東南大學信息學院-計算機結構與邏輯設計課件運算電路

課程概述本課程介紹計算機系統(tǒng)中運算電路的基本原理和設計方法，著重講解數(shù)字邏輯電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路、存儲器、總線和接口、微處理器等內容。通過學習本課程，學生將掌握運算電路的基本理論和設計方法，并能夠運用所學知識進行簡單的運算電路設計和分析。ppbypptppt信息系統(tǒng)的基本構成中央處理器(CPU)CPU是信息系統(tǒng)的核心，負責執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。存儲器存儲器用于保存程序和數(shù)據(jù)，分為主存儲器和輔助存儲器。輸入輸出設備輸入輸出設備負責與外界進行信息交換，包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。總線總線是信息系統(tǒng)內部各部件之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。?shù)字電路基礎基本概念數(shù)字電路使用0和1兩種狀態(tài)表示信息，構成邏輯運算的基礎。常用邏輯門電路包括與門、或門、非門、異或門等。邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)是數(shù)字電路設計的基礎，通過邏輯運算符號和公式表示邏輯關系，分析和簡化電路。布爾代數(shù)布爾代數(shù)是邏輯代數(shù)的基礎，提供邏輯運算的理論基礎，包括邏輯運算規(guī)則和公式。邏輯門電路邏輯門電路是數(shù)字電路的基本單元，實現(xiàn)邏輯運算，構成組合邏輯和時序邏輯電路的基礎。數(shù)字信號數(shù)字信號是離散的，由一系列脈沖信號組成，適用于數(shù)字電路的傳輸和處理。數(shù)字邏輯門電路1基本門電路與門、或門、非門是基本邏輯門電路。2組合邏輯門電路異或門、同或門、與非門、或非門是組合邏輯門電路。3邏輯門電路的特性邏輯門電路具有不同的特性，例如輸入輸出關系、驅動能力、傳播延遲等。邏輯門電路是數(shù)字電路中最基本的單元，它們實現(xiàn)各種邏輯運算，例如與、或、非、異或等。邏輯門電路可以組合在一起形成更復雜的電路，例如組合邏輯電路和時序邏輯電路。組合邏輯電路設計1基本設計方法組合邏輯電路設計主要采用真值表、卡諾圖和邏輯表達式等方法，進行電路的邏輯功能描述和化簡。2設計步驟組合邏輯電路設計通常遵循以下步驟：分析需求、建立真值表、繪制卡諾圖、化簡邏輯表達式、選擇合適的邏輯門電路、繪制電路圖。3電路實現(xiàn)組合邏輯電路可以采用各種邏輯門電路、集成電路或可編程邏輯器件實現(xiàn)，以滿足不同的性能和成本要求。組合邏輯電路分析1邏輯表達式化簡通過代數(shù)方法或卡諾圖簡化邏輯表達式，降低電路復雜度。2電路功能分析根據(jù)邏輯表達式或電路圖分析組合邏輯電路的功能和特性。3時序分析分析電路的傳播延遲，確定信號的穩(wěn)定時間，避免邏輯競爭和冒險現(xiàn)象。4電路性能評估分析電路的功耗、速度、面積等性能指標，評估其性能是否滿足設計要求。組合邏輯電路分析是設計和調試組合邏輯電路的關鍵步驟，通過分析可以識別電路的邏輯功能、性能和潛在問題，以便優(yōu)化設計。編碼器和解碼器編碼器編碼器將二進制代碼轉換為特定輸出信號，例如將十進制數(shù)轉換為七段顯示器上的字符。解碼器解碼器將特定的輸入信號轉換為二進制代碼，例如將七段顯示器上的字符轉換為十進制數(shù)。編碼器和解碼器應用編碼器和解碼器廣泛應用于計算機系統(tǒng)中，例如內存地址譯碼、數(shù)據(jù)轉換等。多路選擇器和數(shù)據(jù)選擇器1多路選擇器多路選擇器根據(jù)控制信號選擇多個輸入信號中的一個輸出。