计算机组成与结构PLA,计算机组成与结构(第二章)ppt课件

r囧r小猫 2023-01-23 15:52 172阅读 0赞

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1、计算机组成原理,For Students of Computer Science 2. X1,Y1任意为1且C0为1,即:,形成C2的条件:,1.X2,Y2均为1; 2. X2,Y2任意为1且X1,Y1均为1 3. X2,Y2任意为1同时X1,Y1任意为1且C0为1,即:,C2=X2Y2+(X2+Y2) X1Y1+ (X2+Y2) ( X1+Y1)C0,(2.14),C4=X4Y4+(X4+Y4) X3Y3+ . ( X1+Y1)C0,C3=X3Y3+(X3+Y3) X2Y3+ . ( X1+Y1)C0,定义: Pi=Xi+Yi 称为进位传递函数 Gi=XiYi 称为进位产生函数,下面引入进位。

2、传递函数Pi, (pass) 进位产生函数Gi的概念 (generate),Gi的意义是：当 XiYi 均为“1”时定会产生向高位的 进位. Pi的意义是：当Xi和Yi中有一个为“1”时，若同时低位有进位输入，则本位也将向高位传送进位.,(2.18),(2.19),(2.16),(2.17),将Pi ,Gi代入Ci得到：,C1=G1+P1C0 C2=G2+P2C1= G2+P2(G1+P1C0)= G2+P2G1+P2P1C0 C3=G3+P3 G2+ P3 P2G1+ P3 P2P1C0 C4=G4+P4 G3+ P4 P3 G2+ P4 P3 P2G1+ P4 P3 P2P1C0,(2.2。

3、0),当全加器的输入均取反码时，它的输出也均取反码。(应用反演律采用与非、或非、与或非表示)将上式改写成如下： C1=P1+G1C0 C2=P2+G2P1+G2G1C0 C3=P3+G3 G2+ G3G2P1+G3G2G1C0 C4=P4+G4P3+G4G3P2+G4G3G2P1+ G4G3G2G1C0 由Pi、Gi定义，也可把半加和改写成以下形式：Hi=PiGi(2.28),(2.24),(2.25),图2.14 四位超前进位加法器,第2章 计算机的逻辑部件(加法器) 思考题,1.设有n位数据相加，采用串行进位方法，设低位向高位的进位延迟时间为t1，1个全加器完成加法的时间为t2，那么一次加。

4、法运算需要的时间为。((n-1)t1+t2) 2.某计算机字长64位，加法器每4位构成1个小组，每4个小组构成1个大组，全加器进位延迟时间为20ns，求和延迟时间为30ns，小组内并行进位的延迟时间，大组内和大组间的并行进位的延迟时间均为20ns，请回答完成一次加法运算的时间： (1)采用串行进位 (2)小组内采用并行进位，小组间串行进位 (3)采用两级分组，小组内并行进位，大组内也并行进位，大组间串行进位 (4)采用两级分组，小组内、大组内和大组间均采用并行进位,30,20,Y0,X0,F0,C1,C0,第0位,Y1,X1,F1,C2,第1位,Y2,X2,F2,C3,第2位,Y3,X3,F3。

5、,C4,第3位,1. 假设全加器进位延迟时间为20ns,求和延迟时间为30ns.,40,60,80,0,30,30,30,求和延迟30ns,进位延迟20ns,第0位,第1位,第2位,第3位,20\*3+30,第2章 计算机的逻辑部件(加法器) 思考题,第2题,2.当被加数为全1，加数最低位为1(其余位均为0)时加法时间最长，今计算完成一次加法的最长时间(最后一次进位和加法同时进行) (1)=63位串行进位时间+加法时间=63\*20+30=1290ns (2)小组内采用并行进位，小组间串行进位 =小组串行进位+加法时间=15\*20+30=330ns (3)采用两级分组，小组内并行进位，大组内也并行。

