果的符号与操作数的符号（不一致），则表示溢出；当加数与被加数符号不同时，相加运算的结果（不会产生溢出）。
5. 利用数据的数值位最高位进位C和符号位进位Cf的状况来判断溢出，则其表达式为over=（C⊕Cf）。
6. 在减法运算中，正数减（负数）可能产生溢出，此时的溢出为（正）溢出；负数减（正数）可能产生溢出，此时的溢出为（负）溢出。
7. 补码一位乘法运算法则通过判断乘数最末位Yi和Yi-1的值决定下步操作，当YiYi-1=（10）时，执行部分积加【-x】补，再右移一位；当YiYi-1=（01）时，执行部分积加【x】补，再右移一位。
8. 浮点加减运算在（阶码运算溢出）情况下会发生溢出。
9. 原码一位乘法中，符号位与数值位（分开运算），运算结果的符号位等于（两操作数符号的异或值）。
10. 一个浮点数，当其补码尾数右移一位时，为使其值不变，阶码应该（加1）。
11. 左规的规则为：尾数（左移一位），阶码（减1）。
12. 右规的规则是：尾数（右移一位），阶码（加1）。
13. 影响进位加法器速度的关键因素是（进位信号的传递问题）。
14. 当运算结果的补码尾数部分不是（11.0×××××或00.1×××××）的形式时，则应进行规格化处理。
当尾数符号位为（01）或（10）时，需要右规。
计算机组成原理复习题带答案
计算机组成原理复习题带答案第1章计算机系统概述⼀、选择题1、在下列四句话中，最能准确反映计算机主要功能的是 C。
A、计算机可以存储⼤量信息B、计算机能代替⼈的脑⼒劳动C、计算机是⼀种信息处理机D、计算机可实现⾼速运算2、1946年2⽉，在美国诞⽣了世界上第⼀台电⼦数字计算机，它的名字叫（1）C，1949年研制成功的世界上第⼀台存储程序式的计算机称为（2）。
（1）A、EDVAC B、EDSAC C、ENIAC D、UNIVAC-Ⅰ（2）A、EDVAC B、EDSAC C、ENIAC D、UNIVAC-Ⅰ3、计算机硬件能直接执⾏的只能是B。
A、符号语⾔B、机器语⾔C、汇编语⾔D、机器语⾔和汇编语⾔4、对计算机软、硬件资源进⾏管理，是 A 的功能。
A、操作系统B、数据库管理系统C、语⾔处理程序D、⽤户程序⼆、填空题1、计算机的各⼤部件通过____总线____________连接在⼀起，它是各部件之间传输信息的通道。
2、计算机按内部信息形式可以分为___模拟____________和___数字信号_两类。
3、计算机硬件⼀般由_运算器，控制器_______、__存储器______、_输⼊_______和、____输出____和五⼤部分组成。
4、运算器是⼀个数据加⼯部件，主要完成⼆进制___算术_______运算及__逻辑________运算。
5、运算器的___位数________越多，计算的精度就越⾼，但是所费的电⼦器件也越多，成本越⾼。
三、简答题1、简述计算机的发展过程。
1、第⼀代电⼦管计算机1946年2⽉，诞⽣了世界上第⼀台电⼦数字计算机——ENIAC ，1949年研制成功的世界上第⼀台存储程序式的计算机EDSAC。
2、第⼆代晶体管计算机1947年在贝尔实验室制成第⼀个晶体管，进⼊20世纪50年代全球出现⼀场以晶体管代替电⼦管的⾰命。
3、第三代集成电路计算机4、⼤规模集成电路计算机5、超⼤规模集成电路计算机3、冯.诺依曼计算机的特点是什么？它包括哪些主要组成部分？各部分的功能是什么？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、指令和数据以同等的地位存放在存储器内，并可以按地址寻访3、指令和数据均⽤⼆进制数表⽰4、指令由操作码和地址组成。
简单介绍计算机硬件系统的组成及各部件功能
1.简单介绍计算机硬件系统的组成及各部件功能.答:计算机硬件系统由:运算器,控制器.存储器,I/O设备组成。
运算器；完成算数和逻辑运算控制器：根据指令的要求控制和协调其他各部件工作。
存储器：存储程序和数据输入设备：将外部信息以一定格式输入到计算机系统。
