计算机基础 微型计算机原理与应用 电子教案 教学课件

第1章计算机根底知识

【内容提要】首先简要介绍计算机的产生与开展过程，计算机的类型、特点、应用与开展趋势；然后讲述计算机中数的表示与运算、常用逻辑电路，计算机的根本组成原理，工作过程；最后，简要介绍微型计算机系统的组成。【重点难点】重点是计算机的五个根本组成部件与功能，计算机中数的表示与运算，常用组合逻辑电路、根本时序电路、运算器、控制器及存储器的组成原理与工作过程。难点是计算机中数的表示与运算、触发器、全加器、计数器、运算器、控制器和存储器的组成原理与计算机工作过程。第1章计算机根底知识1.1计算机的产生与开展1.2计算机的类型、特点与应用1.3计算机中数的表示与运算1.4逻辑运算与电路1.5计算机的根本组成原理与工作过程1.1计算机的产生与开展计算机的产生与开展伴随着人类社会开展的全过程，是人类劳动的成果、智慧的结晶。1.1.1计算机的产生1.1.2计算机的开展1.1.1计算机的产生在漫长的历史长河中，人类创造和创造了许多算法与计算工具，例如我国商朝时期的算珠、唐宋时期创造的算盘，欧洲16世纪以后出现的计算圆图、对数计算尺等。1642年，法国物理学家帕斯卡〔BlaisePascal〕创造了齿轮式加法器；1822年英国剑桥大学查尔斯.巴贝奇〔CharlesBabbage〕教授提出了“自动计算机〞概念，1834年设计成一台分析机，由五个根本部件组成，即输入装置、处理装置、存储装置、控制装置和输出装置。1847年英国数学家乔治·布尔〔GeorgeBoole〕创立了逻辑代数。1944年美国哈佛大学霍华德.艾肯〔HonwardAiken〕设计，IBM公司制造成MarkI计算机，使用十进制齿轮组作为存储器，使巴贝奇的梦想变成了现实。1946年美国宾夕法尼亚大学的约翰.莫克利〔JohnMauchly〕和普雷斯普尔.埃克特〔J.PresperEckert〕主持研制成世界上第一台电子数字计算机“埃尼阿克〞。使用18800多个电子管、1500多个继电器，占地170m2，重30t，耗电150kW，内存储器容量17KB，字长12位，每秒5000次加法运算。由于存储容量小，没有完全实现“存储程序〞思想。1951年在冯·诺依曼〔JohnvonNeumann〕的主持下，研制成EDVAC，完全实现了“存储程序〞的思想，故称为冯·诺依曼计算机。1.1.2计算机的开展自从第一台电子计算机诞生以来，计算机经历了四个时期，也称为四代。现在，又在向第五代智能化计算机的方向开展。1.第一代计算机1946～1958年，根本电子器件是电子管，主存使用延迟线，外存有穿孔纸带、穿孔卡片和磁鼓，运算速度为每秒几千到几万次，编程语言是最根本的机器语言和汇编语言，用于科学计算。特点：存储容量小，体积大，功耗大，本钱高。后期使用磁芯存储器，且出现了高级语言。2.第二代计算机1959～1964年，根本电子器件是晶体管，主存使用磁芯存储器，外存有穿孔纸带、磁鼓、磁盘和磁带等。编程语言有汇编语言和高级语言，比方FORTRAN、COBOL、ALGOL等。且出现了操作系统，运算速度可到达每秒100万次以上。体积、功耗减小，可靠性提高，用于科学计算和自动控制。3.第三代计算机1964～1971年，根本电子器件是集成电路。主存以磁芯存储器为主，外存有磁盘和磁带。操作系统进一步开展，高级语言种类增加，功能增强。体积减小，功耗降低，运算速度到达每秒1000万次以上。产品向标准化、模块化和系列化的方向开展，且与通信技术结合，出现了计算机网络。用于科学计算、工业自动控制、数据信息处理和事务管理等方面。4.第四代计算机1971年到现在，根本电子器件是大规模或超大规模集成电路，主存使用半导体存储器，外存主要有磁盘、磁带和光盘。其产品进一步向标准化、模块化、系列化和多元化开展，运算速度达每秒几亿至千万亿次以上。在结构上产生了多处理机系统。尤其是上世纪80年代以来，微型机、多媒体计算机迅速开展，且与通信技术结合，产生了全球Internet。在第四代计算机产生以后，人们就期待第五代智能计算机的诞生。希望模拟人的大脑、具有逻辑思维和推理功能。随后出现了专家系统、人工智能、模糊计算机和神经网络技术的研究。如今，又开始了真实〔现实〕世界计算〔Realworldcomputing〕的研究。这些，标志着第五代计算机在向我们走来。1.2计算机的类型、特点与应用1.2.1计算机的类型、特点与性能指标1.2.2计算机的应用与开展趋势1.2.1计算机的类型、特点与性能指标1.计算机的类型按其信息表示的方式分为两大类，即模拟计算机和数字计算机。目前，主要是指电子数字计算机，且有多种分类方式。常用的有两种：〔1〕按用途分为：专用机和通用机；〔2〕按其系统结构和数据处理能力分为：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机等。巨型机：规模大，综合处理能力强，字长长，存储器容量大，指令功能全，数据处理能力强，运算速度快。大型机次之，中、小型机再次之。微型机：体积小，主要指台式计算机、笔记本电脑等。单片机是将计算机的主要部件制作在一块集成电路芯片中，亦属微型计算机。随着微电子技术的开展，巨型机、大、中、小型计算机之间的界线越来越模糊。另外，在微型机与小型机之间还有一种工作站，它比微型机的功能强，而比小型机略小一些。除上述各种类型外，还有各种嵌入式芯片、掌上电脑和电脑等。此外，还有各种专用机，比方工业控制机、语言翻译机、收款机及游戏机等。2.主要特点(1)由根本电子器件构成，采用二进制计数，按物理结构仅能进行算术逻辑运算；假设配以程序，可进行复杂数值计算、工程设计、图形图像及多种媒体信息的处理、人工智能研究、自动控制等。因此，常称为计算机系统。(2)按照“存储程序〞的方式进行工作。(3)具有超强的信息存储和高速的运算与信息处理能力。运算速度达万亿次/秒以上。(4)与通信网络连接，构成全球的计算机通信网，实现信息交流与资源共享。(5)随着人工智能的研究，模式识别与逻辑推理已经成为现代计算机的重要功能，比方指纹相貌识别、案情诊断等。