ch3_系統(tǒng)軟硬件構(gòu)造

1、第第3 3章章系統(tǒng)軟硬件構(gòu)造系統(tǒng)軟硬件構(gòu)造主要內(nèi)容主要內(nèi)容n邏輯運算與邏輯門邏輯運算與邏輯門n其他邏輯電路其他邏輯電路n觸發(fā)器與加法器觸發(fā)器與加法器n從邏輯門到運算器從邏輯門到運算器n馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)及原理諾依曼結(jié)構(gòu)及原理n操作系統(tǒng)基礎(chǔ)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)2一、基本邏輯運算和邏輯門一、基本邏輯運算和邏輯門31. 關(guān)于邏輯關(guān)于邏輯n邏輯邏輯n是是思維規(guī)律，事物因果之間所遵循的思維規(guī)律，事物因果之間所遵循的規(guī)律。規(guī)律。n邏輯邏輯的基本表現(xiàn)形式是命題和的基本表現(xiàn)形式是命題和推理推理n命題命題n能判斷真假的陳述語句能判斷真假的陳述語句n推理推理n從前提推出結(jié)論的從前提推出結(jié)論的思維過程思維過程n前題前題是已知的

2、命題，是已知的命題，結(jié)論結(jié)論是通過推理規(guī)則得出的命是通過推理規(guī)則得出的命題題4n語句例：語句例：2+3=52+3=53 3是偶數(shù)是偶數(shù)明天上午有課嗎？明天上午有課嗎？3 3不是偶數(shù)不是偶數(shù)小明小明既既學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)英語英語，也也學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)德語德語從西安到北京經(jīng)鄭州走，或者經(jīng)太原從西安到北京經(jīng)鄭州走，或者經(jīng)太原走走5真命題真命題假假命題命題不是命題不是命題并（同時）并（同時）或者或者關(guān)于邏輯關(guān)于邏輯_命題命題非（否定）非（否定）n復(fù)合命題可以由簡單命題通過復(fù)合命題可以由簡單命題通過“聯(lián)結(jié)詞聯(lián)結(jié)詞”所表示所表示的運算得到。的運算得到。n命題是命題是邏輯的基本表現(xiàn)形式，所以，邏輯的基本表現(xiàn)形式，所以，“聯(lián)結(jié)

3、詞聯(lián)結(jié)詞”所表示的運算就是所表示的運算就是邏輯運算。邏輯運算。n“并非并非”n“并且并且”n“或者或者”6“非非”運算運算“與與”運算運算“或或”運算運算關(guān)于邏輯關(guān)于邏輯_命題命題n命題的命題的“真真”和和“假假”可以對應(yīng)為可以對應(yīng)為n在物理上：在物理上：n開關(guān)的開關(guān)的“斷開斷開”和和“閉合閉合”，電平的，電平的“高高”和和“低低”，n數(shù)學(xué)上：數(shù)學(xué)上：n二進制的二進制的“1 1”和和“0 0”7現(xiàn)代現(xiàn)代計算機計算機由各種邏輯器件構(gòu)成，由各種邏輯器件構(gòu)成，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是邏輯是邏輯代數(shù)代數(shù)關(guān)于邏輯關(guān)于邏輯_命題命題2. 邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)n邏輯邏輯代數(shù)代數(shù)由由英國英國數(shù)學(xué)家喬治數(shù)學(xué)家喬治布爾

4、發(fā)明布爾發(fā)明n主要主要研究和判斷相關(guān)研究和判斷相關(guān)的的運算運算n用字母表示變量，用字母表示變量，變量的取值變量的取值只有只有0 0和和1 1n“0 0”對應(yīng)對應(yīng)“假假”n“1 1”對應(yīng)對應(yīng)“真真”8邏輯運算邏輯運算n邏輯運算：邏輯運算：n用符號來表示命題及其聯(lián)結(jié)關(guān)系。用符號來表示命題及其聯(lián)結(jié)關(guān)系。n例如：例如：n“小小明既學(xué)過英語，也學(xué)過明既學(xué)過英語，也學(xué)過德語德語”n以上命題可以符號化為：以上命題可以符號化為：nA and BA and B邏輯運算邏輯運算表示表示A A和和B B同時發(fā)生同時發(fā)生符合命題符合命題3. 邏輯運算邏輯運算與基本邏輯門與基本邏輯門n表示兩個命題之間具有的邏輯關(guān)系表示

5、兩個命題之間具有的邏輯關(guān)系n基本基本邏輯運算：邏輯運算：n“與與”、“或或”、“非非”10A BY0 000 101 001 11邏輯關(guān)系真值表邏輯關(guān)系真值表真值表真值表1）“與與”邏輯邏輯n“與與”運算運算n僅僅當(dāng)輸入條件當(dāng)輸入條件全部為全部為“真真”時，輸出的結(jié)果為時，輸出的結(jié)果為“真真”n若若輸入條件輸入條件有一個有一個為為“假假”，則則輸出結(jié)果輸出結(jié)果為為“假假”n“與與”運算符號：運算符號： n“”， “”n若用若用1 1表示表示“真真”，用，用0 0表示表示“假假”，則與規(guī)則：，則與規(guī)則：n1 11=1 11=1 10=0 00=0 01=0 01=0 00=00=011n在電路中