输出设备：将计算机系统的信息提供给外部设备。
2．简述微程序控制的基本思想。
答：把指令执行的所有控制信号放在一个存储器中，需要时从这个存储器读取。
一条指令的功能通常用许多条微指令实现这个微指令序列称为微程序。
计算机运行时。
一条一条读出这些微指令。
从而产生各种操作的控制信号。
3．提高存储器速度可采用哪些措施，请说出至少五种措施。
答：1，采用高速器件2，采用cache(高速缓冲存储器)3，采用多提交叉存储器4，采用双端口存储器5，加长存储器的字长4．请说明指令周期，机器周期，时钟周期之间的关系。
答：指令周期是完成一条指令所需的时间。
包括取指令，分析指令和执行指令所需的全部时间。
机器周期也称为CPU周期，是指被确定为指令执行过程中的归一化基准时间，通常等于取指时间（或访存时间）。
时钟周期是时钟频率的倒数，也可称为节拍脉冲或T周期，是处理操作的基本单位。
一个指令周期由若干个机器周期组成，每个机器周期又由若干个时钟周期组成。
5．什么是RISC？RISC指令系统的特点是什么（至少写出4个）？答：RISC是精简指令系统计算机。
特点：1）选取使用频率最高的一些简单指令。
2）指令长度固定。
3）只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。
4）大部分指令在一个机器周期内完成。
5）CPU中通用寄存器数最多。
6）以硬布线控制为主，不用或少用微指令码控制。
7)一般用高级语言编程，特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间。
8）指令以流水方式执行6.计算机系统总线大致分为哪几类？答：1)一个计算机系统中的总线分为三类：同一部件如CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，称内部总线。
cpu中用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算的部件
cpu中用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算的部件CPU是计算机的核心部件，它负责执行各种算术运算和逻辑运算，以处理和执行计算机程序中的指令。
CPU中的运算部件是实现这些功能的关键部分。
一、算术运算部件CPU中的算术运算部件主要负责执行加、减、乘、除等算术运算。
这些运算在计算机程序中非常常见，例如在处理数值数据、进行数学计算或执行科学计算时。
1. 加法器：加法器是CPU中最基本的算术运算部件，用于执行加法运算。
它接收两个操作数，并将它们相加，生成结果。
加法器在CPU中通常是多位的，可以处理不同长度的数据。
2. 减法器：减法器与加法器类似，用于执行减法运算。
它接收两个操作数，并将它们相减，生成结果。
3. 乘法器：乘法器用于执行乘法运算。
它接收两个操作数，并将它们相乘，生成结果。
乘法器在CPU中通常是多位的，可以处理不同长度的数据。
4. 除法器：除法器用于执行除法运算。
它接收两个操作数，其中一个作为被除数，另一个作为除数，生成商和余数。
除法器在CPU中通常是多位的，可以处理不同长度的数据。
二、逻辑运算部件CPU中的逻辑运算部件主要负责执行逻辑运算，如与、或、非等。
这些运算在计算机程序中也非常常见，例如在处理布尔逻辑、条件判断或控制流程时。
1. 逻辑与门：逻辑与门用于执行逻辑与运算。
它接收两个操作数，只有当两个操作数都为真时，结果才为真。
2. 逻辑或门：逻辑或门用于执行逻辑或运算。
它接收两个操作数，只要其中一个操作数为真，结果就为真。
3. 逻辑非门：逻辑非门用于执行逻辑非运算。
它接收一个操作数，并对其取反。
如果操作数为真，结果为假；如果操作数为假，结果为真。
除了以上介绍的算术运算和逻辑运算部件外，CPU中还可能包含其他类型的运算部件，如移位器、比较器等，以满足不同的计算需求。