总而言之，人们所进行的任何复杂的脑力工作，只要能分解为计算机可执行的根本操作，计算机就能按人的意愿自开工作。所以称为“电脑〞。但是它不可能完全代替人脑。3.主要性能指标(1)字长:字长是计算机一次直接处理二进制数据的位数，一般与运算器的位数一致，字长越长，运算精度越高。一般字长有8位、16位、32位和64位等。(2)运算速度运算速度是每秒执行根本指令的条数。表示单位有次/秒、百万次/秒、亿次/秒等。(3)主频是计算机的主时钟频率，反映计算机的运算速度，单位是赫兹〔Hz〕，实际使用MHz、GHz，比方PentiumⅢ/866、PentiumIV/3.2。(4)内存储器容量以字节为单位，常用KB、MB、KMB或GB表示。(5)外存储器容量在微型机中，常指硬盘，其容量用MB、KMB、GB、MMB或TB表示。此外，还有功耗、无故障率、电源电压以及软件兼容性等。1.2.2计算机的应用与开展趋势1.计算机的应用概括起来有以下几个方面。(1)科学计算：比方空间技术、机械制造、遗传工程、大型建筑物的设计、天气预报、大系统工程的论证以及石油勘探等，都需要大量的精确计算，需要计算机完成。(2)信息处理与办公自动化：比方财务管理、人事档案管理、银行业务、证券市场、民航铁路运输、国民经济中的统计、规划及预算等。计算机及其网络是必备的技术与工具。(3)自动控制：在现代自动控制中，计算机是其控制中枢。比方自动化生产线、电力传输、无人工厂、航天飞行器、火箭、导弹等，都是依靠计算机进行控制和管理的。(4)Internet：普及全球，可进行全球化信息查询、邮件传送、票据兑付、银行存贷款、文化娱乐、学习及电子商务等活动，已成为政府、企业、甚至个人日常生活的重要组成局部。(5)邮电通信与数字信号处理：如今各种跨地域的邮电通信、卫星通信都是依靠计算机进行控制的；通过互联网可传送电子邮件与信函，可视化信息传送。如今的DSP(Digitalsignalprocessor)处理器，已经成为多媒体信息处理与通信中的主流“嵌入式〞技术。(6)计算机辅助设计、辅助制造与辅助测试：CAD、CAM和CAT是利用计算机帮助人们进行工程设计、模拟制造和测试。(7)计算机辅助教学与远程教育：利用计算机把各种知识通过视图演示出来，比方人体解剖、血液循环系统等；驾驶员、飞行员可通过计算机进行模拟训练。通过计算机网络传送教学内容，实施管理，可实现跨地区的远程教育。(8)人工智能的研究：利用计算机模拟人类大脑神经系统的逻辑思维、逻辑推理，使计算机通过学习进行知识积累、知识重构和自我完善。比方专家系统、人工智能、神经网络技术、真实(现实)世界计算的研究等。(9)机器人：机器人是一门涉及多种学科领域的综合技术，计算机是其控制中枢。它的开展依赖于计算机，也是计算机应用的一个重要方面。(10)智能仪器仪表与家用电器：是把各种测量技术与计算机结合起来，采用人工智能技术把对信号的测量、分析、综合处理结合起来，从而构成智能化的仪器仪表。再配以通信接口，可与控制网络连接。各种家用电器、影像设备、电子游戏机都引入了微处理器或单片机，实现了人们常说的“电脑控制〞。除了上述几个主要方面之外，计算机还广泛用于交通运输、医疗卫生、农业生产、国防、公安、保卫以及气象等方面。2.计算机的开展趋势可概括为巨型化、微型化、网络化和智能化。(1)巨型化：仍然是计算机开展的重要的方面。主要指阵列机、流水线/并行处理技术、多处理机系统的研究，建立新型系统结构，比方数据流计算机、归约机等。(2)微型化：体积进一步缩小，结构进一步紧凑，功能进一步增强。比方个人台式计算机、专用工业控制机、笔记本电脑、单片机装置、掌上电脑以及各种DSP芯片等。(3)网络化：各种局域网、广域网普及全球，Internet业已融入到我们的日常生活中，在科学研究、通信、电子政务、电子商务、行业管理、远程教育以及平安保卫中发挥着重要的作用。(4)智能化：主要包括三个方面，即知识工程、模式识别和机器人学，其核心是知识工程。目前开展很快，也是第五代计算机研究的目标。1.3计算机中数的表示与运算在计算机中，用高电平表示“1〞，低电平表示“0〞；或者用低电平表示“1〞，高电平表“0〞。前者称为正逻辑表示法，后者称为负逻辑表示法。然后再用“1〞和“0〞进行编码，表示其它的数字和符号。1.3.1二进制数的表示与运算1.3.2二进制数与其他进制数之间的转换1.3.3十进制数与字符的二进制数表示法1.3.4原码、补码、反码及运算法那么1.3.5定点数与浮点数1.3.1二进制数的表示与运算1.二进制数的表示在珠穆朗玛峰的高度8844.43米可表示为：8844.43=8×103+8×102+4×101+4×100+4×10-1+3×10-2称为按权展开式，基数为10。取不同的基数，可得到不同的进位计数制。假设令基数=2，那么得到二进制数。例如：100110.101，按权展开式如下：100110.101=1×25+0×24+0×23+1×22+1×21+0×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3由于各位有固定的“权〞，因此这样表示的数称为“加权数〞或者“权码〞。二进制数各位的权如表1.1所示。表1.1二进制数各位的权i2ii2ii2i-10.501664-20.25127128-30.125248256-40.0625389512-50.03125416101024-60.015625532112048在计算机中，有时也使用八进制和十六进制，基数分别是8和16。八进制数符有0，1，2，……，7；十六进制数符有0，1，2，……，9，A(10)，B(11)，……，F(15)。为了区分不同进制的数，分别以B、O(或Q)、D、H作为后缀。例如：10110101B，1247Q，1247D，1AB3H。十进制数的后缀可以缺省。2.二进制数的运算二进制数的运算主要有算术运算和逻辑运算。其中算术运算有四种，即加、减、乘、除，运算规那么非常简单，下面举例说明。(1)加法运算例如1101+1011=110000+0=00+1=11+0=11+1=101100010111101+