6、，與運算相當(dāng)于開關(guān)的串聯(lián)電路在電路中，與運算相當(dāng)于開關(guān)的串聯(lián)電路n僅當(dāng)所有開關(guān)都閉合時，電路才通電。僅當(dāng)所有開關(guān)都閉合時，電路才通電。12“與與”邏輯邏輯與門與門（AND gate）n對對多個多個邏輯變量邏輯變量執(zhí)行執(zhí)行“與與”運運算的算的門電路門電路&ABY輸輸 入入（V）輸出輸出（V） VA VBVY 0 0 0 5 5 0 5 50.30.30.35輸輸 入入輸輸 出出A BY 0 0 0 1 1 0 1 10001輸入、輸出電壓關(guān)系輸入、輸出電壓關(guān)系輸入、輸出邏輯關(guān)系輸入、輸出邏輯關(guān)系&ABYX2）“或或”運算運算n“或或”運算運算n輸入條件輸入條件中有一個中有一個為為

7、“真真”，則則輸出輸出的結(jié)果為的結(jié)果為“真真”n僅當(dāng)僅當(dāng)輸入輸入條件條件全部全部為為“假假”時時，輸出結(jié)果，輸出結(jié)果才才為為“假假”n“或或”運算符號：運算符號：n“+ +”，“”n“或或”運算規(guī)則：運算規(guī)則：n00=0 01=1 10=1 11=100=0 01=1 10=1 11=114n電路中，電路中，“或或”運算相當(dāng)于開關(guān)的并聯(lián)電路運算相當(dāng)于開關(guān)的并聯(lián)電路n僅當(dāng)所有開關(guān)都斷開時，電路才無電流通過。僅當(dāng)所有開關(guān)都斷開時，電路才無電流通過。15“或或”運算運算n對多個邏輯變量對多個邏輯變量執(zhí)行執(zhí)行“或或”運算的運算的門電路門電路或門電路或門電路（OR gate）11ABY輸輸 入入輸輸 出

8、出VA（V） VB（V）VY（V）0 00 5 5 05 504.74.74.7輸輸 入入輸輸 出出A BY0 00 11 01 10111輸入、輸出電壓關(guān)系輸入、輸出電壓關(guān)系輸入、輸出邏輯關(guān)系輸入、輸出邏輯關(guān)系11ABYXn“非非”運算：運算：n當(dāng)當(dāng)決定事件結(jié)果的條件滿足時，事件不發(fā)生決定事件結(jié)果的條件滿足時，事件不發(fā)生。n非非”屬于單邊運算屬于單邊運算，只有，只有一個運算對象一個運算對象，運算符，運算符為一為一條上條上橫線橫線。n可以表示為：可以表示為：nA=BA=B173）“非非”運算運算n“非非”運算電路的表示：運算電路的表示：n當(dāng)開關(guān)斷開時燈亮；開關(guān)閉合時燈滅。當(dāng)開關(guān)斷開時燈亮；開關(guān)

9、閉合時燈滅。18“非非”運算運算19非門電路非門電路（NOT gate）n對單個邏輯變量進行對單個邏輯變量進行“非非”運算運算nF=AF=A1AFn由三種基本邏輯運算可以推導(dǎo)出各種其他的邏輯由三種基本邏輯運算可以推導(dǎo)出各種其他的邏輯關(guān)系，由三種基本邏輯門可以組合出各種復(fù)雜的關(guān)系，由三種基本邏輯門可以組合出各種復(fù)雜的邏輯電路。邏輯電路。n常見邏輯關(guān)系及其門電路有：常見邏輯關(guān)系及其門電路有：n與非與非n或非或非n異或異或n同或同或204. 其他邏輯運算及其門電路其他邏輯運算及其門電路211）“與非與非”邏輯邏輯“與與”運算運算“與非與非”運算運算“非非”運算運算+ABAB邏輯關(guān)系：邏輯關(guān)系：或者或

10、者n“與與非非”運算運算22與非門與非門A B F0 0 10 1 11 0 11 1 0與非邏輯真值表與非邏輯真值表&ABFF1AB&Fn將與門的輸出接入非門的輸入，構(gòu)成將與門的輸出接入非門的輸入，構(gòu)成“與非門與非門”232）“或非或非”邏輯邏輯“或或”運算運算“或非或非”運算運算“非非”運算運算+A+BAB邏輯關(guān)系：邏輯關(guān)系：或者或者24或非門或非門F1AB11Fn將或門的輸出接入非門的輸入，構(gòu)成將或門的輸出接入非門的輸入，構(gòu)成“或非門或非門”ABF11A B F0 0 10 1 01 0 01 1 0或或非邏輯真值表非邏輯真值表注注：25可實現(xiàn)多個變量的可實現(xiàn)多個變量的“

11、與非與非”或者或者“或非或非”運算運算“與非門與非門”及及“或非門或非門”均為多輸入單輸出的門電路均為多輸入單輸出的門電路例例：設(shè)：設(shè)：A=10101010A=10101010，B=11110000B=11110000計算：計算：2610101010111100001010000010100000 =01011111F=AB =？F=A+B =？10101010111100001111101011111010 =00000101=A B273）“異或異或”邏輯邏輯n“異或異或”邏輯關(guān)系是在與、或、邏輯關(guān)系是在與、或、非非3 3種種基本邏輯基本邏輯運算基礎(chǔ)上的變換運算基礎(chǔ)上的變換。n異或邏輯的布

