1计计 算算 机机 结结 构构 与与 逻逻 辑辑 设设 计计东南大学信息科学与工程学院2007年9月黄 清 研 究 员 Email: huangqingseu.edu.cnPhone: 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 0 绪绪 论论3教学重点教学重点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结构， 3、应用中小规模集成电路设计数字系统。4相关课程相关课程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 0.1 计算机发展计算机发展复杂指令系统复杂指令系统: : 808080808086808680486 80486 PentiumPentium变指令格式！ 变指令格式！ TMS32010 TMS32010 TMS320C3X TMS320C3X TMS320C6XTMS320C6X简易简易指令系统指令系统(RISC)(RISC)：i860, PowerPCi860, PowerPC固定指令格式！固定指令格式！0.2.1 0.2.1 数字信号：数字信号：0 0、1 1用二进制表示，布尔代数描述用二进制表示，布尔代数描述0.2 0.2 数字信号与数字电路数字信号与数字电路0.2.2 0.2.2 数字电路的优点数字电路的优点（1 1）数字信息存贮方便，可以通过打印或制成）数字信息存贮方便，可以通过打印或制成( (光光) )盘长期保存盘长期保存（2 2）便于用数字计算机控制或处理）便于用数字计算机控制或处理（3 3）集成化程度高）集成化程度高60.3 0.3 计算机的基本结构计算机的基本结构输入设备输出设备存储器运算器控 制 器图图0.2 0.2 计算机的基本结构计算机的基本结构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。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C P U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 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 1.1 计算机中的数制、权的概念计算机中的数制、权的概念 1.2 1.2 计算机中的数的表示方法与格式计算机中的数的表示方法与格式1 1 计算机中的数制和码制计算机中的数制和码制121.1 1.1 计算机中的数制、权的概念计算机中的数制、权的概念1.1 .1 1.1 .1 十进制十进制1.1 .2 R1.1 .2 R进制进制基数di0,1,9基数ri0,1,R- 1131.1 .3 1.1 .3 二进制二进制1.1 .4 1.1 .4 二进制的优点二进制的优点1)1) 电路实现方便电路实现方便, , 2) 2) 需要的设备量少需要的设备量少, , 3) 3) 运算规则简单运算规则简单1.1 .5 1.1 .5 数制间的转换数制间的转换141.1.5.1 1.1.5.1 二进制转换成十进制二进制转换成十进制二进制数：01011010.11 b=90.75 d151.1.5.2 1.1.5.2 十进制转换成二进制十进制转换成二进制十进制数：26d=11010b商 01 3 6 13 26 (2)余数 1 1 0 1 0 (二进制数， H - L)161.1 .6 1.1 .6 八进制与十六进制八进制与十六进制( (缩短书写长度缩短书写长度) )二进制数八进制数000 001 010 011 100 101 110 1110 1 2 3 4 5 6 717十六进制数h二进制数b循环码0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 11110000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 10004位二进制码、循环码181.2.1 1.2.1 码的概念（二进制码与循环码）码的概念（二进制码与循环码）1.2 1.2 计算机中的数的表示方法与格式计算机中的数的表示方法与格式1.2.2 1.2.2 实数在计算机中的表示实数在计算机中的表示原码表示法：分符号位原码表示法：分符号位S S和尾数和尾数mm。0 0表示为正，表示为正，1 1表示为负。表示为负。