011101101101-0-0=01-0=11-1=010-1=1(2)减法运算例如1101-0110=01110×0=00×1=01×0=01×1=1110101101101×00001101+1001110(3)乘法运算例如1101×110=10011100÷0=00÷1=01÷1=1(4)除法运算例如11011÷101=101余1011011-

)10110111110101-

1011.3.2二进制数与其他进制数之间的转换

常用的转换方法有多项式替代法和基数乘除法。1.多项式替代法是将欲转换的数按权展开成多项式，再将多项式中的数符和基数换成要转换的进位计数制的相应数符，然后按所要转换的进位计数制计算此多项式，其值即为转换结果。

【例1.1】二--十转换,(1001.11)2=(?)10

解：(1001.11)2=(1×23+0×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-2)10=(8+1+0.5+0.25)10=(9.75)10

【例1.2】八--十转换,(372.01)8=(?)10

解：(372.01)8=(3×82+7×81+2×80+0×8-1+1×8-2)10=(250.015625)10

【例1.3】十六--十转换,(B5.8)16=(?)10解：(B5.8)16=(11×161+5×160+8×16-1)10=(181.5)10在转换过程中整数局部和小数局部一并进行。2.基数乘除法(1)基数除法---整数转换假设将十进制整数转换成另一进制的数，可在十进制中用另一进制的基数去除该数，所得到的余数即是另一进制数的最低整数位。然后继续去除其商，于是又得一余数，为另一进制数的次低位，……直到商为0。再将所得到余数的数符换成另一进制的相应数符，按先后顺序由低位到高位排列起来。217……余128……余024……余022……余021……余10【例1.4】

十--二转换，(17)10=(?)2所以(17)10=(10001)2【例1.5】十--八转换，(127)10=(?)88127……余7815……余781……余70