12、爾代數(shù)表達式：異或邏輯的布爾代數(shù)表達式：n“異或異或”運算是兩個變量的運算運算是兩個變量的運算n運算規(guī)則：運算規(guī)則：n相同則為相同則為0 0。相異則為。相異則為1 1。F=AB+AB異或異或運算符運算符異或門異或門n對輸入的兩個邏輯變量執(zhí)行對輸入的兩個邏輯變量執(zhí)行“異或異或”運算的門運算的門電路電路28=1ABFA B F0 0 00 1 11 0 11 1 0異或邏輯真值表異或邏輯真值表異或門是兩輸入單輸出的門電路異或門是兩輸入單輸出的門電路294）“同或同或”邏輯邏輯n“同同或或”運算運算是是在在“異或異或”運算的基礎(chǔ)上再進行運算的基礎(chǔ)上再進行“非非”運算的運算的結(jié)果。結(jié)果。n同同或運算的

13、布爾表達式：或運算的布爾表達式：n“同或同或”運算是兩個變量的運算運算是兩個變量的運算n運算運算規(guī)則：規(guī)則：n相同則為相同則為1 1。相異則為。相異則為0 0。F=A B同或門同或門n對輸入的兩個邏輯變量執(zhí)行對輸入的兩個邏輯變量執(zhí)行“同同或或”運算的門運算的門電路電路30A B F0 0 10 1 01 0 01 1 1同同或邏輯真值表或邏輯真值表=1ABF思考問題思考問題用與、或、非基本邏輯門構(gòu)造異或門和同或門用與、或、非基本邏輯門構(gòu)造異或門和同或門F=AB+AB=A BF=A B主要內(nèi)容主要內(nèi)容n邏輯運算與邏輯門邏輯運算與邏輯門n其他邏輯電路其他邏輯電路n觸發(fā)器與加法器觸發(fā)器與加法器n從邏

14、輯門到運算器從邏輯門到運算器n馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)及原理諾依曼結(jié)構(gòu)及原理n操作系統(tǒng)基礎(chǔ)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)32一、觸發(fā)器與加法器一、觸發(fā)器與加法器邏輯電路邏輯電路n以二進制為原理，以二進制為原理，由各種邏輯門由各種邏輯門構(gòu)成，實現(xiàn)構(gòu)成，實現(xiàn)數(shù)數(shù)字信號邏輯運算和操作的字信號邏輯運算和操作的電路。電路。n組合邏輯電路組合邏輯電路n任意時刻的輸出僅僅取決于該時刻的輸入，與電路原來的狀任意時刻的輸出僅僅取決于該時刻的輸入，與電路原來的狀態(tài)態(tài)無關(guān)（沒有記憶功能）。無關(guān)（沒有記憶功能）。n時序邏輯電路時序邏輯電路n任意時刻的輸出不僅取決于當(dāng)時的輸入信號任意時刻的輸出不僅取決于當(dāng)時的輸入信號，還，還與以前的輸與以前的輸入

15、入有關(guān)（有記憶功能）。有關(guān)（有記憶功能）。34351. 觸發(fā)器觸發(fā)器n觸發(fā)器是由基本邏輯門構(gòu)造出的一種邏輯電路觸發(fā)器是由基本邏輯門構(gòu)造出的一種邏輯電路，具有記憶功能，屬于，具有記憶功能，屬于時序邏輯電路時序邏輯電路。n在通電情況在通電情況下：下：n可以可以輸出高電平輸出高電平或或低電平低電平n當(dāng)有觸發(fā)信號時，輸出端狀態(tài)會當(dāng)有觸發(fā)信號時，輸出端狀態(tài)會翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)n由高變?yōu)榈陀筛咦優(yōu)榈? /由低變?yōu)楦哂傻妥優(yōu)楦遪若觸發(fā)信號無效，輸出狀態(tài)保持不變，至到再有新若觸發(fā)信號無效，輸出狀態(tài)保持不變，至到再有新的觸發(fā)信號出現(xiàn)或者斷電。的觸發(fā)信號出現(xiàn)或者斷電。Q Q1 00 1X X- -nRSRS觸發(fā)器觸發(fā)器36

16、觸發(fā)器觸發(fā)器S R0 11 01 10 0兩種穩(wěn)兩種穩(wěn)定狀態(tài)定狀態(tài)狀態(tài)保狀態(tài)保持不變持不變輸輸入入端端輸出端輸出端不允許不允許RSRS觸發(fā)器邏輯真值表觸發(fā)器邏輯真值表nRSRS觸發(fā)器具有獨立的邏輯功能，可作為獨立部觸發(fā)器具有獨立的邏輯功能，可作為獨立部件存在件存在n封裝后用一個邏輯符號表示封裝后用一個邏輯符號表示37觸發(fā)器觸發(fā)器抽象抽象置置1 1端端（置位端）（置位端）置置0 0端端（復(fù)位端）（復(fù)位端）nDD觸發(fā)器觸發(fā)器n在在RSRS觸發(fā)器基礎(chǔ)上增加兩個觸發(fā)器基礎(chǔ)上增加兩個與非門與非門38觸發(fā)器觸發(fā)器控制控制端端輸入端輸入端輸出端輸出端CP=0CP=0，輸出狀態(tài)保持不變，輸出狀態(tài)保持不變CP=

