计算机组成与结构第2章1课件

计算机组成原理术第4版清华大学出版社第二章 计算机的逻辑部件和数据表示2.1 2.1 布尔代数的基础知识2.2 2.2 计算机中常用的组合逻辑电路2.3 2.3 时序逻辑电路2.4 2.4 阵列逻辑电路计算机组成原理术第4版清华大学出版社一二请在这里输入您的主要叙述内容整体概述三请在这里输入您的主要叙述内容请在这里输入您的主要叙述内容计算机组成原理术第4版清华大学出版社本章重难点重点：常用逻辑电路的功能、原理1 1、加法器2 2、ALUALU3 3、触发器、寄存器4 4、译码器难点：ALUALU原理计算机组成原理术第4版清华大学出版社第二章 计算机的逻辑部件 2.1 布尔代数的基础知识一、布尔代数的基本概念：计算机内部的信息都是以二进制码来表示，二进制码有两种可能的值：“1”和“0”。如果赋以它们逻辑属性，那么这种变量就成为逻辑变量。描述逻辑变量关系的函数称为逻辑函数。实现逻辑函数的电路称为逻辑电路。以代数形式对逻辑变量和逻辑函数进行描述、分析和运算的数学工具是逻辑代数，它是英国的乔治.布尔于1849年提出的，所以也叫布尔代数。布尔代数是逻辑电路十分重要的分析和设计工具。布尔代数有三种基本逻辑操作：“与”（逻辑乘，符号*）“或”（逻辑加，符号+）“非”（求反，符号 ）。计算机组成原理术第4版清华大学出版社二、基本公式：变换律 A+B=B+A A*B=B*A 结合律 A+(B+C)=(A+B)+C A*(B*C)=(A*B)*C 分配律 A+B*C=(A+B)*(A+C)A*(B+C)=A*B+A*C 吸收律 A+A*B=A A*(A+B)=A 第二吸收律 反演律 包含律重叠律 A+A=A A*A=A互补律 0-1律 0+A=A 1*A=A 0*A=0 1+A=1 计算机组成原理术第4版清华大学出版社三、逻辑函数的化简：代数化简法：（P16)例：卡诺图化简法：（P17）四、逻辑门的实现：任何复杂的逻辑运算都可以通过基本逻辑操作“与”、“或”、“非”来实现。实现这三种基本逻辑操作的电路是三种基本门电路：“与”门、“或”门、“非”门（反相门）。P18（图2.4)给出了各种逻辑门的图形符号。计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社2.2 2.2 计算机中常见的组合逻辑电路 一、加法器：例如：X=X X=X3 3X X2 2X X1 1X X0 0=0101=0101 Y=Y Y=Y3 3Y Y2 2Y Y1 1Y Y0 0=0110=0110 +C=100 +C=100 F=F F=F3 3 F F2 2 F F1 1 F F0 0 =1011=1011半加器XnYnHn全加器XnYnCn-1FnCn 如果逻辑电路的输出状态仅和当时的输入状态有关，而与过去的输入状态无关，称这种逻辑电路为组合逻辑电路。常见的组合电路有加法器、算术逻辑单元、译码器、数据选择器等。计算机组成原理术第4版清华大学出版社 半加器：(P28 图2.11)Xn Yn Hn 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0计算机组成原理术第4版清华大学出版社 全加器：（P28 图2.12）计算机组成原理术第4版清华大学出版社全加法单元 i i Ai Bi Ci-1Ciii（本位操作数）（低位进位）（本位进位）（本位和）计算机组成原理术第4版清华大学出版社（1）逻辑一i =(Ai+Bi)+Ci-1 Ci =AiBi+(Ai+Bi)Ci-1CiiiAi Bi Ci-1计算机组成原理术第4版清华大学出版社（2）逻辑二i =(Ai+Bi)+Ci-1 Ci =Ai+Bi+(Ai+Bi)Ci-1CiiiAi Bi Ci-1Ai Bi计算机组成原理术第4版清华大学出版社（1）特点：各位同时相加。例.8位数相加。（2）影响速度的主要因素 存在着进位信号的传递。C00 0 0 0188 77211A8 B8 A7 B7 A2 B2 A1 B1 1 1 1 1111111.1.并行加法器计算机组成原理术第4版清华大学出版社（1）进位链的基本逻辑关系 Ci =AiBi+(Ai+Bi)Ci-1 =AiBi+(Ai+Bi)Ci-1 =AiBi+(Ai+Bi)Ci-1令 Gi =AiBi Pi =Ai+Bi=Ai+Bi=Ai+Bi 所以 Ci =Gi+Pi Ci-1进位产生函数进位传递函数（进位条件）本地进位、绝对进位条件进位、传递进位2.2.