ch3 系统软硬件构造

第3章

系统软硬件构造主要内容逻辑运算与逻辑门其他逻辑电路触发器与加法器从逻辑门到运算器冯·诺依曼结构及原理操作系统基础2一、基本逻辑运算和逻辑门31.关于逻辑逻辑是思维规律，事物因果之间所遵循的规律。逻辑的基本表现形式是命题和推理命题能判断真假的陈述语句推理从前提推出结论的思维过程前题是已知的命题，结论是通过推理规则得出的命题4语句例：2+3=53是偶数明天上午有课吗？3不是偶数小明既学习英语，也学习德语从西安到北京经郑州走，或者经太原走5真命题假命题不是命题并（同时）或者关于逻辑__命题非（否定）复合命题可以由简单命题通过“联结词”所表示的运算得到。命题是逻辑的基本表现形式，所以，“联结词”所表示的运算就是逻辑运算。“并非”“并且”“或者”6“非”运算“与”运算“或”运算关于逻辑__命题命题的“真”和“假”可以对应为在物理上：开关的“断开”和“闭合”，电平的“高”和“低”，……数学上：二进制的“1”和“0”7现代计算机由各种逻辑器件构成，其数学基础是逻辑代数关于逻辑__命题2.逻辑代数逻辑代数由英国数学家乔治·布尔发明主要研究和判断相关的运算用字母表示变量，变量的取值只有0和1“0”对应“假”“1”对应“真”8逻辑运算逻辑运算：用符号来表示命题及其联结关系。例如：“小明既学过英语，也学过德语”以上命题可以符号化为：AandB逻辑运算表示A和B同时发生符合命题3.逻辑运算与基本逻辑门表示两个命题之间具有的逻辑关系基本逻辑运算：“与”、“或”、“非”10ABY000010100111逻辑关系真值表真值表1）“与”逻辑“与”运算仅当输入条件全部为“真”时，输出的结果为“真”若输入条件有一个为“假”，则输出结果为“假”“与”运算符号：

“·”，“∧”若用1表示“真”，用0表示“假”，则与规则：1∧1=11∧0=00∧1=00∧0=011在电路中，与运算相当于开关的串联电路仅当所有开关都闭合时，电路才通电。12“与”逻辑与门（ANDgate）对多个逻辑变量执行“与”运算的门电路&ABY输入（V）输出（V）VA

VBVY000550550.30.30.35输入输出A

BY000110110001输入、输出电压关系输入、输出逻辑关系&ABYX┇2）“或”运算“或”运算输入条件中有一个为“真”，则输出的结果为“真”仅当输入条件全部为“假”时，输出结果才为“假”“或”运算符号：“+”，“∨”“或”运算规则：0∨0=00∨1=11∨0=11∨1=114电路中，“或”运算相当于开关的并联电路仅当所有开关都断开时，电路才无电流通过。15“或”运算对多个逻辑变量执行“或”运算的门电路或门电路（ORgate）≥1ABY输入输出VA（V）VB（V）VY（V）0

00

5505

504.74.74.7输入输出ABY000110110111输入、输出电压关系输入、输出逻辑关系≥1ABYX┇“非”运算：当决定事件结果的条件满足时，事件不发生。非”属于单边运算，只有一个运算对象，运算符为一条上横线。可以表示为：A=B173）“非”运算“非”运算电路的表示：当开关断开时灯亮；开关闭合时灯灭。18“非”运算19非门电路（NOTgate）对单个逻辑变量进行“非”运算F=A1AF由三种基本逻辑运算可以推导出各种其他的逻辑关系，由三种基本逻辑门可以组合出各种复杂的逻辑电路。常见逻辑关系及其门电路有：与非或非异或同或204.