17、1CP=1，輸出取決于，輸出取決于DD端端狀態(tài)狀態(tài)0 1D D觸觸發(fā)器發(fā)器D D觸發(fā)器邏輯符號觸發(fā)器邏輯符號n在有電源情況下，觸發(fā)器的輸出端總是處于某種在有電源情況下，觸發(fā)器的輸出端總是處于某種特定狀態(tài)特定狀態(tài)n保持為保持為“1 1”或者為或者為“0 0”n觸發(fā)器可以在輸出端存儲一位觸發(fā)器可以在輸出端存儲一位0 0或或1 1n觸發(fā)器是具有記憶功能的邏輯器件。觸發(fā)器是具有記憶功能的邏輯器件。39觸發(fā)器觸發(fā)器40觸發(fā)器的作用觸發(fā)器的作用n觸發(fā)器是具有記憶功能的邏輯器件觸發(fā)器是具有記憶功能的邏輯器件n任何時候輸出端都保持一個確定的穩(wěn)定任何時候輸出端都保持一個確定的穩(wěn)定狀態(tài)（狀態(tài)（0或或1）n一個觸發(fā)

18、器能夠存儲一個觸發(fā)器能夠存儲1位二進制數(shù)位二進制數(shù)n例：例：n用用8個個D觸發(fā)器可以存儲觸發(fā)器可以存儲8位二進制數(shù)位二進制數(shù)10110110內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器2. 加法器加法器n微處理器主要由控制器、運算器和寄存器組等微處理器主要由控制器、運算器和寄存器組等三部分構(gòu)成三部分構(gòu)成n所有程序的執(zhí)行都是由運算器完成的所有程序的執(zhí)行都是由運算器完成的n運算器的核心是算術(shù)運算器的核心是算術(shù)邏輯單元（邏輯單元（ALUALU），主要），主要功能：功能：n二進制算術(shù)運算，邏輯運算，其它操作。二進制算術(shù)運算，邏輯運算，其它操作。nALUALU的基本功能是算術(shù)運算。的基本功能是算術(shù)運算。41n現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)代

19、計算機體系結(jié)構(gòu)中：中：n通過通過引入補碼，減法運算可以轉(zhuǎn)換為加法引入補碼，減法運算可以轉(zhuǎn)換為加法運算運算n乘運算乘運算可以轉(zhuǎn)換為移位和可以轉(zhuǎn)換為移位和加法運算加法運算n除除運算可以轉(zhuǎn)換為移位運算可以轉(zhuǎn)換為移位和減法運算，減法運算可以轉(zhuǎn)和減法運算，減法運算可以轉(zhuǎn)換為加法運算換為加法運算 n加法運算是最基本的運算加法運算是最基本的運算42加法器加法器ALU的基本功能部件是加法器的基本功能部件是加法器加法器加法器n半加器半加器n實現(xiàn)兩個實現(xiàn)兩個1 1位二進制數(shù)相加，不考慮來自低位的進位位二進制數(shù)相加，不考慮來自低位的進位n輸入：輸入：n加數(shù)，被加數(shù)加數(shù)，被加數(shù)n輸出：輸出：n和，進位和，進位n全加器

20、全加器n實現(xiàn)兩個實現(xiàn)兩個1 1位二進制數(shù)相加，考慮來自位二進制數(shù)相加，考慮來自低位的進位器低位的進位器n輸入：輸入：n加數(shù)，被加數(shù)，低位的進位加數(shù)，被加數(shù)，低位的進位n輸出：輸出：n和，和，進位進位43n半加器半加器nS S= =A A B BnC C= =A AB B44A B S C0 0 0 00 1 1 01 0 1 01 1 0 1=1ABSC加法器加法器輸入輸入輸出輸出進位進位n全加器全加器n用兩個半加器再加上一個用兩個半加器再加上一個“或或”門，可以構(gòu)成一個全門，可以構(gòu)成一個全加器加器45加法器加法器輸入輸入輸出輸出A AB BC CininS SC Coutout0 00 00

21、 00 00 00 00 01 11 10 00 01 10 01 10 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 10 01 10 01 11 11 10 00 01 11 11 11 11 11 10100110001101110n另外一種全加器電路另外一種全加器電路n全加器是具有完整功能的全加器是具有完整功能的邏輯部件。邏輯部件。46加法器加法器相同邏輯功能，可以有不同的電路相同邏輯功能，可以有不同的電路實現(xiàn)實現(xiàn)CinCoutAAi iB Bi iC Ci-1i-1C Ci iS Si i邏輯符號邏輯符號n用用N N個個1 1位加法器可以構(gòu)成位加法器可以構(gòu)成N N