2數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)地址信號選擇多個數(shù)據(jù)輸入中的一個輸出。3應用多路選擇器和數(shù)據(jù)選擇器應用廣泛，例如數(shù)據(jù)選擇、地址譯碼等。多路選擇器和數(shù)據(jù)選擇器都是組合邏輯電路，根據(jù)控制信號或地址信號選擇多個輸入信號中的一個輸出。它們廣泛應用于計算機系統(tǒng)中，例如數(shù)據(jù)選擇、地址譯碼、信號路由等。算術電路1加法器和減法器加法器和減法器是算術電路中最重要的基本單元，實現(xiàn)加減運算。2乘法器和除法器乘法器和除法器實現(xiàn)乘除運算，通常使用移位和加減運算實現(xiàn)。3其他算術運算電路其他算術運算電路包括比較器、移位電路等，實現(xiàn)各種算術運算。加法器和減法器1半加器實現(xiàn)一位二進制數(shù)的加法運算。2全加器實現(xiàn)多位二進制數(shù)的加法運算。3減法器實現(xiàn)二進制數(shù)的減法運算。加法器和減法器是算術電路中的基本單元，用于實現(xiàn)二進制數(shù)的加減運算。半加器實現(xiàn)一位二進制數(shù)的加法運算，全加器實現(xiàn)多位二進制數(shù)的加法運算。減法器可以使用加法器實現(xiàn)，通過將減數(shù)取反并加1，轉換為加法運算。乘法器和除法器1基本原理乘法器通過移位和加法運算實現(xiàn)乘法。2乘法器類型常用的乘法器類型包括陣列乘法器和移位相加乘法器。3除法器類型常用的除法器類型包括恢復余數(shù)除法器和非恢復余數(shù)除法器。4應用乘法器和除法器廣泛應用于計算機系統(tǒng)中，例如算術運算、數(shù)據(jù)處理等。乘法器和除法器是算術電路中重要的組成部分，用于實現(xiàn)乘除運算。它們通常使用移位和加減運算實現(xiàn)，可以分為不同的類型，例如陣列乘法器、移位相加乘法器、恢復余數(shù)除法器、非恢復余數(shù)除法器等。這些電路在計算機系統(tǒng)中廣泛應用，例如算術運算、數(shù)據(jù)處理、信號處理等。移位電路1移位操作將寄存器中的數(shù)據(jù)按位左移或右移。2移位類型邏輯移位、算術移位和循環(huán)移位。3應用乘除運算、數(shù)據(jù)格式轉換和地址生成。移位電路是數(shù)字電路中常用的基本單元，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的移位操作。移位電路可以根據(jù)不同的應用需求選擇不同的移位類型，例如邏輯移位、算術移位和循環(huán)移位。移位電路在計算機系統(tǒng)中有著廣泛的應用，例如乘除運算、數(shù)據(jù)格式轉換、地址生成等。比較器基本原理比較器是用來比較兩個輸入信號的大小關系的邏輯電路。比較結果比較器輸出信號表示兩個輸入信號的大小關系，例如大于、小于或等于。應用比較器廣泛應用于計算機系統(tǒng)中，例如數(shù)據(jù)排序、地址比較和控制信號生成。類型比較器可以分為數(shù)字比較器和模擬比較器，分別用于數(shù)字信號和模擬信號的比較。實現(xiàn)比較器可以使用邏輯門電路或專用集成電路實現(xiàn)。觸發(fā)器1基本原理觸發(fā)器是數(shù)字電路中重要的基本單元，用于存儲一位二進制數(shù)據(jù)。2類型常用的觸發(fā)器類型包括SR觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和T觸發(fā)器。3應用觸發(fā)器廣泛應用于時序邏輯電路、計數(shù)器、寄存器等。時序邏輯電路1定義時序邏輯電路是其輸出不僅取決于當前輸入，還取決于電路之前狀態(tài)的電路。2主要元件觸發(fā)器是時序邏輯電路中最基本的單元，用于存儲信息。