计算机组成与结构课件

2。6。1 只读存储器ROM
• ROM是最典型的阵列逻辑电路之一，它主要由地址译码器 和存储单元体组成。当ROM存储体内的内容确定之后，在 系统运行时，不能随机地和实时地加以改变。ROM又分 PROM，EPROM，E2PROM等多种。ROM的工作原理是： 地址译码器根据输入地址选择一个存储单元，然后使用内部 的驱动电路将该单元的内容读出，如下图所示。
Ai 0 0 1 1
Bi 0 1 0 1
Yi 0 1 1 0
2.1.3 加法器
Hn
见本书28－30页。 • 半加器（不考虑进位），功能表 和逻辑图如图2.11所示，可简单的 表示如右图。
++
Xn
Fn
Yn
• 全加器（考虑进位），功能表和 Cn 逻辑图如图2.12所示，全加器可简单 的表示如右图。全加器由本位和及向 高位的进位两部分组成。（图2.12(c) 给出的是本位和逻辑图）
计算机组成与结构
本课程讲述以下内容：
1，概论：计算机发展简史，计算机结构、工作原理和主要特点，计算机层 次结构，计算机应用； 2，计算机逻辑部件：加法器，算术逻辑单元，译码器，数据选择器，D-触 发器，寄存器，计数器等； 3，运算方法和运算部件 运算方法：加法、乘法、除法；校验：奇偶和海 明校验； 4，主存储器（内存，RAM）； 5，指令系统； 6，中央处理部件CPU； 7，存储系统（cache,相联存储器）； 8，辅助（外）存储器（磁盘，光盘）； 9，输入输出（I/O）设备（有选择地讲解）； 10，输入输出（I/O）系统；
1.2 冯式（von Neumann）计算机结构和工作原理
1.2.1 冯（冯。诺依曼）式计算机结构
冯式计算机结构如下图所示（P4）：
运算控制器 （CPU） 存储器 主机
（总线：数据，地址，控制）
I/O设备
I/O设备
外部设备
计算机＝主机＋外设；主机＝CPU+存储器；CPU=控制器＋运算器。
1.2.2 冯式计算机工作原理
正端高电平
正端低电平
1
负端低电平
0
负端高电平
三种触发器
1，电位触发方式触发器 也叫锁存触发器，见P36。 2，边沿触发方式触发器 也叫D触发器，见P37。如右图。 3，主-从触发方式触发器 也叫J-K触发器，见P38，如下图。
RD
Q
D
Q SD
CP
SD
Q
Q
RD CP
J J
K K
比较各种触发器的异同点。触发器的 共同特点是能保存数据，即当输入数 据发生变化时，只要没有工作信号， 触发器原状态（数据）不变。
C4 F4 C3 F3 C2 F2 C1 F1
+
进位产生器 进位产生器
+
进位产生器
+
进位产生器
+
C0 X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3 X4 Y4
2.1.4 算术逻辑单元（ALU）
算术逻辑单元ALU（Arithmetic & Logical Unit）是一个既能作算术运算也能作 逻辑运算的部件，也是CPU的重要组成部分。P31图示的是SN74181型ALU逻辑图及其在 正逻辑下的功能表。在M和S0－S3的控制下可分别作16种算术运算和16种逻辑运算：M=H 执行逻辑运算，M=L执行算术运算；S0－S3的16种编码给出16种运算。 图2.9给出了具体的逻辑图和功能表。该图比较复杂，可以将其简化如下： F3 F2 F1 F0
冯式计算机最基本的基础是 二进制和二值元件：用二值元件 表示二进制代码，通过对二值元 件状态的控制和转换实现对二进 制代码的运算和处理，以完成各 种复杂的功能。 二值元件，是具有两种稳定 状态且这两种状态可在一定条件 下相互转换的物理元件，开关、 灯泡、继电器、电子管、晶体管、 磁芯、触发器等都是二值元件。 右图是冯式计算机工作原理 流程图。
• 如果逻辑电路的输出状态不但和当时的输入状态 有关，而且还与电路在此前的输入状态有关，或
者，即使输入变了其输出也不一定改变，称这种
电路为时序逻辑电路。时序电路内必须要有能储 存信息的记忆元件----触发器。触发器是构成时序 电路的基础。(比如计数器,当前值与上一值有关)
2.2.1 触发器
• 触发器是计算机中最重要、最基本的二值元件， 它可以保存一位二进制代码，是构成寄存器，移 位寄存器和计数器等部件的基本单元。 • 一个触发器虽然只能保存一位二进制代码，但它 却有两个输出端：正端和反端。触发器所保存的 代码与其两个输出端的关系是：
虚拟机器M4 （高级语言机）
Interpretation Translation
虚拟机器M3 （汇编语言机）
虚拟机器M2 （操作系统语言机）
• M2－M4是软件虚拟机， M1是硬件实际机； • 层次的上下级关系是根 据调用原则确定的； • “解释”和“翻译”的 不同 • M1下面可以有微程序设 计级； • 划分层次有利于机器系 统的描述与设计；