22、位加法器位加法器加法器加法器4 4位漣波進位位漣波進位加加法法器器加法器由加法器由各種邏輯門各種邏輯門構(gòu)成構(gòu)成二、從邏輯門到運算器二、從邏輯門到運算器 抽象與構(gòu)造抽象與構(gòu)造運算器運算器n運算器是運算器是CPUCPU的核心功能部件之一，與控制器共的核心功能部件之一，與控制器共同組成了同組成了CPUCPU的核心部分。的核心部分。n主要功能：主要功能：n算術(shù)、邏輯運算，移位算術(shù)、邏輯運算，移位、求補、求補等其它操作等其它操作n暫時存放參加運算的數(shù)據(jù)和中間運算結(jié)果等暫時存放參加運算的數(shù)據(jù)和中間運算結(jié)果等49算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元（ALUALU）各種寄存器各種寄存器寄存器寄存器n寄存器寄存器nCPU中

23、用于存放中間運算結(jié)果或其它二進制信息的部件中用于存放中間運算結(jié)果或其它二進制信息的部件n由觸發(fā)器和門電路組成由觸發(fā)器和門電路組成n一個觸發(fā)器可以存放一個觸發(fā)器可以存放1位二進制碼位二進制碼nN個觸發(fā)器可以個觸發(fā)器可以存放存放N位位二進制二進制碼碼4 4個個D D觸發(fā)器構(gòu)成的觸發(fā)器構(gòu)成的4 4位寄存器位寄存器實現(xiàn)定點數(shù)補碼實現(xiàn)定點數(shù)補碼加加減運算的減運算的邏輯電路邏輯電路算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元（ALU）nALUALU的基本功能之一是算術(shù)運算的基本功能之一是算術(shù)運算n加法運算是算術(shù)運算的基礎(chǔ)加法運算是算術(shù)運算的基礎(chǔ)n計算機中的數(shù)以補碼形式存在計算機中的數(shù)以補碼形式存在n例：例：nX+YX+Y補補

24、= = XX補補+Y+Y 補補n X-YX-Y 補補=X=X補補+-Y+-Y 補補51控制將控制將X X送加法器送加法器控制將控制將Y Y送加法器送加法器基本邏輯門基本邏輯門52組合組合邏輯門電路邏輯門電路觸發(fā)器觸發(fā)器RSRS觸發(fā)器觸發(fā)器組合與抽象組合與抽象DD觸發(fā)器（其它觸發(fā)器（其它觸發(fā)器）觸發(fā)器）邏輯符號表示邏輯符號表示組合組合封裝，抽象封裝，抽象與非門與非門或非門或非門異或門異或門組合組合邏輯符號表示邏輯符號表示封裝，封裝，抽象抽象組合，抽象組合，抽象53算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元邏輯門邏輯門+ +觸發(fā)器觸發(fā)器加法器加法器組合組合組合組合寄存器寄存器存儲器存儲器各種邏輯門電路各種邏輯門電路

25、組合組合CPUCPU邏輯門邏輯門+ +觸發(fā)器觸發(fā)器組合組合主主機機系系統(tǒng)統(tǒng)組合與抽象組合與抽象系統(tǒng)構(gòu)造的基本思路系統(tǒng)構(gòu)造的基本思路n任何復(fù)雜的邏輯電路都可以由基本邏輯門組合任何復(fù)雜的邏輯電路都可以由基本邏輯門組合構(gòu)成構(gòu)成n硬件系統(tǒng)構(gòu)造的基本方式：硬件系統(tǒng)構(gòu)造的基本方式：n自底向上，逐層封裝、抽象自底向上，逐層封裝、抽象n系統(tǒng)設(shè)計的基本過程：系統(tǒng)設(shè)計的基本過程：n自頂向下，分析和分解問題自頂向下，分析和分解問題n自底向上，構(gòu)造和設(shè)計自底向上，構(gòu)造和設(shè)計54同樣適用同樣適用軟件設(shè)計軟件設(shè)計計算機內(nèi)部的信息都以二進制表示計算機內(nèi)部的信息都以二進制表示將將“0 0”和和“1 1”賦予邏輯屬性，就成為邏

26、輯變量賦予邏輯屬性，就成為邏輯變量實現(xiàn)邏輯變量間關(guān)系的電路稱為邏輯電路實現(xiàn)邏輯變量間關(guān)系的電路稱為邏輯電路構(gòu)成各種邏輯電路的基本元素是基本邏輯門構(gòu)成各種邏輯電路的基本元素是基本邏輯門基本邏輯門的不同的連接方法構(gòu)成了計算機基本邏輯門的不同的連接方法構(gòu)成了計算機小結(jié)小結(jié)主要內(nèi)容主要內(nèi)容n邏輯運算與邏輯門邏輯運算與邏輯門n其他邏輯電路其他邏輯電路n觸發(fā)器觸發(fā)器n加法器與加法器與ALUALUn馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)及原理諾依曼結(jié)構(gòu)及原理n操作系統(tǒng)基礎(chǔ)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)56為什么為什么“電子計算機之父電子計算機之父”的桂冠沒有戴在的桂冠沒有戴在象象莫齊利莫齊利、埃克特或、埃克特或阿坦那索夫阿坦那索夫等等這樣一些實際這

