第3章 计算机硬件系统

0计算机硬件基础知识布尔代数在数字电路中，1位二进制数码的1和0不仅可以表示数量的大小，而且可以表示两种不同的逻辑状态。布尔代数研究的是二值变量的运算规律。在布尔代数中变量的取值只能是“0”和“1”。它代表了事物对立或矛盾着的两个方面。在布尔代数中共有与、或、非三种基本运算。2023/2/51第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的基本运算1、与运算

只有决定一件事情的所有条件全都具备之后，这件事情才会发生。2023/2/52第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的基本运算

2、或运算决定一件事情的多个条件中只要有一个条件具备，这件事情就会发生。2023/2/53第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的基本运算

3、非运算条件不具备时，事情才会发生。反之亦然。2023/2/54第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的复合运算

1、与非运算2023/2/55第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的复合运算

2、或非运算2023/2/56第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的复合运算

3、异或运算2023/2/57第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的复合运算

4、同或运算2023/2/58第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的基本公式基本运算规则

与运算（逻辑乘）：A·0=0，A·1=A，A·A=A，A·A=0

或运算（逻辑加）：A+0=A，A+1=1，A+A=A，A+A=1

非运算（逻辑非）：A=A2023/2/59第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的基本公式基本定律

交换律：

A·B=B·A，A+B=B+A

结合律：(A·B)·C=A·(B·C)，

(A+B)+C=A+(B+C)

分配律：A·(B+C)=A·B+A·C，

(A+B)·C=(A+B)·(A+C)

吸收律：A·(A+B)=A，A+A·B=A

摩根定律：A+B+C+……….=A·B·C·……….A·B·C·……=A+B+C+………….2023/2/510第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的基本公式基本规则

代入规则：在任何一个包含变量A的逻辑等式中，若以另外一个逻辑式代入式中所有A的位置，则等式仍然成立。

反演规则：对于任何一个逻辑函数式Y，若将其中所有的“·”换成“+”，“+”换成“·”，0换成1，1换成0，原变量换成反变量，反变量换成原变量，则得到的结果仍就是Y。2023/2/511第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的基本公式基本定理

对偶规则：对于任何一个逻辑函数式Y，若将其中的“·”换成“+”，“+”换成“·”，0换成1，1换成0，则得到一个新的逻辑式Y’，成为Y的对偶式。若两个逻辑式相等，则它们的对偶式也相等。

注意！在使用上述定理时应遵守如下规则：

1、不得改变原逻辑式的计算顺序；

2、不属于单个变量上的反号应保留不变。2023/2/512第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识布尔代数的基本公式常用公式2023/2/513第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识逻辑函数及其应用逻辑函数的建立和表示方法1、依题意，确定开关A，B为逻辑变量，灯F为逻辑函数。并设开关A，B上合为0，下合为1，灯F亮为1，灭为0。2、列出真值表。2023/2/514第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识逻辑函数及其应用逻辑函数的建立和表示方法3、写出逻辑函数表达式2023/2/515第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识逻辑函数及其应用逻辑真值表逻辑函数表达式逻辑图2023/2/516第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识逻辑函数及其应用由真值表写逻辑函数表达式步骤：（1）找出使Y为1的那些输入变量取值的组合；2023/2/517第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识逻辑函数及其应用由真值表写逻辑函数表达式步骤：（2）、对应每一取值组合，按1写原变量，0写反变量的方法组成一个乘积项；（3）、将乘积项相加即得。2023/2/518第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识逻辑函数及其应用由逻辑函数表达式写真值表例：写出逻辑函数的真值表。2023/2/519第3章计算机硬件系统0计算机硬件基础知识逻辑函数及其应用由逻辑图写逻辑函数表达式例：已知逻辑图,写出其对应的逻辑函数表达式2023/2/520第3章计算机硬件系统1计算机硬件系统的组成计算机硬件系统组成：存储器数据流控制流运算器外存储器输出设备内存储器输入设备控制器2023/2/521第3章计算机硬件系统2中央处理器（CPU）一位加法器（BinaryAdderCircuits）半加器如果不考虑有来自低位的进位将两个1位二进制数相加，称为半加。实现半加运算的电路叫做半加器。2023/2/522第3章计算机硬件系统2中央处理器（CPU）2023/2/523第3章计算机硬件系统&&&+ABSCo2中央处理器（CPU）一位加法器（BinaryAdderCircuits）全加器在将两个对应位二进制数相加时，考虑来自低位的进位，既将3个数相加的运算称为全加，其电路叫做全加器。2023/2/524第3章计算机硬件系统2中央处理器（CPU）

