《计算机组成原理》

1、第二节计算机的基本组成一、冯·诺依曼计算机的特点冯·诺依曼体系计算机的核心思想是“存储程序”的概念。它的特点如下：(1) 计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成；(2) 指令和数据都用二进制代码表示；(3) 指令和数据都以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访；(4) 指令是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所在存储器中的位置；(5) 指令在存储器内是顺序存放的；(6) 机器以运算器为核心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器。二、计算机的硬件框图典型的冯·诺依曼计算机是以运算器为中心的，如下图所示。其

2、中，输入、输出设备与存储器之间的数据传送都需通过运算器。图中实线为数据线，虚线为控制线和反馈线。现代的计算机已转化为以存储器为中心，如下图所示，图中实线为控制线，虚线为反馈线，双线为数据线。图中各部件的功能是：(1) 运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内；(2) 存储器用来存放数据和程序；(3) 控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行及处理运算结果；(4) 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标等；(5) 输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式如打印机输出、显示器输出等。计算机的五大部件在控制器的统一指挥下，有

3、条不紊地自动工作。由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，这两大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常将他们合起来统称为中央处理器，简称CPU。把输入设备与输出设备简称为I/O设备。因此，现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器MM。CPU与MM合起来称为主机，I/O设备叫作外设。存储器分为主存储器MM和辅助存储器。主存可直接与CPU交换信息，辅存又叫外存。三、计算机的解题过程为了比较形象地了解计算机的解题过程，首先分析一个更为细化的计算机组成框图，如下图所示。1运算器运算器包括三个寄存器和一个算逻单元ALU。其中ACC为累加

4、器，MQ为乘商寄存器，X为操作数寄存器。这三个寄存器在完成不同运算时，所存放在操作数类别也各不相同。在典型的运算器中有3个寄存器：接收并保存一个操作数的接收寄存器；保存另一个操作数和运算结果的累加寄存器；在进行乘、除运算时保存乘数或商数的乘商寄存器。执行部件包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。控制电路按照一定的时间顺序发出不同的控制信号，使数据经过相应的门电路进入寄存器或加法器，完成规定的操作。下面简要以加法为例分析一下这种结构的运算器其加、减、乘、除四则运算的操作过程。假设ACC中已存有前一时刻的运算结果，并作为下述加法运算中的一个操作数。则：加法操作过程：ACC表示累加器中内容，X表

5、示X寄存器中的内容。MXACC+XACC即将ACC看作被加数，先从内存中取一个存放在M地址号内的加数M，送至运算器的X寄存器中，然后将被加数ACC与加数X相加，其结果和保留在累加器ACC中。 2存储器主存储器包括存储体、各种逻辑部件及控制电路等。存储体由许多存储单元组成，每个存储单元又包含若干个存储元件，每个存储元件能寄存一位二进制代码“0”或“1”。可见，一个存储单元可存储一串二进制代码，称这串二进制代码为一个存储字，这串二进制代码的个数叫做存储字长。我们赋予每个存储单元一个编号，叫做存储单元的地址号。主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存（写入）、取（读出）。这种存取方

6、式叫做按地址存取，也即按地址访问存储器（简称访存）。为了能实现按地址访问的方式，主存中还必须配置两个寄存器MAR和MDR。MAR是存储器地址寄存器,用来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数。MDR是存储器数据寄存器,用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等。要想完整地完成一个取或存操作。 CPU还得给主存加以各种控制信号，如读命令、写命令和地址译码驱动信号等。随着硬件技术的发展，主存都制作成大规模集成电路的芯片，而将MAR和MDR制作在CPU芯片中。 3控制器控制器是计算机组成的神经中枢，由它指挥全机各部件自动、协调地工作。具体而言，

7、它首先要命令存储器读出一条指令，这叫取指过程。接着对这条指令进行分析，指出该指令要完成什么样的操作，并按寻址特征指明操作数的地址，这叫分析指令过程。最后根据操作数所在的地址，取出操作数并完成某种操作，这叫作执行过程。以上就是通常所说的完成一条指令操作的取指、分析和执行三阶段。控制器由程序计数器PC，指令寄存器IR以及控制单元CU几部分组成。PC用来存放当前欲执行指令的地址， 它与主存的MAR之间有一条直接通路，且具有自动加1的功能， 即可自动形成下一条指令的地址。IR用来存放当前的指令， IR的内容来自主存的MDR。IR中的操作码送到CU，用来分析指令；其地址码作为操作数的地址送至存储器的MA

8、R。 CU用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象。 4I/OI/O子系统包括各种外部设备及相应的接口。每一种设备都是由I/O接口与主机联系的，它接受CU发出的各种控制命令完成相应的操作。计算机的解题过程如下：首先把构成程序的有序指令和数据，通过键盘输入到主存单元中，并置PC的初值为0（即令程序的首地址为0）。启动机器后，计算机便自动按存储器中所存放的指令顺序，有序地逐条完成取指令、分析指令和执行指令，直至执行到程序的最后一条指令为止。本课程是计算机专业本科生必修的硬件课程中重要核心课程之一。基本要求是使学生掌握计算机常用的逻辑器件、部件的原理、参数及使用

