08强化班教案15(总结).ppt

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1、计算机结构与逻辑设计,吴键雄学院08级,（第十五次课）,请设计节拍发生器 1- 小周期（模4） 方法1 计数器+译码器 方法2 环行计数器 方法3 2- 大周期 I 和 E，也可用一个触发器实现,解读图7.3 ALU 的运行过程 各单元的作用 位与位之间的连接,将累加器ACC中的数据清零将MBR中的数据送入B寄存器将B寄存器中的数据与累加器ACC中的数据相加将被加数送入ACC 将MBR中的数据送入B寄存器将B寄存器中的数据与累加器ACC中的数据相加（减）加法或减法,ALU 的运行特征?,以寄存器之间的数据传送为核心, 每个节拍执行一次传送(操作), 安排一个命令, 这些命令按一定顺序执行。,此

2、模型机中有哪些寄存器？它们的作用如何？各与哪些器件有信息传递关系？传递方向如何？（也就是每个寄存器将完成哪些微操作，用RTL语言描述）？每个寄存器应受什么控制信号控制？,围绕存储器 MBR：OPRMBR；BRMBR MAR： MARMBR； R-FF：R1 ；R0； W-FF：W1；W0； 围绕ALU ACC：ACBR+AC；ACBR-AC；AC0 BR： BRMBR； 其他 OPR：OPMBR IC：ICIC+1；IC0； I-FF：I1：I0 E-FF：E1；E0；,什么是指令的周期和节拍 这些周期和节拍是如何定时的？ 说出四条普通指令的操作程序并用RTL流程图表示。,R 1,R 0 OP

3、 MB,IC IC+1,MA MB I 0 E 1,R 1,R 1,R 1,W 1 AC MBR,R 0 BR MB,R0 AC0 BR MB,R 0 BR MB,W 0,AC AC+BR,AC AC+BR,AC AC-BR,MA IC E 0 I 1,MA IC E 0 I 1,MA IC E 0 I 1,MA IC E 0 I 1,ADD,SUBTRACT,CLEAR AND ADD,STORE,控制信号如何产生？ 解读图7.8 组合电路控制器节拍信号（ITi）与译码器输出（ADD、SUB、CLA、STO等）组合成若干命令控制信号的传送。,O P R,译 码 器,ADDSUBCLASTO

4、,有哪些无操作指令?其执行过程与其他算术指令有何区别? SKIP JAMP BRANCH 只有I周期，无E周期,叙述移位指令的执行过程,移位操作循环操作另开一周期,若将分支指令加入图7.8所示之组合电路控制器中，应怎样安排? 以SKIP指令为例: 先观察它与原有的指令有何不同?,ADD SKIP IT0 R 1 R 1 IT1 OPR MBR OPR MBR IT2 IC IC+1 IC IC+1 IT3 MAR MBR MAR IC I 0, E 1,微程序控制器解读图7.10,微操作码,微地址,微操作命令,操作码 00 0 C15，C23 C21，C23 C25 010100 C18，C2

5、3 C8,C15,C23 C14,C22,C23 C11,C23 C19,C26 0,操作码:01 0 C15，C23 C21，C23 C25 011001 C24 25 C18，C23 26 C8,C15,C23 27 C14,C22,C23 28 C12,C23 C19,C26 0,微程序控制器与组合电路控制器的区别在哪里？,组合电路控制器 微程序控制器 控制过程 节拍信号控制固定 微程序安排任意 操作命令 节拍信号与译码 ROM的输出 组合产生,在图7.10中增加跳转指令。,确定跳转指令的操作码06,0 C15 （ R 1） C23 （ICR ICR+1） C21（OP MB）C23 C

6、25 （ICR ICR+OPR+1）,下一微指令地址 2+6+1=9,9 （下一微指令地址，设为50） 110010 00000000000000000100,000000 00100000000000001000,C9 IC MB，C23,C19 MA IC，C26下一微地址为0,51 000000 00000000000010000001,1,宏指令指令微指令,某个运算操作微操作,指令 微指令,操作码 操作数地址,微指令跳转地址 微操作命令码,第八章 小结,一，计算机结构与组成的区别 结构程序员所必须了解的，与结构有关的内容。（指令字长，指令数，数据字长，编码方式，存储器组织，接口方式等）

