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1、第三章计算机中的硬件第1页，共39页，编辑于2022年，星期二学习目标n6种基本的门的定义n描述如何用晶体管构成门n用基本门组合成电路n用布尔表达式、真值表和逻辑框图描述门或电路的行为n掌握组合电路和时序电路的工作原理 n描述集成电路的特征n描述冯诺伊曼结构的计算机的五大部件和它们的功能n描述指令的含义、格式和寻址方式n描述指令的执行过程n了解非冯诺伊曼结构的计算机第2页，共39页，编辑于2022年，星期二门n逻辑门，因为每个门都执行一种逻辑运算n接收一个或多个输入值，生成一个输出值n每个输入和输出值只能是0（对应0-2V的低电压信号）或1（对应2-5V的高电压信号）n门的类型和输入值决定了输
2、出值第3页，共39页，编辑于2022年，星期二n三种表示形式：真值表：真值表列出所有可能的输入组合和相应的输出来定义门的功能。可以设计复杂的真值表，用足够的行和列说明对任何一套输入值，整个电路如何动作。布尔表达式：英国数学家George Boole发明的一种代数运算，其中变量和函数值都是0或1。这种代数称为布尔（Boolean）代数，它的表达式是演示电路活动的最好方式。布尔代数特有的运算和属性使我们能够用数字符号定义和操作电路逻辑。逻辑框图：是电路的图形化表示。每种类型的门由一个特定的图形符号表示。通过用不同方法把这些门连接在一起，就可以真实地表示出整个电路逻辑。第4页，共39页，编辑于202
3、2年，星期二非门 AX0110如果非门的输入值是0，那么输出值是1；如果输入值是1，则输出值是0。第5页，共39页，编辑于2022年，星期二与门 n串联开关电路：灯亮的条件是开关A和B同时连通，否则灯不会亮 n与的运算规则表示为：只有两个输入都为1时输出才为1；当输入中有一个不为1时，输出就为0 ABX000010100111第6页，共39页，编辑于2022年，星期二或门n如果这两个输入值都是0，那么输出是0；否则，输出是1n用并联开关电路来说明，灯亮的条件是开关A和B只要有一个连通，只有当开关A和B都不连通时，灯才不会亮ABX000011101111第7页，共39页，编辑于2022年，星期二
4、异或门n异或门的两个输入相同时，则输出为0；否则，输入为1ABX000011101110第8页，共39页，编辑于2022年，星期二与非门n由与门和非门构成的门n让与门的结果经过一个逆变器（非门），得到的输出和与非门的输出一样ABX001011101110第9页，共39页，编辑于2022年，星期二或非门n由或门和非门构成的门n让或门的结果经过一个逆变器（非门），得到的输出和或非门的输出一样ABX001010100110第10页，共39页，编辑于2022年，星期二具有更多输入的门n门可以设计为接受三个或更多个输入值n具有三个输入值的与门，只有当三个输入值都是1时，才得到值为1的输出；n具有三个输入
5、值的或门，如果任何一个输入值为1，则输出都是1n真值表中的行数：具有三个输入的门有23=8种输入组合，n个不同的输入值有2n种0和1的组合。A B C X0 0 000 0 100 1 000 1 101 0 001 0 101 1 001 1 11第11页，共39页，编辑于2022年，星期二门的构造n门使用晶体管建立输入值和输出值之间的映射n可作为开关，通常使用半导体材料硅来制造晶体管n晶体管有两个作用：导通和截至n工作原理：发射极通常被连接到地线；源极是高电压，约为5伏。如果源极信号接地，输出为0如果源极信号为高电压，输出为1由基极的值（输入）决定是否把源极接地：n如果基极信号是高电压（接
6、近+5伏），源极信号将被接地，从而关闭了晶体管，输出0n如果基极信号是低电压（接近0伏），源极信号仍然是高电压，晶体管将被打开，输出1第12页，共39页，编辑于2022年，星期二非门 与非门 或非门第13页，共39页，编辑于2022年，星期二 电路n电路是由门组合而成的。n电路有两类：组合电路，输入值明确决定输出时序电路，它的输出由输入值和电路现有状态共同决定n可以用三种方法描述整个电路的动作，即布尔表达式、逻辑框图和真值表第14页，共39页，编辑于2022年，星期二 组合电路n把一个门的输出作为另一个门的输入，就可以把门组合成电路。ABCDX0000000110010100111010000
7、101111101111111ABCAB AC AB+AC000000001000010000011000100000101011110101111111第15页，共39页，编辑于2022年，星期二布尔代数的几个定律属性与或交换律AB=BAA+B=B+A结合律(AB)C=A(BC)(A+B)+C=A+(B+C)分配律A(B+C)=AB+ACA+BC=(A+B)(A+C)恒等A1=AA+0=A余式=0=1德.摩根定律=+=n可以利用布尔表达式的定律对布尔表达式化简，从而设计简洁的电路第16页，共39页，编辑于2022年，星期二加法器n半加器：计算两个二进制数位的和，并生成正确的进位的电路AB和进