所以(127)10=(177)8【例1.6】十--十六转换，(258)10=(?)1616258……余21616……余0161……余10

所以(258)10=(102)16

(2)基数乘法--小数转换假设将十进制小数转换成另一进制的数，可在十进制中用另一进制的基数去乘该数，所得到的整数就是另一进制数的最高小数位。然后再乘所得积的小数局部，于是又得一整数，为另一进制数的次高小数位。如此继续下去，直到乘积的小数局部为0或者到达转换精度为止，再将所得到整数的数符换成另一进制的相应数符，即得另一进制的小数。【例1.7】十--二转换，(0.275)10=(?)20.275 ×2 0.550 ……整数部分为0 ×2 1.100 ……整数部分为1 0.100 ×2 0.200 ……整数部分为0 ×2 0.400 ……整数部分为0 ×2 0.800 ……整数部分为0 ×2 1.600 ……整数部分为1 0.600 ×2 1.200 ……整数部分为1 0.200 ……循环所以(0.275)10=(0.0100011)2【例1.8】十--八转换【例1.9】十--十六转换请自己阅读分析，这里不再一一列举。不难看出，整数转换后仍是整数，小数转换后仍是小数。因此，对于混小数，可分成整数和小数两个局部分别转换，然后加起来。3．二--八进制与二--十六进制转换由于8和16都是2的整数次幂，因而转换十分简单。下面举例说明。(1)二--八进制转换由于23=8，即1位八进制数可用3位二进制数来表示，在转换时，直接按位进行。【例1.10】将二进制数1100101.0101B转换成八进制数。过程：从小数点开始向左和向右每3位一组，高位和低位不够3位时补0001

100

101.010

1002.1454即1100101.0101B=145.24Q【例1.11】将八进制数72.46Q转换成二进制数。过程如下：111

010

.100

110.2467即72.46Q=111010.100110B

(2)二--十六进制转换由于24=16，因此1位十六进制数可用4位二进制数表示，可直接按位进行。

【例1.12】将二进制数101101110.1001001B转换成十六进制数。过程:从小数点开始向左和向右每4位一组，高位和低位不够4位时补0，即0001

0110

1110.1001

001016E9.2即101101110.1001001B=16E.92H

【例1.13】将十六进制数2B8.A5H转换成二进制数。采用按位转换法，过程如下：0010

1011

1000.1010

01012B8A.5即2B8.A5H=1010111000.10100101B1.3.3十进制数与字符的二进制数表示法表在计算机中，十进制数和字符必须用一组二进制数来表示，称为该十进制数或字符的编码。下面着重介绍BCD码和ASCII码。1.BCD码也称二---十进制编码，用四位二进制数的前十个状态来表示十进制数的０～９，如表1.2所示。各位保持一般二进制数的权，即8，4，2，1。因此，称为8421码，是一种“加权码〞。在8421码中1010～1111被视为非法码。2．ASCII码 ASCII〔AmericanNationalStandardCodeforInformationInterchange〕，十进制数对应的BCD码01234567890000000100100011010001010110011110001001102564096000100000010010101100100000010010110表1.28421BCD码

是美国国家标准信息交换代码，除十进制数之外，还包含运算符、英文字母、常用符号及一些控制命令。采用7位二进制数进行编码，可表示128种数符和令，如表1.3所示。b6b5b4b3b2b1b00000010100111001011101110000NULDLESP0@P`p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2“2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB‘7GWgw1000BSCAN（8HXhx1001HTEM）9IYIy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+；K〔k{1100FFFS，<L\l|1101CRGS-=M〕m}1110SORS.>N↑n~1111SIUS/?O↓oDEL表1.3ASCII码表在实际使用时，ASCII码常以二进制数或十六进制数的形式书写。例如字母“W〞的ASCII码为1010111B，十六进制表示为57H，数符“4〞ASCII码为0110100B，十六进制表示为34H。一个字节8位，ASCII码占低7位，最高位补0，或者作奇/偶校验位。1.3.4原码、补码、反码及运算法那么1．机器数在计算机中数有两种，即无符号数和带符号数。为表示正数和负数，常用最高位作为符号位，用“0〞表示正数，“1〞表示负数。例如：符号位﹢101001101010011–010100110101001这种用“0〞和“1〞作为符号，所表示的数称为机器数，其实际的数值称为真值。由于机器数有一定的长度，即字长。因此，所表示数的范围就有一定的限制。比方8位可表示的最大无符号数为255〔11111111〕，最大带符号正数为127〔01111111〕。因此，当数据超过最大正值或最小负值时，称为溢出。2．原码与真值把二进制数的符号用0或1表示，那么这样的数称为原码，记作[X]原，而X本身的值称为真值。假设设机器字长为n，那么原码的定义为：

其中2n-1称为模。例如：X1=+1110010，那么[X1]原=01110010X2=-0111001，那么[X2]原=10111001机器字长n=8时，[+1]原=00000001[-1]原=10000001[+127]原=01111111[-127]原=11111111[+0]原=00000000[-0]原=10000000[X]原=X0≤X≤2n-1–12n-1+|X|–(2n-1–1)≤X≤03.补码与运算(1)补码的概念对表时，可以正转，也可以倒转。比方现在是下午2点，而种表指示上午10点。这时可正转4个小时或倒转8个小时。对于12来说，+4和-8是等价的。可以说，+4和-8相对于12“互为补码〞，12称为“模〞。早期计算机中，减法(负数)运算转换成相应补码的加法运算。在用补码表示时，二进制数X记为[X]补；假设设机器字长为n，那么补码的定义为：[X]补=X0≤X≤2n-1–12n+X–2n-1≤X＜0其中2n称为模。例如：X=+1001101那么[X]补=01001101Y=-0101011那么[Y]补=11010101当机器字长n=8时，[+1]补=00000001[-1]补=11111111[+127]补=01111111[-127]补=10000001[+0]补=[-0]补=00000000补码的求法可概括为：正数的补码与原码相同，负数的补码是将其原码除符号位外，各位变反，末位加1。(2)补码运算①补码加法[X]补+[Y]补=[X+Y]补〔mod2n〕其中|X|、|Y|以及|X+Y|都小于2n-1(以免溢出)。根据补码定义证明:设有两个数X和Y，那么[X]补=2n+X，[Y]补=2n+Y[X]补+[Y]补=2n+X+2n+Y=2n+1+(X+Y)=[X+Y]补因此，不管带符号的两数是正数还是负数，其和的补码等于两数补码之和。【例1.14】X=+10010，Y=-01111，求[X+Y]补

