东南大学信息学院-计算机结构与逻辑设计课件MSI电路

课程简介本课程将深入浅出地介绍计算机体系结构与逻辑设计，涉及数字逻辑电路基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器、总线和接口、微处理器结构等内容。通过学习本课程，学生将掌握计算机系统硬件结构的基本原理，并具备设计和分析简单数字逻辑电路的能力。ppbypptppt计算机系统结构概述计算机系统结构是计算机系统硬件组织方式和工作原理的描述。它定义了计算机系统各个组成部分之间的接口、数据表示、指令集等。1数据表示包括数据类型、数据格式、数据编码等。2指令集定义了计算机系统能够执行的指令集合。3存储器组织包括主存、辅存的组织方式和管理策略。4输入输出定义了计算机系统与外部设备之间的通信方式。计算机系统结构是连接硬件和软件的桥梁，决定了计算机系统的性能和功能。数字逻辑电路基础基本逻辑运算包括与、或、非、异或等基本逻辑运算，是构成复杂逻辑电路的基础。逻辑代数利用逻辑代数工具对逻辑电路进行分析和设计，简化电路结构，提高电路效率。逻辑门用硬件实现基本逻辑运算的逻辑门，是构成数字电路的基本单元。布尔代数以布尔代数为基础进行逻辑电路的分析和设计，确保电路功能的正确性。组合逻辑电路组合逻辑电路是输出仅取决于当前输入的电路，没有记忆功能。1加法器实现二进制数的加法运算。2译码器将二进制代码转换为特定的输出信号。3编码器将特定的输入信号转换为二进制代码。4比较器比较两个输入信号的大小。组合逻辑电路在计算机系统中广泛应用，例如运算器、地址译码器等。组合逻辑电路设计实例1全加器全加器可以实现两个二进制数的加法运算，并考虑进位。2译码器译码器将二进制代码转换为特定的输出信号，例如地址译码。3编码器编码器将特定的输入信号转换为二进制代码，例如键盘编码。时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路是指输出不仅取决于当前输入，还取决于电路的历史状态。触发器触发器是存储一个二进制位的基本单元，是构建时序逻辑电路的核心。状态机状态机是根据输入和当前状态产生输出和下一个状态的时序逻辑电路。时序逻辑电路设计设计时序逻辑电路需要考虑状态转换、时钟信号、同步与异步控制等因素。时序逻辑电路设计实例本节将通过几个典型的时序逻辑电路设计实例来加深对时序逻辑电路设计的理解。1同步计数器同步计数器是一种常用的时序逻辑电路，用于计数脉冲。2移位寄存器移位寄存器用于存储和移位数据。3状态机状态机用于实现各种控制功能。寄存器寄存器是计算机系统中用来存储数据的基本单元。它由若干个触发器组成，每个触发器可以存储一位二进制数据。寄存器可以用来存储指令、数据、地址等信息。1通用寄存器用于存放通用数据，可由CPU随意访问。2专用寄存器用于存放特定数据，如状态寄存器、指令寄存器等。3索引寄存器用于存放地址信息，用于寻址操作。4堆栈寄存器用于实现堆栈操作，存放栈顶地址信息。计数器1基本概念计数器是用来计数的时序逻辑电路，它根据输入的时钟脉冲改变自身的状态，实现计数功能。计数器的状态变化由触发器的状态变化来实现，每个触发器对应计数器的一位。2种类常见的计数器类型包括同步计数器、异步计数器、二进制计数器、十进制计数器、可控计数器等，它们根据实现方式和计数进制的不同而分类。3应用计数器广泛应用于计算机系统中，例如时钟计时、数据计数、地址生成等，它们是构建复杂时序逻辑电路的重要组成部分。移位寄存器基本概念移位寄存器是一种特殊的寄存器，它可以根据控制信号将数据向左或向右移动。类型常见移位寄存器类型包括串行输入串行输出(SISO)、串行输入并行输出(SIPO)、并行输入串行输出(PISO)和并行输入并行输出(PIPO)。应用移位寄存器广泛应用于数据传输、代码转换、序列生成、延时电路等。结构移位寄存器由多个触发器组成，每个触发器对应一位数据，触发器之间通过移位控制信号连接。存储器存储器是计算机系统中用于存储数据的部件，是计算机的重要组成部分。1主存储器主要用于存放CPU正在运行的程序和数据。