计算机组成原理04计算机的逻辑部件02.ppt
1、晶体三极管与反相电路、晶体三极管与反相电路2、逻辑运算与数字逻辑电路、逻辑运算与数字逻辑电路3、通过逻辑功能设计逻辑电路、通过逻辑功能设计逻辑电路 3.1、实际问题、实际问题 - 真值表真值表 3.2、真值表、真值表 - 逻辑表达式逻辑表达式 3.3、逻辑表达式、逻辑表达式 - 化简得：最简表达式化简得：最简表达式 3.4、最简表达式、最简表达式 - 逻辑电路图逻辑电路图4、三态门电路、三态门电路Review: 计算机的逻辑部件预备知识计算机的逻辑部件预备知识 逻辑逻辑电路电路 逻辑表达式逻辑表达式 最简表达式最简表达式 真值表真值表 逻辑功能逻辑功能 化简化简输入信号与输出信号之间的关系。输入信号与输出信号之间的关系。电路为什么能实现逻辑功能呢？电路为什么能实现逻辑功能呢？系系统统总总线线存储器存储器 运算器运算器 控制器控制器 接口与通信接口与通信 输入输入/输出设备输出设备 计算机组成原理计算机组成原理 计算机的逻辑部件计算机的逻辑部件( 补充：数字电路补充：数字电路 ) 计算机的逻辑部件计算机的逻辑部件1、组合逻辑电路（没有记忆功能）、组合逻辑电路（没有记忆功能） 1.1、加法器、加法器 1.2、算术逻辑单元、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器、编码器、译码器 1.4、数据选择器、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）、时序逻辑电路（具有记忆功能） 2.1、触发器、触发器 2.2、寄存器、寄存器 2.3、计数器、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）、阵列逻辑电路（集成电路）电路怎么能算题呢？电路怎么能算题呢？组合逻辑电路组合逻辑电路的输出状态只取决于当前输入信号的状态，与过去输的输出状态只取决于当前输入信号的状态，与过去输入信号的状态无关，即入信号的状态无关，即电路没有记忆功能电路没有记忆功能。例如：例如：加法器、加法器、ALU、编码器、译码器、编码器、译码器、 数据选择器等电路。数据选择器等电路。 计算机的逻辑部件计算机的逻辑部件组合逻辑电路组合逻辑电路计算机中常用的逻辑部件包括两大类：计算机中常用的逻辑部件包括两大类：时序逻辑电路时序逻辑电路的输出状态不仅和当时输入信号的状态有关，还与的输出状态不仅和当时输入信号的状态有关，还与以前输入信号的状态有关，即以前输入信号的状态有关，即电路具有记忆功能电路具有记忆功能。最基本的记忆电路是最基本的记忆电路是触发器触发器。（电平触发器，边沿触发器等）。（电平触发器，边沿触发器等）由基本的触发器可以构成寄存器，计数器等部件。由基本的触发器可以构成寄存器，计数器等部件。时序逻辑电路时序逻辑电路从逻辑部件的从逻辑部件的集成度集成度和和功能情况功能情况区分，组合和时序电路又分为：区分，组合和时序电路又分为：低集成度电路：低集成度电路：晶体管数量比较少，只提供专用功能的器件；晶体管数量比较少，只提供专用功能的器件；高集成度电路：高集成度电路：晶体管数量比较多，功能更强、现场可编程。晶体管数量比较多，功能更强、现场可编程。重点重点 计算机的逻辑部件计算机的逻辑部件1、组合逻辑电路（没有记忆功能）、组合逻辑电路（没有记忆功能） 1.1、加法器、加法器 1.2、算术逻辑单元、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器、编码器、译码器 1.4、数据选择器、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）、时序逻辑电路（具有记忆功能） 2.1、触发器、触发器 2.2、寄存器、寄存器 2.3、计数器、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）、阵列逻辑电路（集成电路）组合逻辑电路组合逻辑电路: : 任一时刻的输出状态只取决于该时刻各输入状态的组任一时刻的输出状态只取决于该时刻各输入状态的组 合，而与过去的输入状态无关。合，而与过去的输入状态无关。