[X]补=010010

+[Y]补=110001[X+Y]补=1000011符号位的进位，丢掉解:

[X+Y]补=000011②补码减法补码减法法那么可由补码加法推出：X-Y=X+(-Y)[X-Y]补=[X+(-Y)]补=[X]补+[-Y]补即，求[X-Y]补实际上就是求[X]补与[-Y]补的和。不难证明[-Y]补等于[Y]补的每一位〔包括符号位〕按位变反，末尾加1。【例1.16】X=-0111000，Y=-0010001，求[X-Y]补解：[X]补=11001000[Y]补=11101111，[-Y]补=00010001符号位的进位，丢掉

[X]补=101110

+[Y]补=110101[X+Y]补=1100011解：

[X+Y]补=100011【例1.15】X=-10010，Y=-01011，求[X+Y]补4.反码与运算(1)反码的概念正数的反码与原码相同，负数的反码是将其原码除符号位外，各位变反。在用反码表示时，二进制数X记作[X]反；假设设机器字长为n，那么反码的定义为：其中2n–1称为模。例如：X1=+1001101那么[X1]反=01001101X2=-0101011那么[X2]反=11010100[X]补=11001000

+[-Y]补=00010001[X]补+[-Y]补=11011001[X-Y]补=[X]补+[-Y]补=11011001[X]反=X0≤X≤2n-1–1(2n–1)+X–(2n-1–1)≤X≤0当字长n=8时，[+1]反=00000001[-1]反=11111110[+127]反=01111111[-127]反=10000000[+0]反=00000000[-0]反=11111111(2)反码运算与补码加减法类似，其运算规那么为：[X+Y]反=[X]反+[Y]反[X-Y]反=[X]反+[-Y]反其中[-Y]反等于[Y]反按位变反。由于反码以2n-1为模，所以相加时如果最高符号位有进位，那么该进位要加到最低位去，即循环进位。5.溢出判断溢出一般发生在两正数或两负数相加时。设X的符号为SX，Y的符号为SY，结果的符号为SS。两正数相加(即SX=SY=0)，没有溢出，符号位SS=0；如果溢出，那么SS=1。两负数相加(即SX=SY=1)，没有溢出，符号位SS=1；如果溢出，那么SS=0。即：溢出=SXSY¯SS+¯SX¯SYSS另一种判别法：设CS为符号位的进位，CP为数值最高位的进位。假设两个进位状态相同〔CSCP=00或11〕，那么没有溢出；假设不同〔CSCP=01或10〕，那么溢出，即CSCP=11.3.5定点数与浮点数科学表示法：1234.56=0.123456×104。二进制数可写成：1101.011=0.1101011×2100。一般形式：N=2J×SN为任意二进制数，S是二进制纯小数，称为尾数；J是二进制整数，称为阶码。S表示N的有效数字，J说明小数点的位置。如果阶码固定不变，称为定点数。如果阶码可取不同的值，那么称为浮点数。(1)定点数：阶码固定不变，可以省去。计算装置的所有位都表示有效数字。为简单起见，阶码可以取0，即纯小数；或者取n-1，即整数。(2)浮点数：阶码可取不同的值，但是有固定的格式。假设设阶码2位，尾数4位，比方N=210×0.1010，其表示格式如图1.2所示。

对于n位计算装置，设一个符号位，定点数N=1010111的表示格式如图1.1所示。1.4逻辑运算与电路

1.4.1逻辑运算

1.4.2门电路

1.4.3触发器

1.4.4组合逻辑电路

1.4.5时序电路1.4.1逻辑运算逻辑运算的理论根底是布尔代数，其变量称为逻辑变量或布尔变量，根本运算有“与〞、“或〞、“非〞,以后又增添了“异或〞和“同或〞运算。各变量之间的关系，称为逻辑关系。用运算符把逻辑变量连接起来的式子称为逻辑表达式。逻辑代数也称为开关代数。1.“与〞运算(AND)也称为逻辑乘或逻辑积，运算符有“∙〞或“∧〞或“∩〞。它是参加运算的两个数都是1时，结果为1；假设有一个或者两个都是0时，结果为0。设A、B和F为逻辑变量，关系表达式有F=A∙B、F=A∧B、F=A∩B，运算如下:0∧0=0例如