运算器与计算机其他部件的关系：与控制器的关系运算器接收到控制器发来的各种运算控制命令，进行运算运算过程中产生的各种信息，包括运算结果特征标志和状态信息，再反馈给控制器与存储器的关系存储器可以把参加运算的数据传送给运算器；运算器也可把运算结果传送给存储器，同时运算器提供存储器的地址。2023/2/525第3章计算机硬件系统2中央处理器（CPU）

运算器的工作原理：运算器的原理各种复杂的运算处理最终可分解为四则运算与基本的逻辑运算四则运算的核心是加法运算。可以通过补码运算化减为加加减运算与移位结合可以实现乘除运算阶码与尾数的运算组合可以实现浮点运算。2023/2/526第3章计算机硬件系统2中央处理器（CPU）

控制器：控制器是中央处理器的重要组成部分是整个系统的指挥中心，在控制器的控制之下，运算器、存储器和输入输出设备等部件构成了一个有机的整体2023/2/527第3章计算机硬件系统2中央处理器（CPU）

控制器的功能：控制器的基本功能负责指令的读出，进行识别和解释，并指挥协调各功能部件执行指令。2023/2/528第3章计算机硬件系统2中央处理器（CPU）

控制器的功能：

1）程序控制保证机器按一定顺序执行程序是控制器的首要任务；

2）操作控制指令的功能是由若干个操作信号的组合来实现的；

3）时间控制对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。各种指令的操作信号均受到时间的严格控制；一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制；

4）数据加工2023/2/529第3章计算机硬件系统2中央处理器（CPU）

控制器的组成：（1）指令部件程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器（ID）、程序状态寄存器（PSW）和地址形成部件等。（2）时序部件

时序部件就是用来产生各部件所需要的定时控制信号的部件。时序信号一般由工作周期，工作节拍及工作时标脉冲三级时序信号构成。2023/2/530第3章计算机硬件系统2中央处理器（CPU）

控制器的组成：（3）微操作控制线路

微操作是指计算机中最基本的操作；微操作控制逻辑，用来产生机器所需的全部的微操作信号。微操作控制逻辑的作用是把操作码译码器输出的控制电位，时序信号以及各种控制条件进行组合，按一定时间顺序产生并发出一系列微操作控制信号，以完成指令规定的全部操作。（4）中断控制逻辑中断控制逻辑用来控制中断处理的硬件逻辑。2023/2/531第3章计算机硬件系统2中央处理器（CPU）

摩尔定律与处理器的发展摩尔定律归纳起来包括以下几点：

（1）芯片技术发展具有周期性，周期是18-24个月；（2）芯片上所集成的门电路的数目，每隔一个周期就翻一番；（3）处理器的性能每隔一个周期提高一倍，并且价格同比下降一倍。2023/2/532第3章计算机硬件系统3存储器

主存储器的两种主要形式：随机存取存储器（Random-AccessMemory，简称RAM）只读存储器（Read-OnlyMemory，简称ROM）

2023/2/533第3章计算机硬件系统3存储器

随机存取存储器——RAMRAM能随机地对存储器中的任何单元进行存取，且与存取的时间和该单元的物理位置无关。

2023/2/534第3章计算机硬件系统3存储器

随机存取存储器——RAM

静态SRAM只要保持供电，它总能保持两个稳定的状态中的一个状态。是利用双稳态触发器的开关特性进行记忆动态DRAM靠MOS电路中的栅极电容来记忆信息由于电容的电荷会泄漏，除要保持电源外，还必须设置刷新电路，动态地每隔一定的时间间隔对它进行一次刷新，否则信息就会丢失。2023/2/535第3章计算机硬件系统3存储器