三、总结CPU中的运算部件是实现计算机程序中各种算术和逻辑运算的关键部分。
这些部件通过精心的设计和优化，使得CPU能够高效地完成各种复杂的计算任务。
计算机组成原理 加法器和ALU
B16~B13
B12~B9
B8~B5
B4~B1
3.4 加法器和ALU
3.4.2 ALU电路
为了实现算术/逻辑多功能运算，则必须 对全加器（FA）的功能进行扩展，具体方 法是：先不将输入Ai、Bi和下一位的进位 数Ci直接进行全加，而是将Ai和Bi先组合 成由控制参数S0、S1、S2、S3控制的组 合函数Xi、Yi，如图3-16所示，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。
3.4 加法器和ALU
C4=G4+P4C3 C5=G5+P5C4= G5+ P5G4+ P5P4C3 C6=G6+P6C5= G6+ P6G5+ P6P5G4+ P6 P5P4C3 C7=G7+P7C6= G7+ P7G6+ P7P6G5+ P7P6 P5 G4+ P7P6 P5P4C3
C8=G8+P8C7 C9=G9+P9C8= G9+ P9G8+ P9P8C7 C10=G10+P10C9= G10+ P10G9+ P10P9G8+ P10 P9P8C7 C11=G11+P11C10= G11+ P11G10+ P11P10G9+ P11P10 P9 G8+ P11P10 P9P8C7
最高数值位与符号位相同，此时尾数连续左移，直到最高数值 位与符号位的值不同为止。同时从E中减去移位的位数，这称之 为“向左规格化”，简称“左规”。
4.舍入
右规或对阶时尾数低位上的数值会移掉，使数值精度受影响， 常用“0”舍“1”入法。当移掉的最高位为1时，在尾数的末位加 1，如果加1后又使尾数溢出，则要进行右规。
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
运算器
运算器的逻辑操作可将两个数据按位进行与、或、异或，以及将一个数据的各位求非。有的运算器还能进行 二值代码的16种逻辑操作。
运算器是计算机中处理数据的功能部件。对数据处理主要包括数据的算术运算和逻辑数据的逻辑操作。因此, 实现对数据的算术与逻辑运算是运算器的核心功能。
基本理论
数据 操作
运算方法 结构
运算器运算器的处理对象是数据，所以数据长度和计算机数据表示方法，对运算器的性能影响极大。70年代 微处理器常以1个、4个、8个、16个二进制位作为处理数据的基本单位。大多数通用计算机则以16、32、64位作 为运算器处理数据的长度。能对一个数据的所有位同时进行处理的运算器称为并行运算器。如果一次只处理一位， 则称为串行运算器。有的运算器一次可处理几位 （通常为6或8位），一个完整的数据分成若干段进行计算，称 为串/并行运算器。运算器往往只处理一种长度的数据。有的也能处理几种不同长度的数据，如半字长运算、双倍 字长运算、四倍字长运算等。有的数据长度可以在运算过程中指定，称为变字长运算。
Babbage的蒸汽动力计算机虽然最终没有完成，以今天的标准看也是非常原始的，然而，它勾画出现代通用 计算机的基本功能部分，在概念上是一个突破。
在接下来的若干年中，许多工程师在另一些方面取得了重要的进步，美国人Herman Hollerith（18601929），根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机，并带入商业领域建立公司。
实现运算器的操作，特别是四则运算，必须选择合理的运算方法。它直接影响运算器的性能，也关系到运算 器的结构和成本。另外，在进行数值计算时，结果的有效数位可能较长，必须截取一定的有效数位，由此而产生 最低有效数位的舍入问题。选用的舍入规则也影响到计算结果的精确度。在选择计算机的数的表示方式时，应当 全面考虑以下几个因素：要表示的数的类型（小数、整数、实数和复数）：决定表示方式，可能遇到的数值范围： 确定存储、处理能力。数值精确度：处理能力相关；数据存储和处理所需要的硬件代价：造价高低。