并行加法器的进位链计算机组成原理术第4版清华大学出版社（2）串行进位 特点：进位信号逐位形成。设n位加法器 1）逻辑式C1=G1+P1C0C2=G2+P2C1Cn=Gn+PnCn-12）结构举例C2 G2 P2 C1 G1 P1 C0Gi PiAi Bi Ai Bi计算机组成原理术第4版清华大学出版社（3）并行进位 特点：各位进位信号同时形成。设n位加法器 1）逻辑式C1=G1+P1C0C2=G2+P2C1 =G2+P2G1+P2P1C0 Cn=Gn+PnCn-1 =Gn+PnGn-1+PnPn-1P2P1C0 n+1 项计算机组成原理术第4版清华大学出版社 4位超前进位加法器：C1=X1Y1+(X1+Y1)C0=G1+P1C0 C2=X2Y2+(X2+Y2)C1=G2+P2C1=G2+P2G1+P2P1C0 C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0 C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0超前进位思想先行进位解决的问题是进位的传递速度。其基本思想是：让各位的进位与低位的进位无关，仅与两个参加操作的数有关。由于每位的操作数是同时给出的，各进位信号几乎可以同时产生，和数也随之产生，所以先行进位可以提高进位的传递速度，从而提高加法器的运算速度。计算机组成原理术第4版清华大学出版社2)2)结构举例计算机组成原理术第4版清华大学出版社设16位加法器，4位一组，分为4组：第4组 第3组 第2组 第1组4位4位4位4位C16 C13 C12 C9 C8 C5 C4 C1C0C16 C12 C8 C4（4 4）组内并行、组间并行计算机组成原理术第4版清华大学出版社组内：C1=G1+P1C0 C2=G2+P2G1+P2P1C0 C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0 组间：C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1 +P4P3P2P1C0GIPI所以 CI=GI+PIC0 1 1）第1 1组进位逻辑式计算机组成原理术第4版清华大学出版社组内：C5=G5+P5CI C6=G6+P6G5+P6P5CI C7=G7+P7G6+P7P6G5+P7P6P5CI 组间：C8=G8+P8G7+P8P7G6+P8P7P6G5 +P8P7P6P5CIGP所以 C=G+PCI2 2）第2 2组进位逻辑式计算机组成原理术第4版清华大学出版社组内：C9 =G9+P9C C10=G10+P10G9+P10P9C C11=G11+P11G10+P11P10G9+P11P10P9C 组间：C12=G12+P12G11+P12P11G10+P12P11P10G9 +P12P11P10P9CGP所以 C=G+P C 3 3）第3 3组进位逻辑式计算机组成原理术第4版清华大学出版社组内：C13=G13+P13C C14=G14+P14G13+P14P13C C15=G15+P15G14+P15P14G13+P15P14P13C 组间：C16=G16+P16G15+P16P15G14+P16P15P14G13 +P16P15P14P13CGP所以 C=G+PC 4 4）第4 4组进位逻辑式计算机组成原理术第4版清华大学出版社5）各组间进位逻辑CI =GI+PIC0C=G+PCIC=G+P CC=G+PC=G+PGI +PPIC0 =G+P G+P PGI +P PPIC0 =G+P G+PP G +P P PGI +PP PPIC0 计算机组成原理术第4版清华大学出版社6）结构示意（动画实现）4 14 1 8 58 5 12 912 9 16 1316 13 组间进位链A8.A5 B8.B5A4.A1 B4.B1A12.A9 B12.B9A16.A13 B16.B13CoCG P G P G P GI PI C3 1C15 13 C11 9 C7 5 C C CI 7）进位传递过程Ai、Bi、C0A8.A5 B8.B5A4.A1 B4.B1A12.A9 B12.B9A16.A13 B16.B13CoG、P.GI、PI、G P G P G P GI PI C3 1C C C CI C、C、C、CI C15 13 C11 9 C7 5 C15 13、C11 9、C7 5 C3 1计算机组成原理术第4版清华大学出版社学习要求：能写出任一进位的串、并、分组逻辑式。