随机存取存储器——RAM

SRAM读写速度快而成本也高，DRAM比SRAM集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作大容量存储器。主内存通常采用DRAM，而高速缓冲存储器（Cache）则使用SRAM。2023/2/536第3章计算机硬件系统3存储器

只读存储器（Read-OnlyMemory，简称ROM）是一种在机器运行过程中只能读出、不能写入信息的存储器采用非易失性器件制造没有电源时，其存储的信息也能长期保存。它所存储的信息是用特殊方式写入的。主要用于存储器经常要用的一些固定信息。2023/2/537第3章计算机硬件系统3存储器

ROM的主要功能：功能：主要用于存储器经常要用的一些固定信息。ROM在计算机中主要用来保存出厂的一些固定设置和系统硬件引导程序，即通常所谓BIOS，ROM技术也用于一些固件产品中。2023/2/538第3章计算机硬件系统输入/输出设备数据通信设备外存储设备（硬磁盘、软磁盘、光盘）多媒体数/模、模/数转换汉字处理设备终端设备（键盘+显示器）输入设备输出设备语音输出语言与文字输入光学字符识别键盘条形码图形输入设备（鼠标器、图形板、跟踪球、操纵杆、光笔）图象输入设备（摄像机、扫描仪、传真机）绘图机（平板式、滚筒式）打印设备（点阵式打印机、激光打印机、喷墨打印机）显示器（字符、汉字、图形、图象、液晶、等离子）4输入输出设备

2023/2/539第3章计算机硬件系统总线的基本概念：总线是连接两个或多个功能部件的一组共享的信息传输线，是多个部件共享传输介质。一个部件发出的信号可以被连接到总线上的其他所有部件所接收。总线通常由许多传输线或通路构成，在并行传输条件下，每条线可传输一位二进制信息，若干条线可同时传输多位二进制信息。计算机系统中含有多种总线，在各个层次上提供部件之间连接和信息交换的通路。5计算机总线2023/2/540第3章计算机硬件系统根据所连接部件的不同，总线分成三种类型：内部总线：指芯片内部连接各元件的总线。例如CPU芯片内部，在各个寄存器、ALU、指令部件等各元件之间也有总线相连。系统总线：指连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件的总线。由于这些部件通常制作在插件板卡上，所以连接这些部件的总线一般是主板式或底板式总线I/O总线：这类总线用于主机和I/O设备之间或计算机系统之间的通信。由于这类连接涉及到许多方面，包括：距离远近、速度快慢、工作方式等，差异很大，所以I/O总线的种类很多。5计算机总线2023/2/541第3章计算机硬件系统总线的数据传输方式：串行传输串行总线的数据在数据线上按位进行传输，因此只需要一根数据线，线路的成本低，适合于远距离的数据传输。并行传输并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送，每一位要有一根数据线，因此有多根数据线。并行传输比串行传输速度要快得多，但需要更多的传输线。5计算机总线2023/2/542第3章计算机硬件系统基于冯·诺伊曼模型建造的计算机分为五个子系统：存储器、算术/逻辑单元、控制单元和输入/输出单元。而从现代的观点来看，计算机的硬件基本组成包括处理器、存储器、总线、输入和输出设备。处理器也叫CPU，是计算机的核心部件。CPU包含了运算器和控制器，以及为保证它们高速运行所需的寄存器。运算器是计算机进行算术运算和逻辑运算的重要部件。运算器的逻辑结构取决于机器指令系统、数据表示方法、运算方法和电路等。本章小结2023/2/543第3章计算机硬件系统控制器的主要功能就在于：正确地分步完成每一条指令规定的功能，正确且自动地连续执行指令。摩尔定律指出：处理器每隔一个摩尔周期，性能就提高一倍，而单位能力的成本下降一半。