计算机组成原理(本全)ppt课件
定点数的加减法实现
通过硬件电路实现定点数的加减法，包括加 法器、减法器等。
浮点数的加减运算
浮点数的表示方法
包括IEEE 754标准中浮点数的表示方法、规格化表示 和精度。
浮点数的加减法规则
包括阶码和尾数的运算规则、对阶操作、尾数加减运 算和结果规格化等。
浮点数的加减法实现
通过硬件电路实现浮点数的加减法，包括浮点加法器 、浮点减法器等。
指令的执行过程与周期
指令执行过程
取指、译码、执行、访存、写回等阶段 。
VS
指令周期
完成一条指令所需的时间，包括取指周期 、间址周期、执行周期等。
07
中央处理器（CPU）
CPU的功能与组成
控制器
负责指令的取指、译码和执行，控制 数据和指令在CPU内部的流动。
运算器
执行算术和逻辑运算，包括加、减、 乘、除、与、或、非等操作。
多核处理器与并行计算
多核处理器
将多个处理器核心集成在一个芯片上，每个核心可以独立执行指令，提高处理器的并行 处理能力。
并行计算
利用多核处理器或多个处理器同时处理多个任务或数据，加速计算过程，提高计算效率 。
08
输入输出系统
I/O接口与I/O设备
I/O接口的功能
实现主机与外设之间的信息交换，包括数据 缓冲、信号转换、设备选择等。
乘法与除法运算
浮点数的乘除法运算
包括浮点数的乘法、除法和平方根运算等。
定点数的乘除法运算
包括原码一位乘法、补码一位乘法、原码除 法和补码除法等。
乘除法运算的实现
通过硬件组成与设计
运算器的基本组成
包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、数据总线等。
运算器的设计原则
计算机组成原理(第四版)复习重点及例子
计算机组成原理复习重点及要求第二章运算方法和运算器1．定点数的表示方法：掌握定点数的概念；掌握定点数的机器码表示（主要是原码、补码和移码）。
2．定点数的运算方法：掌握补码加减运算方法、溢出概念及检测方法。
3．定点运算器：掌握全加器的功能；掌握行波进位加减法器的结构及工作原理；理解多功能ALU的结构原理；掌握定点运算器的基本结构及其特点（包括单总线结构、双总线结构和三总线结构）。
4．浮点数的表示方法：掌握浮点数的概念；掌握浮点数表示的一般格式；掌握浮点数规格化表示的方法及其意义。
5．浮点数的运算方法：掌握浮点数的加减运算方法及步骤。
第三章存储系统1．理解多级存储器体系结构的意义及各级存储器的主要作用。
2．SRAM存储器：理解存储器芯片的逻辑结构（包括存储阵列、双译码方式、读写控制等）；掌握SRAM存储器芯片的外部引脚特征（包括地址、数据、控制引脚）；掌握SRAM存储器容量扩充方法（包括位扩展、字扩展、字位同时扩展，以及与CPU 的连接等）。
3．DRAM存储器：掌握DRAM存储器的存储原理；理解DRAM存储器的刷新问题及刷新方法；掌握DRAM存储器芯片的外部引脚特征。
4．ROM存储器：掌握ROM存储器的种类；掌握EPROM的擦、写特点。
5．Cache存储器：掌握cache存储器的作用及工作原理，理解程序局部性原理的意义；掌握cache－主存系统性能指标的计算方法（包括命中率、平均访问时间及效率）；掌握各种主存与cache的地址映射方式及其特点，理解各种映射方式下的主存与cache的地址格式及其各字段的含义；理解替换策略对cache存储器的意义。
6．虚拟存储器：掌握虚拟存储器的作用及相关概念；掌握各式虚拟存储器的工作原理及特点（包括页式、段式和段页式虚拟存储器）；掌握各式虚拟存储器的地址变换过程，掌握各自的虚地址格式及其各字段的含义。
第四章指令系统1．指令系统的基本概念：掌握机器指令、指令系统、系列机、CISC、RISC等概念。
第7讲 浮点运算方法与浮点运算器
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3、浮点运算器的硬件实现
