計(jì)算機(jī)組成原理課程概況

計(jì)算機(jī)組成原理余曉容Email：xryu@電話：為什么要學(xué)習(xí)這門(mén)課程課程框架學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)方法及考評(píng)辦法教材及參考資料預(yù)備知識(shí)數(shù)據(jù)的表示及碼制轉(zhuǎn)換邏輯函數(shù)2為什么要學(xué)習(xí)這門(mén)課程？計(jì)算機(jī)組成原理是研究計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本思想和基本方法的課程，是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)統(tǒng)設(shè)必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程；后續(xù)多門(mén)課程(系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)，編譯原理，高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫(kù))的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)考研專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課統(tǒng)考科目包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（45分）、計(jì)算機(jī)組成原理（45分）、操作系統(tǒng)（35分）和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（25分）。3課程框架計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論（1、2章）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（3、4、5章）中央處理器（CPU)控制單元（CU)4學(xué)習(xí)目標(biāo)理解單處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)和基本實(shí)現(xiàn)方法。能夠綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對(duì)有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算、分析，對(duì)一些基本部件進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì);并能對(duì)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析。5學(xué)習(xí)方法及考評(píng)辦法學(xué)習(xí)方法課前預(yù)習(xí)課堂認(rèn)真聽(tīng)講課后獨(dú)立完成作業(yè)考評(píng)辦法理論考核占70%平時(shí)作業(yè)和課堂練習(xí)占20%考勤10%6教材及參考資料教材《計(jì)算機(jī)組成原理》（第2版），唐朔飛著，高等教育出版社參考書(shū)目《計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)》，王誠(chéng)著清華大學(xué)出版社《計(jì)算機(jī)硬件及組成原理》，ArnoldS.Berger著，吳為民等譯，機(jī)械工業(yè)出版社《計(jì)算機(jī)組成原理》（第3版），白中英，科學(xué)出版社，20007數(shù)據(jù)的表示及碼制轉(zhuǎn)換一、數(shù)據(jù)的表示與編碼二、基二碼（二進(jìn)制碼）三、進(jìn)位記數(shù)法與進(jìn)制轉(zhuǎn)換8存儲(chǔ)方式用數(shù)字電路的兩個(gè)狀態(tài)表示由上一層的抽象計(jì)算機(jī)來(lái)識(shí)別不同的內(nèi)容計(jì)算機(jī)中要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)程序、整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符（串）、邏輯值需要編碼進(jìn)行表示編碼原則少量簡(jiǎn)單的基本符號(hào)一定的規(guī)則表示大量復(fù)雜的信息一、數(shù)據(jù)編碼與表示9二、基二碼（二進(jìn)制碼）只使用兩個(gè)基本符號(hào)：１ ０符號(hào)個(gè)數(shù)最少，物理上容易實(shí)現(xiàn)與二值邏輯的真假兩個(gè)值對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)單用二進(jìn)制碼表示數(shù)值數(shù)據(jù)運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單二進(jìn)制位可以表示任何對(duì)象邏輯型數(shù)據(jù)字符型數(shù)據(jù)的表示10字符26字母=>5位大/小寫(xiě)+其它符號(hào)=>7bits(in8)世界上其他語(yǔ)言=>16bits(unicode)無(wú)符號(hào)整數(shù)(0,1,…,2n-1)邏輯值0=>False,1=>True顏色位置/地址/指令但

n位只能代表2n個(gè)不同的對(duì)象1、二進(jìn)制位可以表示任何對(duì)象112、邏輯型數(shù)據(jù)邏輯型數(shù)據(jù)只有兩個(gè)值：真和

假；正好可以用二進(jìn)制碼的兩個(gè)符號(hào)分別表示，如：1

表示真，則0為

假不必使用另外的編碼規(guī)則。對(duì)邏輯型數(shù)據(jù)可執(zhí)行邏輯的與、或、非等基本邏輯運(yùn)算；XYX與YX或YX的非0000101011100101111012字符作為人—機(jī)聯(lián)系的媒介，是最重要的數(shù)據(jù)類(lèi)型之一；當(dāng)前的西文字符集由128