27、樣一些實際研究者頭上，而是戴在了匈牙利數(shù)學(xué)家馮研究者頭上，而是戴在了匈牙利數(shù)學(xué)家馮 諾諾依曼（依曼（J.VonJ.Von Neumann Neumann）頭上）頭上？57馮馮 諾依諾依曼曼電子計算機之父電子計算機之父馮馮諾依曼提出了現(xiàn)代計算機的體系結(jié)構(gòu)諾依曼提出了現(xiàn)代計算機的體系結(jié)構(gòu)馮馮 諾依曼諾依曼計算機結(jié)構(gòu)特點計算機結(jié)構(gòu)特點1.1.采用二進制采用二進制n計算機中所有信息（數(shù)據(jù)和指令）統(tǒng)一用二進制表示計算機中所有信息（數(shù)據(jù)和指令）統(tǒng)一用二進制表示2.2.設(shè)計計算機硬件由五個部分構(gòu)成設(shè)計計算機硬件由五個部分構(gòu)成n運算器運算器n邏輯控制裝置邏輯控制裝置n存儲器存儲器n輸入和輸入和輸出設(shè)備輸出設(shè)備

28、3.3.提出存儲程序原理提出存儲程序原理58一、指令和程序一、指令和程序5960指令和程序指令和程序n指令：指令：n控制計算機完成某項操作的、能夠被計算機識別的控制計算機完成某項操作的、能夠被計算機識別的“命令命令”。n計算機硬件能夠直接識別的指令計算機硬件能夠直接識別的指令n二進制形式描述的機器指令二進制形式描述的機器指令n指令系統(tǒng)：指令系統(tǒng)：n計算機能夠識別的所有指令的集合。計算機能夠識別的所有指令的集合。n程序：程序：n按一定順序組織在一起的指令序列。按一定順序組織在一起的指令序列。611. 指令格式指令格式指令碼指令碼操作數(shù)操作數(shù)說明指令的功能說明指令的功能說明指令操作的對象說明指令操

29、作的對象n計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程n程序是指令的序列程序是指令的序列n計算機的工作過程就是執(zhí)行指令的過程計算機的工作過程就是執(zhí)行指令的過程n在計算機中：在計算機中：622. 指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程程序是由指令組成的程序是由指令組成的程序程序內(nèi)存內(nèi)存CPU指令和數(shù)據(jù)指令和數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果 獲取要執(zhí)行的指令獲取要執(zhí)行的指令 明確指令的功能明確指令的功能 獲取操作的數(shù)據(jù)獲取操作的數(shù)據(jù) 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 送回送回結(jié)果結(jié)果63 取指令取指令分析指令分析指令讀取操作數(shù)讀取操作數(shù) 執(zhí)行指令執(zhí)行指令存放結(jié)果存放結(jié)果指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程n順序執(zhí)行：順序執(zhí)行：

30、n一條指令執(zhí)行完了再執(zhí)行下一條指令。一條指令執(zhí)行完了再執(zhí)行下一條指令。n并行執(zhí)行：并行執(zhí)行：n同時執(zhí)行兩條或多條指令。同時執(zhí)行兩條或多條指令。核心步驟核心步驟643. 兩種執(zhí)行方式的比較兩種執(zhí)行方式的比較n順序執(zhí)行方式順序執(zhí)行方式n執(zhí)行時間執(zhí)行時間= =取指令取指令+ +分析指令分析指令+ +執(zhí)行指令執(zhí)行指令n例：例：n設(shè)三個部分的執(zhí)行時間均為設(shè)三個部分的執(zhí)行時間均為tt，則執(zhí)行則執(zhí)行n n條指令條指令時間時間T T0 0為：為： nT T0 0=3=3ntnt取指令取指令1 1執(zhí)行執(zhí)行指令指令1 1分析分析指令指令1 1CPU取指令取指令2 2執(zhí)行執(zhí)行指令指令2 2分析分析指令指令2 265

31、兩種執(zhí)行方式的比較兩種執(zhí)行方式的比較n并行執(zhí)行方式：并行執(zhí)行方式：（假設(shè)指令執(zhí)行分為三個步驟）（假設(shè)指令執(zhí)行分為三個步驟）分析分析指令指令3取指令取指令3分析分析指令指令2取指令取指令1執(zhí)行執(zhí)行指令指令1取指令取指令2執(zhí)行執(zhí)行指令指令2分析分析指令指令1執(zhí)行執(zhí)行指令指令3n僅第僅第1 1條指令需要條指令需要3 3 tt時間，之后每經(jīng)過時間，之后每經(jīng)過1 1 tt，就有一條指令執(zhí)行結(jié)束，就有一條指令執(zhí)行結(jié)束n執(zhí)行時間執(zhí)行時間： T T =3=3tt + +（ n-1n-1）tt兩種執(zhí)行方式時間的比較兩種執(zhí)行方式時間的比較n并行：并行：n更高的效率，更高的復(fù)雜度更高的效率，更高的復(fù)雜度n相對于順序