浮点运算器由阶码运算部件和尾数运算部件组成。阶码运算部件执行加 减两种运算、同时配合对阶或者规格化完成阶码的调整（±1）；尾数 运算部件完成加、减、乘、除运算，以及尾数规格化和溢出处理。
① CPU之外的浮点运算器 例如80x87是美国Intel公司为处理浮点数的运算生产的专用算术运算 处理器，它是配合80x86 CPU进行算术运算的，又称为协处理器。它 相当于CPU的一个I/O设备，虽然有自己的指令，但不能单独使用。 ② CPU之内的浮点处理器 例如奔腾CPU将浮点处理器包含在芯片内部，并且采用流水设计。它 有U、V两条流水线，指令执行过程分为8个过程段。 ③ 浮点流水运算部件 根据浮点运算步骤，分别设置专门硬件来完成特定的运算。例如，浮 点数加减操作，设置4套硬件，分别完成求阶差、对阶、尾数求和、 规格化等操作，形成流水作业。成本虽高，但速度特快。
[ｘ2]补＝11.0110 (舍)
[ｘ3]补＝11.0110 (舍) [ｘ4]补＝11.1000 (入)
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浮点加减运算操作过程(续二)
⑥ 溢出判断 (注意：浮点数的溢出是以阶码溢出表现出来的) 如果阶码正常，加减运算即可正常结束； 如果阶码超过了可能表示的最大正指数值，阶码 上溢，认为数据为±∞，发生溢出中断。 如果阶码超过了可能表示的最小负指数值，阶码 下溢，一般认为数据为0。 两个同号尾数相加，出现的最高位向上的进位， 在浮点数中不算溢出。
④ 未发生溢出。
② 尾数求和 00.1011100 + 11.1010101 00.0110001
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2、浮点乘除运算
设两个浮点数x和y，分别为： x = 2Ex.Mx y = 2Ey.My 两浮点数进行乘法运算的规则为： x×y = 2(Ex+Ey) ．(Mx×My) x÷y = 2(Ex－Ey) ．(Mx÷My)
计算机组成原理ppt课件
常见输入输出接口类型和特点比较
要点一
常见输入输出接口类型
要点二
特点比较
常见的输入输出接口类型包括PS/2接口、USB接口、HDMI 接口、DisplayPort接口、SATA接口等。
不同的输入输出接口类型具有不同的特点，如传输速度、支 持热插拔、连接方式等。例如，USB接口支持热插拔和即插 即用，而SATA接口则主要用于连接硬盘和光驱等存储设备。
定点数表示与运算方法
定点数表示方法
阐述定点数的表示方法，包括符号位、 数值位等，并介绍定点数的范围及精 度。
定点数加减运算
详细讲解定点数的加减运算方法，包 括补码加减运算等。
定点数乘除运算
介绍定点数的乘除运算方法，包括原 码乘除、补码乘除等算法。
定点数运算器的设计
阐述定点数运算器的设计原理和实现 方法，包括加法器、减法器、乘法器 和除法器等。
当中断发生时，计算机首先保存当前程序的执行状态，然后转去执行中断处理程序。中断处理程序执行完毕 后，计算机再返回原程序继续执行。这个过程需要由计算机的操作系统来管理和控制。
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指令系统设计原则和优化策略
有效性原则
指令系统应能有效地支持高级 语言的实现，提高程序执行效 率。
兼容性原则
新设计的指令系统应尽可能与 已有的指令系统保持兼容。
完备性原则
指令系统应满足程序设计的各 种需求，具备完备性。
规整性原则
指令系统应尽可能规整，简化 硬件实现和软件编程。
优化策略
采用流水线技术、超标量技术、 乱序执行技术等优化策略，提 高指令执行速度和效率。
高速缓冲存储器（Cache）原理及应用
Cache原理
Cache是一种高速缓冲存储器，它位于CPU和内存之间，用于存储CPU最近访问过的数 据和指令。通过Cache技术，可以提高CPU访问内存的效率和速度。