7、 组成硬件结构,二、如何提高计算机的运算速度和运算能力？ 充分利用CPU的处理速度 充分利用CPU的处理能力,充分利用CPU的处理速度,单程序多程序 单指令多指令（流水线）,多程序运行,单程序,多程序,对每一条指令,时间加长了,但总体速度得以提高,多指令运行,R 1 提取指令 FI OP MB 解释指令 DI IC IC+1 MA MB 产生操作数地址 GOA R 1 BR MB 置操作数 LO A A+B 执行指令 EI MA IC,FI,DI,EI,LO,GOA,FI,DI,EI,LO,GOA,FI,DI,EI,LO,GOA,FI,DI,EI,LO,GOA,FI,DI,EI,LO,GOA,

8、FI,DI,EI,LO,GOA,FI,DI,EI,LO,GOA,FI,DI,LO,GOA,FI,DI,GOA,FI,DI,充分利用CPU的处理能力,单地址指令多地址指令 堆栈结构 CISCRISC,充分利用CPU的处理能力,单地址指令 一条加法宏指令，其两个操作数全放在存储器中，分两次取出，运算后再存进存储器 至少45条指令完成 至少3次读写存储器,充分利用CPU的处理能力,多地址指令,寄存器 寄存器 寄存器 存储器 存储器 寄存器 存储器 存储器,运算的操作数减少，减少了对存储器读写的次数。因而提高了速度。但增加了设备量。,以设备换取速度！,充分利用CPU的处理能力,CSIC复杂指令集 指令

9、复杂了，指令条目多了，设备相应增加，设备的增加也降低了速度。 RISC精简指令集 选择少数简单而优秀的指令组成,返朴归真,学习总结,本课程的目的与任务,掌握数字电路及系统的分析、设计方法 掌握计算机硬件结构的基本原理和用数字电路实现的方法,本课程的结构,绪论总述 1 3章基本理论与基本方法 4 7章计算机各部分的功能与设计 8章新技术、新理念,本课程的学习方法,抓基本概念 基本方法 基本思路 基本应用 基本技能,绪论,基本概念 1）数字信号的定义及其优点 2）计算机的结构及其运行特点 3）纯硬件数字系统与计算机的异同 基本思路 1）信号携带信息的方式与其处理方法 2）诺依曼思想,计算机中的数制

10、和码制,基本概念 1）数制（基数，权，表达式） 2）二进制的优点 3）数与码的区别，计算机中信息的表达 4）机器数的表示方法（原码、补码、反码及其运算法则）,计算机中的数制和码制,基本方法 1）数的按权展开以及叠代公式（二进制） N = rn-1 rn-2 ri r1 r0 . r-1 r-2 r-m = ri 2i,n-1 -m,（设为8位整数, 6位小数） N = (r72+ r6) 2+ r5 ) 2+ r4) 2+ r3 ) 2+ r2) 2+ r1) 2+ r0 N =0.5(r-1+0.5(r-2+0.5(r-3+0.5(r-4+ 0.5(r-5 + 0.5r-6) 2)原码、（真

11、）补码、R-1补码 原码符号位+尾数 补码符号位+（Rn-尾数） R-1补码符号位+（Rn-1-尾数）,3）原码、补码、反码的运算 溢出的处理 4）定点数与浮点数的表示方法,计算机中的数制和码制,基本思路 1）数制以权为核心，一切进位、运算、转换都围绕权字展开。 2）计算机中的一切信息均用0和1表示。 3）码不是数，数是客观存在的物理量的标度，码是计算机中用来表示数的方式，同一个数可以有各式各样的码来表示，通常有长度的概念。,4）原码由数自然转换而来，人所熟悉，计算机中不采用。 补码计算机中采用，数字输入进入计算机系统操作之前，必先转换成补码。 反码由于反码（负数）尾数的二进制码元与原码恰好相

12、反，而相应的补码为反码+1，所以通常用反码作为原码与补码之间转换的媒介。计算机中也可使用反码系统。,5）补码与相反数的区别 负数-91 原码 1 1 0 1 1 0 1 1 求补（尾数变反加1）得其补码为 补码 1 0 1 0 0 1 0 1 仍是负数 负数-91的相反数+91 -91的补码 1 0 1 0 0 1 0 1 +91的补码 0 1 0 1 1 0 1 1,原码求补码为不带符号的求补，在某些接口中存在。 求相反数为连同符号的求补，在运算过程中存在。,计算机中的数制和码制,基本应用 1）设计求补电路，求反电路 2）设计二进制与BCD码之间的的转换电路,计算机中的数制和码制,基本技能