9、方法，学懂简单、完备的单台计算机的基本组成原理，学习计算机设计中的入门性知识，掌握维护、使用计算机的技能。课程内容包括：常用的组合逻辑器件，如译码器、数据选择器、编码器；常用的同步时序电路，如寄存器、移位寄存器、计数器的原理、参数及使用方法；现场可编程器件：PLA，PAL，GAL和PGA等器件的原理与使用；数字化编码，数制及数制转换，数据表示，检错纠错码；数据的算术与逻辑运算，运算器的功能、组成与设计；教学机的运算器实例。计算机指令系统综述，指令格式与寻址方式；教学计算机的指令系统与汇编语言程序设计；控制器的功能、组成与设计，微程序控制器部件和硬连线控制器部件；多级结构的存储系统综述，主存储器

10、的组成与设计，磁盘设备的组成与运行原理，光盘机的组成与运行原理，磁带机的组成与运行原理，磁盘阵列技术Cache存储器的运行原理，虚拟存储器的概念与实现；计算机输入/输出设备与输入/输出系统综述，显示器设备，针式打印机设备，激光印字机设备；计算机总线的功能与组成，输入/输出系统的功能与组成；教学机的总线与输入/输出系统实例。几种常用的输入/输出方式，中断与DMA的请求、响应和处理。本课程课内学时90，电视学时8，第2学期开设，学分5。课程首次播出时间2000年春季。教学媒体：文字教材计算机组成原理（第3版）王诚主编，实验教材计算机组成与设计实验指导王诚等编著清华大学出版社出版。录像教材（8学时）

11、，王诚教授主讲，清华大学电教中心录制。CAI课件计算机组成原理王诚主编清华大学出版社出版。EC2000教学计算机系统（教学实验设备）清华大学同方教学仪器公司生产。第1章 概述学习本章时要从层次结构的观点出发，认识完整计算机系统的基本组成。对计算机硬件子系统要从计算机的体系结构、计算机组成和计算机实现3个部分的知识来了解，并且要搞清楚它们之间的联系与区别，这就是学习本门课程的主脉络第2章 数字电路基础和计算机中的逻辑部件本章的学习主要应该在了解数字电路最基础的知识后，掌握如何运用布尔代数的常用公式和基本规则，又如何恰当地选择已有的逻辑器件，设计出能够实现所需要的逻辑功能的电路，包括组合逻辑的电路

12、和时序逻辑的电路，会解决自己工作中遇到的实际问题。对于在本章中列出的中小规模的组合逻辑电路和时序逻辑电路，现场可编程器件等，重点在于明确概念，主要供查阅时使用，并不需要记忆过多的内容。在学习的过程中还必须注意到，我们是将其他章节关于计算机组成原理、部件设计中主要属于线路设计的内容集中在本章，所以学到了某一章节，有可能需要回过头来看看第2章的内容。第3章 数据表示、运算和运算器部件运算器部件是学习计算机整机运行原理与设计能力最为基础的一个环节。运算器最重要的功能是加工数据，为此，应该以掌握各种类型的数据在计算机内的表示、存储方式、完成运算所用的算法和实现这些算法所用的逻辑电路为线索进行学习。第4

13、章 指令、指令系统和控制器部件本章重点教学内容是讲授计算机控制器的功能、组成、设计与实现。其教学安排围绕掌握计算机指令的执行过程（步骤）与控制器的设计技术来进行，包括课堂教学、课外作业、教学实验都应紧紧把握住这个主线索。指令的功能安排，指令格式、寻址方式的选择这3项内容十分重要，在学习的整个过程中，应该较好地掌握。对于指令系统举例，不必花费太多精力推敲每条指令的具体内容，但对教学计算机的指令系统须认真看一看。当你了解了计算机的指令系统和组合逻辑控制器的设计，整个计算机的核心部分就被你掌握了。第5章 多级结构的存储器系统对本章的学习主要了解为什么要使用多级结构来构建存储器系统，并以此为线索，了解

14、主存储器、高速缓冲存储器和虚拟存储器的基本内容。主存储器要求掌握容量与读写速度等指标的概念，存储器设计中的字、位扩展技术，存储器与CPU的连接关系等内容。关于磁盘、磁和光盘等存储设备，则属于概念和一般了解的知识比较多。在了解高速缓冲存储器的功能和基本运行原理的基础上，重点应该从概念上比较、理解Cache的全相联映像、直接映像和多路组相联映像三种构成方式。而在了解虚拟存储器的功能和概念的基础上，仅需要了解段式和页式两种管理方案，虚拟存储器的硬件组成和把逻辑地址转换为内存实际地址的办法。对本节内容应在学习中强调学习掌握基本原理和概念。第6章 输入输出设备与输入输出系统对本章的学习内容，应该围绕计算