同特点是：输出只依赖于当前的输入，输入变了输出也立 即改变； • 设计组合电路的方法是： 1，根据所设计的电路的输入与输出的关系，列出 其真值表
（功能表）；
2，根据真值表写出逻辑表达式； 3，对逻辑表达式进行综合、化简； 4，根据逻辑表达式，使用“与” 、“或” 、“非”门画出 电路图；
2。2 时序逻辑电路
2。1 计算机中常用的组合逻辑电路
2。1。1 三态门（P24） 三态门的逻辑图和功能表如下： A G 功能表 G Y 0 A 1 Z Y
G1 D2 G2 D3 D1
G3
2。1。2 异或门及其应用
• 异或门（按位加、半加器）逻辑图及其功能表如下：
Ai Bi
Yi
异或门的பைடு நூலகம்用： 1，可控原/反码输出电路； 2，半加器； 3，数据比较器； 4，奇偶检测电路；
2.2.2 寄存器和移位寄存器
D0 D1 D2 Dn-1
CP
移位寄存 器示例
右移 左移
“0”
“0”
• 移位寄存器由基本寄存器增加移位功能而成，包括左移、 右移、循环左移、循环右移等不同类型。右图是具有左、右 移功能的移位寄存器的示例。P31图2.22所示是既可并行输入 有可左右移的逻辑图。
2。2。3 计数器
Y1 Y2 Y3 Y4
S1 S2 A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4
• A1－A4是一路数据，由信号S1控制；B1－B4是另一组数据，由信号S2控制； 在任一指定时刻， S1、S2最多只有一个为高电平； • 参见P35图2.21的逻辑图及其功能表。
组合逻辑电路的小结
• 组合逻辑电路是只由门电路组成的逻辑电路，它们的的共
实际机器M1 （机器语言机）
1.4 计算机的应用
• 计算机的应用可以用两句话概括，即“无 处不在”，“无孔不入”；具体本书12－ 14页共列了五个方面。
第二章 计算机逻辑部件
• 本章所述逻辑部件多数都在《数字逻辑》 内讲过了，这里只是重复一下对本书后面 的内容比较重要的一些基本部件，包括： 三态门，加法器，算术逻辑单元，译码器， 数据选择器，D-触发器，寄存器，计数器 等。
• 计数器是由基本寄存器增加计数功能而成，分加1 和减1，分同步和异步，分二进制和十进制。参看 41－42页，使用J-K触发器，给出的是十进制同 步计数器。 1，用四位二进制数表示一个十进制数，计数规律； 2，每个J—K触发器J、K端的表达式； 3，该计数器的功能，“保持”和“触发器保持”的 不同； 4，若干个这样的计数器级联，构成更大的计数器问 题；
+
Xn Yn
Cn-1
•
串行进位加法器，如下图所示：
X4
C4
Y4
C3
X3 Y3
C2
X2
Y2
C1
X1
Y1
C0
+
+
+
+
F4
F3
F2
F1
• 这是由四个加法器单元组成的四位串行加法器，F1是低位，F4是高位； • 串行进位加法器的缺点是求和过程延迟时间较长，因为其进位是串行地 一位一位产生的；
• 由若干位组成的加法器部件可以级联，以组成位数更多的加法器。C0是
Y0(00) Y1(01) Y2(10) Y3(11)
E
A
B
• E(Enable)是“使能”信 号， 控制译码器是否工作，还 可用来将两个译码器联合 起来工作。如图2.20。
2.1.6 数据选择器
数据选择器又称多路开关，是由各种门电路组成的部件。它能在选择信号的 控制下，从多个输入通道中选择某一个通道的数据作为输出。下面是一个“二路四 位”的数据选择器的示例。
第一章
计算机系统概述
1.1 计算机发展简史（参见P6-11）
• 基于计算机所用的物理器件，可将计算机分成五代： 第一代 电子管时代；（46~50年代中期，IBM709） 第二代 晶体管时代；（50年代中~60年代后， CDC6600~CDC7600） 第三代 集成电路时代；（60年代中~70年代前期， IBM360/370） 第四代 大规模集成电路时代；（70年代中至今， Intel 80x86，Pentium等）； 第五代 智能计算机；光子和生物元件，神经网络结 构，学习功能；日本于1992年推出为期10年的RWC（Real World Computing）计划，但成效甚微； • 按其功能和结构，计算机可分成：大型机，巨型机， 小型机，微型机，工作站，联机系统，计算机网络等；
低位部件向本部件的进位，C4是本部件向高位部件的进位； • P29给出了Ci的逻辑表达式，以及传递函数Pi 和进位产生函数Gi的概念；
• 并行进位加法器（超前进位加法器）
顾名思义，并行进位，就是加法器的每位向前一位的进位是同时产生 的，而不是像串行进位那样逐级地和串行地产生，这样就可以加快进位 和求和的速度；其方法就是让每一个进位直接依赖于输入数据（Xi,Yi,C0） 而不依赖于在加法过程中产生的进位Ci； • 先看29－30页的说明； • 并行进位加法器可换一种形式表式如下：