13、1）十进制二进制八进制十六进制NBCD码其他BCD码 之间的互换。 2）原码反码补码之间的互换,第二章 逻辑函数与门网络,基本概念 1）布尔代数逻辑命题与逻辑描述 2）逻辑函数各种描述方法及其相互关系 3）组合逻辑定义与电路特点,第二章 逻辑函数与门网络,基本方法 逻辑简化技术 卡诺图简化技术 标准化实现技术 MSI器件的扩展方法 下一事件模拟方法 PLD图形表示方法 组合逻辑电路的分析与设计方法 混合逻辑描述方法,第二章 逻辑函数与门网络,基本思路 组合电路的设计 最小化的思想相邻项合并、最 小闭覆盖 标准化化成最基本的单元（最 小项）然后再组合 器件延迟竞争险象消除与避免 大规模集成的必要

14、与方法,第二章 逻辑函数与门网络,与（非）门网络（译码器）+或门=与、或网络（数据选择器）多个组合与、或阵列（PLD） 与阵列+或阵列=译码+编码=地址+存储器 PROMPLAPAL,第二章 逻辑函数与门网络,基本应用 构成运算电路、处理电路编码器、译码器、码制变换器、数据选择器、比较器、加法器、减法器、求补电路、求反电路、乘法电路、奇偶校验电路 设计各种接口电路 CPLD的编程阵列,第二章 逻辑函数与门网络,基本技能 将逻辑命题转化为逻辑描述 分析组合逻辑电路 设计组合逻辑电路（最小化、标准化） 各种描述方法之间的转换 各种MSI组合逻辑器件的运用 VHDL描述组合逻辑电路,第三章 时序逻辑

15、电路,基本概念 1）存储、触发与控制 2）时序电路的状态与行为 3）数据信号的传送,第三章 时序逻辑电路,基本方法 时序电路（含触发器）的描述方法 （小规模器件构成的）同步时序的分析方法与设计方法 MSI时序逻辑器件功能表阅读方法 MSI时序逻辑器件的级连方法 （MSI时序逻辑器件构成的）时序逻辑电路分析方法和设计方法,第三章 时序逻辑电路,第三章 时序逻辑电路,基本思路 组合逻辑+正反馈（延时）=基本触发器+门控电路=锁存器 +防竞态措施=无竞态触发器同步时序逻辑电路 竞态产生的原因及其解决办法 （割断输入输出直接联系主从方式，缩短开门时间边沿方式）,第三章 时序逻辑电路,真值表（加上内输入

16、和次态）状态转换真值表状态转换卡诺图状态图 时钟的控制作用同步与异步,第三章 时序逻辑电路,基本应用 寄存器 触发器一位寄存器 数据寄存器多位寄存器 移位寄存器数据可移动寄存器 计数器每次加（减）寄存器 存储器寄存器阵列 时序机,第三章 时序逻辑电路,基本技能 触发器画波形 简单时序电路画波形 同步时序电路分析，画状态图 阅读MSI时序器件功能表，识别器件，正确使用 VHDL描述时序电路功能 MSI混合电路的分析与设计,第四章 算术逻辑运算电路,基本概念 1）基本运算电路组合电路 2）运算器（ALU）的设计方法算法及其实现方法 3）运算器的主要矛盾,第四章 算术逻辑运算电路,基本方法 基本运算

17、电路的设计方法 组合电路的设计方法 根据算法确定 ALU 的构成方法 算法流程结构控制流,第四章 算术逻辑运算电路,基本思路 基本运算为组合电路 控制数据在寄存器中的传送 算术运算的实现方法 组合电路 ROM（查表） 用最基本的运算电路按算法进行 串行运算与并行运算,第四章 算术逻辑运算电路,基本应用 计算机的基本组成 某些电路中的计算环节 逻辑判断电路,第四章 算术逻辑运算电路,基本技能 设计与应用基本运算电路 根据算法确定ALU结构与安排命令流（用RTL语言绘出流程图）,第五章 存储器,基本概念 1）主存的结构与存储机理 2）计算机中存储器系统的层次化设计 3）虚拟存储器,第五章 存储器,