其他逻辑运算及其门电路211）“与非”逻辑“与”运算“与非”运算“非”运算+A·BA∧B逻辑关系：或者“与非”运算22与非门ABF001011101110与非逻辑真值表&ABFF1AB&F’将与门的输出接入非门的输入，构成“与非门”232）“或非”逻辑“或”运算“或非”运算“非”运算+A+BA∨B逻辑关系：或者24或非门F1AB≥1F’将或门的输出接入非门的输入，构成“或非门”ABF≥1ABF001010100110或非逻辑真值表注：25可实现多个变量的“与非”或者“或非”运算“与非门”及“或非门”均为多输入单输出的门电路例：设：A=10101010，B=11110000计算：26101010101111000010100000∧10100000=01011111F=A·B=？F=A+B=？101010101111000011111010∨11111010=00000101=A⊕B273）“异或”逻辑“异或”逻辑关系是在与、或、非3种基本逻辑运算基础上的变换。异或逻辑的布尔代数表达式：“异或”运算是两个变量的运算运算规则：相同则为0。相异则为1。F=A·B+A·B异或运算符异或门对输入的两个逻辑变量执行“异或”运算的门电路28=1ABFABF000011101110异或逻辑真值表异或门是两输入单输出的门电路294）“同或”逻辑“同或”运算是在“异或”运算的基础上再进行“非”运算的结果。同或运算的布尔表达式：“同或”运算是两个变量的运算运算规则：相同则为1。相异则为0。F=A⊕B同或门对输入的两个逻辑变量执行“同或”运算的门电路30ABF001010100111同或逻辑真值表=1ABF思考问题用与、或、非基本逻辑门构造异或门和同或门F=A·B+A·B=A⊕BF=A⊕B主要内容逻辑运算与逻辑门其他逻辑电路触发器与加法器从逻辑门到运算器冯·诺依曼结构及原理操作系统基础32一、触发器与加法器逻辑电路以二进制为原理，由各种逻辑门构成，实现数字信号逻辑运算和操作的电路。组合逻辑电路任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关（没有记忆功能）。时序逻辑电路任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，还与以前的输入有关（有记忆功能）。34351.触发器触发器是由基本逻辑门构造出的一种逻辑电路，具有记忆功能，属于时序逻辑电路。在通电情况下：可以输出高电平或低电平当有触发信号时，输出端状态会翻转由高变为低/由低变为高若触发信号无效，输出状态保持不变，至到再有新的触发信号出现或者断电。QQ1001XX----RS触发器36触发器SR01101100两种稳定状态状态保持不变输入端输出端不允许RS触发器逻辑真值表RS触发器具有独立的逻辑功能，可作为独立部件存在封装后用一个逻辑符号表示37触发器抽象置1端（置位端）置0端（复位端）D触发器在RS触发器基础上增加两个与非门38触发器控制端输入端输出端CP=0，输出状态保持不变CP=1，输出取决于D端状态01D触发器D触发器逻辑符号在有电源情况下，触发器的输出端总是处于某种特定状态保持为“1”或者为“0”触发器可以在输出端存储一位0或1触发器是具有记忆功能的逻辑器件。39触发器40触发器的作用触发器是具有记忆功能的逻辑器件任何时候输出端都保持一个确定的稳定状态（0或1）一个触发器能够存储1位二进制数例：用8个D触发器可以存储8位二进制数10110110内存储器2.加法器微处理器主要由控制器、运算器和寄存器组等三部分构成所有程序的执行都是由运算器完成的运算器的核心是算术逻辑单元（ALU），主要功能：二进制算术运算，逻辑运算，其它操作。ALU的基本功能是算术运算。41现代计算机体系结构中：通过引入补码，减法运算可以转换为加法运算乘运算可以转换为移位和加法运算除运算可以转换为移位和减法运算，减法运算可以转换为加法运算加法运算是最基本的运算42加法器ALU的基本功能部件是加法器加法器半加器实现两个1位二进制数相加，不考虑来自低位的进位输入：加数，被加数输出：和，进位全加器实现两个1位二进制数相加，考虑来自低位的进位器输入：加数，被加数，低位的进位输出：和，进位43半加器S=A

BC=A∧B44半加器逻辑关系A

B

S

C0000011010101101&=1ABSC加法器输入输出进位全加器用两个半加器再加上一个“或”门，可以构成一个全加器45加法器输入输出ABCinSCout00000001100101001101100101010111001111110100110001101110另外一种全加器电路全加器是具有完整功能的逻辑部件。46加法器相同逻辑功能，可以有不同的电路实现∑CinCoutAiBiCi-1CiSi逻辑符号用N个1位加法器可以构成N位加法器加法器4位涟波进位加法器加法器由各种逻辑门构成二、从逻辑门到运算器

