计算机组成与结构PPT课件(全)第2章计算机的逻辑部.ppt

1第二章第二章 计算机的逻辑部件计算机的逻辑部件本章内容是计算机组成原理的本章内容是计算机组成原理的预备性知识预备性知识包括包括：一、预备知识一、预备知识 二、组合逻辑电路二、组合逻辑电路 三、时序逻辑电路三、时序逻辑电路 四、阵列逻辑电路四、阵列逻辑电路2一、预备知识一、预备知识1、基本知识、基本知识2、三种基本逻辑操作三种基本逻辑操作3、基本门电路、基本门电路4、等效电路、等效电路31、基本知识、基本知识半导体：单向导电的物体，可用来实现二极管半导体：单向导电的物体，可用来实现二极管导体：双向导电的物体；绝缘体：不导电的物体导体：双向导电的物体；绝缘体：不导电的物体 电流方向电流方向在半导体基础上经过加工可生成三极管在半导体基础上经过加工可生成三极管4 2、三种基本逻辑操作三种基本逻辑操作与与全部输入为全部输入为1 1时，输出为时，输出为1 1，否则为，否则为0 0或或全部输入为全部输入为0 0时，输出时，输出 为为0 0，否则为，否则为1 1非非 取相反数取相反数53、基本门电路、基本门电路6二、组合逻辑电路二、组合逻辑电路 定义定义：逻辑电路的输出状态仅与当时的输入：逻辑电路的输出状态仅与当时的输入状态有关，与过去的输入状态无关状态有关，与过去的输入状态无关 常用的组合逻辑电路有：常用的组合逻辑电路有：1、加法器、加法器 2、算术逻辑单元、算术逻辑单元 3、译码器、译码器 4、数据选择器、数据选择器71、加法器、加法器半加器半加器不考虑进位，两个输入、一个输出不考虑进位，两个输入、一个输出用途：求两数相乘除的符号位用途：求两数相乘除的符号位 8半加器的功能表和逻辑图9 全加器全加器带进位的加法器带进位的加法器两个输入两个输入两个输出两个输出 n 10全加器的功能表及逻辑图将n个全加器相连可得n位加法器，但其加法时间较长。这是因为其位间进位是串行传送的，本位全加和Fi必须等低位进位Ci-1来到后才能进行，加法时间与位数有关。只有改变进位逐位传送的路径，才能提高加法器工作速度。解决办法之一是采用“超前进位产生电路”来同时形成各位进位，从而实现快速加法。我们称这种加法器为超前进位加法器。串行加法器超前进位产生电路是根据各位进位的形成条件来实现的。只要满足下述两条件中任一个，就可形成C1：(1)X1，Y1均为“1”；(2)X1，Y1任一个为“1”，且进位C0为“1”。由此，可写得C1的表达式为C1=X1Y1+(X1+Y1)C0 只要满足下述条件中任一个即可形成C2：(1)X2，Y2均为“1”；(2)X2，Y2任一为“1”，且X1，Y1均为“1”；(3)X2，Y2任一为“1”，同时X1，Y1任一为“1”，且C0为“1”。由此可得C2表达式为C2=X2Y2+(X2+Y2)X1Y1+(X2+Y2)(X1+Y1)C0下面我们引入进位传递函数Pi和进位产生函数Gi的概念。它们的定义为：Pi=Xi+YiGi=XiYi P1的意义是：当X1，Y1中有一个为“1”时，若有进位输入，则本位向高位传送进位，这个进位可看成是低位进位越过本位直接向高位传递的。G1的意义是：当X1，Y1均为“1”时，不管有无进位输入，定会产生向高位的进位。将P1、G1代入C1C4式，便可得：C1=G1+P1C0C2=G2+P2G1+P2P1C0C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0四位超前进位加法器172、算术逻辑单元、算术逻辑单元(ALU)能进行能进行32种算术逻辑运算和种算术逻辑运算和16种逻辑运算。种逻辑运算。P31ALU功能表的功能表的说明说明：S0 S3 ：运算选择控制端，运算选择控制端，决定电路执行何种运算决定电路执行何种运算加加：表示算术加：表示算术加+：表示逻辑加：表示逻辑加M =L：表示执行算术运算表示执行算术运算M=H：表示执行逻辑运算表示执行逻辑运算18补充内容补充内容（1）逻辑加）逻辑加 或或 按位进行或操作按位进行或操作（2）逻辑乘）逻辑乘 与与 按位进行与操作按位进行与操作 例：例：A=（1010）2，B=（0110）2 A+B=（1110）2 A B=（0010）2 ALU的基本逻辑结构是超前进位加法器，它是通过改变加法器的Gi和Pi来获得多种运算能力的。