Sm1.2.2.1 1.2.2.1 实数的补码表示法实数的补码表示法同余同余：某个模（：某个模（Mode)Mode)为为MM的系统中，一个数与其模的整数倍相加或相的系统中，一个数与其模的整数倍相加或相 减时，其值不变，即减时，其值不变，即 A=A+n A=A+n M (mod M) M (mod M) Mod (x, y) = x - y*floor(x/y)Mod (x, y) = x - y*floor(x/y)1 1) ) 补数的概念补数的概念如果如果A A和和AA两个数之和等于某个固定的数两个数之和等于某个固定的数MM（称为模），则称数称为模），则称数AA是是 数数A A的关于模的关于模MM的补数，或简称的补数，或简称MM的补数，即的补数，即A=M-AA=M-A；反之，数反之，数A A也是也是 数数AA的关于模的关于模MM的补数（的补数（A=M-AA=M-A）。）。 A - B=A B + MA - B=A B + M （mod M) (mod M) (同余的性质）同余的性质）= =A+A+（M-BM-B）=A + B=A + B 利用补数可将加法和减法统一起来。利用补数可将加法和减法统一起来。192 2) ) 二进制的真补码（二进制的真补码（R R补码补码, , 补码补码）对于对于n n 位二进制码系统，实数位二进制码系统，实数mm，不考虑符号位，用系统的模为，不考虑符号位，用系统的模为2 2n-1 n-1 ，补码为，补码为1000000010000000 -00001101-00001101 0111001101110011取取n-1n-1位，将符号位添加上得位，将符号位添加上得11111111,0011,0011。若符号位与尾数一起计算，系统模为若符号位与尾数一起计算，系统模为2 2n n，同样符号位不变，同样符号位不变， 如如-13-13d d=1000,1101=1000,1101b b。考虑符号位，得。考虑符号位，得 100000000100000000 - 10001101- 10001101001110011001110011取取n-1n-1位，将符号位加上得位，将符号位加上得11111111,0011,0011。在在2 2的补码系统中完成二进制数的补码系统中完成二进制数+72+72d d与与-13-13d d的加法运。的加法运。+72+72d d的补码为的补码为01001000,01001000, -13-13d d的的2 2的补码是的补码是1111001111110011，将两数相加，结果仍然是一个补码，对应数为，将两数相加，结果仍然是一个补码，对应数为+59+59d d。01001000 01001000 + 11110011+ 11110011 100111011100111011舍去舍去符号位不变。如符号位不变。如-13-13d d=1000,1101=1000,1101b b，Sm=2n-1+m201.2.2.2 1.2.2.2 二进制的基数减二进制的基数减1 1补码（补码（R-1R-1补码，补码，反码反码）1 1的补码的格式与的补码的格式与2 2的补码相同，只是其模为的补码相同，只是其模为2 2n n-1-1。对于对于8 8位二进制数而言，其模为位二进制数而言，其模为 1111111111111111。其余处理与。其余处理与2 2补码相同。但是用补码相同。但是用1 1的补码求得的运算结果还要再加上的补码求得的运算结果还要再加上1 1。 求 求2 2的补码方法：先求其的补码方法：先求其1 1的补码（即将尾数各位变反），然后再加的补码（即将尾数各位变反），然后再加1 1，而不再通，而不再通 过减法运算实现。过减法运算实现。 1.2.3 1.2.3 定点数与浮点数定点数与浮点数1.2.3.1 1.2.3.1 定点（定点（Fixed-PointFixed-Point）数数 SI小数点默认位置小数点默认位置V=(-1)V=(-1)s s I I以上格式只能表示整数以上格式只能表示整数SF小数点默认位置小数点默认位置V=(-1)V=(-1)s s 0.F0.F以上格式只能表示小数以上格式只能表示小数211.2.3.2 1.2.3.2 浮点（浮点（Floating-PointFloating-Point）数数SCCSI小数点默认位置小数点默认位置其中，其中，S S是此实数的符号，是此实数的符号，I I 是尾数，是尾数，C C则称为阶码，则称为阶码，SCSC是阶码的符号。是阶码的符号。V=V=（-1)-1)s s I I 2 2(-1) (-1) C CSCSCSCCSF小数点默认位置小数点默认位置V=V=（-1)-1)s s 0.F 0.F 2 2(-1) (-1) C CSCSC格式1：格式2：221.2.3.3 1.2.3.3 两种特殊的浮点数格式两种特殊的浮点数格式1 1）IBMIBM浮点数格式浮点数格式 （1 1）3232位字长位字长 SCF位号位号0 01 1 7 78 8 3131SCF 位号位号0 01 1 7 78 8 6363（2 2）6464位字长位字长V=V=（-1)-1)s s 0.F 0.F