计算机运算原理
计算机运算原理技术 2007-08-21 20:41:18 阅读1312 评论4 字号：大中小订阅第三节定点数运算定点数运算包括移位、加、减、乘、除几种。
一、移位运算1．移位的意义移位运算在日常生活中常见。
例如15米可写作1500厘米，单就数字而言，1500相当于小数点左移了两位，并在小数点前面添了两个0；同样15也相当于1500相对于小数点右移了两位，并删去了小数点后面的两个0。
可见，当某个十进制数相对于小数点左移n位时，相当于该数乘以10n；右移n位时，相当于该数除以10n。
计算机中小数点的位置是事先约定的，因此，二进制表示的机器数在相对于小数点作n 位左移或右移时，其实质就便该数乘以或除以2n(n=1,2...n)。
移位运算又叫移位操作，对计算机来说，有很大的实用价值，例如，当计算机没有乘（除）运算线路时，可以采用移位和加法相结合，实现乘（除）运算。
计算机中机器数的字长往往是固定的，当机器数左移n位或右移n位时，必然会使其n 位低位或n位高位出现空位。
那么，对空出的空位应该添补0还是1呢？这与机器数采用有符号数还是无符号数有关，对有符号的移位叫算术移位。
2．算术移位规则对于正数，由于[x]原=[x]补=[x]反=真值，故移位后出现的空位均以0添之。
对于负数，由于原码、补码和反码的表示形式不同，故当机器数移位时，对其空位的添补规则也不同。
下表列出了三种不同码制的机器数（整数或小数均可），分别对应正数或负数，移位后的添补规则。
必须注意的是：不论是正数还是负数，移位后其符号位均不变，这是算术移位的重要特点。
不同码制机器数移位后的空位添补规则码制添补代码正数原码、补码、反码0原码0负数补码左移添0右移添1反码 1由上表可得出如下结论：（1）机器数为正时，不论左移或右移，添补代码均为0。
（2）由于负数的原码其数值部分与真值相同，故在移位时只要使符号位不变，其空位均添0。
（3）由于负数的反码其各位除符号位外与负数的原码正好相反，故移位后所添的代码应与原码相反，即全部添1。
算术逻辑运算部件
并行化
为了提高计算效率，算术逻 辑部件正在向并行化方向发 展，通过多核、多线程等技 术实现并行计算。
智能化
算术逻辑部件与人工智能技 术的结合，可以实现更智能 化的计算，例如自适应计算、 神经网络计算等。
算术逻辑运算部件的未来展望
更高效能
随着技术的不断进步，算术逻辑部件的计算能力将得到进 一步提升，能够处理更复杂、更高精度的计算任务。
集成电路时代
随着集成电路技术的发展，算术逻辑运算部件被集成在一块芯片上， 进一步提高了运算速度和可靠性。
现代计算机中的算术逻辑运算部件
现代计算机中的算术逻辑运算部件通常采用超大规模集成电路（VLSI） 技术实现，具有更高的集成度和运算性能。
02 算术逻辑运算部件的组成
加法器
总结词
加法器是算术逻辑运算部件中的基本组成之一，用于执行加法运算。
逻辑运算器
总结词
逻辑运算器是算术逻辑运算部件中的基 本组成之一，用于执行逻辑运算。
VS
详细描述
逻辑运算器用于实现逻辑运算，如与、或 、非等操作。它通常由多个门电路组成， 如AND门、OR门和NOT门等。逻辑运算 器在计算机中广泛应用于各种逻辑运算和 位操作任务，如位与、位或、位异或等操 作。
03 算术逻辑运算部件的工作原理
功能
算术逻辑运算部件接收来自寄存器或 内存的数据，执行相应的运算，并将 结果输出到寄存器或内存中。
算术逻辑运算部件的重要性
1 2
实现计算机的基本功能
算术逻辑运算部件是计算机中实现计算和数据处 理的核心部件，没有它，计算机将无法完成基本 的算术和逻辑运算任务。
提高计算机性能
高效的算术逻辑运算部件能够提高计算机的运算 速度和性能，从而提升计算机的整体表现。
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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参考答案：（略）
