03 第2章第2讲 计算机发展简史 运算器功能及数据表示.ppt

第1页：第一单元第二讲计算机发展简史运算器功能

第一单元第二讲计算机发展简史运算器功能

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现运算器的功能、组成、控制信号与操作使用方式。

• 运算器

第2页：内容提要：计算机发展简史、运算器基本功能

• 计算机发展简史
• 运算器基本功能
• 数据表示
  • 数值
• 整数
• 定点小数
• 浮点数
  • 字符
  • 逻辑值

第3页：计算机发展简史

Computer Generations

• Gen-0: Mechanical computers (BC to early 1940s)
• Gen-1:Vacuum Tubes (1943-1959)
• Gen-2:Transistors (1960-1968)
  • John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley
• Gen-3:Integrated Circuits (1969-1977)
  • Jack Kilby (1958)
• Gen-4:VLSI (1978-present)
• Gen-5: Optical?Quantum?生物？

第4页：古代及近代计算技术公元前500年

古代及近代计算技术公元前500年

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现计算机代际演进中的标志性机器与结构变革。

第5页：机1937年

Turing机1937年，Alan Turing提出一种“通用”计算机的概念，它可以执行任何一个描述好的程序（算法），实现需要的功能，形成了“可计算性”概念的基础。存储程序的思想，使计算机从专用走向通用。

正是这一创新，开创了计算机的新时代。

第6页：控制器功能与组成

Turing机特点

• 通用计算机：并不是保存所有问题的结果。
• 存储程序计算机：问题的求解由程序或过程给出，程序和过程可以通过语言描述。
• 有限速度：计算机执行程序的时间是有限的。
• 是现代计算机的鼻祖。

第7页：现代计算机的里程碑

现代计算机的里程碑

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现计算机代际演进中的标志性机器与结构变革。

第8页：第一台通用电子计算机

第一台通用电子计算机

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现计算机代际演进中的标志性机器与结构变革。

第9页：机IAS现代计算机结构的鼻祖

Von Neumann机IAS现代计算机结构的鼻祖：五大功能部件将程序和数据统一表示：存储器有4096个字，每个字40位。采用二进制数据：简化了存储器只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住小数点的位置。

第10页：第一台小型计算机

第一台小型计算机：PDP-1

• 1957年由DEC公司生产
• 第二代计算机（晶体管）
• 18位字长，4K内存，机器周期为5微秒
• 售价120000美元。售出50台。
• 开创了计算机产业！

第11页：第一个系列计算机

第一个系列计算机：IBM 360

• 第三代计算机
• 计算机应用：科学计算和商务处理
• 如何在不同的硬件平台上运行相同的软件？
• 系列计算机：IBM 360
• 计算机系统结构：程序员眼中的计算机。具有相同系统结构的计算机可以运行相同的程序。
• 微程序控制器

第12页：

第13页：计算机精简指令系统计算机指令系统尽量简单

计算机精简指令系统计算机指令系统尽量简单

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现操作码与操作数地址的划分方案及指令系统设计要求。

第14页：下一代计算机

下一代计算机

• ？？？？？？？？

第15页：运算器基本功能

运算器基本功能

• 完成算术、逻辑运算
  • +、—、、、、、
• 。
• 取得操作数
  • 寄存器组、立即数
• 输出、存放运算结果
  • 寄存器组、数据总线
• 暂存运算的中间结果
  • Q寄存器、移位寄存器

第16页：运算器基本功能

运算器基本功能

• 获得运算结果的状态
  • C、Z、V、S
• 理解、响应控制信号

第17页：输入输出系统

输入输出系统

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现输入输出系统的作用、功能、组成与需要解决的主要问题。

第18页：功能和设计

ALU功能和设计

• 功能
  • 对操作数A、B完成算术逻辑运算
  • ADD、AND、OR
• 设计
  • 算术运算
• 加法器
  • 逻辑运算
• 与门、或门323232operationresultabALU

第19页：计算机发展简史与数据表示

One-Bit Logical Instructions

• Map directly onto hardware components
  • AND instruction
• One of data lines should be a simple AND gate
  • OR instruction
• Another data line should be a simple OR gateABC01Op(control)DefinitionA or B1A and B0COp