18、基本方法 存储器的字、位扩展方法 存储器的层次化管理方法,第五章 存储器,基本思路 按地址访问存储单元 存储器虽然是一个存储器件，但在使用中却相当于组合电路 存储器自身的主要矛盾速度与成本（容量）存储器层次化管理体系 存储器存取速度与CPU高速处理能力之间的矛盾,第五章 存储器,基本应用 1）存储数据与指令 2）实现组合逻辑函数 3）配合触发器实现时序逻辑,第五章 存储器,基本技能 正确读写存储器（波形） 能正确扩展存储器的容量,第六章 终端、总线与接口,基本概念 1）哑终端与智能终端 2）终端与CPU通信方式及其主要矛盾 3）D/A的基本原理 4）量化（数字化A/D ）的基本原理 5）总线的

19、种类与作用 6）接口的定义与作用,第六章 终端、总线与接口,基本方法 输入的编码方法（对键盘开关信号，对模拟信号A/D） 输出的译码方法（译成开关信号，译成模拟信号） A/D与D/A转换的原理与方法,第六章 终端、总线与接口,基本思路 输入设备编码器，输出设备译码器模、数之间接口A/D、D/A 慢终端与快CPU的矛盾解决策略接口要求,第六章 终端、总线与接口,基本应用 计算机终端与CPU之间的接口逻辑 电子系统中模拟与数字之间的接口电路与有关逻辑 电子系统中各部件之间的接口与逻辑,第六章 终端、总线与接口,基本技能 合适选用A/D与D/A，计算A/D与D/A的参数 选择（CPU与终端之间）合理

20、的通信方式，设计其接口逻辑与电路 计算A/D、D/A的有关数据与时序流程 安排校验码,第七章 控制单元,基本概念 1）控制什么？ 2）如何控制？ 3）微程序控制器与程序控制器的区别 4）纯硬件控制器与程序控制器的区别 5）,第七章 控制单元,基本方法 组合电路控制器将节拍信号与译码器输出信号组合产生不同的命令控制数据的传送 微程序控制器将各种命令存于微存储器（ROM）中，按微程序安排取出这些命令控制数据的传送 纯硬件控制器（时序机） RTL语言描述寄存器中数据的传递,第七章 控制单元,基本思路 控制数据在寄存器之间的传送 控制目标寄存器的接受处理（运算）属组合电路，不占时间 控制过程按算法流程

21、进行设计受控电路安排算法流程设计控制器（时序机）联机试验,第七章 控制单元,基本应用 计算机与数字系统的核心电路,第七章 控制单元,基本技能 1）能根据算法确定控制流程（用RTL语言描述） 2）能在教材提供的控制器电路上增添新的控制指令 3）根据控制流程设计控制器状态机 设计（以后）,第八章 计算机结构,基本概念 1）计算机结构与计算机组成的区别与联系 2）提高计算机性能的主要矛盾 3）,第八章 计算机结构,基本方法 充分运用计算机的高运算速度 多程序多指令（流水线） 充分运用计算机的强处理能力 多地址CISCRISC 多寄存器技术 堆栈技术,第八章 计算机结构,基本思路 1）提高计算机运算速

22、度的途径 充分运用CPU的强运算能力 充分运用CPU的高运算速度 2）CPU与外设的不协调多程序时分复用；指令执行中各微操作的对象不同多指令流水线执行,第八章 计算机结构,3）减少CPU 与存储器访问的次数（减少使用指令的次数）多地址指令多寄存器技术堆栈技术CISCRISC,第八章 计算机结构,基本应用 新型RISC计算机 流水线原理在触发器等新型高速器件和新型高速电路中的运用 堆栈技术 单片机,第八章 计算机结构,基本技能 分析各种新结构的优缺点 会使用堆栈等器件,复习要领,掌握基本概念 从基本思路入手，结合基本应用来理解， 注意功能之间的联系与拓展 熟练基本方法好基本技能 前者牵涉方法论，注意方法的共性，后者则要练习，适当作点题。 从第4章开始，每章要抓住一、二个要点（一、二句话）,具体内容可参照平时测验和课堂练习加以发挥。 题型与评分 概念、常识、分析、设计 成绩评定 实验 50% （考试、平时） 理论 50% （考试40% 平时10%）,祝大家都取 得优良成绩,