15、机输入/输出子系统的组成、功能运行方式、具体使用方法等为主线索来进行。由于输入/输出设备种类繁多，功能多样，组成和运行原理各不相同，学习时应重点了解点阵方式运行的设备的组成及其工作原理进行。包括阴极射线管显示器、液晶显示器，针式打印机、喷墨式打印机和激光印字机。要求了解计算机中的总线类型、功能、总线仲裁、数据传送协议等基本概念和现实总线的线路。对常用的输入/输出方式学习，重点是掌握程序直接控制方式、程序中断方式和直接内存访问（DMA）方式的概念和术语。尤其对程序中断方式，更是要求掌握的重点。帮助一、首页说明同学们打开首页，可以见到如下的页面。该页面分为两个区域：1课程有关信息区域 这个区域包括

16、课程简介、教学信息、综合测试、学习论坛、友情链接、帮助几个栏目。它提供了有关这门课程的许多教学信息，同学们在进入正式课程内容的学习前，应该首先浏览一下，这对掌握这门课程的总体概况是有帮助的。下面分别加以说明： l     课程简介其中包括：课程内容（简单扼要的介绍了课程所包括的学习内容），开设情况（介绍了课程的学时、学分、教学媒体、实验），学习方法（介绍了各章学习的方法和重点内容）。l     教学信息其中包括：教学大纲（教学大纲是同学们学习该课程的指导性文件，它详细说明了对各章的内容，以及掌握程度的要求。），课程

17、实施方案（介绍了课程开设的有关安排），教学辅导（详细对有关学习内容分章节进行了辅导，是同学们在学习完课程相关内容后，应该重点阅读的）。l     综合测试其中包括：综合模拟测试（这是电大在线远程教育技术有限公司开设的一个综合测试平台，同学可以按照综合测试页面的有关说明，对自己学习完课程后的水平进行测试。），课程学习调查（提供了一个课程学习的调查问卷，请同学们学习完课程后，对这门网络课程提出你的宝贵意见，我们将根据你们的意见对课程进行改进）。 l     学习论坛其中包括：中央电大BBS（同学们可以在上面发表自己的看

18、法，提出问题进行讨论，中央电大的老师将及时对你们的问题进行答复），电子邮件（同学可以利用此电子邮件向中央电大教师提出问题）。l     友情链接这里提供了几个地方电大有关该课程的资料，同学们可以作为学习中的参考。l     帮助对如何利用网络课程进行学习提供了详尽的帮助，同学们应当首先浏览这部分内容，全面掌握网络课程的使用方法。2课程学习内容区域 这部分区域是课程学习内容，我们这门课程的结构是按照知识点来构建的，同学们在学习时要熟悉和掌握这个特点。下面以课程第3章举例加以说明：当选择主页上的第3章后，出现如下的页面

19、，它包括：课程学习栏目、章节选择、单元选择、知识点选择、语音控制和活动菜单几个部分。（1） 课程学习栏目 这个栏目提供了针对每一章的学习指导、视频课堂、实验课堂、自我测试。下面分别加以说明：l     学习指导在学习指导中不但说明了第3章包括的视频、实验、自我测试内容，而且提供了一个“知识树”，即本章的知识结构图。这个图清晰的反映了第3章中各单元的组成，各单元中知识点的分配情况，同学们应该学会通过“知识树”来掌握学习本章的基本脉络。   l     视频课堂 在视频课堂中提供了第3章的全部视频，同学们只要

20、点击左侧视频的标题，就可以在右侧的播放器中收看到有关的主讲老师讲授的内容。此外，利用播放器的几个控制按钮，可以来控制视频的播放。 l     实验课堂在实验课堂中，目前只提供了一个运算器部件的虚拟实验。同学们首先要了解实验的目的与要求，然后请仔细阅读实验的内容与步骤，结合教材分析各个与运算器有关的控制信号代表的意义。接下来可以看一个具体的实例是如何操作的。在明了实验操作步骤的基础上，可以按照实验要求进行虚拟的运算器实验。l     自我测试 当同学们学习完第3章的内容后，可以利用自我测试检查自己对本章知识点掌握的程

21、度，选择自我测试后，页面提供了15道选择题，当鼠标移动到编号1时，出现第1题的内容，选择一个答案。当15道题全部做完后，点击评分按钮，会给出一个总的分数与各题的对错情况，以及有关的学习指导建议。（2） 章节选择本课程一共有6章，章节选择按钮既是用于选择章节用的。（3） 单元选择当选择其中一章后，在单元选择部分就会出现该章各单元的序号，利用单元选择按钮，可以方便的选择其中任意一个单元。（4） 知识点选择当选择其中一个单元后，在知识点选择部分就会出现该单元有关知识点的序号，利用知识点选择按钮，可以方便的选择其中任意一个知识点。这三者的关系与每章的“知识树”是对应的。（5） 语音控制 大部分的文本阅

22、读部分都有老师讲解，同学们可以利用语音控制部分的按钮进行相应的控制。（6） 活动菜单为了同学们方便地首页的菜单上，课程还设置了一个活动菜单，当将鼠标移动到活动菜单处，菜单就会向右侧移出，方便同学使用。当鼠标离开时，菜单则自动向左隐藏。（7）课程索引 在课程学习栏目区域还设置了一个重要的工具课程索引，课程索引为同学们简便快速地检索课程全部内容提供了极大的方便。 在课程索引上面列出大纲、目标、实验、指令、媒体、词汇六个部分按钮，下面的1、2、3、4、5、6则是选择第Î章的按钮。举例：l     大纲如果想查找第3章的大纲，先选择大纲按钮，然后再选择

