计算机导论课件：计算机硬件组成与工作原理

2.1逻辑代数2.2数字电路2.3内存储器2.4中央处理器2.5外部设备计算机硬件组成与工作原理计算机系统包括硬件和软件两部分，如图2-1所示。计算机出现至今，其系统发展迅速，但是基本硬件组成与工作原理仍然是冯·诺依曼型计算机。冯·诺依曼型计算机具有如下特点：(1)包括中央处理器(运算器、控制器)、存储器(内存储器、外存储器)、输入设备、输出设备；(2)符号0和1表示数据；(3)存储程序：程序存储在内存储器中，中央处理器按照存储的程序有条不紊地执行。计算机基本硬件组成如图2-2所示。2.1逻辑代数逻辑代数在逻辑值集合{T(真)，F(假)}上，定义了三个基本逻辑运算：∧(逻辑与)、∨(逻辑或)、┐(逻辑非)，记为<{T，F}，∧，∨，┐>。其它逻辑运算都可以用这三个基本逻辑运算表达。逻辑与也称为逻辑乘、合取，使用符号· 、AND、&&；逻辑或也称为逻辑加、析取，使用符号+、OR、||；逻辑非也称为否定，使用符号ˉ、NOT、 ! 。如表2-1所示，逻辑变量是取值只能为逻辑值的变量，逻辑表达式是由逻辑变量或逻辑变量与逻辑运算构成的。真值表是逻辑表达式的所有可能取值情况的罗列，如表2-1所示。采用的计数规则是低位向高位逢二进一；基数为2，第i位的位权为2i(整数部分最低位为第0位)。例1-2(1100.011)2=1×23+1×22+1×2-2+1×2-3计算机学科也采用八进制数(Octal)和十六进制数(Hexadecimal)，但是在计算机中只采用二进制，引入八进制和十六进制是因为它们比二进制简洁，而且二进制与它们的转换比与十进制的转换简单。各进制数的特点如表1-1所示。2.2数字电路计算机采用数字电路，数字电路的工作信号是数字信号，数字信号只有两个数字符号：1和0。事实上，1和0只是电路的二值状态的表示，如果考虑电平的高和低，则可以用1和0表示。同理，逻辑值的真和假也可以用1和0表示，这与用T和F表示没有本质区别。总而言之，1和0可以表示任何的二值状态，1和0统一了电路状态与逻辑值，从而可以设计电路实现逻辑运算。实现逻辑与、逻辑或、逻辑非运算的电路分别称为与门、或门、非门，它们的电路符号如图2-3所示。类似地，其它逻辑运算的门电路可以用这三个基本门电路组合实现，当然，也可以重新设计实现。进一步，可以用门电路组合实现计算机的其它功能部件。下面将具体介绍非门以及用门电路组合实现的触发器。2.2.1非门MOS晶体管如图2-4所示，包括栅极(G)、漏极(D)、源极(S)。用MOS晶体管实现的非门如图2-5所示。MOS晶体管是由G的电平高低控制D、S之间处于接通还是断开状态的电子开关，当G为高电平(1)时，D与S之间导通(接通状态)；当G为低电平(0)时，D与S之间截止(断开状态)。图2-5所示的非门由两个MOS晶体管V1和V2构成，其中V2是工作管(开关作用)，而V1做V2的负载管，并总是处于导通状态。A是输入端，F是输出端。当A输入1(高电平)时，V2导通，F输出0(低电平)；当A输入0(低电平)时，V2截止，F输出1(高电平)。2.2.2触发器触发器是可以接收并保持所接收的1或0的电路，是内存储器的基本存储元件。基本触发器如图2-6所示，左边和右边是一个与门和一个非门构成的与非门，两个与非门的输出互相反馈到对方的输入，触发器的输入端是R和S，输出端是Q和。2.3内存储器根据存取方式，内存储器(Memory，也称主存储器，简称内存、主存)可以分为随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)和只读存储器(ReadOnlyMemory，ROM)。通常所说的内存是指RAM，它是内存的主体，是计算机的信息交流中心，它可以在指定位置(内存地址)存入(写入)或者取出(读出)数据。