《微体系结构层》PPT课件.ppt

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1、2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,1,计算机组成原理与汇编语言 微体系结构层,浙江工业大学软件学院,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,2,掌握CPU的组成和工作方式掌握运算器的构成，能按步骤进行定点数、浮点数的四则运算掌握控制器的控制方式理解组合逻辑控制器和微程序控制器的工作原理和设计方法深入了解计算机中指令的完整执行过程,本章的学习目标,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,3,算术逻辑部件ALU定点数的运算补码加减运算移位操作定点乘法运算定点除法运算浮点数的运算十进制数的运算,本篇主要内容,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言

2、软件学院,4,CPU的组成,CPU的组成算术逻辑部件ALU控制器各种寄存器CPU内部总线,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,5,加法器单元电路全加器,ALU（1-1）,Ci,i,Ai,Bi,Ci-1,i=Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1 Ci=Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,6,ALU（1-2）,全加器电路,+,&,+,Ci-1,Ai,Bi,i,Ci,i=Ai Bi Ci-1 Ci=Ai Bi+(Ai Bi)Ci

3、-1,+,+,+,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,7,ALU（2-1）,并行加法器与进位链结构串形进位,Ci,i,Ai,Bi,Ci-1,C2,2,A2,B2,C1,C1,1,A1,B1,C0,C16,16,A16,B16,C15,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,8,ALU（2-2）,并行加法器与进位链结构并行进位,Ci=Ai Bi+(Ai Bi)Ci-1Gi=Ai Bi；Pi=Ai BiCi=Gi+Pi Ci-1,+,+,C1=G1+P1 C0C2=G2+P2 C1C3=G3+P3 C2C16=G16+P16C15,=G1+P1 C0=G2+P2 G

4、1+P2 P1 C0=G3+P3 G2+P3 P2 G1+P3 P2 P1 C0=G16+P16G15+P16P15G14+P16P15 P2P1C0,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,9,ALU（2-3）,并行加法器与进位链结构组内并行，组间串行,第四组,第三组,第二组,第一组,C0,A1,B1,A2,B2,A3,B3,A4,B4,A5,B5,A6,B6,A7,B7,A8,B8,A9,B9,A10,B10,A11,B11,A12,B12,A13,B13,A14,B14,A15,B15,A16,B16,1,2,3,C4,C4,4,5,6,7,C8,C8,8,9,10,11,

5、C12,C12,12,13,14,15,C16,16,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,10,ALU（2-4）,并行加法器与进位链结构组内并行，组间并行 C4=G4+P4 G3+P4 P3 G2+P4 P3 P2 G1+P4 P3 P2 P1 C0 C8=G8+P8 G7+P8 P7 G6+P8 P7 P6 G5+P8 P7 P6 P5 C4 C12=G12+P12G11+P12P11G10+P12P11P10G9+P12P11P10P9C8 C16=G16+P16G15+P16P15G14+P16P15P14G13+P16P15P14P13C12,GI=G4+P4 G3+

6、P4 P3 G2+P4 P3 P2 G1；PI=P4 P3 P2 P1 GII=G8+P8 G7+P8 P7 G6+P8 P7 P6 G5；PII=P8 P7 P6 P5 GIII=G8+P8 G7+P8 P7 G6+P8 P7 P6 G5；PIII=P8 P7 P6 P5 GIV=G16+P16G15+P16P15G14+P16P15P14G13；PIV=P16P15P14P13,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,11,ALU（2-5）,并行加法器与进位链结构组内并行，组间并行,C4=GI+PI C0C8=GII+PII C4C12=GIII+PIII C8C16=GIV

7、+PIVC12,=GI+PI C0=GII+PIIGI+PIIPIC0=GIII+PIIIGII+PIIIPIIGI+PIIIPIIPIC0=GIV+PIVGIII+PIVPIIIGII+PIVPIIIPIIGI+PIVPIIIPIIPIC0,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,12,ALU（2-6）,并行加法器与进位链结构组内并行，组间并行,第四组,第三组,第二组,第一组,C0,A1,B1,A2,B2,A3,B3,A4,B4,A5,B5,A6,B6,A7,B7,A8,B8,A9,B9,A10,B10,A11,B11,A12,B12,A13,B13,A14,B14,A15,B

8、15,A16,B16,1,2,3,C4,4,5,6,7,C8,8,9,10,11,C12,12,13,14,15,C16,16,组间进位电路,GIV,PIV,GIII,PIII,GII,PII,PI,GI,C12,C8,C4,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,13,ALU（3-1）,ALU举例SN74181芯片,加法器,函数发生器,X,Y,F,Cn,M,Cn+4,A,B,S3,S2,S1,S0,S0S1S2S3控制产生16种不同逻辑函数M控制选择算术运算或逻辑运算,G,P,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,14,ALU（3-2）,ALU举例SN74182