23、“3”按钮，则有关内容即可呈现出来。同时在大纲中，还可以对该章的单元或知识点进行查看。l     目标列出了各章的学习目标，操作方法类似。l     实验 列出了各章的实验（目前只有运算器部件实验）项目，同学们可以选择任何一个虚拟实验进行操作，操作方法类似。l     指令列出了第4章的汇编指令，操作方法类似。l     媒体列出了各章的使用的媒体，包括音频、视频、动画，同学们可以选择任何一个媒体进行视听，操作方法类似。l &

24、#160;   词汇列出了本课程使用的一些专业词汇，它是按照词汇的英文字母AZ的顺序，阿拉伯数字09顺序，以及中文排序的。方便同学们快速查找专业词汇的说明。第1章 概述 教学内容:传统说法的计算机的5大功能部件各自的功能与相互连接关系，如何从层次的观点来看待完整计算机系统的组成；计算机体系结构、组成、实现各自涉及的主要内容，计算机发展历程和应用领域。单元1 计算机系统的基本组成和它的层次结构单元2 计算机系统的体系结构、组成和实现概述 单元1 计算机系统的基本组成和它的层次结构 学习目标1要求掌握计算机系统由哪些基本部件组成的，每个部件的基本作用。2掌握硬件系统有

25、哪几个层次。计算机系统的含义是什么？这可以从它所完成的功能和相应的组成两个方面来加以回答。从它所完成功能的角度看，计算机系统应该能完成原始数据的输入、存储、对数据的运算和处理、并把计算处理的结果输出出来这样4项操作功能。为此，一台计算机的硬件系统至少需要由下述几个相互连接在一起的部件和设备组成，如图11所示。图11从组成的角度，图中用5个方框图给出了计算机硬件系统的5个基本组成。其中数据输入设备完成对原始数据的输入功能；数据存储部件完成对数据的存储功能；数据运算部件完成对数据的运算处理功能；结果输出设备完成对运算处理结果的输出功能；而控制器部件的功能则是向系统各个部件或设备提供它们协调运行所需

26、要的控制信号。图中上部称为部件的3个组成部分，通常是使用电子线路实现的，安装在一个金属机柜内或者印制电路板上，被称为计算机的主机。左边的数据运算部件和计算机控制部件，合称为中央处理器（CPU，center processing unit），又称其为计算机的处理机（processor）。图中下部的2个设备，通常是使用精密机械装置和电子线路共同制作出来的，合称为输入输出设备，又称其为计算机的外围设备。图中中部画出的是连接计算机各部分的公共信号线，称为总线。总线通常由三种信号线组成，分别是：数据总线，用于在这些部件或设备之间传送数据信息（指令和数据）的电气信号；地址总线，用于在这些部件或设备之间传送

27、属于地址信息的电气信号，以选择数据存储部件中的一个存储单元，或者外部设备中的一个设备；控制总线，用于向存储部件和外部设备传送起控制作用的电气信号，也就是指定在CPU和这些部件或者设备之间数据传送的方向以及操作的性质（读操作还是写操作）等。计算机的5个组成部分是通过总线被有机地连接在一起，从而构成一台完整的、可以协调运行（执行程序）的计算机硬件系统。在硬件组成的基础之上，计算机系统还必须有它的软件部分。软件包括：· 语言支持程序，即汇编语言和高级程序设计语言、各种专用目的的语言。· 操作系统。操作系统的存在，为使用计算机的用户提供了许多支持，同时与程序设计语言相结合，使得程序

28、设计更简化，建立用户的应用程序和操作计算机更方便。· 在操作系统软件之上还包括，例如，文字处理软件，数据库软件，网络软件，多媒体信息处理软件，办公自动化软件等等。综上所述，计算机系统是由硬件和软件两大部分（两类资源）组成的。还可以从计算机硬件设计和实现所涉及到的知识面之间的关系，依照如下的层次观点（计算机系统是由多个不同层次的内容组成的）来认识计算机硬件系统的组成。第一个层次，是数字逻辑层。现在的计算机，通常说的都是电子数字计算机，作为计算机一词的定语，“电子”一词指明的是实现计算机最重要的物质材料是电子线路，“数字”一词所指明的是所用是数字逻辑电路，直接处理的是离散的数字信息。设计

29、计算机硬件的最基础的知识就是数字逻辑和数字门电路，解决的基本问题是：使用何种线路和如何存储信息，使用何种线路和如何传送信息，使用何种线路和如何运算与加工信息等方面的问题。第二个层次，是微体系结构层。计算机最核心、本质的功能是执行程序，程序是按一定规则和顺序组织起来的指令序列。第二个层次体现的是，为了执行指令，需要在计算机中设置哪些功能部件(例如：存储、运算、输入和输出、接口和总线等部件，当然还有更复杂一点的是控制器部件)，每个部件又如何具体组成和怎样运行，这些部件如何实现相互连接并协同工作等方面的知识和技术。这是本教材的重点、也算是难点内容。第三个层次，是指令系统层。这涉及到需要确定使用哪些指