1100∧1011=1000100010111100Ù0∧1=01∧0=01∧1=1

如果用A、B表示开关，F表示电灯，如图1.3所示连接。它们之间的关系如表1.4所示，这种表称为真值表。对于三变量逻辑“与〞运算，表达式为F=A∙B∙C。

2.“或〞运算(OR)也称为逻辑加或逻辑和，运算符有“+〞或“∨〞或“∪〞，均读为“或〞。它是参加运算的两个数有一个是1，或者两个都是1时，结果为1；假设两个都是0，结果为0。

表1.4逻辑“与”真值表

ABF000110110001图1.3开关A、B串联设A、B和F为逻辑变量，关系式F=A+B、F=A∨B、F=A∪B均表示F等于A“或〞B。当A和B取不同值时，运算如下:0∨0=0例如1100∨1011=1000 0∨1=11∨0=11∨1=1用A、B表示两个开关，F表示电灯，如图1.4所示。其真值表如表1.5所示。对于三变量逻辑的“或〞运算，表达式为F=A+B+C。

表1.5逻辑“或”真值表

ABF000110110111110110011100∨图1.4开关A、B并联3.“非〞运算(NOT)也称为“求反〞，运算符为“¯〞，称为“非〞号。它是参加运算的数为1时，结果为0；参加运算的数为时0，结果为1。设A和F为逻辑变量，关系式F=A。运算如下：O=1例如设X=1001，那么X=01101=0如果用A表开关，F表示电灯，如图1.5所示，值表如表1.6所示。

表1.6逻辑“非”真值表

AF0110图1.5开关A与电灯并联4.“异或〞运算(XOR)亦称为按位加或者模2加，使用的运算符为。关系式F=AB，运算如下:00=0例如11001010=011001=110=111=0“异或〞运算的真值表如表1.7所示。101001101100♁

表1.7逻辑“异或”真值表

ABF0001101101101.4.2门电路逻辑门电路是构成计算机最根本的电路，下面仅从外部性能介绍几种常用的电路。1.“与〞门通常“与〞门的输入端可有2、4、8个，而输出端只有一个，其表示符号如图1.6所示，逻辑表达式为F=A·B。

假设以高电平表示1，低电平表示0时，称为正逻辑，反之为负逻辑。“与〞门的真值表与逻辑“与〞的真值表相同，如表1.4所示，两输入端都是1时，输出端F为1；否那么为0。图1.6“与〞门逻辑符号2.“或〞门“或〞门反映的是输入与输出之间逻辑“或〞的关系，输入端可有2、4、8个，输出端只有一个，其表示符号如图1.7所示，逻辑表达为F=A+B，真值表与逻辑“或〞的真值表相同，如表1.5所示，输入端有一个是1，或者两个都是1时，输出端F为1；否那么为0。3.“非〞门又称反相器，有一个输入端和一个输出端。当输入端A为1时，输出端F为0；当输入端A为0时，输出端F为1。它的表示符号如图1.8所示，真值表与逻辑“非〞相同，如表1.6所示。4.“与非〞门是在“与〞门的后面串接一级“非〞门，表示符号如图1.9所示，真值表如表1.8所示。也就是说，当输入端A和B都是1时，输出端F为0；否那么为1。5.“或非〞门是在“或〞门的后面串接一级“非〞门，表示符号如图1.10所示，逻，真值表如表1.9所示。也就是说，当输入端A和B有一个是1，或者两个都是1时，输出端F为0；否那么为1。

表1.8“与非”门真值表

ABF000110111110

表1.9“或非”门真值表

ABF000110111000

是将“与〞门和“或〞门串接起来，表示符号如图1.11(a)所示，真值表如表1.10中的F所示。也就是说，当A、B同时为1，或者C、D同时为1，或者4个输入端都为1时，输出端F为1；否那么0。6.“与或〞门:图1.10“或非”门逻辑符号表1.10“与或”及带“非”门真值表ABCDFF0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111010101100101011001010110101010107.“与或非〞门是在“与或〞门的后面串接一个“非〞门，其表示符号如图1.11(b)所示，真值表如表1.10中的F所示8.“异或〞门当两个端入端的状态相反时，输出为1，否那么输出为0，其表示符号如图1.12所示，真值表如表1.7所示。如果“异或〞门的后面再串接一级“非〞，就构成“异或非〞门，其输出状态与“异或〞门相反。F=AB=AB+AB图1.12“异或”门逻辑符号9.三态门三态门有三种输出状态，即高电平(1)、低电平(0)和高阻态。逻辑符号如图1.13所示。其中图(a)、(b)为同相输出，图(c)、(d)为反相输出，图(a).〔c〕为高电平控制，图(b)、(d)为低电平控制。也称为三态缓冲器。控制信号无效时，输出高阻态，信号不能输出。图1.13三态门逻辑符号

