计算机组成与结构第2章1.ppt
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1、计算机组成原理术第4版清华大学出版社第二章第二章 计算机的逻辑部件和数据表示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计算机中常用的组合逻辑电路2.3 2.3 时序逻辑电路时序逻辑电路2.4 2.4 阵列逻辑电路阵列逻辑电路计算机组成原理术第4版清华大学出版社本章重难点本章重难点重点:常用逻辑电路的功能、原理重点:常用逻辑电路的功能、原理1 1、加法器、加法器2 2、ALUALU3 3、触发器、寄存器触发器、寄存器4 4、译码器、译码器难点:难点:ALUALU原理原理计算机组成原理术第4版清华大学出版社第二章第二章
2、计算机的逻辑部件计算机的逻辑部件 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:“与与”(逻辑乘,符号*)“或或”(逻辑加,符号+)“非非”(求反,符号 )。计算机组成原理术第4版清华大学出版社二、
3、基本公式二、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: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
4、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计算机中常见的组合逻辑电路 一、加法器:一、加法器:例如:例如:X=XX=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
5、-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。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全加法单元 i i
6、Ai Bi Ci-1Ciii(本位操作数)(本位操作数)(低位进位)(低位进位)(本位进位)本位进位)(本位和)(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)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)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。)特点:各位同时相加。例例.8位数相加。位数相加。(2)影响速度的主要因素)影响速度的主要因
7、素 存在着进位信号的传递。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)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令令 Gi =AiBi Pi =Ai+Bi=Ai+Bi=Ai+Bi 所以所以 Ci =Gi+Pi Ci-1进位产生函数进位产生函数进位传递函数进位传递函数(进位条件)(进位条件)本地进位、绝对进位本地进位、绝对进位条件
8、进位、传递进位条件进位、传递进位2.2.并行加法器的进位链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)串行进位 特点:进位信号逐位形成。特点:进位信号逐位形成。设设n位加法器位加法器 1)逻辑式)逻辑式C1=G1+P1C0C2=G2+P2C1Cn=Gn+PnCn-12)结构举例)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)并行进位 特点:各位进位信号同时形成。特点:各位进位信号同时形成。设设n位加法器位加法器 1)逻辑式)逻辑式C1=G1+P1C0C2=G2+P2C1 =G2+P2
9、G1+P2P1C0 Cn=Gn+PnCn-1 =Gn+PnGn-1+PnPn-1P2P1C0 n+1 项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先行进位解决的问题解决的问题是进位的传递速度。其是进位的传递速度。其基本思想基本思想是:让是:让各位的进位与低位的进位无关,仅与两个参加操
10、作的数有关。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。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)结构举例结构举例计算机组成原理术第4版清华大学出版社设设16位加法器,位加法器,4位一组,分为位一组,分为4组:组:第第4组组 第第3组组 第第2组组 第第1组组4位位4位位4位位4位位C16 C13 C12 C9 C
11、8 C5 C4 C1C0C16 C12 C8 C4(4 4)组内并行、组间并行)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:组内:C1=G1+P1C0 C2=G2+P2G1+P2P1C0 C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0 组间:组间:C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1 +P4P3P2P1C0GIPI所以所以 CI=GI+PIC0 1 1)第)第1 1组进位逻辑式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:组内:C5=G5+P5CI C6=G6+P6G5+P6P5CI C7=G7+P7G6+P7P6G5+P7P6P5CI 组间:组间
12、:C8=G8+P8G7+P8P7G6+P8P7P6G5 +P8P7P6P5CIGP所以所以 C=G+PCI2 2)第)第2 2组进位逻辑式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:组内:C9 =G9+P9C C10=G10+P10G9+P10P9C C11=G11+P11G10+P11P10G9+P11P10P9C 组间:组间:C12=G12+P12G11+P12P11G10+P12P11P10G9 +P12P11P10P9CGP所以所以 C=G+P C 3 3)第)第3 3组进位逻辑式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:组内:C13=G13+P13C C14=G
13、14+P14G13+P14P13C C15=G15+P15G14+P15P14G13+P15P14P13C 组间:组间:C16=G16+P16G15+P16P15G14+P16P15P14G13 +P16P15P14P13CGP所以所以 C=G+PC 4 4)第)第4 4组进位逻辑式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)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
14、)结构示意()结构示意(动画实现动画实现)4 14 1 8 58 5 12 912 9 16 1316 13 组间进位链组间进位链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)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
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