個(gè)符號(hào)組成，通常用8位二進(jìn)制編碼,即用一個(gè)字節(jié)來(lái)表示每一個(gè)符號(hào)，當(dāng)前通用的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)字符集是：ASCII碼：即AmericanStandardCodeforInformationInterchangeUNICODE:IS10646ASCII碼字符集具體編碼如下表所示：3、字符型數(shù)據(jù)的表示13ASCII字符編碼集

b6b5b4000001010011100101110111b3b2b1b00000NULDLESP0@P,p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2“2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB‘7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;K[k{1100FFFS,<L\l|1101CRGS-=M]m}1110SORS.>N^n~1111SIUS/?O_o14字符串的表示與存儲(chǔ)字符串是指連續(xù)的一串字符，它們占據(jù)主存中連續(xù)的多個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)存放一個(gè)字符，對(duì)一個(gè)主存字的多個(gè)字節(jié)，有按從低位到高位字節(jié)次序存放的，也有按從高位到低位字節(jié)次序存放的。例如：IFA>BTHENREAD(C)就可以有如下不同的存放方式：IFA>BTHENREAD(C)AFITB>NEHDAER)C(假定每個(gè)字由4個(gè)字節(jié)組成表示字符串?dāng)?shù)據(jù)要給出串存放的主存起始地址和串的長(zhǎng)度。15UNICODE編碼使用16位表示一個(gè)字符，可以表示65536個(gè)字符將整個(gè)編碼空間劃分為塊，每塊為16的整數(shù)倍，按塊進(jìn)行分配。保留6400個(gè)碼點(diǎn)供本地化使用。并無(wú)法覆蓋所有字符。16三、進(jìn)位記數(shù)法與進(jìn)制轉(zhuǎn)換1、進(jìn)位計(jì)數(shù)法2、十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制3、二到八或十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換練習(xí)4、二—十進(jìn)制編碼（BCD編碼）17N=i=-mdi*irN代表一個(gè)數(shù)值r是這個(gè)數(shù)制的基(Radix)i表示這些符號(hào)排列的位號(hào)di是位號(hào)為i的位上的一個(gè)符號(hào)ri是位號(hào)為i的位上的一個(gè)1代表的值irdi*是第i位的所代表的實(shí)際值

表示m+k+1位的值求累加和

k1、進(jìn)位計(jì)數(shù)法18整數(shù)部分除2取余小數(shù)部分乘2取整211222521011010.625*210.25*200.5*210.0除盡為止

求得位數(shù)滿足要求為止低高高低從二進(jìn)制數(shù)求其十進(jìn)制的值，逐位碼權(quán)累加求和2、十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制19二到八從小數(shù)點(diǎn)向左右三位一分組（10011100.01)2=(234.2)8010

二到十六從小數(shù)點(diǎn)向左右四位一分組（10011100.01)2=(9C.4)16

0100

說(shuō)明：整數(shù)部分不足位數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換無(wú)影響，小數(shù)部分不足位數(shù)要補(bǔ)零湊足，否則出錯(cuò)。3、二到八或十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換201、將十進(jìn)制123.6875轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù)部分：小數(shù)部分：0.10112、將1111000010.01101轉(zhuǎn)換成八、十六進(jìn)制八進(jìn)制：1702.32十六進(jìn)制：3C2.683、將八進(jìn)制247.63轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制10100111.1100114、將十六進(jìn)制F5B.48轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制111101011011.01001練習(xí)21用四位二進(jìn)制表示一位十進(jìn)制；16個(gè)編碼狀態(tài)選用其中的10個(gè)編碼有多種方案；例如：8421碼，余3碼，循環(huán)碼又可區(qū)分為：有權(quán)碼：每位上的1代表確定的值無(wú)權(quán)碼：無(wú)法確定每位上的