8、位0000011010101101第17页，共39页，编辑于2022年，星期二n全加器：两个半加器构造一个全加器n考虑上一位运算后的进位n可以进行多位数的加法AB进位输入和进位输出0000000110010100110110010101011100111111第18页，共39页，编辑于2022年，星期二多路复用器n有多个输入，生成单个输出信号的通用电路，输出值等于该电路的多个输入值之一。n多路复用器实际是一个选择器，根据选择信号或选择控制线选择用哪个输入信号作为输出信号S0S1S2F000D0001D1010D2011D3100D4101D5110D6111D7第19页，共39页，编辑于202
9、2年，星期二时序电路n数字电路的一个重要作用是用来存储信息，其存储功能是由时序电路来实现的n将输出信号反过来又用作电路的输入信号来实现SRXY操作11XY保持0110置位1001复位0011不用把X的值看作电路的当前状态。因此，如果X=1，电路存储的就是1；如果X=0，电路存储的就是0。第20页，共39页，编辑于2022年，星期二集成电路n将多个门嵌入到一块硅片中。n硅片被封装在塑料或陶瓷中，边缘有引脚，可以焊接在电路板上或插入合适的插座中。每个引脚和一个门的输入或输出连接，也可能和电源或接地连接。n集成电路（IC）是根据它包含的门数分类的。小规模集成电路（SSI芯片）只有几个独立的门超大规模
10、集成电路（VLSI）中一般多于100 000个门最重要的集成电路是中央处理器（CPU）第21页，共39页，编辑于2022年，星期二计算机硬件系统n用二进制代替十进制。n采用存储程序的思想。程序和数据以二进制形式存放在存储器中，自动执行。n计算机从逻辑上分为五大部件，运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。n以运算器为中心，输入设备和输出设备与存储器的数据传送通过运算器。冯诺依曼体系结构第22页，共39页，编辑于2022年，星期二n运算器：是计算机对数据进行加工的主要部件，完成算术运算和逻辑运算n控制器：用于控制计算机的各部件协调工作。从内存储器中取出指令并根据该指令向有关部件发出控制命令n存储
11、器：是计算机的记忆装置，用于存放程序和数据，分为内存储器和外存储器n输入设备：从外界将程序和数据输入计算机n输出设备：将计算机处理后的结果转换成外界能够识别和使用的数字、文字、声音、电压等形式的信息并输出给用户第23页，共39页，编辑于2022年，星期二n计算机硬件系统的各个部件为了交换数据和控制信号，需要进行互连，目前流行的互连方式是使用总线n总线是一组电线，把计算机的各个部件连接在一起。n总线是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的公共信息通道n总线的特征：共享传输信息n根据总线上传输的信息来分类：数据总线、地址总线和控制总线n主板：总线直接印制在电路板上，延伸到各部件，在个人计算机上，
12、这个电路板称为主板，主板上还有其他部件（如鼠标、键盘等）与总线的连接线第24页，共39页，编辑于2022年，星期二输入输出设备n掌握各种设备的特征和指标第25页，共39页，编辑于2022年，星期二输入输出接口输入输出接口n计算机的外部设备多种多样，与CPU的处理速度相差很大，所以需要在系统总线和外设之间设置I/O接口，来进行数据缓冲、速度匹配和信息转换等工作。n接口是指计算机系统中连接硬件设备的逻辑电路，是各组成部件之间进行信息交换的功能部件n接口实现了系统总线和外设之间的连接，在外设与总线之间通信。第26页，共39页，编辑于2022年，星期二接口的功能n命令译码：接收并解释主机向外设发送的控
13、制命令n数据传送：主机和外设间数据的传输；n信息转换：电信号和其它信号之间的转换；串并转换（主机与接口之间的数据传输一般是由系统总线来完成，多位并行传送。接口和外设之间的数据传送由接口负责。可以串行传送，也可以并行传送）n数据缓冲：由于I/O设备的工作速度要比CPU慢许多，而且由于种类的不同，它们之间的速度差异也很大。为适应这种差异，接口必须设置数据缓冲功能。通常由一些寄存器或RAM芯片组成；n状态检测：外设通过接口与主机相连，外设的忙、闲或出错状态需要通过接口检测，才能传送给主机。n地址识别：每个I/O设备都有地址，接口必须能识别它所控制的外设的地址。第27页，共39页，编辑于2022年，星