——抽象与构造运算器运算器是CPU的核心功能部件之一，与控制器共同组成了CPU的核心部分。主要功能：算术、逻辑运算，移位、求补等其它操作暂时存放参加运算的数据和中间运算结果等49算术逻辑单元（ALU）各种寄存器寄存器寄存器CPU中用于存放中间运算结果或其它二进制信息的部件由触发器和门电路组成一个触发器可以存放1位二进制码N个触发器可以存放N位二进制码4个D触发器构成的4位寄存器实现定点数补码加减运算的逻辑电路算术逻辑单元（ALU）ALU的基本功能之一是算术运算加法运算是算术运算的基础计算机中的数以补码形式存在例：[X+Y]补=[X]补+[Y]补[X-Y]补=[X]补+[-Y]补51控制将X送加法器控制将Y送加法器基本逻辑门52组合逻辑门电路触发器RS触发器组合与抽象D触发器（其它触发器）逻辑符号表示组合封装，抽象与非门或非门异或门组合逻辑符号表示封装，抽象组合，抽象53算术逻辑单元逻辑门+触发器加法器组合组合寄存器存储器各种逻辑门电路组合CPU逻辑门+触发器组合主机系统组合与抽象系统构造的基本思路任何复杂的逻辑电路都可以由基本逻辑门组合构成硬件系统构造的基本方式：自底向上，逐层封装、抽象系统设计的基本过程：自顶向下，分析和分解问题自底向上，构造和设计54同样适用软件设计计算机内部的信息都以二进制表示将“0”和“1”赋予逻辑属性，就成为逻辑变量实现逻辑变量间关系的电路称为逻辑电路构成各种逻辑电路的基本元素是基本逻辑门基本逻辑门的不同的连接方法构成了计算机小结主要内容逻辑运算与逻辑门其他逻辑电路触发器加法器与ALU冯·诺依曼结构及原理操作系统基础56为什么“电子计算机之父”的桂冠没有戴在象莫齐利、埃克特或阿坦那索夫等这样一些实际研究者头上，而是戴在了匈牙利数学家冯•诺依曼（J.VonNeumann）头上？57冯•诺依曼——电子计算机之父冯•诺依曼提出了现代计算机的体系结构冯•诺依曼计算机结构特点采用二进制计算机中所有信息（数据和指令）统一用二进制表示设计计算机硬件由五个部分构成运算器逻辑控制装置存储器输入和输出设备提出存储程序原理58一、指令和程序5960指令和程序指令：控制计算机完成某项操作的、能够被计算机识别的“命令”。计算机硬件能够直接识别的指令二进制形式描述的机器指令指令系统：计算机能够识别的所有指令的集合。程序：按一定顺序组织在一起的指令序列。611.指令格式指令码操作数说明指令的功能说明指令操作的对象计算机的工作过程就是执行程序的过程程序是指令的序列计算机的工作过程就是执行指令的过程在计算机中：622.

指令的执行过程程序是由指令组成的程序内存CPU指令和数据结果①获取要执行的指令②明确指令的功能③获取操作的数据④执行指令⑤送回结果63取指令分析指令读取操作数执行指令存放结果指令的执行过程顺序执行：一条指令执行完了再执行下一条指令。并行执行：同时执行两条或多条指令。核心步骤643.