30、令，指令能够处理的数据类型和对其运算所用的算法，每一条指令的格式和完成的功能，如何指出想要对其执行读操作或者写操作的存储器的一个存储单元，如何指出想要执行输入或者输出操作的一个外部设备。一台计算机的指令系统，对计算机厂家和用户来说，都是很重要的一件事情，需要非常认真仔细地分析和对待。单元2计算机系统的体系结构、组成和实现概述学习目标1了解什么是计算机的体系结构、计算机组成、计算机实现的基本概念。2了解这三个概念的联系与区别。计算机的体系结构（computerarchitecture），通常是指涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所见到的计算机系统的属性，更多说的是计算机的外特性，是硬件子系统

31、的结构概念及其功能特性。这其中最重要的问题都直接和计算机的指令系统有关，例如计算机的字长，计算机硬件能够直接识别和处理的数据类型及其表示、存储、读写方式，指令系统的组成，指令类别、格式和功能，指令中使用的寄存器数量和表示方法，支持的寻址方式，存储器、输入输出设备和CPU之间数据传送的方式和控制，也包括中断的类型和处理流程，系统中对各类信息的保护，计算机运行状态的定义和切换，对各种运行异常或者出错的检测和处理方案等等，这些都是程序设计人员编写出高质量程序并确保其正常运行必须深入了解的计算机的有关属性。计算机体系结构主要研究硬件和软件功能的划分，确定硬件和软件的界面，即哪些功能应划分给硬件子系统完

32、成，哪些功能应划分到软件子系统中完成。计算机组成（computerorganization），是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件子系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。从这一点又可以说，计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。为了实现相同的计算机体系结构所要求的功能，完全可以有多种不同的计算机组成设计方案。因为半导体器件性能的提高，新的技术成果的面世，或者又有新的价格/性能比的需求出现，都会带来计算机组成的变化。在计算机组成的领域内，需要重点解决的问题之一是合理的性能价格比，关键的技术措施在于处理好计算机内部的数据流

33、和控制流，合理地匹配各功能部件的性能参数，也就是尽力避免因一个部件形成的“瓶颈”问题而影响计算机的整体性能。例如，对运算器部件，可以通过实现数据运算的流水线处理和设置多个运算功能部件，在运算器内安排更多的寄存器等措施以提高其处理数据的能力；对控制器部件，可以通过指令预取，指令流水线处理，多指令流水线，选用RISC（reduced instruction set computer）结构设计方案等措施以提高执行指令的速度；对存储器部件，使用由高速缓冲存储器、主存储器、虚拟存储器构成的层次结构的存储系统，使用由可以交替运行的多个存储器构成的多体结构，使用性能更高的改进型的存储器芯片等措施，以提高存储

34、器系统的存储容量和读写速度。对输入输出设备，实现通道、外围处理机等方式，合理地设置缓冲器和排队策略，配备速度更快的设备，配备更多数量的设备，以提高单位时间内数据输入输出的流量。对计算机系统而言，关键是尽可能地使计算机各个功能部件都以自己所具有的高速度运行，避免或者减少不同功能部件彼此之间的相互制约和等待现象，例如通过支持多线程、多进程、多道程序、多任务等措施，选用最合理的资源调度算法和分配策略，以便最大限度地提高系统的资源利用率。计算机实现(computerimplementation)，是计算机组成的物理实现。包括中央处理机、主存储器、输入输出接口和设备的物理结构，所选用的半导体器件的集成度

35、和速度，器件、模块、插件、底板的划分，电源、冷却、装配等技术，生产工艺和系统调试等各种问题，一句话，就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机，也就是把满足设计和运行、价格等各项要求的计算机系统真正地制作并调试出来。计算机体系结构，计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系，而且随着时间和技术的进步，这些含义也会有所改变。在某些情况下，有时也无需特意地去区分计算机体系结构和计算机组成的不同含义。第2章 数字电路基础和计算机中的逻辑部件教学内容:常见组合逻辑部件：译码器、数据选择器、编码器、全加器及快速加法器、ALU原理及使用方法。常见同步时序电路：

36、寄存器、移位寄存器、计数器的原理及使用方法。可编程逻辑阵列：ROM，GAL，CPLD器件的原理与使用。设计实现一定处理功能的逻辑电路的过程与方法，包括组合逻辑电路和时序逻辑电路。单元1 组合逻辑电路及其应用知识点1 基本逻辑门知识点2 三态门知识点3 数据选择器知识点4 译码器和编码器知识点5 教学计算机中组合逻辑电路的应用单元2 时序逻辑电路及其应用知识点1 基本R-S触发器知识点2 D型触发器知识点3计数器知识点4一位全加器知识点5教学计算机中时序逻辑电路的应用单元3 现场可编程器件及其应用知识点1 现场可编程器件概述知识点2 通用可编程器件GAL20V8的内部结构及其编程使用知识点3 M