2辅助存储器用于存放长期保存的数据，如操作系统、应用程序等。3高速缓存位于主存储器和CPU之间，用于加速数据访问。存储器根据访问速度和容量可分为主存储器、辅助存储器和高速缓存，它们共同构成计算机系统的存储体系。存储器访问控制存储器访问控制是指计算机系统对不同用户或程序访问存储器的权限进行限制。存储器访问控制是保障系统安全的重要手段，可以防止非法访问、数据泄露和系统崩溃。1地址映射将逻辑地址转换为物理地址，确保程序访问的地址空间是合法的。2访问权限控制限制用户或程序对特定存储区域的读写权限。3保护机制防止程序非法访问其他程序的内存空间。总线和接口1总线总线是计算机系统中连接各个部件的通路，用于传输数据、地址和控制信号。2接口接口是连接不同设备或系统的桥梁，负责协调数据格式和信号传输。3总线和接口的分类总线可以分为内部总线和外部总线，接口可以分为输入接口和输出接口。微处理器结构基本组成微处理器是计算机的核心，包含运算器、控制器和寄存器组。运算器运算器负责执行算术运算和逻辑运算，如加减乘除、比较和位运算等。控制器控制器负责控制微处理器内部各部件的协调工作，以及从内存中读取指令并执行。寄存器组寄存器组用于存储各种临时数据，如指令、地址和运算结果等，供CPU快速访问。微处理器指令系统1指令集指令集是微处理器能够执行的所有指令的集合，包含数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移、输入输出等操作。2指令格式指令格式是指指令在内存中的存储形式，包括操作码、操作数、地址码等字段。3指令类型指令类型根据功能可以分为数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令、输入输出指令等。微处理器编程微处理器编程是指使用汇编语言或高级语言编写程序，以控制微处理器执行特定任务。它涉及编写指令序列，以控制微处理器的各个部件，包括运算器、控制器和存储器，完成数据处理、逻辑运算、控制流程等操作。1汇编语言低级语言，直接与硬件指令对应。2高级语言更接近自然语言，易于理解和编写。3编译器将高级语言代码转换为机器语言。4调试器用于查找并修复程序中的错误。微处理器编程涉及使用各种工具和技术，包括汇编语言、高级语言、编译器、调试器等，以实现特定功能。微处理器编程是计算机科学的核心内容，也是理解计算机系统工作原理的关键。微处理器性能评价1性能指标评估微处理器性能的关键指标包括时钟频率、指令集、缓存大小、流水线深度、并行处理能力等。2基准测试通过标准基准测试来衡量微处理器的实际性能，例如SPEC、Geekbench和PassMark等。3功耗和热量评估微处理器在运行时的功耗和散热性能，以确保稳定性和可靠性。4性价比综合考虑性能、功耗、价格等因素，评估微处理器的性价比，选择最优方案。微处理器性能评价是计算机系统设计和优化中重要的环节，通过科学的评估方法和指标体系，可以选择最适合应用场景的处理器，提升系统整体性能和效率。微处理器外设微处理器外设是指与微处理器连接的各种外部设备，扩展了微处理器的功能，使其能够与外部世界交互。1输入设备键盘、鼠标、扫描仪等，用于将数据输入到计算机系统。2输出设备显示器、打印机、音箱等，用于将数据输出到外部世界。3存储设备硬盘、光驱、U盘等，用于存储数据和程序。4通信设备网络接口卡、调制解调器等，用于与其他设备进行数据通信。微处理器外设是计算机系统不可缺少的一部分，它们为用户提供了与计算机交互的便捷方式，丰富了计算机的功能。微处理器系统设计1系统需求分析明确系统功能、性能指标，确定硬件和软件配置。2系统架构设计选择合适的系统架构，包括总线结构、存储器组织、外设接口等。3硬件设计选择合适的微处理器、存储器、外设等，并进行电路设计和布线。4软件设计编写操作系统、应用程序和驱动程序等，实现系统功能。5系统测试与调试对硬件和软件进行测试，确保系统稳定性和可靠性。6系统文档编写撰写系统设计文档、用户手册等，方便维护和升级。