32、執(zhí)行方式，指令并行執(zhí)行的優(yōu)勢用加相對于順序執(zhí)行方式，指令并行執(zhí)行的優(yōu)勢用加速比表示：速比表示：nS=S=順序執(zhí)行花費的時間順序執(zhí)行花費的時間/ /并行執(zhí)行花費的時間并行執(zhí)行花費的時間n例：例：n3n3n tt / /（3 3tt + +（ n-1n-1）t)t)n=3n/=3n/（2+n2+n）二、馮二、馮諾依曼結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu) 微機硬件組成及基本原理微機硬件組成及基本原理n結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點：n以運算器為核心，所有信息的輸入和輸出都需要通以運算器為核心，所有信息的輸入和輸出都需要通過運算器過運算器68馮馮 諾依曼結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu)主機系統(tǒng)主機系統(tǒng)69馮馮 諾依曼計算機基本原理諾依曼計算機基本原理n

33、基本原理基本原理n將計算過程描述為由多條指令按一定順序組成的程將計算過程描述為由多條指令按一定順序組成的程序，并放入存儲器保存。序，并放入存儲器保存。n指令按其在存儲器中存放的順序執(zhí)行；指令按其在存儲器中存放的順序執(zhí)行；n由控制器控制整個程序和數(shù)據(jù)的存取以及程序的執(zhí)由控制器控制整個程序和數(shù)據(jù)的存取以及程序的執(zhí)行。行。存儲程序原理存儲程序原理70內(nèi)存中的程序內(nèi)存中的程序指令指令1 1指令指令2 2指令指令n n分析分析獲取操作數(shù)獲取操作數(shù)執(zhí)行執(zhí)行存放結(jié)果存放結(jié)果程序計數(shù)器程序計數(shù)器PCPC地址地址CPU取出取出操作數(shù)操作數(shù)馮馮 諾依曼計算機基本原理諾依曼計算機基本原理71n具體過程可描述為：具體

34、過程可描述為：從內(nèi)存中取第一條指令；從內(nèi)存中取第一條指令；送指令譯碼器譯碼，以確定要進行的操作；送指令譯碼器譯碼，以確定要進行的操作；讀取相應(yīng)的操作數(shù)（即執(zhí)行的對象）；讀取相應(yīng)的操作數(shù)（即執(zhí)行的對象）；執(zhí)行指令；執(zhí)行指令；存放執(zhí)行結(jié)果；存放執(zhí)行結(jié)果；轉(zhuǎn)向，直到遇到暫停指令方才結(jié)束轉(zhuǎn)向，直到遇到暫停指令方才結(jié)束。 馮馮 諾依曼計算機基本原理諾依曼計算機基本原理內(nèi)存單元地址內(nèi)存單元地址PC1000FH地址地址寄存器寄存器1000FH+1“讀存儲器讀存儲器”命令命令指令譯碼指令譯碼數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線地址總線地址總線B1H1000FH微機讀取一條指令的工作過程：B1H內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器73程序計數(shù)器程序計

35、數(shù)器PCnPCPC用來產(chǎn)生和存放下一條將要讀取的指令的地址。用來產(chǎn)生和存放下一條將要讀取的指令的地址。n在程序開始執(zhí)行前，須將程序第一條指令在內(nèi)存中的存放地址送在程序開始執(zhí)行前，須將程序第一條指令在內(nèi)存中的存放地址送入入PCPCnPCPC每輸出一次地址，就指向內(nèi)存的一個單元，每輸出一次地址，就指向內(nèi)存的一個單元，CPUCPU將該將該單元的指令自動取出。單元的指令自動取出。n之后，之后，PCPC中內(nèi)容自動加中內(nèi)容自動加1 1，準(zhǔn)備讀取下一條指令。，準(zhǔn)備讀取下一條指令。n如果每取走一條指令，如果每取走一條指令，PCPC都只做簡單都只做簡單的加的加1 1操作，則程操作，則程序?qū)樞驁?zhí)行序?qū)樞驁?zhí)

36、行nPCPC是程序執(zhí)行的是程序執(zhí)行的“指揮棒指揮棒”。PCPC指向哪里，指向哪里，CPUCPU就到就到哪里取哪里取指令指令PCPC是是“指令指針指令指針”順序結(jié)順序結(jié)構(gòu)程序構(gòu)程序馮馮 諾依曼結(jié)構(gòu)的局限性諾依曼結(jié)構(gòu)的局限性nCPUCPU與存儲器只間會有大量的數(shù)據(jù)交互，造成總線與存儲器只間會有大量的數(shù)據(jù)交互，造成總線瓶徑；瓶徑；n指令的執(zhí)行順序由程序計數(shù)器控制，使得即使有關(guān)指令的執(zhí)行順序由程序計數(shù)器控制，使得即使有關(guān)數(shù)據(jù)巳經(jīng)準(zhǔn)備好，也必須逐條執(zhí)行指令序列。數(shù)據(jù)巳經(jīng)準(zhǔn)備好，也必須逐條執(zhí)行指令序列。n指令的執(zhí)行順序由程序決定，對一些大型的、復(fù)雜指令的執(zhí)行順序由程序決定，對一些大型的、復(fù)雜的任務(wù)是比較困