除了以上门电路之外，还有集电路极开路的门电路，称为功率门或OC门路。使用时，通过外接电阻与电源连接，这样可提高输出驱动能力或者获得高电压输出。1.4.3触发器触发器是一种具有记忆功能的器件，有两种稳定状态，分别表示1和0。常用来构成存放器、计数器等部件。触发器有多种组成形式，比方R-S触发器、D触发器、J-R触发器及T触发器等，这儿仅介绍计算机中最常用的两种。1.R-S触发器R-S触发器是一种最根本的触发器，其组成与逻辑符号如图1.14所示，由两个“与非〞门电路构成。有两个输入端R和S，两个输出端Q和Q。当Q端为高电平，Q端为低电平时，表示存“1〞；当Q端为低电平，Q为高电平时，表示存“0〞。其状态如表1.11所示。除了根本R-S触发器之外，还有一种由时钟信号触发的R-S触发器，其组成与逻辑符号如图1.15所示。当时钟信号到来时，R和S端的数值输入给根本R-S触发器，并由根本R-S触发器保存。当时钟信没有到来时，R和S端的信息不能输入，这样使根本R-S触发器所存储的数据信息不受输入端信号变化的影响。表1.11R-S触发器状态

RSQ11100100Q010Q*2.D触发器D触发器的逻辑符号如图1.16所示。其中D为数据输入端，CP为时钟脉冲输入端，Q和Q分别是两个反相输出端。D触发器由6个“与非〞门构成，除了根本的R-S触发器之外增加了维持--阻塞引导电路。当数据输入端D输入1〔高电平〕，且CP脉冲到来时，Q端输出高电平，Q端输出低电平，CP脉冲消失，数据1保持。当数据输入端D输入0〔低电平〕，且CP脉冲到来时，Q端Q输出低电平，Q端输出高电平，即存入0。RD和SD分别是复位端和置位端，电平有效。输出与输入端的状态相同，如表1.12所示。

表1.12D触发器状态表

DQ0110图1.16D触发器1.4.4组合逻辑电路由根本逻辑门电路构成的具有一定功能的电路，常见的有算术逻辑部件和译码器等。1.半加器简单半加器由“异或〞门和“与〞门构成，如图1.17所示。“异或〞门产生“和〞S，“与〞门产生“进位〞C。两个输入端，不能考虑进位。其中S称“半加和〞，C称“半进位〞。真值表如表1.13所示。逻辑表达式如下:S=AB=AB+ABC=AB

表1.13半加器真值表ABSC0001101100101001

表1.14全加器真值表

AiBiCi-1sici00001111001100110101010100101001100101112.全加器

可由“异或〞门和“与非〞门构成，如图1.18所示，真值表如表1.14所示。Ai、Bi：本位两加数，Si：本位“和〞，Ci：本位进位，Ci-1：低位进位。全加器逻辑表达式：Si=Ai♁Bi♁Ci-1Ci=(Ai♁Bi)Ci-1+AiBi假设把几个全加器连接起来，构成n位的加法器，如图1.19所示。其中第0位也可使用半加器。3.译码器用来把一种代码或数值转换成另一种代码或者控制信号。例如存储器地址译码。这种电路称为译码器，可提供唯一的或多位输出。图1.20所示是将三位代码转换成8种输出状态的3-8译码器，由“与〞门构成，常用作存储器地址译码器，真值表如表1.15所示。这种译码器也可用“与非〞门构成，其输出与图1.20所示的输出相反。另外，译码器也可以排列成阵列，如图1.21所示，称为译码矩阵。另外，译码电路也可用二极管构成。

表1.15全加器真值表

CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y700000101001110010111011110000000010000000010000000010000000010000000010000000010000000011.4.5时序电路在时序信号的控制下一拍一拍地工作。例如存放器、计数器等。1.存放器存放器用来暂存数据、指令和地址，由触发器构成，每位一个触发器。如果配以控制电路，还可实现左移位或者右移位的功能。图1.22是由4个D触发器构成的4位存放器。时钟脉冲到来时，D3～D0输入的数据送相应的D触发器，时钟脉冲结束，数据锁存.图1.23所示是4个D触发器构成的移位存放器。每来一个移位脉冲，数据左移一位。除了左移位存放器之外，还有右移位存放器及左右均可移位的存放器。2.计数器主要由存放器构成，增添计数信号输入电路。可实现增量计数和减量计数。图1.24所示是4位加1计数器，计数范围为0～15〔24-1〕。计数过程如下：设初始状态为0，正脉冲触发，那么所有触发器的Q端为低电平，Q0为高电平。计数脉冲到来(上跳沿)时，因D0端接高电平，因此Q0端变为高电平，Q0变为低电平，即计数1；其它触发器的CP端没有上跳信号，保持不变。下一个计数脉冲(上跳沿)到来时，因D0端接低电平，触发器D0由1变成0。同时，Q0端由低变高，成为触发器D1的触发信号。由于Q1是高电平，接到D1的输入端，因此触发器D1置1，计数值为0010。下一计数脉冲到来时，D0置1，计数值变成0011；再来一个计数脉冲，D1D0变成00，D2变成1，那么计数值为0100，…。加1计数器除对脉冲信号(CP)计数外，还起分频作用，如图1.25所示，其中Q0相对于CP为2分频，Q1相对于CP为4分频，Q2相对于CP为8分频，Q3相对CP为16分频。计数器的种类很多，有二进制计数器、十进制计数器，有加1计数器、减1计数器，加1/减1计数器及可预置初值计数器等。在以上逻辑电路中，均以高电平表示“1〞，低电平表示“0〞，即正逻辑表示。也可以用高电平表“0〞，低电平表示“1〞，即负逻辑表示。按正逻辑设计的“与〞门可作为负逻辑的“或〞门，按正逻辑设计的“或〞门可作为负逻辑的“与〞门。1.5计算机的根本组成原理与工作过程1.5.1计算机的根本组成原理1.5.2指令与程序1.5.3程序执行过程1.5.1计算机的根本组成原理1.概述(1)计算机的根本工作过程电子数字计算机是用电子器件构成的，可进行各种数值计算、数据处理、图像处理、信息存储和过程控制的机器，它既能进行快速加、减、乘、除等算术运算，又能进行逻辑运算和程序存储。下面通过具体算式Y=a×b+c×d的求解步骤，说明计算机的根本工作过程。在用计算机求解时，首先通过输入设备把原始数据和解题步骤输入到计算机中存储起来，然后取出数据a、b，求a×b，并保存中间结果；再取出数据c、d，并求c×d，然后与中间结果a×b相加，即求a×b+c×d；最后再把结果赋给变量Y，停机。也可以输出显示或者打印。通常，计算机的每一动作或所做的每一件事情称为操作。参加运算的数称为操作数，操作数的位数称为字长。常以8位为一组，称为一个字节。解题步骤由专门的命令来表示，称为指令，用二进制数表示，称为指令码或指令字，指令的位数称为指令的字长。指令格式有多种。图1.26所示，一般包括两个局部：操作码和操作数〔或操作数地址〕。种类：单地址指令、双地址指令和多地址指令。单字节指令，二字节或三字节指令。上述求解过程需要多条指令，这多条指令顺序排列，成为一个有序的集合，称为程序。计算机运行时，其指令逐条取出，执行。(2)计算机的根本组成计算机的根本组成如图1.27所示，主要包括存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备。称为计算机的硬件设备。各设备之间通过共用的线路连接，进行数据信息的传送。这种线路统称为总线BUS。