下面通过介绍国际流行的美国SN74181型四位ALU中规模集成电路来介绍ALU的原理。下图是SN74181型ALU逻辑图及其在正逻辑下的功能表，在功能表中，“加”表示算术加，“+”表示逻辑加。它能执行16种算术运算和16种逻辑运算，M是状态控制端，当M=H，执行逻辑运算；M=L，执行算术运算，S0S3是运算选择控制端，它决定电路执行哪种算术运算或哪种逻辑运算。A3A0，B3B0是参加运算的两个数，Cn是ALU的最低位进位输入，F3F0是运算结果，注脚3表示最高位。四位ALU逻辑图及功能表 四位ALU逻辑图及功能表S3S2S1S0正正 逻逻 辑辑M=H逻辑逻辑运算运算M=L 算算术术运算运算Cn=1Cn=0LLLLAAA+1LLLHA+BA+B(A+B)加加1LLHLABA+B(A+B)加加1LLHH“0”减减1“0”LHLLABA加加(AB)A加加(AB)加加1LHLHB(AB)加加(A+B)(AB)加加(A+B)加加1LHHLABA减减B减减1A减减BLHHHAB(AB)减减1A(b)功能表功能表(正逻辑正逻辑)四位ALU逻辑图及功能表S3S2S1S0正正 逻逻 辑辑M=H逻辑逻辑运算运算M=L 算算术术运算运算 Cn=1Cn=0HLLLA+BA加加(AB)A加加(AB)加加1HLLHA BA加加BA加加B加加1HLHLB(AB)加加(A+B)(AB)加加(A+B)加加1HLHHAB(AB)减减1ABHHLL“1”A加加AA加加A加加1HHLHA+BA加加(A+B)A加加(A+B)加加1HHHLA+BA加加(A+B)A加加(A+B)加加1HHHHAA减减1A(b)功能表功能表(正逻辑正逻辑)续续用4片74181电路可组成16位ALU(图2.10)。图中片内进位是快速的，但片间进位是逐片传递的，因此形成F0F15的时间还是比较长。用4片ALU构成的16位ALU253、译码器、译码器 译码器有译码器有n个输入，个输入，2n个个(或小于或小于2n)输出，输出，每个输出对应于输入变量的一个最小项。每个输出对应于输入变量的一个最小项。用途：把输入代码译成相应的控制电位。用途：把输入代码译成相应的控制电位。常用的译码器有常用的译码器有2：4译码器和译码器和3：8译码器。译码器。二输入四输出译码器 两块三输入变量译码器扩展成四输入译码器 数据选择器数据选择器又称多路开关，是以“与或”门或“与或非”门为主的电路。它能在选择信号的作用下，从多个输入通道中选择某一个通道的数据作为输出。双四通道选一数据选择器30三、时序逻辑电路三、时序逻辑电路定义定义：具有记忆功能的逻辑电路：具有记忆功能的逻辑电路1、触发器触发器2、寄存器、寄存器3、计数器、计数器311、触发器触发器 能存储信息的记忆元件。触发器是构成时序电路能存储信息的记忆元件。触发器是构成时序电路的基础。的基础。按时钟控制方式分：按时钟控制方式分：电位触发、边沿触发器、主电位触发、边沿触发器、主-从触发器等。从触发器等。触发器的开关特性描述触发器特性的参数很多。其中既有描述传输延迟的参数，也有描述各输入波形宽度要求的参数，还有描述各输入波形之间时间配合要求的参数。如果在使用时不能满足参数的要求，那么，电路就不能正常地工作。CP到Q、传输延迟、数据建立时间、数据保持时间的定义表示342、寄存器、寄存器用途用途：临时存放数据、指令等信息。：临时存放数据、指令等信息。移位寄存器移位寄存器：有移位功能的寄存器。：有移位功能的寄存器。四D寄存器并行输入数据的四位移位寄存器373、计数器、计数器 按时钟作用方式来分，有同步计数器和异按时钟作用方式来分，有同步计数器和异步计数器。步计数器。同步计数器的电路实现简单。同步计数器的电路实现简单。运算器中用到运算器中用到预置数预置数计数器，用来控制运计数器，用来控制运算何时结束。算何时结束。38四、阵列逻辑电路四、阵列逻辑电路阵列：逻辑元件在硅芯片上以阵列形式排列。阵列：逻辑元件在硅芯片上以阵列形式排列。RAM：随机读随机读/写存储器写存储器ROM：只读存储器只读存储器