第20页：计算机发展简史与数据表示

One-Bit Full Adder

• Each bit of addition has
  • Three input bits: Ai, Bi, CarryIni
  • Two output bits: Sumi, CarryOuti( CarryIni+1= CarryOuti)CarryIn. . .(0)(1)(0)(0)(0). . . 00 1 0 1. . . 00 1 1 0. . . 0(0)1(1)0(0)1(0)1+InputsOutputsA:B:Sum:CarryOut

第21页：计算机发展简史与数据表示

计算机发展简史与数据表示

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现计算机代际演进、运算器功能与数据的编码表示。

第22页：计算机发展简史与数据表示

Full Adder Circuit (1/2)

• Construct the gates for Sum
• Implement the gates for CarryOut
• Connect all inputs with the same name

第23页：计算机发展简史与数据表示

计算机发展简史与数据表示

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现计算机代际演进、运算器功能与数据的编码表示。

第24页：计算机发展简史与数据表示

计算机发展简史与数据表示

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现计算机代际演进、运算器功能与数据的编码表示。

• ALU

第25页：数据编码与表示

数据编码与表示

• 计算机中要存储的数据
  • 程序、整数、浮点数、字符（串）、逻辑值
  • 需要编码进行表示
• 存储方式
  • 用数字电路的两个状态表示
  • 由上一层的抽象计算机来识别不同的内容
• 编码原则
  • 少量简单的基本符号
  • 一定的规则
  • 表示大量复杂的信息

第26页：计算机发展简史与数据表示

计算机发展简史与数据表示

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现计算机代际演进、运算器功能与数据的编码表示。

第27页：数据表示二进制位可以表示任何对象

数据表示二进制位可以表示任何对象:

• 字符
  • 26字母=> 5位
  • 大/小写+其它符号=> 7bits (in 8)
  • 世界上其他语言=> 16bits (unicode)
• 无符号整数(0, 1, …, 2n-1)
• 逻辑值
  • 0->False, 1 => True
• 颜色
• 位置/地址/指令
• 但n位只能代表2n个不同的对象

第28页：逻辑型数据

逻辑型数据逻辑型数据只有两个值：真和假，正好可以用二进制码的两个符号分别表示，例如1表示真则0表示假不必使用另外的编码规则。对逻辑型数据可以执行逻辑的与或非等基本逻辑运算。

其规则如下：。

第29页：逻辑型数据基本运算规则

逻辑型数据基本运算规则

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现进位记数法、进制转换与定点数的编码格式。

第30页：字符型数据的表示字符作为人

字符型数据的表示字符作为人

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现西文字符、汉字与字符串的编码表示及存储方式。

第31页：字符编码集

字符编码集

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现西文字符、汉字与字符串的编码表示及存储方式。

• SP

第32页：字符串的表示与存储字符串

字符串的表示与存储字符串是指连续的一串字符，它们占据主存中连续的多个字节，每个字节存放一个字符，对一个主存字的多个字节，有按从低位到高位字节次序存放的，也有按从高位到低位字节次序存放的。表示字符串数据要给出串存放的主存起始地址和串的长度。

例如：IFA>B THEN READ(C)就可以有如下不同的存放方式：I F A A F I> B T T B >假定每个字H E N N E H由4个字节R E A D D A E R组成( C ) ) C (。

第33页：字符与字符串表示

UNICODE编码

• 使用16位表示一个字符，可以表示65536个字符
• 将整个编码空间划分为块，每块为16的整数倍，按块进行分配。
• 保留6400个码点供本地化使用。
• 并无法覆盖所有字符。

第34页：进位记数法

进位记数法

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现进位记数法、进制转换与定点数的编码格式。

第35页：进制转二进制整数部分除

进制转二进制整数部分除

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现进位记数法、进制转换与定点数的编码格式。

第36页：数值数据表示

数值数据表示

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现进位记数法、进制转换与定点数的编码格式。

第37页：数值数据表示

数值数据表示

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现进位记数法、进制转换与定点数的编码格式。

第38页：有权码无权码

有权码无权码

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现进位记数法、进制转换与定点数的编码格式。

第39页：如何判定码权0000010111 4 +

如何判定码权0000010111 4 +

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现进位记数法、进制转换与定点数的编码格式。

第40页：如何判定码权

如何判定码权

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现进位记数法、进制转换与定点数的编码格式。

第41页：数值数据在计算机内的格式定点小数

数值数据在计算机内的格式定点小数

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现浮点数的规格化表示、IEEE 754标准与加减乘除运算步骤。