6、进位，大组间串行进位 =小组形成PG时间+大组间串行进位+加法时间 =20+4\*20+30=130ns (4)采用两级分组，小组内、大组内和大组间均采用并行进位 = 产生PG时间+大组间进位+第4大组进位延迟时间+加法时间 = 20+20+20+30=90ns,2.1.4 算术逻辑单元(简称ALU)ALU是一种功能较强的组合逻辑电路。它能进行多种算术运算和逻辑运算。ALU的基本逻辑结构是超前进位加法器，它通过改变加法器的进位产生函数G和进位传递函数P来获得多种运算能力。下面通过介绍SN74181型四位ALU中规模集成电路了介绍ALU的原理。在图2.15中功能表中，“加”表示算术加，“+”表示逻。

7、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，M=H,执行逻辑运算；M=L执行算术运算。S0 S3是运算选择端，它决定电路执行哪种算术运算或逻辑运算。,S0 S1 S2 S3 L L L L L L L H L L H L L L H H L H L L L H L H L H H L L H H H H L L L H L L H H L H L H L H H H H L L H H L H H H H L H H H H,A A+B AB “0” AB B AB AB A+B AB B AB “1” A+B A+B A,A A+B A+B 减1 A加(AB) (AB)加(。

8、A+B) A减B减1 (AB)减1 A加(AB) A加B (AB)加(A+B) (AB)减1 A加A A加(A+B) A加(A+B) A减1,A+1 (A+B)加1 (A+B)加1 “0” A加(AB)加1 (AB)加(A+B)加1 A减B AB A加(AB)加1 A加B加1 (AB)加(A+B)加1 (AB) A加A加1 A加(A+B)加1 A加(A+B)加1 A,正 逻 辑,M=H 逻辑运算,M=L算术运算,Cn=1 Cn=0,图2.15 四位ALU功能表,图2.15 四位ALU逻辑图,第2章 计算机的逻辑部件(ALU) SN74181,以S3S2S1S0=HLLH时为例，当M=L： 门1。

9、4输出为：AiBi,门58输出为：Ai+Bi. 根据进位和传递函数的定义，门14，门58即Ai、 Bi为输入的Pi、Gi. 异或门21，23，25，27为半加和。 门13、14、15、16、19为超前进位的Cn,C0,C1,C2,C3。 F30是以(A3、A2、A1、A0)、(B3、B2、B1、B0)及Cn全加和的反码。 当Cn=1时，F=A加B 当Cn=0时，F=A加B加1 当M=H：Fi=AiBi= AiBi,用四片74181电路可组成16位ALU。如下图片内进位是快速的，但片间进位是逐片传递的，因此总的形成时间还是是比较长的。,如果把16位ALU中的每四位作为一组，用类似位间快速进位的方。

10、法来实现16位ALU(四片ALU组成)，那么就能得到16位快速ALU。推导过程: 图 2.10,和前面讲过的一位的进位产生函数Gi的定义相似，四位一组的进位产生函数GN为“1”的条件有以下四个中的任一个： (1) X3，Y3均为“1”，即G3=1； (2) X3，Y3中有一个为“1”，同时X2，Y2均为“1”，即P3G2=1； (3) X3，Y3中有一个为“1”，同时X2，Y2中有一个为“1”，同时X1，Y1均为“1”，即P3P2G1=1； (4) X3，Y3中有一个为“1”，同时X2，Y2中有一个为“1”，同时X1，Y1中有一个为“1”，同时X0，Y0均为“1”，即P3P2P1G0=1。依此。

11、，可得GN的表达式为： GN=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0 (2.29),四位一组的组进位传递函数PN为“1”的条件为：X3，Y3中有一个为“1”，同时X2，Y2中有一个为“1”，同时X1，Y1中有一个为“1”，同时X0，Y0中有一个为“1”。依此，可得PN的表达式为 PN=P3P2P1P0(2.30) 把图2.10所示的第0片ALU向第片、第片向第片、第片向第片传送的进位分别命名为Cn+X、Cn+Y、Cn+Z,只要把式(2.20)、(2.21)、(2.22)中的G1，G2，G3分别换以GN0，GN1，G2，把P1，P2，P3分别换以PN0，PN1，P2，把C0换以Cn，即可。