微处理器系统调试微处理器系统调试是指在开发和测试微处理器系统过程中，识别并解决系统中出现的错误和问题。1硬件调试检查硬件连接、信号传输、时序关系等问题。2软件调试识别并修复程序代码中的逻辑错误、语法错误等。3系统调试验证整个系统是否满足设计要求，解决硬件和软件之间的兼容性问题。4性能调试优化系统性能，提高效率和可靠性。微处理器系统调试是一项复杂而重要的工作，需要运用多种调试工具和方法，才能有效地解决系统中的问题，确保系统的稳定运行。微处理器系统实例单片机系统单片机系统是小型嵌入式系统，广泛应用于智能家电、工业控制和消费电子等领域。个人计算机个人计算机是应用最广泛的微处理器系统，包括台式机、笔记本电脑和移动设备等。服务器系统服务器系统是为网络提供服务的计算机系统，具备高性能和高可靠性。超级计算机超级计算机是处理海量数据的强大计算系统，用于科学研究和数据分析。微处理器系统应用嵌入式系统微处理器在嵌入式系统中广泛应用，例如智能手机、家用电器和汽车电子等。服务器系统高性能微处理器用于搭建大型服务器系统，提供云计算、数据中心和网络服务。工业自动化微处理器控制机器人、生产线和其他工业设备，提高生产效率和质量。医疗设备微处理器应用于医疗影像、诊断设备和治疗仪器，提高医疗效率和精确度。科学研究微处理器用于超级计算机、科学仪器和数据分析，推动科学研究和技术进步。微处理器系统性能优化1硬件优化选择更高性能的处理器，升级内存和存储设备，优化系统架构，例如总线结构和存储器组织。2软件优化优化操作系统和应用程序的性能，例如使用高效的算法、数据结构和代码优化技术，减少系统开销。3系统优化通过调整系统配置，例如电源管理、温度控制和网络配置，提升系统整体性能和效率。微处理器系统可靠性微处理器系统可靠性是指系统在各种环境和条件下，能够持续、稳定地运行，并提供预期功能的能力。1硬件可靠性处理器、存储器、外设等硬件部件的质量和耐用性。2软件可靠性操作系统、应用程序和驱动程序等软件的稳定性和安全性。3系统设计可靠性合理的系统架构、数据冗余和容错机制。4维护和更新定期维护、更新软件和固件，修复漏洞，提高系统稳定性。提高微处理器系统可靠性需要从硬件、软件和系统设计多个方面进行综合考虑。硬件可靠性是指硬件部件的质量和耐用性，软件可靠性是指软件的稳定性和安全性，系统设计可靠性是指合理的系统架构、数据冗余和容错机制。微处理器系统安全性微处理器系统安全性是指系统能够抵抗各种攻击，保护数据和资源安全的能力。1硬件安全处理器、存储器和外设的物理安全措施，防止硬件损坏或盗窃。2软件安全操作系统和应用程序的安全机制，防止恶意软件攻击和数据泄露。3网络安全网络连接的安全性，防止网络攻击和数据窃取。4数据安全数据加密、访问控制和备份恢复机制，保护数据完整性和机密性。提高微处理器系统安全性需要从硬件、软件、网络和数据多个方面进行综合考虑。在设计和实现系统时，应充分考虑安全因素，并采取必要的安全措施，确保系统安全可靠地运行。微处理器系统未来发展微处理器技术不断发展，未来将会更加强大，功能更加丰富，应用范围更加广泛。1更高性能多核处理器、并行计算，提升运算速度。2更低功耗新型材料、工艺改进，降低能耗。3更小尺寸集成度更高，芯片体积更小。4更强安全硬件和软件安全措施，增强防攻击能力。未来微处理器将会更加智能化，能够更好地理解人类需求，更方便地与人进行交互，推动人工智能、物联网等领域的发展。课程总结1知识回顾本课程涵盖了计算机结构与逻辑设计的基本概念和原理，从数字逻辑电路基础到微处理器系统设计。2技能提升通过课程学习，学生掌握了数字逻辑电路分析与设计方法，具备微处理器系统设计与应用的基本能力。3未来展望未来将继续学习更深入的计算机体系结构和系统设计知识，应用所学知识解决实际问题。课程实践课程实践是巩固理论知识，培养实践技能的重要环节。1实验验证理论，熟悉操作。2设计独立完成，锻炼思维。3项目团队合作，解决问题。通过实验、设计和项目实践，学生将理论与实践相结合，提升解决实际问题的能力。课程考核平时成绩平时成绩主要包括课堂参与、作业完成情况和实验结果。期末考试期末考试以闭卷形式进行，考察学生对课程内容