第42页：数值数据在计算机内的格式定点小数

数值数据在计算机内的格式定点小数

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现浮点数的规格化表示、IEEE 754标准与加减乘除运算步骤。

第43页：数值数据在计算机内的格式定点小数

数值数据在计算机内的格式定点小数

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现浮点数的规格化表示、IEEE 754标准与加减乘除运算步骤。

第44页：定点小数表示

定点小数表示: Ns N1N2… Nn[ X ] =[ X ] =[ X ]

• 0反X(2-2)+ X-n0
• X <1-1 < X
• 0补X2 + XMod ( 2-2 )0
• X < 1-1
• X
• 0Mod 20
• X < 1-n（纯小数）原码，反码，补码的定义

第45页：定点小数表示

定点小数表示: Ns N1N2… Nn原码定义：[ X ]原=

• 实例：X1 = 0.10110-0.10110 0.0000[ X ]原=010110 110110 0000010000
• 结论：原码为符号位加数的绝对值，0正1负
• 原码零有两个编码，+0和-0编码不同
• 原码难以用于加减运算，但乘除方便X1-X-1 < X
• 00
• X < 1

第46页：定点小数表示

定点小数表示: Ns N1N2… Nn反码定义：[ X ]反=

• 实例：X1 = 0.10110-0.10110 0.0000[ X ]反= 010110 101001 0000011111
• 结论：反码为符号位跟数每一位的反，0正1负
• 反码零有二个编码，分+0和-0
• 反码难以用于加减运算，有循环进位问题X(2-2-n)+ X-1 < X
• 0 MOD(2-2-n)0
• X < 1

第47页：定点小数表示

定点小数表示: Ns N1N2… Nn模2补码定义：[ X ]补=

• 实例：X = 0.10110-0.10110 0.0000[ X ]补= 010110 101010 00000结论：补码最高一位是符号位，0正1负
• 补码表示为2*符号位+数的真值
• 补码零只有一个编码，故能表示-1
• 补码能很好地用于加减（乘除）运算X2 + X-1
• X
• 0MOD20
• X < 1

第48页：整数的编码表示整数

整数的编码表示整数

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现定点小数与整数的原码、反码、补码表示及加减运算实现。

第49页：原码反码补码表示

原码反码补码表示

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现定点小数与整数的原码、反码、补码表示及加减运算实现。

第50页：原码反码补码表示

原码反码补码表示

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现定点小数与整数的原码、反码、补码表示及加减运算实现。

第51页：补码加减法运算实例

补码加减法运算实例

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现定点小数与整数的原码、反码、补码表示及加减运算实现。

第52页：小结：计算机组成原理、计算机的层次结构

• 计算机组成原理
  • 单台计算机完整的硬件系统的基本原理与内部运行机制
• 计算机的层次结构
  • 理解计算机系统和结构的钥匙
• 计算机的发展历史
  • 以史为鉴，可知兴替，可明得失。

第53页：原反补码表示小结

原反补码表示小结

• 正数的原码，反码，补码表示均相同，–符号位为0，数值位同数的真值。
• 零的原码和反码均有2个编码，补码只一个码
• 负数的原码，反码，补码表示均不同，–符号位为1，数值位：原码为数的绝对值；–反码为每一位均取反码；–补码为反码再在最低位+1；–由[X]补求[-X]补：每一位取反后再在最低位+1；––由[X]补求X的真值：X=-1 +Xi* 2-ii=1n

第54页：作业：阅读：、思考：计算机发展历史

• 阅读：《结构化计算机组成》第1章
• 思考：计算机发展历史经验和今后的方向。
• 思考：计算机为什么采用二进制数据？
• 计算题：教材：P130习题2.1 2.2各任选两个数2.3 2.11
• 思考：如何用加法器实现减法？乘法呢？