东南大学计算机结构与逻辑设计课件

1、1计 算 机 结 构与 逻 辑 设 计东南大学信息科学与工程学院2007年9月黄 清 研 究 员 Email: Phone: 837920662目的与任务： 本课程是信息工程类专业的一门重要的技术基础课，其学习目标是掌握计算机的基本原理和数字逻辑设计的基本技术，为学习计算机类的其他课程和通信、电子、控制，信号处理直至电力电子等专业课程奠定必要基础，同时培养用计算机组成的基本思路去考虑系统设计问题的能力，运用数字技术的基本原理分析数字电路的能力，用CPLD方法设计数字模块及运用数字模块构成数字系统的能力。0 绪 论3教学重点1、掌握逻辑电路、时序电路的分析 和设计方法，2、理解逻辑运算电路的硬件

2、结构，3、应用中小规模集成电路设计数字系统。4相关课程1、数学：布尔代数，集合论2、电路、电子线路基础：门电路基础3、VHDL语言(Top-down设计方法)4、微机原理与接口技术5、计算机组织结构与性能(英文)50.1 计算机发展 复杂指令系统: 80808086 80486 Pentium变指令格式！TMS32010 TMS320C3X TMS320C6X 简易指令系统(RISC)：i860, PowerPC固定指令格式！0.2.1 数字信号：0、1 用二进制表示，布尔代数描述0.2 数字信号与数字电路0.2.2 数字电路的优点（1）数字信息存贮方便，可以通过打印或制成(光)盘长期保存（2

3、）便于用数字计算机控制或处理（3）集成化程度高6 0.3 计算机的基本结构输入设备输出设备存储器运算器控 制 器图0.2 计算机的基本结构7总线结构：计算机各部分之间是依靠总线相联系的， 总线是一组用来传输数据和信息的连线。 I/O设备I/O设备存储器CPU存储器CPUI/O设备I/O设备以内存为中心的双总线结构单 总 线 结 构80.4 计算机的运行虚拟机器M4（使用高级语言）虚拟机器M3（使用汇编语言或其它中间语言）虚拟机器M2（使用操作系统）实际机器M1（使用机器语言）执行 由硬件或微程序执行机器语言解释 由机器语言解释操作系统语言编译2 经编译程序翻译成机器语言程序或操作系统语言编译1

4、 经编译程序翻译成汇编语言程序或其它中间语言程序9计算机的运行过程可概括为： 通过输入设备将使用者提供的数据和程序存入存储器；按程序的安排将数据从存储器中取出，送到运算器中处理，然后再送入存储器；将处理的结果从存储器中取出，通过输出设备报告使用者或完成某项控制任务。输入设备输出设备存储器运算器控 制 器100.5 计算机与数字系统1）计算机的活动是控制器按照存放在存储器中的程序，一条指令一条指令地按序执行；2） 每条指令包含若干操作，这些操作的基本内容是将数据从一个寄存器（经过处理）向另一个寄存器传送，而每一个操作都是在控制器的命令下完成的。 计算机与数字系统对比纯硬件构成的数字系统： 只完成

5、特定功能；耗材多；速度高数字计算机： 处理能力强；速度低111.1 计算机中的数制、权的概念1.2 计算机中的数的表示方法与格式1 计算机中的数制和码制121.1 计算机中的数制、权的概念1.1 .1 十进制1.1 .2 R进制基数di0,1,9基数ri0,1,R-1131.1 .3 二进制1.1 .4 二进制的优点电路实现方便, 2) 需要的设备量少, 3) 运算规则简单1.1 .5 数制间的转换141.1.5.1 二进制转换成十进制二进制数：01011010.11 b=90.75 d151.1.5.2 十进制转换成二进制十进制数：26d=11010b 商 01 3 6 13 26 (2)

6、余数 1 1 0 1 0 (二进制数， H -L)161.1 .6 八进制与十六进制(缩短书写长度)二进制数八进制数0000010100111001011101110123456717十六进制数h二进制数b循环码0123456789ABCDEF000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位二进制码、循环码181.2.1 码的概念（二进制码与循环码）1.2 计算机中的数的表示方法与格式

7、1.2.2 实数在计算机中的表示原码表示法：分符号位S和尾数m。0表示为正，1表示为负。Sm1.2.2.1 实数的补码表示法同余：某个模（Mode)为M的系统中，一个数与其模的整数倍相加或相减时，其值不变，即 A=A+n M (mod M)Mod (x, y) = x - y*floor(x/y)1) 补数的概念 如果A和A两个数之和等于某个固定的数M（称为模），则称数A是数A的关于模M的补数，或简称M的补数，即A=M-A；反之，数A也是数A的关于模M的补数（A=M-A）。A - B=A B + M （mod M) (同余的性质） =A+（M-B） =A + B 利用补数可将加法和减法统一起来

8、。192) 二进制的真补码（R补码, 补码）对于n 位二进制码系统，实数m，不考虑符号位，用系统的模为2n-1 ，补码为10000000-0000110101110011取n-1位，将符号位添加上得1111,0011。若符号位与尾数一起计算，系统模为2n，同样符号位不变，如-13d=1000,1101b。考虑符号位，得 100000000- 10001101001110011取n-1位，将符号位加上得1111,0011。在2的补码系统中完成二进制数+72d与-13d的加法运。+72d的补码为01001000,-13d的2的补码是11110011，将两数相加，结果仍然是一个补码，对应数为+59d

9、。 01001000+ 11110011100111011舍去符号位不变。如-13d=1000,1101b，Sm=2n-1+m201.2.2.2 二进制的基数减1补码（R-1补码，反码）1的补码的格式与2的补码相同，只是其模为2n-1。对于8位二进制数而言，其模为11111111。其余处理与2补码相同。但是用1的补码求得的运算结果还要再加上1。 求2的补码方法：先求其1的补码（即将尾数各位变反），然后再加1，而不再通过减法运算实现。 1.2.3 定点数与浮点数1.2.3.1 定点（Fixed-Point）数SI小数点默认位置V=(-1)sI以上格式只能表示整数SF小数点默认位置V=(-1)s0

10、.F以上格式只能表示小数211.2.3.2 浮点（Floating-Point）数SCCSI小数点默认位置其中，S是此实数的符号，I 是尾数，C则称为阶码，SC是阶码的符号。V=（-1)sI 2(-1) CSCSCCSF小数点默认位置V=（-1)s0.F 2(-1) CSC格式1：格式2：221.2.3.3 两种特殊的浮点数格式1）IBM浮点数格式（1）32位字长SCF位号017831SCF位号017863（2）64位字长V=（-1)s0.F 16C-642） IEEE浮点数格式（1）32位字长SEF位号019831SEF位号01111263V=（-1)s1.F 16E-1023V=（-1)s

11、1.F 16E-127 （2）64位字长231.2.4 十进制数的表示方法十进制数NNBCD（8421)码余3码2421码循环码00000001100000000100010100000100012001001010010001130011011000110010401000111010001105010110001011011160110100111000101701111010110101008100010111110110091001110011111000十进制的数码在计算机中以二进制码的形式出现，称为BCD玛（Binary Coded Decimal)。24表1.7 ASCII编码表b3b2b1b0b6b5b40000010100111001011101110000NULDLESP0P、p0001SOHDC1!1AQaq0