两种执行方式的比较顺序执行方式执行时间=取指令+分析指令+执行指令例：设三个部分的执行时间均为Δt，则执行n条指令时间T0为：

T0=3nΔt取指令1执行指令1分析指令1CPU取指令2执行指令2分析指令265两种执行方式的比较并行执行方式：（假设指令执行分为三个步骤）分析指令3取指令3分析指令2取指令1执行指令1取指令2执行指令2分析指令1执行指令3仅第1条指令需要3

Δt时间，之后每经过1

Δt，就有一条指令执行结束执行时间：

T=3Δt+（n-1）Δt两种执行方式时间的比较并行：更高的效率，更高的复杂度相对于顺序执行方式，指令并行执行的优势用加速比表示：S=顺序执行花费的时间/并行执行花费的时间例：3nΔt/（3Δt+（n-1）Δt)=3n/（2+n）二、冯•诺依曼结构

——微机硬件组成及基本原理结构特点：以运算器为核心，所有信息的输入和输出都需要通过运算器68冯•诺依曼结构主机系统69冯•诺依曼计算机基本原理基本原理将计算过程描述为由多条指令按一定顺序组成的程序，并放入存储器保存。指令按其在存储器中存放的顺序执行；由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行。存储程序原理70内存中的程序指令1指令2指令n┇分析获取操作数执行存放结果┇程序计数器PC地址CPU取出操作数冯•诺依曼计算机基本原理71具体过程可描述为：从内存中取第一条指令；送指令译码器译码，以确定要进行的操作；读取相应的操作数（即执行的对象）；执行指令；存放执行结果；转向①，直到遇到暂停指令方才结束。

冯•诺依曼计算机基本原理内存单元地址PC1000FH地址寄存器1000FH+1“读存储器”命令指令译码数据总线地址总线B1H1000FH微机读取一条指令的工作过程：B1H┇┇内存储器73程序计数器PCPC用来产生和存放下一条将要读取的指令的地址。在程序开始执行前，须将程序第一条指令在内存中的存放地址送入PCPC每输出一次地址，就指向内存的一个单元，CPU将该单元的指令自动取出。之后，PC中内容自动加1，准备读取下一条指令。如果每取走一条指令，PC都只做简单的加1操作，则程序将会顺序执行PC是程序执行的“指挥棒”。PC指向哪里，CPU就到哪里取指令PC是“指令指针”顺序结构程序冯•诺依曼结构的局限性CPU与存储器只间会有大量的数据交互，造成总线瓶径；指令的执行顺序由程序计数器控制，使得即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列。指令的执行顺序由程序决定，对一些大型的、复杂的任务是比较困难；以运算器为中心，I/O设备与存储器间的数据传送都要经过运算器，使处理效率、特别是对非数值数据的处理效率比较低。74哈佛结构特点：指令和数据分别存放在两个独立的存储器模块中；CPU与存储器间指令和数据的传送分别采用两组独立的总线。主要内容逻辑运算与逻辑门其他逻辑电路触发器加法器与ALU冯·诺依曼结构及原理操作系统基础76操作系统什么是操作系统？77它有哪些主要功能？它在计算机中起到什么作用？操作系统（OperatingSystem，OS）操作系统是一组控制和管理计算机软、硬件资源、为用户提供便捷使用计算机的程序集合。是用户和计算机之间进行“交流”的界面。操作系统的功能：管理系统资源为用户使用计算机提供友好界面78处理器存储器I/O设备各种信息79操作系统计算机硬件系统I/O设备管理，存储管理文件管理窗口软件用户数据输入输出数据存储文件存取功能强大的虚拟机程序数据B005040888045+8内存必须考虑：数据如何输入、输出；如何存储；如何管理；..是计算机硬件上的第一层软件，是各种类型的计算机都必须配置的软件。其它所有软件都运行于操作系统之上，依赖于它的支持。80操作系统计算机硬件系统操作系统应用软件作为用户和计算机硬件之间的接口。隐藏硬件，使用户不必考虑不同硬件造成的差异；为用户和计算机之间进行“交流”提供统一的界面。81操作系统的作用通过键盘应用程序系统调用操作系统用户命令82操作系统的作用是对硬件系统功能的扩充管理系统资源OS的作用可以形象的比喻为一个乐团的指挥。一是有效管理和分配计算机系统的硬件和软件资源，使得有限的系统资源能够发挥更大的作用。二是为使用计算机提供便利。OS通过内部极其复杂的综合处理，为用户提供友好、便捷的操作界面，以便用户无需了解计算机硬件或系统软件的有关细节就能方便地使用计算机。操作