12、得Cn+X，Cn+Y、Cn+Z的表达式如下：,图2.17 与74181型ALU连用的超前进位产生电路,图2.18 16位快速ALU,第2章 计算机的逻辑部件(2.1.4 算术逻辑单元),译码：把某组编码翻译为唯一的输出，实际应用中要用到的有地址译码器和指令译码器。 译码器：有24译码器、38译码器(8选1译码器) 和416译码器(即16选1译码器)等多种。 书中介绍的是24译码器的组成及应用,例如：38译码器，即8选1译码器的输入信号有三个：C、B、A(A为低位)，三位二进制数可组成8个不同数字，因此可分别选中输出Y0 到Y7的某一个输出故称为 8选1译码器。在资料手册中的型号为74138。,。

13、第2章 计算机的逻辑部件(2.1.5 译码器),下图分别为译码器引脚图和输入输出真值表 其中：G1、G2A、G2B为芯片选择端，G1高电 平有效，而G2A、G2B为低电平有效。,74LS138,第2章 计算机的逻辑部件(译码器),第2章 计算机的逻辑部件(ALU) SN74181,逻辑功能是在地址选择信号的控制下，从多路数据中选择一种作为输出信号。又称多路开关或多路选择器。以四选一选择器为例：,F,地址A1A0 输出F 0 0 D0 0 1 D1 1 0 D2 1 1 D3,第2章 计算机的逻辑部件(2.1.6 数据选择器),S1 S0,Di,E,Y,1,0,1,0,0 1,0 0,0,0,0。

14、,0,D3,D2,D1,D0,D0,D1,D2,D3,第2章 计算机的逻辑部件(2.2 时序逻辑电路),触发器,电位触发方式触发器：由0或1电平直接触发 边沿触发方式触发器：有正跳变(上升沿)触发或负跳变下降沿)触发 主-从触发方式触发器：主从分级触发，主要用于组成计数器,寄存器和移位寄存器,计数器,第2章 计算机的逻辑部件(2.2 时序逻辑电路),寄存器和移位寄存器,计数器,寄存器是计算机的一个重要部件，用于暂存数据、指令等。它由触发器和一些控制门组成。在寄存器中，常用的是正边沿触发D触发器和锁存器。,计数器是计算机、数字仪表中常用的一种电路。计数器按时钟作用方式来分，有同步计数器和异步计数。

15、器两大类。 计数器按计数顺序来分，有二进制、十进制两大类,阵列逻辑电路近年来得到了迅速的发展。“阵列”是指逻辑元件在硅芯片上以阵列形式排列，这种电路具有设计方便、芯片面积小、产品成品率高、用户自编程、减少系统的硬件规模等优点,第2章 计算机的逻辑部件(2.3 阵列逻辑电路),常见的阵列逻辑电路有： 读写存储器(random access memory，简称RAM) 只读存储器(read only memory，简称ROM) 可编程序逻辑阵列(programmable logic array，简称PLA) 可编程序阵列逻辑(programmable array logic，简称PAL) 通用阵列。

16、逻辑(general array logic，简称GAL) 门阵列(gate array，简称GA) 宏单元阵列(macrocell array，简称MA) 可编程门阵列(programmable gate array，简称PGA),一般把除读写存储器的阵列逻辑电路统称为可编程序逻辑器件(programmable logic devices，简称PLD)。在本节中将介绍ROM，PAL，PLA，GAL，GA，MA和PGA等器件。,ROM 的结构,只读存储器(read only memory，简称ROM)也是一类重要的阵列逻辑电路。在计算机中，常常要存储固定的信息(如监控程序、函数、常数等)。RO。