例.已知操作数Ai、Bi，初始进位C0。试写出C6的逻辑式。串行进位：C6=并行进位：C6=分级同时进位：C6=G6+P6C5G6+P6G5+P6P5G4+.+P6P5P1C0G6+P6G5+P6P5CICI=GI+PIC0G6+P6C5G6+P6G5+P6P5G4+.G6+P6G5+P6P5G4+.G6+P6G5+P6P5CIGI=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1PI=P4P3P2P1Gi=AiBi Pi=AiBi计算机组成原理术第4版清华大学出版社ALU是一种功能较强的组合电路。它能实现多种算术运算和逻辑运算。ALU的基本组合逻辑结构是超前进位加法器，通过改变加法器的Gi和Pi来获得多种运算能力。下面通过介绍国际流行的美国SN74181型四位ALU中规模集成电路来介绍ALU的原理。1.组成 （1）一位逻辑 1位加法器（求和、进位）1位选择器1个公共控制门二、ALUALU部件（动画实现）计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社Ci S3 S2 Bi S1 S0 Ai FiM Ci-1XiYi输入端：操作数Ai、Bi，低位进位Ci-1 M=1 1 作逻辑运算0 0 作算术运算控制信号S3S2S1S0控制产生GiGi、PiPi控制形成多种输入组合计算机组成原理术第4版清华大学出版社FiCi S3 S2 Bi S1 S0 Ai M Ci-1XiYiS3S2 S3S2 输出Xi S1S0 Xi S1S0 输出Yi Yi 0000010110101111 1 1A Ai i+B+Bi i0000010110101111 A Ai i A Ai iB Bi i A Ai iB Bi iA Ai i+B+Bi i A Ai iA Ai i+B+Bi i A Ai iB Bi i 0 0PiGi计算机组成原理术第4版清华大学出版社见教材P31图2.15：4位全加器 4位并行进位链 4位选择器 1个控制门 原始进位 Cn 进位输出 Cn+4 G、P 构成组间串行进位 构成组间并行进位（2 2）多位逻辑计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社上一张计算机组成原理术第4版清华大学出版社Ci S3 S2 Bi S1 S0 Ai FiM Ci-1XiYi2.运算功能16种算术运算功能，16种逻辑运算功能列于图2.15（P31）。例1.S3S2S1S0 Xi Yi F（M=1）F（M=0）0 0 0 0 1 AiM=1：Fi=（Xi Yi）1=1 Ai 1=Ai 1=Ai 所以 F=A M=0：Fi=（1 Ai）Ci-1=（1 Ai）Ci-1 所以 F=A加全1=A减1A减1 A计算机组成原理术第4版清华大学出版社Ci S3 S2 Bi S1 S0 Ai FiM Ci-1XiYi例2.S3S2S1S0 Xi Yi F(M=1)F(M=0)1 0 0 1 Ai+Bi AiBiM=1：Fi=（Ai+Bi）AiBi 1=Ai Bi 1=Ai Bi 所以 F=A BA B 所以 F=A加BM=0：Fi=（Ai+Bi）AiBi Ci-1=Ai Bi Ci-1 =Ai Bi Ci-1 A加B 计算机组成原理术第4版清华大学出版社（1）组间串行16 8C1216 8C816 8C416 8C0C16Cn+4 CnCn+4 Cn（2）组间并行 17 15874181CIII 17 15874181CII 17 15874181CI 17 15874181C074182并行进位链GIPIP G3.3.进位逻辑计算机组成原理术第4版清华大学出版社例：一个1616位的ALUALU部件，要实现组内并行，组间并行运算。所需器件为：7418174181芯片四块，7418274182一块计算机组成原理术第4版清华大学出版社GIVPIVGIIIPIIIGIIPIIGIPI74182CIIICIICIC0171517151715171588887418174181741817418174181:实现算术逻辑运算及组内并行。