清华计算机组成原理课件02 计算机的逻辑部件

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1、第二章计算机的逻辑部件其中2.1、2.2、2.3略2.4计算机中常用的逻辑部件2.5时序电路2.6可编程逻辑器件设计基础2.4计算机中常用的逻辑部件2.4.1加法器2.4.2算术逻辑单元（简称ALU）2.4.3译码器2.4.4数据选择器2.4.5数据分配器2.4.6三态门Cn=XnYnCn-1+XnYnCn-1+XnYnCn-1+XnYnCn-1Fn=XnYnCn-1+XnYnCn-1+XnYnCn-1+XnYnCn-12.4.1加法器不考虑进位输入时，两数码Xn、Yn相加称为半加器；若考虑低位进位输入Cn-1相加，则称为全加器。全加和Fn与进位输

2、出Cn的表示式为：其推导过程和逻辑电路图详见教材19页图2.6所示。有关半加器和全加器的功能表及逻辑图如教材中图2.5和图2.6XnYnCn-1FnCn0000000110010100110110010101011100111111一位全加器真值表如下：其中Xn为被加数，Yn为加数，Cn-1为低级进位信号，Fn为和，Cn为本级向上进位信号。简单串行级联的4位全加器如下图所示：(教材图2-7四位串行加法器)将4个全加器相连可得4位加法器（图2.7),但其加法所需时间较长。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

3、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，从而实行快速加法。我们称这种加法器为超前进位加法器。根据各位进位的形成条件，可分别写出Ci的逻辑表达式：C1=X1Y1+(X1+Y1)C0=G1+P1C0其中:Gi=Xi·Yi称为进位产生函数（绝对进位）Pi=Xi+Yi称为进位传递函数（条件进位）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。写成通用式为：C1=P

4、1+G1C0C2=P2+G2P1+G2G1C0C3=P3+G3G2+G3G2P1+G3G2G1C0C4=P4+G4P3+G4G3P2+G4G3G2P1+G4G3G2G1C0根据上式可画得“超前进位产生电路”及四位超前进位加法器的逻辑图如图2.8。C1=G1+P1C0（低位）(2.22)C2=G2+P2C1=G2+P2(G1+P1C0)=G2+P2G1+P2P1C0(2.23)C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0(2.24)C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0(2.25)当全加器的输入均取反码时，

5、它的输出也均取反码。(即应用反演律采用与非、或非、与或非实现连接）将上式改写成如下：图2.8“超前进位产生电路”及四位超前进位加法器的逻辑图2.4.2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2.9中功能表中，“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，M=H,执行逻辑运

6、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。74L181逻辑电路图演示S0S1S2S3LLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHLLLHLLHHLHLHLHHHHLLHHLHHHHLHHHHAA+BA•B“0”A•BBABA•BA+BABBA•B“1”A+BA+BAAA+BA+B减1A加(A•B)(A•B)加(A+B)A减B减1(A•B)减1A加(A•B)A加B(A•B)加(A+B)(A•B)减1A加AA加(A+B)A加(A+B)A减1A+1(A+B)加1(A+B)加1“0”A加

7、(A•B)加1(A•B)加(A+B)加1A减BA•BA加(A•B)加1A加B加1(A•B)加(A+B)加1(A•B)A加A加1A加(A+B)加1A加(A+B)加1A正逻辑M=H逻辑运算M=L算术运算Cn=1Cn=0图2.9ALU功能表用四片74181电路可组成16位ALU。如图2.10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。推导过程如下：图2.10Cn+X=GN0+PN0Cn=GN0+P

8、N0Cn=GN0PN0+GN0Cn（2-33）与前面讲过的一位的进位产生函数Gi的定义相似，根据四位一组的进位产生函数GN