17、M主要由全译码的地址译码器和存储单元体组成，前者是一种“与”阵列(组成全部地址的最小项 )，后者则是“或”阵列，它们都以阵列形式排列。存储体中写入的信息是由用户事先决定的，因此是“用户可编程”的，而地址译码器则是“用户不可编程”的。,ROM的类型 1)EPROM：熔丝型；一次熔断，不能更改。 (2)EEPROM(E2PROM)：紫外线擦除或电擦除型，可反复修改。 MROM：掩模型，制造厂商制造时同时做好。,第2章 计算机的逻辑部件(2.3.1 只读存储器ROM),1011,保留熔丝:0 熔断：1,A0A1A2,0 0 0 0,A0A1A2,第2章 计算机的逻辑部件(2.3.2可编程序逻辑阵列 。

18、PLA ),可编程序逻辑阵列(programmable logic array，简称PLA)是ROM的变种，也可以说是一种新型的ROM。它和ROM不同之处是PLA的与阵列、或阵列都是用户可编程的。PLA在组成控制器、存储固定函数以及实现随机逻辑中有广泛的应用。,下面通过把一张信息表(表2.1)存入PLA的过程来说明它的原理。,将Fi中每个不同的乘积项都用Pi表示,1.信息表,2.写出Fi的与或式,第2章 计算机的逻辑部件(2.3.2可编程序逻辑阵列 PLA ),3.P0P7=？,思考题： Pi相当于ROM阵列中的哪种逻辑？ Fi相当于ROM阵列中的哪种逻辑？,4.将信息存入PLA阵列中 将Pi。

19、存入PLA的与阵列中(二极管组成的与阵列) 将Fi存入PLA的或阵列中(三极管组成的或阵列),问题1： 当I0=1时、F0=？ 当I0=0时、F0=？,问题2：当I3I2I1I0=1011时，F0F7=？,问题3：相对于ROM来说，PLA具有哪些特点？,5.PLA器件的电路图,问题： (1)输入、输出和P项分别是多少个？ (2)存储阵列是多大？ (3)异或门的输入端通过熔丝接地具有哪些作用？,例1：若 ，如何利用图2.35所示的PLA器件生成逻辑函数F？(其中Pi是关于I0I15逻辑与运算),解：选用两片PLA的F0生成逻辑函数F：,将第一片的F0异或门输出端熔丝烧断,将第二片的F0异或门输出。

20、端熔丝烧断,将第一、二片的F0做“线与”并记为F,画逻辑图,例2：利用PLA电路实现具有二-十进制(BCD码)输出及循环码输出的十进制计数器。,1)利用四个正沿D触发器作为计数元件，DA=？DB=？DC=？DD=？,同理有：,2)DA、DB、DC、DD表达式中不同的因子用Pi表示,3)循环码K、L、M、N、P=？,4)将Pi项存入PLA与逻辑中；将DADD、W、X、Y、Z、K、L、M、N、P存入PLA或逻辑：,问题：当QDQCQBQA=0101, 下一个时钟的上升沿到来后，WXYZ=？KLMNP=？,0110,11110,第2章 计算机的逻辑部件(2.3.3可编程序阵列逻辑PAL ),可编程序。

21、阵列逻辑(programmable array logic，简称PAL)也是ROM的变种，它和ROM不同处是PAL的与阵列是用户可编程的，而或阵列是用户不可编程的。PAL在计算机中也有广泛的应用。,第2章 计算机的逻辑部件(2.3.4通用阵列逻辑GAL ),通用阵列逻辑(general array logic，简称GAL)是一种比PAL功能更强的阵列逻辑电路。在它的输出有一个逻辑宏单元，通过对它的编程，可以获得多种输出形式，从而使功能大大增强。,第2章 计算机的逻辑部件 2.3.5 门阵列(GA)、宏单元阵列(MA)、标准单元阵列(SCA),门阵列(gate array，简称GA)是一种逻辑功。