1

代表的值4、二—十進(jìn)制編碼（BCD編碼）2200000101112011030101401005101161010710018100091111如何判定碼權(quán)結(jié)論此編碼系統(tǒng)有權(quán)碼驗(yàn)證各碼的值從一編碼求碼權(quán)4+（-2）+（-1）4+（-2）4+（-1）8+（-2）+（-1）8+4+（-2）+（-1）4-28-12300011101002010130110401115100061001710108101191100如何判定碼權(quán)結(jié)論此編碼系統(tǒng)為無(wú)權(quán)碼從一編碼求碼權(quán)驗(yàn)證各碼的值1122+1=024邏輯函數(shù)一、基本概念二、基本邏輯運(yùn)算三、邏輯函數(shù)的基本定理四、邏輯函數(shù)的基本運(yùn)算規(guī)則25一、基本概念1、邏輯代數(shù)1847年GeorgeBoole提出描述客觀事務(wù)邏輯關(guān)系的布爾代數(shù)；1938年ClaudeE.Shannon將布爾代數(shù)用于設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電路；布爾代數(shù)已經(jīng)成為分析和設(shè)計(jì)數(shù)字邏輯電路的基礎(chǔ)和有力工具，又稱(chēng)為邏輯代數(shù)。2、邏輯函數(shù)利用“函數(shù)－變量（自變量、因變量）”關(guān)系描述邏輯代數(shù)之間的關(guān)系例：十字路口的車(chē)輛與交通指揮燈F=(R,Y,G)任意具有因果關(guān)系的邏輯變量F=(A1,A2,…An)26邏輯表達(dá)式用邏輯運(yùn)算符將關(guān)系表達(dá)式或邏輯量連接起來(lái)的式子真值表表征邏輯事件輸入和輸出之間全部可能狀態(tài)的表格邏輯圖主要用二進(jìn)制邏輯單元圖形符號(hào)所繪制的電路簡(jiǎn)圖卡諾圖邏輯函數(shù)的一種圖形表示，將邏輯函數(shù)的最小項(xiàng)表達(dá)式中的各最小項(xiàng)相應(yīng)地填入一個(gè)方格圖內(nèi)。3、邏輯函數(shù)的表達(dá)方式271、邏輯函數(shù)與真值表例：給定函數(shù)F=(A,B)，兩個(gè)自變量，共有四種取值組合：F(0,0)=0；F(0,1)=0；F(1,0)=1；F(1,1)=1；三個(gè)自變量，有八種取值組合邏輯代數(shù)邏輯值

0、1——代表兩種不同的狀態(tài)邏輯運(yùn)算

三種基本運(yùn)算（與、或、非）的組合運(yùn)算的表示

最基本的表示——真值表邏輯變量ABF000010101111二、基本邏輯運(yùn)算282、基本邏輯運(yùn)算——與運(yùn)算“·”當(dāng)一邏輯事件發(fā)生的所有條件全部具備后，該邏輯事件才發(fā)生，這種關(guān)系稱(chēng)為與邏輯ABF000010100111293、基本邏輯運(yùn)算——或運(yùn)算“+”

當(dāng)一邏輯事件發(fā)生的所有條件中只要有一個(gè)條件得到滿足，該邏輯事件就會(huì)發(fā)生，這種關(guān)系稱(chēng)為或邏輯ABF000011101111304、基本邏輯運(yùn)算——非運(yùn)算“ˉ”邏輯事件的發(fā)生以其相反的條件為依據(jù)，這種關(guān)系稱(chēng)為非邏輯AF=A011031邏輯代數(shù)的相等（定理的基本出發(fā)點(diǎn)）

F1=A+BF2=A·BF1(A1，A2，…，An)=F2(A1，A2，…，An)同一邏輯函數(shù)的兩個(gè)不同公式表達(dá)形式兩個(gè)邏輯函數(shù)的真值表必定相同邏輯代數(shù)的公理三個(gè)基本運(yùn)算的公式形式ABABF1F200111