3應用時序邏輯電路廣泛應用于計算機系統(tǒng)中，例如計數(shù)器、寄存器、移位寄存器、存儲器等。寄存器1定義一組觸發(fā)器2功能存儲多個數(shù)據(jù)3類型并行輸入/輸出4應用CPU內部數(shù)據(jù)存儲寄存器是計算機系統(tǒng)中重要的組成部分，由多個觸發(fā)器組成，能夠存儲多個二進制數(shù)據(jù)。寄存器通常用于存儲CPU內部數(shù)據(jù)，例如指令、操作數(shù)、地址等。計數(shù)器1定義計數(shù)器是一種時序邏輯電路。2功能用于計數(shù)脈沖的個數(shù)。3類型同步計數(shù)器和異步計數(shù)器。4應用定時、頻率測量和數(shù)據(jù)處理。計數(shù)器是計算機系統(tǒng)中重要的組成部分，用于計數(shù)脈沖的個數(shù)。計數(shù)器可以分為同步計數(shù)器和異步計數(shù)器，同步計數(shù)器所有觸發(fā)器的時鐘信號同時到達，而異步計數(shù)器的時鐘信號依次到達。計數(shù)器在計算機系統(tǒng)中有著廣泛的應用，例如定時、頻率測量、數(shù)據(jù)處理等。移位寄存器定義移位寄存器是一種特殊的寄存器，用于存儲和移位數(shù)據(jù)。工作原理移位寄存器通過時鐘信號控制，每次時鐘脈沖到來，數(shù)據(jù)會向一個方向移動一位。類型常見的移位寄存器類型包括串行輸入/串行輸出、串行輸入/并行輸出、并行輸入/串行輸出和并行輸入/并行輸出。應用移位寄存器廣泛應用于計算機系統(tǒng)中，例如數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)格式轉換和地址生成。存儲器定義存儲器是計算機系統(tǒng)中用于存儲數(shù)據(jù)的部件，它是計算機的核心部件之一。功能存儲器用于保存計算機程序和數(shù)據(jù)，供中央處理器(CPU)訪問和處理。分類存儲器可以分為主存儲器和輔助存儲器，主存儲器用于存放當前運行的程序和數(shù)據(jù)，輔助存儲器用于保存長期保存的數(shù)據(jù)和程序。類型主存儲器又可以分為隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)，輔助存儲器包括硬盤、光盤、U盤等。存儲器分類1按訪問速度主存、輔存2按存儲介質半導體存儲器、磁存儲器3按存取方式隨機存取、順序存取4按功能ROM、RAM存儲器根據(jù)不同的標準可以進行分類。按訪問速度，可以分為主存和輔存。主存訪問速度快，用于存放當前運行的程序和數(shù)據(jù)，輔存訪問速度慢，用于存放長期保存的數(shù)據(jù)和程序。按存儲介質，可以分為半導體存儲器和磁存儲器。半導體存儲器使用集成電路芯片作為存儲介質，具有體積小、速度快、功耗低等優(yōu)點。磁存儲器使用磁性材料作為存儲介質，具有容量大、價格低廉等優(yōu)點。按存取方式，可以分為隨機存取和順序存取。隨機存取存儲器(RAM)可以隨機訪問任意地址的存儲單元，順序存取存儲器(如磁帶)只能按順序訪問存儲單元。按功能，可以分為ROM和RAM。ROM用于存放只讀的數(shù)據(jù)，例如操作系統(tǒng)引導程序，RAM用于存放可讀寫的程序和數(shù)據(jù)。存儲器訪問方式1隨機存取可以隨機訪問任意地址的存儲單元。2順序存取只能按順序訪問存儲單元。3直接存取根據(jù)地址直接訪問指定存儲單元。4關聯(lián)存取根據(jù)內容訪問存儲單元。存儲器訪問方式是指CPU訪問存儲單元的方式。隨機存取存儲器(RAM)可以隨機訪問任意地址的存儲單元，順序存取存儲器(如磁帶)只能按順序訪問存儲單元，直接存取存儲器(如磁盤)根據(jù)地址直接訪問指定存儲單元，關聯(lián)存取存儲器(如數(shù)據(jù)庫)根據(jù)內容訪問存儲單元。存儲器控制電路1地址譯碼地址譯碼將邏輯地址轉換為物理地址，選擇特定存儲單元。