37、難；的任務(wù)是比較困難；n以運算器為中心，以運算器為中心，I/OI/O設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過運算器，使處理效率、特別是對非數(shù)值數(shù)都要經(jīng)過運算器，使處理效率、特別是對非數(shù)值數(shù)據(jù)的處理效率比較低。據(jù)的處理效率比較低。74哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)n特點：特點：n指令和數(shù)據(jù)分別存放在兩個獨立的存儲器模塊中；指令和數(shù)據(jù)分別存放在兩個獨立的存儲器模塊中；nCPUCPU與存儲器間指令和數(shù)據(jù)的傳送分別采用兩組獨與存儲器間指令和數(shù)據(jù)的傳送分別采用兩組獨立的總線。立的總線。主要內(nèi)容主要內(nèi)容n邏輯運算與邏輯門邏輯運算與邏輯門n其他邏輯電路其他邏輯電路n觸發(fā)器觸發(fā)器n加法器與加法器與ALUAL

38、Un馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)及原理諾依曼結(jié)構(gòu)及原理n操作系統(tǒng)基礎(chǔ)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)76操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)？什么是操作系統(tǒng)？77它有哪些主要功能？它有哪些主要功能？它在計算機中起到什么作用？它在計算機中起到什么作用？操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)（Operating SystemOperating System，OSOS）n操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是一組控制和管理計算機軟、硬件資源是一組控制和管理計算機軟、硬件資源、為用戶提供便捷使用計算機的程序集合。、為用戶提供便捷使用計算機的程序集合。n是用戶和計算機之間進行是用戶和計算機之間進行“交流交流”的的界面。界面。n操作系統(tǒng)的功能：操作系統(tǒng)的功能：n管理系統(tǒng)資源管理系統(tǒng)資源

39、n為用戶使用計算機為用戶使用計算機提供友好界面提供友好界面78處理器處理器存儲器存儲器I/OI/O設(shè)備設(shè)備各種信息各種信息79操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)I/OI/O設(shè)備管理，存儲管理設(shè)備管理，存儲管理文件管理文件管理窗口軟件窗口軟件用戶用戶數(shù)據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲文件存取文件存取功功能能強強大大的的虛虛擬擬機機程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)B005040888045+8內(nèi)存必須考慮必須考慮：數(shù)據(jù)如何輸入、輸出；數(shù)據(jù)如何輸入、輸出；如何存儲；如何管如何存儲；如何管理；理；. .n是計算機硬件上的第一層軟件，是各種類型的計是計算機硬件上的第一層軟件，是各種類型的計算機都必須配置

40、的軟件。算機都必須配置的軟件。n其它所有軟件都運行于操作系統(tǒng)之上，依賴于它其它所有軟件都運行于操作系統(tǒng)之上，依賴于它的支持。的支持。80操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件1.1.作為用戶和計算機硬件之間的接口。作為用戶和計算機硬件之間的接口。n隱藏硬件，使用戶不必考慮不同硬件造成的差異隱藏硬件，使用戶不必考慮不同硬件造成的差異； n為為用戶和計算機之間進行用戶和計算機之間進行“交流交流”提供統(tǒng)一的界面。提供統(tǒng)一的界面。81操作系統(tǒng)的作用操作系統(tǒng)的作用通過鍵盤通過鍵盤應(yīng)用程序應(yīng)用程序系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)用用戶戶命令命令82操作系統(tǒng)的作用操作系

41、統(tǒng)的作用2.2.是對硬件系統(tǒng)功能的擴充是對硬件系統(tǒng)功能的擴充3.3.管理系統(tǒng)管理系統(tǒng)資源資源OSOS的的作用可以形象的比喻作用可以形象的比喻為一個樂團的為一個樂團的指揮。指揮。 一是一是有效管理有效管理和分配計算機系統(tǒng)的硬件和軟件資源，和分配計算機系統(tǒng)的硬件和軟件資源，使得有限的系統(tǒng)資源能夠發(fā)揮更大的作用。使得有限的系統(tǒng)資源能夠發(fā)揮更大的作用。 二是二是為使用計算機提供便利。為使用計算機提供便利。OSOS通過內(nèi)部極其復(fù)雜通過內(nèi)部極其復(fù)雜的綜合處理，為用戶提供友好、便捷的操作界面，以便的綜合處理，為用戶提供友好、便捷的操作界面，以便用戶無需了解計算機硬件或系統(tǒng)軟件的有關(guān)細(xì)節(jié)就能方用戶無需了解計算

42、機硬件或系統(tǒng)軟件的有關(guān)細(xì)節(jié)就能方便地使用便地使用計算機。計算機。n操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)具有五大基本功具有五大基本功能能：83操作系統(tǒng)功能操作系統(tǒng)功能設(shè)備管理設(shè)備管理存儲器管理存儲器管理存儲器管理處理器管理處理器管理處理器管理用戶接口用戶接口用戶接口文件管理文件管理文件管理文件管理操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的分類操作系統(tǒng)的分類n種類繁多，但基本目的只有一個種類繁多，但基本目的只有一個：實現(xiàn)：實現(xiàn)在不同環(huán)在不同環(huán)境下為不同應(yīng)用目的提供不同形式和不同效率的境下為不同應(yīng)用目的提供不同形式和不同效率的資源管理，以滿足不同用戶的操作資源管理，以滿足不同用戶的操作需要。需要。n批處理系統(tǒng)批處理系統(tǒng)n分時操作系統(tǒng)分時操作系統(tǒng)n實時操作系統(tǒng)實時操作系統(tǒng)n嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)n分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)n。84CPUCPU程序1程序2程序3程序nCPU時間片程序排隊隊列CPUCPUCP