2.存储器存储器分为内存储器和外存储器。其中内存储器用来存放正在执行的程序和进行运算的数据；外存储器存放暂不执行的程序和不参加运算的数据。(1)内存储器内存储器简称为内存或者主存，如图1.28(a)所示，由存储体、地址存放器、地址译码器、三态输入/输出缓冲器和读/写控制逻辑电路组成。存储体如图1.28(b)所示，由许多存储单元组成，每一个单元各有地址。每一个地址单元为一个字节。在图(a)中，地址8位，可产生28=256个编号，即最大寻址范围。10位地址，寻址范围为210=1024，通常称为1K；20位地址，寻址范围为1024K，通常称为1M〔兆〕；30位地址，寻址范围为1KM，也可用G(吉)表示。地址存放器接收地址A7～A0，然后送地址译码器译码，以选择某一存储单元。输入输出缓冲器用来暂存由存储器中取出的数据或者要存入存储器的数据。从存储器中取出数据称为读出，存入数据称为写入，由读/写控制逻辑电路来控制。另外，内存储器按使用的方式可分为两种类型：随机存取存储器，即RAM(Randomaccessmemory)。只读存储器，即ROM(Readonlymemory)：ROM、PROM、EPROM和E2PROM。(2)外存储器外存储器也称为辅助存储器，容量大，设置在计算机的外部，有磁盘、磁带及光盘等。3.运算器运器算如图1.29所示，(Arithmeticandlogicunit，ALU)由累加器、暂存存放器、状态标志存放器和加法器组成。加法器是运算器的主要组成局部，它包括全加器、加1、减1电路以及BCD码修正电路等。功能主要有：(1)算术运算：加、减、乘、除、加1、减1；(2)逻辑运算：与、或、非、异或、求补；(3)比较；(4)移位：算术移位、逻辑移位、循环移位；(5)位操作：位测试、位置1、位清0；(6)BCD码修正等。在运算器中设有状态标志存放器，存放运算结果的状态特征，如图1.30所示，各位的作用如下：D0：奇/偶标志，用P表示。D2：溢出标志，用OV表示。D6：辅助进位标志，用AC表示。D7：最高进位标志，用C表示。4.控制器控制器如图1.31所示，由程序计数器、指令存放器、指令译码器、微操作控制电路和时序电路组成。程序计数器/指令指针，用PC/IP表示，提供指令在存储器中的地址。程序执行时PC(或IP)中的地址送存储器的地址存放器，经读操作，取出指令，送指令存放器。每取出一条指令(一个字节)，PC/IP自动加1，指示下一条指令的地址。指令存放器存放指令，其中操作码送指令译码器译码，地址码送地址总线。操作码经译码产生控制信号，送微操作控制电路，产生控制运算器、控制器、存储器或输入/输出设备进行某一微小操作的命令。比方翻开某一门电路，控制一次数据传送等。这种操作称为微操作，这一命令称为微指令。微操作控制电路可用硬件逻辑电路或微程序控制构成。CISC采用微程序控制方式；RISC采用硬件逻辑电路。时序电路产生计算机的时钟脉冲和节拍电位，控制计算机一拍一拍地工作。运算器、控制器合称为中央处理器CPU(Centralprocessorunit)中央处理器、