22、能很强的阵列逻辑电路。在芯片上制作了排成阵列形式的门电路，根据用户需要对门阵列中的门电路进行互连设计，再通过集成电路制作工艺来实现互连，以实现所需的逻辑功能。 宏单元阵列(macrocell array，简称MA)是一种比GA功能更强、集成度更高的阵列电路，在芯片上排列成阵列的除门电路外还有触发器、加法器、寄存器以及ALU等。 标准单元阵列又称为多元胞阵列(p01ycellarray)，它以预先设计好的功能单元(称为标准单元或多元胞)为基础，这些单元可以是门、触发器或有一定功能的功能块(如加法器)。在标准单元阵列中，所有单元都是根据用户逻辑图的需要安排在芯片上，没有浪费，所以不是半用户器件，而。

23、是用户器件。,第2章 计算机的逻辑部件(2.3.6 可编程门阵列PGA ),可编程门阵列(programmable gate array，简称PGA)是一种集编程设计灵活和宏单元阵列于一体的高密度电路。它与GA，MA的一个区别在于，PGA内部按阵列分布的宏单元块都是用户可编程的。即用户所需逻辑可在软件支持下，由用户自己装入来实现的，而无需集成电路制造工厂介入，并且这种装入是可以修改的，因而其连接十分灵活。 它主要由四个部分组成： (1)可编程序逻辑宏单元(CLB)。(2)可编程序输入输出宏单元(10B)。(3)互连资源。(4)重构逻辑的程序存储器。,第2章 计算机的逻辑部件(习题),1.串行加。

24、法器和并行(超前进位)加法器有何不同？影响加法运算速度的关键因素是什么？ 2.在超前进位加法器中，进位传递函数Pi和进位产生函数Gi表示什么意义？,第2章 计算机的逻辑部件(习题),3.采用4位二进制加法器和必要的门电路，设计2位十进制加法器电路，其输入为十进制余3码，要求结果(和)为8421码形式。4位二进制加法器逻辑框图如图所示。,C入,C出,A3 A2 A1 A0,B3 B2 B1 B0,F3 F2 F1 F0,第2章 计算机的逻辑部件(习题),KEY TO Question Three: 两位1位余3码数据相加，如果产生进位，本位的和即为8421码形式的十进制数；如果不产生进位，则要减。

25、去6才是8421码的十进制数，-6的补码为1010。,A3 A2 A1 A0,B3 B2 B1 B0,A7 A6 A5 A4,B7 B6 B5 B4,F3 F2 F1 F0,F3 F2 F1 F0,图 两位十进制加法器,4.(P66 习题2.4)设计用若干个全加器和若干个与门、或门实现的8421码十进制加法器单元电路。,用8421BCD码相加时，也是位对位相加。但是由于8421BCD在加法运算中，1位十进制数由4位二进制码组成，每1位二进制码运算时是“逢二进一”，4位将是“逢十六进一”，而十进制数相加是“逢十进一”，这样就造成了十进制数运算和8421BCD码运算时，进位差6。也就是说，当十进制。

26、数需发生进位时，8421BCD码的4位二进制数还差6才能是第4位发生进位。反之，如果BCD码产生了进位，而本位结果比十进制数也差6。因此，要在运算结果中加6修正。 这样，构成两个1位BCD码相加时，必须由三部分组成：一部分进行加数和被加数相加；第二部分判别是否加以修正，即产生修正控制信号；第三部分完成加6(0110)修正。第一部分和第三部分均由4位全加器实现。第二部分判别信号的产生，应在4位8421BCD相加有进位信号CO产生时，或者和数在1015的情况下产生修正控制信号F，所以F应为,4.(P66 习题2.4)设计用若干个全加器和若干个与门、或门实现的8421码十进制加法器单元电路。,根据上述分析及F信号的函数表达式，可得到两个1位8421BCD码相加的电路，如图所示。