37、ACH器件的内部结构概述数字电路和逻辑设计方面的知识，是我们学习计算机组成原理之前首先需要掌握的基础内容。在本章中，数字电路基础方面，主要介绍了有关基础逻辑门电路的相关内容，包括非门、与门和或门的原理性线路，并用真值表和逻辑表达式对它们的逻辑功能进行了描述。在计算机的逻辑部件部分，主要介绍了最常用的中小规模逻辑电路，包括组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路的特点是：电路的输出仅决定于该电路当前输入信号的状态，与电路的以前状态（以前的输入或操作过程）无关，换言之，组合逻辑电路无记忆功能。在组合逻辑电路中介绍了三态门、数据选择器、译码器、编码器。而时序逻辑电路，是指含有触发器记忆功能的电路，它

38、的特点是：电路的输出状态，不仅与当前输入信号的状态有关，还与电路以前的状态（以前的输入信号或操作过程）有关。在时序逻辑电路中介绍了基本R-S触发器、D型触发器与寄存器、计数器部件。同时还介绍了组合逻辑电路与时序逻辑电路在教学计算机中的实际应用。最后介绍了现场可编程逻辑器件，包括现场可编程逻辑器件的基本概念，简单和复杂的PLD器件，例如GAL20V8器件（Genaral Array Logic）器件属于简单的PLD，而MACH（Macro Array CMOS High-density）器件是复杂的PLD。以上这些器件在教学计算机的设计中发挥了关键作用，这是我们在学习数字电路知识时应该充分了解和

39、掌握的。学习目标1要求掌握基本逻辑门（非门、与门和或门）电路的功能、逻辑表示。2掌握组合逻辑电路中三态门、数据选择器、译码器、编码器电路的功能、逻辑表示。3掌握时序逻辑电路中基本R-S触发器、D型触发器与寄存器、计数器部件的功能、逻辑表示。4了解现场可编程器件的基本概念，GAL20V8器件和MACH器件的基本功能。5要求将以上学习内容结合教材2.2.2、2.3.5和2.4.3节中给出的线路设计实例，进一步加深理解。单元1组合逻辑电路及其应用学习目标1要求掌握基本逻辑门的功能以及真值表、逻辑表达式。2掌握组合逻辑电路中三态门电路的功能以及真值表、逻辑表达式。3掌握数据选择器电路的功能以及真值表、

40、逻辑表达式。4掌握译码器电路的功能以及真值表、逻辑表达式。5掌握编码器电路的功能以及真值表、逻辑表达式。知识点1 基本逻辑门在数字电路中，最基本的逻辑门电路有3种，即非门（反相器）、与门、或门。由这些最基本的逻辑门电路又可以派生出与非门、或非门2种。它们可以用双极型器件实现，也可以用MOS管的器件来实现。我们可以只使用非门、与门、或门就能够设计出任何复杂功能的逻辑电路。例如组合逻辑电路中的加法器，译码器和优先级编码器，数据多路选择器等。下面将这些逻辑门的逻辑关系，以及功能分述如下：与门：输出和输入的逻辑关系是：ZA·B。与门的功能，即输出与输入是，仅在全部的输入条件都具备（均为真）时

41、，函数的输出才成立（为真）。或门：输出和输入的逻辑关系是：ZAB。或门的功能，即输出与输入是，在全部的输入条件中只要有一个具备（为真）时，函数的输出就成立（为真）。非门：输出和输入的逻辑关系是：。非门的功能，即输出与输入是反相位的关系。与非门： 输出和输入的关系是：。与非门的功能，即2路输入A和B的“与运算结果”和输出Vout是反相位的关系。或非门：输出和输入的关系是：。或非门的功能，即2路输入A和B的“或运算结果”和输出是反相位的关系。异或门： 输出和输入的关系是：ZAB。异或门的功能，即2路输入A和B的输入条件都相同时，输出不成立（为假）。输入条件中只要有一个具备（为真）时，函数的输出就成

42、立（为真）。知识点2 三态门三态门是一种最重要的总线接口电路。它具有图腾对输出结构的TTL电路，驱动能力强、传输速度快，又具有集电极开路输出可以实现“线与”的优点。所谓三态，是指这种门电路的输出既可以为一般二值逻辑电路的正常的“0”状态、正常的“1”状态，又可以为特有的高阻状态，此时，它的“0”和“1”的输出都是截止的，即输出相当于断开状态，失去了任何逻辑控制功能。三态电路的输出逻辑状态的控制，是通过一个输入引脚 实现的,当 为低电平输入时，三态电路依据输入数据信号的状态，给出正常的“0”或“1”输出； 当为高电平输入时，三态电路给出高阻态输出。 三态电路最重要的应用是构成计算机硬件系统中总线

43、的接收器和发送器。在教学计算机系统中，选用了只有单向传送功能的SN74LS240和SN74LS244，具有双向传送功能的SN74LS245器件实现总线逻辑。知识点3 数据选择器数据选择器又称为多路开关，是以“与或”门及“与或非”门为主体的电路，其功能是：由选择信号来控制多路数据输入中的一路作为该器件的输出。在教学计算机中选用了4位输入/输出的、带有三态输出控制的SN74LS257器件。输入与输出关系为：输入选择控制信号S用于选择将A路输入还是B路输入送到输出，当S为低时，选择A路输入，反之选择B路输入。输出控制信号 为低，被选中的4位输出为正常逻辑电平， 为高则输出为高阻态。知识点4 译码器和