9、芯片,74182,Vcc P2 G2 Cn Cn+4 Cn+8 G Cn+12,G1 P1 G0 P0 G3 P3 P GND,1 2 3 4 5 6 7 8,16 15 14 13 12 11 10 9,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,15,定点数运算（1-1）,补码运算补码加法：X+Y补=X补+Y补补码减法：X-Y补=X补+-Y补补码运算的基本规则参加运算的各个操作数均以补码表示，运算结果仍以补码表示符号位和数值位一样参加运算若求和，将两补码直接相加，得两数之和的补码；若求差，则将减数变补(由Y补求-Y补)，然后与被减数相加，得两数之差的补码,2023/5/20,计算

10、机组成原理与汇编语言软件学院,16,定点数运算（1-2）,补码运算例题,2)X=3 Y=2,X补=1 1101 Y补=1 1110,1 1011,1)X=3 Y=2,X补=0 0011 Y补=0 0010,0 0101,（+5补码）,（-5补码）,3)X=4 Y=5,X补=0 0100 Y补=1 1011(-Y)补=0 0101,0 1001,（+9补码）,4)X=4 Y=5,X补=1 1100 Y补=0 0101(-Y)补=1 1011,1 0111,（9补码）,1,1,X+Y,X-Y,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,17,定点数运算（1-3）,补码运算例题,2)X=1

11、0 Y=7,X补=1 0110 Y补=1 1001,0 1111,1)X=10 Y=7,X补=0 1010 Y补=0 0111,1 0001,（-15补码）,（15补码）,1,正溢出：运算结果大于机器所能表示的最大正数；负溢出：运算结果小于机器所能表示的最小负数,正溢出,负溢出,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,18,定点数运算（1-4）,溢出判别 根据两个操作数的符号与结果的符号判别OVR=Af Bf Sf+Af Bf Sf 根据两数相加时产生的进位判别OVR=Cf Cn+Cf Cn=Cf Cn采用变形补码运算（两位符号位）X变形补=X 0X1 4+X-1X0 X变形补=

12、X 0X2n 2n+2+X-2nX0,+,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,19,定点数运算（1-5）,变形补码运算,（1）3+2：,Sf1 Sf2=00 结果为正，无溢出,00 001100 0010,00 0101,（2）10+7：,00 101000 0111,01 0001,（3）-3+(-2)：,11 1011,11 110111 1110,（4）-10+(-7)：,10 1111,11 011011 1001,Sf1 Sf2=01 结果为正溢出,Sf1 Sf2=11 结果为负，无溢出,Sf1 Sf2=10 结果为负溢出,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语

13、言软件学院,20,定点数运算（2-1）,移位操作逻辑移位：数码位置变化原码算术移位：数码位置变化，符号位不变,1 0 0 0 1 1 1 1,逻辑右移：,0 0 0 1 1 1 1,1,1 0 0 0 1 1 1 1,循环左移：,1 0 0 0 1 1 1,0,移掉,补 0,1 0 0 1 1 1 1,算术左移：,1 0 1 1 1 1 0,1 0 0 1 1 1 1,算术右移：,1 0 0 0 1 1 1,-15-30,-15-7（有误差）,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,21,定点数运算（2-2）,移位操作补码算术左移：单符号位:符号位不变；双符号位:第一符号位不变空

14、位补0,1 0 1 1 1,左移：,1 1 1 1 0,0 0 0 1 1 1,左移：,0 0 1 1 1 0,1）单符号位,2）双符号位,1 1 1 0 0,左移：,0 1 1 1 0 0,左移：,错误,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,22,定点数运算（2-3）,移位操作补码算术右移：单符号位：符号位不变；双符号位：第一符号位不变移空位置位补与符号位相同的代码,1 1 0 1 0,右移：,1 1 1 0 1,0 1 1 1 0 0,右移：,0 0 1 1 1 0,1）单符号位,2）双符号位,1 1 1 1 0,右移：,0 0 0 1 1 1,右移：,误 差,2023/5

15、/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,23,定点数运算（2-4）,移位操作舍入方法：,1.0舍1入法,0 00100原,1 00101原,1 11011补,2.末位恒置1,0 00100原,1 11011补,1 00101原,0 0010原,1 0011原,1 1110补,0 0011原,1 0011原,1 1101补,例.保留4位尾数：,例.保留4位尾数：,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,24,定点数运算（3-1）,定点乘法运算原码一位乘法：,1）,Y4=1,+X,+1101,1101,0110,1101,2）,Y3=1,+1101,0011,1001,1110,3