2讀寫控制讀寫控制信號決定存儲器進行讀操作還是寫操作。3數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖器用于臨時存儲數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率?？偩€和接口1總線電子元件間的數(shù)據(jù)通路。2類型數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。3接口連接不同設備的橋梁。4功能數(shù)據(jù)傳輸、設備控制?？偩€是電子系統(tǒng)中不同元件之間傳輸數(shù)據(jù)的通路，負責傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信息。接口是連接不同設備的橋梁，負責協(xié)調不同設備之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制信號，確保數(shù)據(jù)能夠在不同設備之間順利交換。微處理器的基本結構1運算器運算器是CPU的核心，負責進行算術運算和邏輯運算。2控制器控制器負責控制CPU各個部件的工作，協(xié)調數(shù)據(jù)的流動。3寄存器組寄存器組用于臨時存儲CPU中正在處理的數(shù)據(jù)和指令。CPU的功能和工作原理指令獲取從內存中獲取指令，并將指令送到指令寄存器。指令解碼解碼指令，確定指令的操作碼和操作數(shù)，并根據(jù)指令內容執(zhí)行相應操作。指令執(zhí)行執(zhí)行指令，根據(jù)指令的操作碼和操作數(shù)，完成相應的運算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?。結果存儲將運算結果或數(shù)據(jù)存儲到內存或寄存器中。指令系統(tǒng)1指令格式指令的組成和結構。2指令集CPU可執(zhí)行的所有指令。3尋址方式CPU訪問操作數(shù)的方式。4指令周期CPU執(zhí)行一條指令的過程。指令系統(tǒng)是計算機硬件和軟件之間溝通的橋梁，它定義了CPU可執(zhí)行的操作類型，并提供了程序員與計算機系統(tǒng)交互的方式。指令格式規(guī)定了指令的組成和結構，包括操作碼、操作數(shù)和地址碼等。指令集是指CPU可執(zhí)行的所有指令，包括算術運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。尋址方式是CPU訪問操作數(shù)的方式，常見尋址方式包括立即尋址、直接尋址、間接尋址和寄存器尋址等。指令周期是CPU執(zhí)行一條指令的過程，包括取指令、解碼、執(zhí)行和寫回等步驟。中斷系統(tǒng)1中斷概念中斷是硬件或軟件事件，導致CPU暫停當前執(zhí)行的程序，轉而執(zhí)行中斷處理程序。2中斷類型可分為硬件中斷和軟件中斷，例如鍵盤中斷、時鐘中斷、系統(tǒng)調用等。3中斷處理流程保存CPU狀態(tài)、執(zhí)行中斷處理程序、恢復CPU狀態(tài)，最后返回原程序。4中斷向量表存儲中斷處理程序地址的表，用于快速查找中斷處理程序。中斷系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，它允許CPU在處理當前任務的同時，及時響應外部事件，提高系統(tǒng)的效率和靈活性。輸入輸出接口1定義連接CPU與外部設備的橋梁。2功能數(shù)據(jù)傳輸、控制信號。3類型并行接口、串行接口。4設計硬件電路、軟件驅動。輸入輸出接口是計算機系統(tǒng)中連接CPU與外部設備的橋梁，負責協(xié)調CPU與外部設備之間的通信。輸入輸出接口的功能包括數(shù)據(jù)傳輸和控制信號，例如，向打印機發(fā)送打印數(shù)據(jù)，接收鍵盤輸入的字符，控制硬盤的讀寫等。常