它由基本它由基本门电路门电路组合而成，电路中组合而成，电路中没有记忆没有记忆单元，单元，没有反馈没有反馈电路。电路。每一个输出变量是全部每一个输出变量是全部或部分输入变量的函数：或部分输入变量的函数：L L1 1= f= f1 1（A A1 1、A A2 2、A Ai i）L L2 2= f= f2 2（A A1 1、A A2 2、A Ai i） L Lj j= f= fj j（A A1 1、A A2 2、A Ai i） 组合组合逻辑逻辑电路电路A1A2AiL1L2Lj 计算机的逻辑部件计算机的逻辑部件组合逻辑电路组合逻辑电路 计算机的逻辑部件计算机的逻辑部件1、组合逻辑电路（没有记忆功能）、组合逻辑电路（没有记忆功能） 1.1、加法器、加法器 1.2、算术逻辑单元、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器、编码器、译码器 1.4、数据选择器、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）、时序逻辑电路（具有记忆功能） 2.1、触发器、触发器 2.2、寄存器、寄存器 2.3、计数器、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）、阵列逻辑电路（集成电路）加法器加法器是计算机中是计算机中最常用、最基本的组合逻辑电路最常用、最基本的组合逻辑电路。功能：功能：主要完成两个主要完成两个补码数据补码数据的的相加相加运算。运算。 减法：减法：计算机中没有专门用于减法的减法器计算机中没有专门用于减法的减法器， 因为减法运算也是使用加法器电路实现。因为减法运算也是使用加法器电路实现。 例如：例如：A 减减 B 等于等于 A 加加 B 的的 反反 乘除法：乘除法：也可以通过多次的循环迭代，利用加法器完成。也可以通过多次的循环迭代，利用加法器完成。 或者使用专门的电路实现。或者使用专门的电路实现。1.1、加法器、加法器 12 7 5 12+ 3 15 128 40 88 128+ 60 188以以10为模为模以以100为模为模半加器半加器不考虑进位输入时，两个数不考虑进位输入时，两个数Xn，Yn相加称为半加。相加称为半加。1.1、加法器、加法器逻辑表达式：逻辑表达式：Hn=XnYn+XnYn = Xn Yn 半加器可用半加器可用反相门反相门及及与或非门与或非门来实现，也可用来实现，也可用异或门异或门来实现。来实现。 011010001+100100011 1两输入一输出两输入一输出半加器的功能表及逻辑图半加器的功能表及逻辑图1.1、加法器、加法器一位全加器：一位全加器：三个输入：三个输入：本位两个二进制数本位两个二进制数 Xn，Yn + 低一位送上的进位信号低一位送上的进位信号 C n-1；两个输出：两个输出：本位和本位和 Fn ，往高一位的进位信号，往高一位的进位信号 Cn。进位信号进位信号111 011010001+100100011 011.1、加法器、加法器Fn=XnYnCn-1+XnYnCn-1+XnYnCn-1+XnYnCn-1Cn=XnYnCn-1+XnYnCn-1+XnYnCn-1+XnYnCn-1Fn = Xn Yn Cn-1全加器的功能表及逻辑图全加器的功能表及逻辑图一位全加器一位全加器三输入两输出三输入两输出重点重点1.1、加法器、加法器将将n个个一位全加器一位全加器相连可得相连可得n位加法器，位加法器，完成对多位数的相加运算。完成对多位数的相加运算。各数据位之间的各数据位之间的进位信号是串行传送进位信号是串行传送的，被称为的，被称为串行进位串行进位。本位本位全加和全加和Fi 必须等必须等低位进位低位进位Ci-1 来到后才能进行；来到后才能进行；因此，当加法器的位数较多时，会使加法运算的速度大大降低。因此，当加法器的位数较多时，会使加法运算的速度大大降低。1.1、加法器、加法器超前进位加法器（超前进位加法器（当前计算机中使用的当前计算机中使用的）从加快进位信号的传送速度考虑，可以实现多位的从加快进位信号的传送速度考虑，可以实现多位的并行进位并行进位。即各位之间几乎同时产生送到高位的进位输出信号。即各位之间几乎同时产生送到高位的进位输出信号。采用采用“超前进位产生电路超前进位产生电路”来同时形成各位进位，从而实现快速加法。