14、期二存储器n掌握各种存储器的特征和指标第28页，共39页，编辑于2022年，星期二中央处理器第29页，共39页，编辑于2022年，星期二计算机的基本工作原理n冯诺伊曼计算机的工作原理建立在几个假设上：指令和数据以同等地位采用二进制编码存放在存储器中，并可按地址寻访；指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数存放的位置；指令在存储器中按顺序存放。第30页，共39页，编辑于2022年，星期二指令和指令系统n指令：指示计算机执行特定操作（告诉计算机做什么）的命令，CPU根据指令来指挥和控制计算机各部件协调工作，以完成规定的动作n指令系统：计算机能够执行的全部指令集合，指
15、令系统准确定义了计算机的处理能力。不同类型的计算机有不同的指令系统，从而形成了不同特点的计算机n操作码是用来指明指令所要完成的操作，如加法、减法、传送、移位、转移等。操作码的位数反映了计算机能完成的操作种类。n地址码用来指出操作数存放的地址、结果存放的地址，以及下一条指令存放的地址。这里的“地址”可以是主存地址，也可以是寄存器地址，甚至可以是I/O设备的地址，有时也直接是操作数本身。第31页，共39页，编辑于2022年，星期二指令格式n将A1地址中的数据和A2地址中的数据进行OP指定的操作，结果保存在A3地址中。下一条指令从A4指定的地址中取出n指令较长、访问存储器的次数多，为4次n使用一些默
16、认的寄存器可以省略某些地址，减少指令长度、运行速度更快第32页，共39页，编辑于2022年，星期二寻址方式n指确定本条指令所需要的数据地址，以及下一条将要执行的指令地址的方法n指令寻址是确定下一条要执行的指令存放的地址顺序寻址：首先将第一条指令的地址放到程序计数器PC中，通过PC加1来自动形成下一条指令的地址跳跃寻址：在指令中明确给出下一条要执行的指令的位置，即给出A4字段，一般是通过转移类指令来实现n数据寻址指明操作数实际存放的位置数据地址可以是存储器地址、寄存器地址、相对于当前指令位置的存储器地址，或者需要通过某种运算来得到的存储器地址，也可以是参与运算的数本身一般是在地址字段中设一个标志
17、位来指明是哪一种寻址方式，以便得到实际的操作数第33页，共39页，编辑于2022年，星期二指令的执行过程n程序在执行前，首先要装入内存n执行时，按照如下次序进行取指令译码（分析指令）取操作数执行指令保存结果n某些指令可能没有某些步骤第34页，共39页，编辑于2022年，星期二指令执行实例n假设某机器有256个主存单元（十六进制00FF）nCPU中有16个通用寄存器（0F）、一个程序计数器和一个指令寄存器。n机器的指令系统中总共有12条指令，每条指令的长度为2个字节（16位），指令的前4位为操作码，后12位为操作数第35页，共39页，编辑于2022年，星期二指令执行实例操作码操作数指令含义描述1
18、RXY将内存XY单元中的数据取出，存入寄存器R中，如指令1A43，将内存43单元中的数据取出，存入寄存器A中2RXY将数XY存放到寄存器R中3RXY将寄存器R中的数据存入主存地址为XY的单元中40RS将寄存器R中的数存入寄存器S中5RST将寄存器S与T中用二进制补码表示的数相加，将结果存入寄存器R中6RST将寄存器S与T中用浮点数表示的数相加，将结果存入寄存器R中7RST将寄存器S与T中的数进行或运算，将结果存入寄存器R中8RST将寄存器S与T中的数进行与运算，将结果存入寄存器R中9RST将寄存器S与T中的数进行异或运算，将结果存入寄存器R中AR0X将寄存器R中的数右移X次，每次将最低位移出的
19、数字放在最高位的空缺中BRXY若寄存器R中的数与寄存器0中的数相同，就将内存XY单元中的数据存入程序计数器，否则，按原来的顺序继续执行（条件跳转指令）C000停机指令，C000第36页，共39页，编辑于2022年，星期二程序代码含义11AA将AA单元中的值取出来，存入寄存器1中；12AB将AB单元中的值取出来，存入寄存器2中；5012将寄存器1和寄存器2中的数相加；30AC将结果存入AC单元中；C000停机。程序执行的程序执行的一个例子一个例子分析该程序的执行过程分析该程序的执行过程取指令译码（分析指令）取操作数执行指令保存结果第37页，共39页，编辑于2022年，星期二非冯诺依曼体系结构n并行计算机：是由多个处理器组成（这些处理器之间可以通信和协调），能够高速、高效率地进行复杂问题求解的计算机系统n分类：在多个处理器上运行同一个程序，应用不同的数据集第38页，共39页，编辑于2022年，星期二流水线操作，即按照一前一后的方法安排处理器，使每个处理器负责整个计算过程中的一部分第39页，共39页，编辑于2022年，星期二