74182：接收了组间的辅助函数后，产生组间 的并行进位信号CIII、CII、CI，分 别将其送到各小组的加法器上计算机组成原理术第4版清华大学出版社三、译码器：译码器的功能是对具有特定含义的输入代码进行“翻译”或“辨认”，将其转换成相应的输出信号。二进制译码器二进制译码器：将n个输入变量变换成2n个输出函数，且每个输出函数对应于n个输入变量的一个最小项。王爱英，计算机组成与结构王爱英，计算机组成与结构第第4 4版版计算机组成原理术第4版清华大学出版社3-83-8译码器 74LS138 74LS138 逻辑图王爱英，计算机组成与结构王爱英，计算机组成与结构第第4 4版版74LS13874LS138的引脚图如下的引脚图如下:A0A1A2S3S2S1Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0VCC18916地地74LS138计算机组成原理术第4版清华大学出版社真值表计算机组成原理术第4版清华大学出版社用两片用两片74LS13874LS138组成的组成的4 4线线1616线译码器线译码器74LS138(1)A0A1A2S10123456774LS138(2)A0A1A2S101234567D0D1D2D31计算机组成原理术第4版清华大学出版社四、数据选择器：完成对多路数据的选择，在公共传输线上实现多路数据的分时传送。4选1数据选择器 D0 D1 D2 D3 A1 A0S Y D0 D1 D2 D3A1 A0 Y计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社7415374153型双四选一多路选择器型双四选一多路选择器1Q2Q1&1&1111111S1D01D11D21D3A1A02S2D02D12D22D3（a a）逻辑图逻辑图（b b）等效电路等效电路（C C）方框图）方框图1Q1D01D11D21D32Q2D02D12D22D31QA0A11D01D32Q1S2D02D32S计算机组成原理术第4版清华大学出版社2.3 2.3 时序逻辑电路 时序逻辑电路不但与当前的输入状态有关，而且还与以前的输入状态有关。时序电路内必须有存储信息的记忆元件-触发器。一、触发器：触发器种类很多。按时钟控制方式来分，有电位触发、边沿触发、主-从触发等方式。按功能分类，有R-S型、D型、J-K型等功能。同一功能触发器可以由不同触发方式来实现。这里将以触发方式为线索，介绍几种常用的触发器。计算机组成原理术第4版清华大学出版社1.电位触发方式触发器：计算机组成原理术第4版清华大学出版社2.边沿触发方式触发器：计算机组成原理术第4版清华大学出版社3.主-从触发方式触发器：计算机组成原理术第4版清华大学出版社4触发器的开关特性 描述触发器特性的参数很多。其中既有描述传输延迟的参数，也有描述各输入波形宽度要求的参数，还有描述各输入波形之间时间配合要求的参数。如果在使用时不能满足参数的要求，那么，电路就不能正常地工作。计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社计算机组成原理术第4版清华大学出版社二、寄存器和移位寄存器：寄存器是计算机的一个重要部件，用于暂存数据、指令等。它由触发器和一些控制门组成。在寄存器中，常用的是正边沿触发D D触发器和锁存器。四D触发器：（P30 图2.21)计算机组成原理术第4版清华大学出版社 双向四位移位寄存器：计算机组成原理术第4版清华大学出版社三、计数器：计数器是计算机、数字仪表中常用的一种电路。计数器按时钟作用方式来分，有同步计数器和异步计数器两大类。在异步计数器中，由于高位触发器的时钟信号是由低一位触发器的输出来提供的，但是结构简单。同步计数器中各触发器的时钟信号是由同一脉冲来提供的，因此，各触发器是同时翻转的，它的工作频率比异步计数器高，但结构较复杂。计数器按计数顺序来分，有二进制、十进制两大类。在计算机中较少使用异步计数器，这里着重介绍有并行输入数据功能的正向同步十进制计数器。计算机组成原理术第4版清华大学出版社提问与解答环节Questionsandanswers计算机组成原理术第4版清华大学出版社添加标题添加标题添加标题添加标题此处结束语点击此处添加段落文本.您的内容打在这里，或通过复制您的文本后在此框中选择粘贴并选择只保留文字计算机组成原理术第4版清华大学出版社谢谢聆听THANKYOUFORLISTENING演讲者：XX时间：202X.XX.XX