44、编码器译码器的功能是：把一组输入代码的状态组合翻译成相应的输出状态，若输入信号有n个，其输出最多可以有2n个。正常输出时，2n个输出中仅有一个输出为低电平（或高电平），其他2n-1个输出均为高电平（或低电平），用于表明n个输入的某一种状态组合。在不需要译码时，可以通过另外的控制信号使全部输出均为高电平（或低电平），用于表明不选择任何输入状态组合。教学计算机中，选用了有3个输入信号、8个（23）输出信号（低电平有效）的SN74LS138译码器（通常称为3-8译码器），也选用了双路有2个输入信号、4个（22）输出信号（低电平有效）的双2-4译码器SN74LS139。编码器的功能是：把2n个输入信号

45、不同的组合状态，编码成n位输出状态。这是译码器的逆向操作功能。正常情况是输入信号仅有个为低电平（或高电平），其余2n-1个输出均为高电平（或低电平）。在教学计算机系统中，选用了有个输入信号、个编码输出信号的74LS148器件。知识点5 教学计算机中组合逻辑电路的应用 在实现TEC-2000系列教学计算机的过程中，在不同的部件里用到了多种组合逻辑电路，例如：多路控制信号选择逻辑与线路实现，依据指令操作码和时间序列编码来提供多位控制信号的线路等。图21 教学计算机控制运算器运行的信号有24位，它可能有4处来源： 在进行脱机运算器实验时，它经过3片SN74LS240器件决定于两个12位的微型开关，

46、在运行微程序控制器时，它来自微指令寄存器的有关字段， 在运行硬连线控制器时，对原有的指令，它来自一个大规模集成电路MACH芯片的有关管脚， 对新增加的指令，它来自于几个中小规模集成电路GAL20V8芯片的有关管脚。由于用到的这些线路本身都支持三态逻辑输出，经过三态逻辑控制关系，可以简单地把这些芯片的对应管脚连接在一起，如图21所示。在要求使用哪一个线路提供控制信号时，就使其输出正常的逻辑电平，并使其他3个电路的输出进入高阻态即可。单元2时序逻辑电路及其应用学习目标1要求掌握时序逻辑电路中基本R-S触发器功能，以及功能表。2掌握D型触发器功能，以及功能表。3要求掌握计数器部件的功能，功能表。4掌

47、握一位全加器的功能和功能表。5了解时序电路在教学计算机系统中的应用知识点1 基本R-S触发器触发器是实现计算机中的记忆（存储）功能最常用的逻辑电路，用于暂存“0”或“1”代码。R-S触发器的特点是：当A、B两个与非门的输入R和S均为高电平时，电路的输出Q和一定相反，即一个输出为高，另一个输出一定为低。在无外界作用时，电路能保持此状态不变。若在某一时刻t，R保持高电平不变，S从“1”状态（高电平） 变为“0”状态（低电平），则将使得门B的输出端Q从低电平变为高电平，由于Q的变化（从低电平变为高电平），反过来又作用于门A，使门A的两个输入均为高电平，则的输出显然会变为低电平。若在某一时刻t，S保持

48、高电平不变，R发生从高到低的电平变化时，就会使触发器的两个输出端又回到Q为低电平，为高电平的状态。不允许两个触发输入端R和S同时为“0”的情况发生。R-S触发器是构成其它类型触发器的基本电路。知识点2 D型触发器基本R-S触发器存在有一些不足，比如，在接收数据期间不允许输入的数据发生变化，它需要避免两个触发输入端R和S同时为“0”可能产生的错误操作。在此基础上有多种改进型触发器，常用的D型触发器就是其中之一。D触发器也有 和Q两个输出端，有一个数据输入端D和时钟触发输入端CP。D型触发器接收数据是在CP脉冲的正跳变沿（从低电平到高电平）。当时钟输入端CP处于高电平或低电平时、或负跳变沿时，触发

49、器的状态都保持不变。用该种方式启动触发的触发器被称为边沿触发器，一旦它的触发操作正常开始，即使输入数据发生变化也不会影响对原来数据的正常接收。D触发器可以单个独立使用，也可以把多个D触发器合成一个部件使用，从而形成接收与发送多位数据的寄存器，或带有移位操作功能的移位寄存器，或带有计数功能的进位计数器等。在TEC-2000教学计算机中，选用了由8个D触发器构成的8位寄存器SN74LS377，SN74LS374和SN74LS273，以及由4个D触发器构成的4位计数器SN74LS161等4种器件。知识点3 计数器 二进制计数器是一个n位的二进制同步计数器器件，二进制计数就是每位触发器按逢二进一的规则