16、）,Y2=0,+0000,1001,0100,1111,4）,Y1=1,+1101,0001,1000,1111,X原 Y原=1.10001111,+X,+0,+X,0,1,0,0,0,0,1,0,X原=0.1101 Y原=1.1011,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,25,定点数运算（3-2）,定点乘法运算原码一位乘法算法：1.乘积的符号单独按两数符号模2相加得到;2.以乘数最低位作为乘法判别位,若判别位为1,则在前次部分积上加被乘数,然后连同乘数一起右移一位;若判别位为0,则在前次部分积上加0,然后连同乘数一起右移一位;3.重复第2步,直到n次为止,2023/5/20

17、,计算机组成原理与汇编语言软件学院,26,定点数运算（3-3）,定点乘法运算原码一位乘法原理框图：寄存器A：存放部分积，初始值为0；寄存器B：存放被乘数；寄存器C：存放乘数,加法器,A,C C0,控制逻辑,右移一位,Cf,B,加B/不加,Af,Xf,Yf,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,27,定点数运算（4-1）,定点除法运算原码恢复余数法,-Y),+11.0011,11.1110,+00.1101,0.000,00.1011,01.0110,+11.0011,00.1011,+Y),0,1,例：X=-0.1011，Y=+0.1101；求X/Y=？解：|X|补=00.10

18、11,|Y|补=00.1101,-|Y|补=11.0011,00.1011 0.000,0,:商数不溢出,0.000,-Y),:余数为正,上商为1,01.0110,0.001,+11.0011,-Y),00.0101,00.1010,+11.0011,0.011,-Y),1,11.1101,+00.1101,+Y),0,00.1010,01.0100,0.110,+11.0011,-Y),00.0111,0.110,1,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,28,定点除法运算原码恢复余数法算法1.判溢出,要求|被除数|除数|;2.符号位单独按两数符号的模2相加求得;3.被除数减

19、去除数;4.若所得余数为正,相应位上商为1,余数左移一位,减去除数;若余数为负,相应位上商为0,余数加上除数(恢复余数),再左移一位减去除数;5.重复第4步,直到求得所要求的商的各位为止,定点数运算（4-2）,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,29,定点除法运算原码不恢复余数法算法1.判溢出,要求|被除数|除数|;2.符号位单独按两数符号的模2相加求得;3.被除数减去除数;4.若所得余数为正,相应位上商为1,余数左移一位,减去除数;若余数为负,相应位上商为0,余数左移一位,加上除数;5.重复第4步,直到求得所要求的商的各位为止*.若最后一次所得余数为负,则需恢复余数,定点数

20、运算（4-3）,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,30,定点数运算（4-4）,定点除法运算原码不恢复余数法,-Y),+11.0011,11.1110,+00.1101,00.1001,11.1100,+11.0011,00.0101,+Y),0,1,例：X=-0.1011，Y=+0.1101；求X/Y=？解：|X|补=00.1011,|Y|补=00.1101,-|Y|补=11.0011,00.1011 0.000,0,:商数不溢出,0.000,-Y),:余数为正,上商为1,00.1010,0.011,+11.0011,-Y),11.1101,11.1010,0.110,0,

21、+00.1101,+Y),00.0111,0.110,1,01.0010,0.001,1,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,31,定点数运算（4-5）,定点除法运算原码不恢复余数法原理框图,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,32,浮点数运算（1）,浮点加减运算对阶:小阶向大阶看齐尾数的加减运算结果规格化左规:尾数需要左移才能满足规格化条件；右规:尾数需要右移才能满足规格化条件舍入操作0舍1入法末位恒置1法,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,33,浮点数运算（2）,浮点乘法运算阶码相加并判溢出尾数相乘结果规格化,2023/5/20,计算

22、机组成原理与汇编语言软件学院,34,浮点数运算（3）,浮点除法运算预置尾数调整,使得|被除数|除数|求阶差尾数相除,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,35,十进制数加减运算（1）,BCD码的加法运算按二进制运算规则进行若和小于等于9,则不校正若和大于9,则将和再加6,即加(0110)2,00010011,0100,例:用BCD码求137+376,137376,00110111,01110110,1010,1101,0110,0110,0101,0001,0011,513,2023/5/20,计算机组成原理与汇编语言软件学院,36,作业,书本第129页，3-2(分组完成)书本第129页,3-3 至 3-5;3-6(1)(3)(定点整数形式);3-7(1)(2)(定点小数形式),