来同时形成各位进位，从而实现快速加法。只要同时输入只要同时输入X1X4,Y1Y4和和C0，几乎同时输出，几乎同时输出C14和和F1F4。 重点重点超前进位产生电路超前进位产生电路只要满足下述两条件中任一个，就可形成只要满足下述两条件中任一个，就可形成进位进位C1： 1）X1=1 Y1=1 2）（ X1=1 或或 Y1=1） 且且 C0=1 C1=X1Y1 + (X1+Y1)C0只要满足下述条件中任一个即可形成只要满足下述条件中任一个即可形成进位进位C2： 1） X2=1 Y2=1 2）（X2=1 或或 Y2=1） 且（且（ X1=1 Y1=1） 3）（X2=1 或或 Y2=1）且（）且（ X1=1 或或 Y1=1 ）C0=1。 C2=X2Y2+(X2+Y2)X1Y1+(X2+Y2)(X1+Y1)C0C3=X3Y3+(X3+Y3)X2Y2+(X3+Y3)(X2+Y2)X1Y1+(X3+Y3)(X2+Y2)(X1+Y1)C0C4=X4Y4+(X4+Y4)X3Y3+(X4+Y4)(X3+Y3)X2Y2+(X4+Y4)(X3+Y3)(X2+Y2)X1Y1 +(X4+Y4)(X3+Y3)(X2+Y2)(X1+Y1)C01.1、加法器、加法器 假设假设 Pi=Xi+Yi Gi=XiYi 代入代入C1C4 公式公式，便可得：，便可得：C1=G1+P1C0C2=G2+P2G1+P2P1C0C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C01.1、加法器、加法器超前进位产生电路超前进位产生电路Pi=Xi+YiGi=XiYi1.1、加法器、加法器超前进位产生电路超前进位产生电路Pi=Xi+YiGi=XiYi1、组合逻辑电路（没有记忆功能）、组合逻辑电路（没有记忆功能） 1.1、加法器、加法器 1.2、算术逻辑单元、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器、编码器、译码器 1.4、数据选择器、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）、时序逻辑电路（具有记忆功能） 2.1、触发器、触发器 2.2、寄存器、寄存器 2.3、计数器、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）、阵列逻辑电路（集成电路） 计算机的逻辑部件计算机的逻辑部件计算机不仅要完成对数值数据的计算机不仅要完成对数值数据的算术运算功能算术运算功能（加、减、乘、除），（加、减、乘、除），还要完成对逻辑数据的还要完成对逻辑数据的逻辑运算功能逻辑运算功能（与、或、非运算等）。（与、或、非运算等）。我们把实现我们把实现算术运算功能算术运算功能和和逻辑运算功能逻辑运算功能的的电路合并电路合并到一起，到一起，用用同一套电路同一套电路实现，就是实现，就是算术逻辑单元（算术逻辑单元（简称简称ALU）算术逻辑单元算术逻辑单元是一种功能较强的组合逻辑电路；是一种功能较强的组合逻辑电路； 用与、或、非等门电路实现。用与、或、非等门电路实现。算术逻辑单元算术逻辑单元的基本逻辑结构：的基本逻辑结构：超前进位加法器超前进位加法器。 （通过改变加法器的（通过改变加法器的Gi和和Pi来获得多种运算能力。）来获得多种运算能力。）多位多位ALU不仅产生算术逻辑运算的结果，还给出结果的特征情况。不仅产生算术逻辑运算的结果，还给出结果的特征情况。例如：例如：算术运算是否产生了向更高位的算术运算是否产生了向更高位的进位进位，结果是否为，结果是否为零零， 结果的符号为结果的符号为正正还是为还是为负负，是否，是否溢出溢出等。等。 逻辑运算通常只检查结果是否为零，不存在进位和溢出等问题。逻辑运算通常只检查结果是否为零，不存在进位和溢出等问题。1.2、算术逻辑单元、算术逻辑单元重点重点四位四位ALU中规模集成电路逻辑图中规模集成电路逻辑图M是状态控制端，是状态控制端，M=1,执行逻辑运算执行逻辑运算M=0,执行算术运算执行算术运算F3F0是运算结果是运算结果S0S3是运算选择控制端，是运算选择控制端，决定电路执行哪种算术运算决定电路执行哪种算术运算或哪种逻辑运算。或哪种逻辑运算。Cn是是ALU的最低