50、实现计数。例如，n=4时，当4位从全零状态开始计数时，4位触发器的状态变化序列遵从0000000100100011111011110000的顺序关系。同步指的是4位触发器在同一个时钟脉冲信号作用下同时翻转。 在TEC-2000教学计算机中，选用了一个4位的二进制同步计数器器件SN74LS 161。知识点4 一位全加器 我们知道运算器部件是计算机五大功能部件中的数据加工部件，而运算器的中的主要部件就是算术与逻辑运算部件(英文缩写为ALU)，用以实现对数据的算术和逻辑运算。由于加法操作是各种算术运算的基础，因此ALU的核心是加法器。 目前一位加法单元通常是采用全加器，全加器有三个输入量：A操作数的

51、第i位Ai，B操作数的第i位Bi，以及低位送来的进位Ci（i1位向第i位的进位）。它产生两个输出量：全加和i，以及向高位的进位Ci+1（第i位向i+1位的进位）。其逻辑表达式如下： i=AiBiCi Ci+1= Ai Bi +（AiBi）Ci知识点5 教学计算机中时序逻辑电路的应用图22 在组合逻辑控制器的组成中，有一个叫做节拍发生器的部件，属于非常典型的时序电路，通常由几个触发器和输入控制门等线路构成，通过这几个触发器不同的状态编码来标示、区分每一条指令不同的执行步骤。在教学计算机系统中节拍发生器由4位触发器组成，从高位向低位分别命名为T3、T2、T1、T0，节拍发生器是用一片GA

52、L20V8器件实现的，如图22。GAL20V8器件本身可以运行在组合逻辑方式，也可以运行于触发器逻辑方式，并且实现的正好是与或两级逻辑关系。单元3现场可编程器件及其应用学习目标1要求了解现场可编程器件的基本概念。2了解简单的PLD器件，例如GAL20V8器件（Genaral Array Logic）。3了解复杂的PLD器件，例如MACH器件（Macro Array CMOS High-density）。知识点1 现场可编程器件概述现场可编程器件，是指用户在自己的工作地点，借助于编程设备，可以方便地向器件内写入所需要的信息的半导体电路。目前使用比较普遍的现场可编程器件有如下几种：通用阵列逻辑GA

53、L（General Array Logic），GAL由与或两级阵列组成，并在输出端增加了逻辑宏单元，又允许多种输出方式，故性能大为提高。可编程阵列逻辑PAL（Programmable Array Logic），PAL由与或两级阵列组成， 但用户仅能对与阵列进行编程，或阵列是由生产厂家确定的。在教学计算机系统中，我们选用了GAL20V8和MACH4两种类型的现场可编程器件。GAL20V8是通用阵列逻辑器件，它最多可以有20个输入引脚、最多可以有8个输出引脚。它既可以实现组合逻辑的逻辑功能，也可以实现时序逻辑的逻辑功能。MACH（Macro Array CMOS High-density）是集成了

54、多片PAL、输入/出引脚更多、集成度更高和功能更强大的现场可编程器件，在教学计算机中，它用于实现组合逻辑控制器的时序控制信号形成部件。知识点2 通用可编程器件GAL20V8的内部结构及其编程使用通用可编程器件GAL20V8有8个输出引脚，分别标为IO0IO7，有I1I10、I12和I13共12个专用输入引脚，另有I0/CLK和I11/OE两个引脚，当被编程的电路需要时钟信号和使用输出允许控制时，时钟脉冲和输出允许控制信号就只能分别从I0/CLK和I11/OE这两个引脚输入；当不需要这两个信号（或一个）时，它们（或一个）可用作数据输入引脚。IO0IO7在某些场合，也可用于输入功能，或分时用于输入

55、/输出功能，可由用户决定。所以说它最多有20个输入、8个输出（至少有2个引脚用于输出）。如图23所示。图23 GAL20V8内部，包括输入缓冲门、输出反馈缓冲门、与门阵列、输出逻辑宏单元OLMC（内含或阵列）和输出三态门等。要对通用可编程器件GAL20V8进行编程，需要使用专用的软件工具和能对GAL器件编程的编程器，才可以向GAL20V8器件内写入所需要的逻辑功能。设计和操作过程大体如下：1编辑扩展名为“PLD” 的源文件，该文件用于描述在GAL20V8内部实现的逻辑功能。此为文本文件，但格式应符合相应编译软件的要求，也可以用ABEL语言编辑扩展名为“ABL”的源文件，只是要有相应的编译软件完

56、成编译才能使用。2用相应的软件对已设计的源文件进行编译，以生成GAL20V8的熔丝图文件，扩展名为“.JED”。3用编程设备向GAL20V8器件内写入熔丝图文件所规定的内容，即对GAL20V8进行编程。由于不同厂商提供的编程软件和编程设备有所不同，具体操作细节请阅读有关设备的使用手册。知识点3 MACH器件的内部结构MACH（Macro Array CMOS High-density）器件是复杂的PLD（CPLD-Complex PLD），采用CMOS电可擦工艺制造。器件有两种编程方法：一种须在编程器上对器件进行编程；另一种在系统可编程（ISP-In System Programmability）。图2 MACH4系列器件的基本结构均相同，其主要差别仅体现在容量上，如：引脚数和宏单元数等不同。MACH 435器件的基本结构如图24所示。MACH4的结构是由多个优化的PAL块和一个中央开关距阵互连而成。中央开关矩