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9．已知二进制数 x = 0.1010，y = -0.1101。请按如下要求计算，并把结果还原成真值。 （1） 求[x+y]补，[x-y]补。 （2） 用原码一位乘法计算[x∗y]原。 （3） 用布斯乘法计算[x∗y]补。 （4） 用不恢复余数法计算[x÷y]原的商和余数。 （5） 用不恢复余数法计算[x÷y]补的商和余数。
int optarith ( int x, int y) { int t = x; x << = 4; x - = t; if ( y < 0 ) y += 3;
y>>2; return x+y; } 参考答案： 对反编译结果进行分析，可知：对于 x，指令机器代码中有一条“x 左移 4 位”指令，即：x=16x，然后有一条 “减法”指令，即 x=16x-x=15，所以，根据源程序，知 M=15；对于 y ，有一条“y 右移 2 位”指令，即 y=y/4， 根据源程序，知 N=4。(当 y<0 时, (y+3)/4=y/4，若不调整，则“-1>>2=-1 而本来-1/4=0”，故使-1+3=2，2/4=0)
溢出。
（1） 234+567
（2） 548+729
参考答案：（略）
先确定位数，最高位有进位，则“溢出”
• 62 •
5．以下是两段 C 语言代码，函数 arith( )是直接用 C 语言写的，而 optarith( )是对 arith( )函数以某 M 和 N 编译生 成的机器代码反编译生成的。根据 optarith( )，可以推断函数 arith( ) 中 M 和 N 的值各是多少？ #define M #define N int arith (int x, int y) { int result = 0 ; result = x*M + y/N; return result; }
参考答案：（略）
13．假设浮点数格式为：阶码是 4 位移码，尾数是 6 位补码（采用双符号位），用浮点运算规则分别计算在不采
用任何附加位和采用 2 位附加位（保护位、舍入位）两种情况下的值。（假定对阶和右规时采用就近舍入到
偶数方式）
（1）(15/16)*27 +(2/16)*25
（2）(15/16)*27-(2/16)*25
尾数相加：00.10
舍入：1111,01.0000
右规：右规前阶码已经为 1111，所以结果“溢出”。
（其余略）
14．采用 IEEE754 单精度浮点数格式计算：0.75+（-65.25） 参考答案：（略）
15．采用十进制数（NBCD 码）加法运算的方法，计算下列各式。并讨论在十进制 BCD 码加法运算中如何判断
（3）(15/16)*25 +(2/16)*27
（4）(15/16)*25-(2/16)*27
参考答案： 采用 2 位附加位的情况：
x= (15/16)*27 的浮点数表示为：1111, 00.1111; y=(2/16)*25 的浮点数表示为：1101, 00.0010
对阶：1111+0011=0010 (+2)；对 y 进行：1111,00.000010
第三章 运算方法和运算部件
2．简单回答下列问题。（参考答案略） （1）为何在高级语言和机器语言中都要提供“按位运算”？为何高级语言需要提供逻辑运算？按位运算和逻 辑运算的差别是什么？ （2）如何进行逻辑移位和算术移位？它们各用于哪种类型的数据？ （3）移位运算和乘除运算具有什么关系？ （4）高级语言中的运算和机器语言（即指令）中的运算是什么关系？假定某一个高级语言源程序 P 中有乘、 除运算，但机器 M 中不提供乘、除运算指令，则程序 P 能否在机器 M 上运行？为什么？ （5）为什么用一个 ALU 和移位器就能实现定点数和浮点数的所有加、减、乘、除运算? （6）影响加/减运算速度的关键问题是什么？可采取什么改进措施？