RAM由类似触发器的存储元件组成，其存取速度快，但是只能临时存储数据，一旦断电，数据将消失。内存基本组成如图2-7所示，包括存储体、地址电路、数据电路、读/写控制电路。2.4中 央 处 理 器2.4.1指令系统不同计算机系统，归纳的基本操作可以不同，从而编码表示的机器指令也可以不同，即指令系统就可以不同。对于同一程序，如果两台计算机的执行结果相同，则称它们在机器指令级别兼容。事实上，一旦计算机精心归纳一些基本操作，实现了其基本能力，若再增加基本操作，则只能增加其便利性等能力，而不能增加其基本能力。因此，在设计指令系统时，导致了两个方向，一个是精简指令集计算机(ReducedInstructionSetComputer，RISC)，RISC中只保留了最简单、最常用的指令，这样设计的计算机效率高且速度快；另一个是复杂指令集计算机(ComplexInstructionSetComputer，CISC)，CISC中一些可完成复杂任务的单个指令所能实现的任务，需要多个RISC指令才能实现，因此这样设计的计算机更容易编程。不管是RISC还是CISC，归纳和编码基本操作的基本方法都是类似的，即所有基本操作都包括功能信息和数据信息。功能信息告知计算机，要执行什么操作；数据信息告知计算机，操作的数据来自何处，操作的结果去向何处。当编码表示基本操作时，功能信息和数据信息分别编码，编码表示的功能信息称为操作码，编码表示的数据信息称为操作数，即机器指令包括操作码和操作数。例2-1设两个加数分别存储于地址为X和Y的内存单元中，两个加数相加，将和存于地址为Z的内存单元中。首先，从上述问题中归纳基本操作，给出两个方案。1．方案一方案一将整个问题直接作为基本操作，其功能信息是相加，数据信息是两个加数分别来自地址为X和Y的内存单元，和存于地址为Z的内存单元。当编码表示基本操作时，功能信息(操作码)的编码长度l由功能不同的基本操作的数目m决定，即l = lbm；数据信息(操作数)的编码可以直接使用内存地址。这样，可以如图2-8所示安排基本操作的各个信息。在方案一中，如果内存地址的编码长度为n，则操作数的编码长度为3n，机器指令比较长。2．方案二方案二引入寄存器，将这个问题分解为更小的基本操作。寄存器是中央处理器中用于临时存储数据的部件。每个寄存器有一个编号，称为寄存器地址。方案二将这个问题分解为下列三个基本操作：①取数操作：从地址为X的内存单元中取出加数1，存于地址为A的寄存器中；②加法操作：地址为A的寄存器中的加数1与地址为Y的内存单元中的加数2相加，和存于地址为A的寄存器中；③存数操作：从地址为A的寄存器中取出和，存于地址为Z的内存单元中。可以看到，取数操作和存数操作进行数据传输，真正进行两个加数相加的是加法操作。加法操作的功能信息是相加，数据信息是两个加数分别来自地址为A的寄存器和地址为Y的内存单元，和存于地址为A的寄存器中。当编码表示加法操作时，功能信息(操作码)的编码长度l由功能不同的基本操作的数目m决定，即l = lbm；数据信息(操作数)的编码可以直接使用寄存器地址和内存地址，而且加数1与和采用同一寄存器，只需表示一次。这样，可以如图2-9所示安排基本操作的各个信息。在方案二中，如果内存地址的编码长度为n，寄存器地址的编码长度为r，则操作数的编码长度为n + r。由于寄存器数量很少，一般为几个，远远少于内存单元数量，因此，r小于n，相对于方案一，方案二的机器指令比较短。现在，采用方案二，编码表示基本操作得到机器指令。假设功能不同的基本操作(机器指令)的数目为16，寄存器的数目为4，内存单元的数目为1K，则操作码的编码长度至少为4位，寄存器地址至少为2位，内存地址至少为10位，机器指令长度至少为16位。如果机器指令采用16位，则机器指令格式如图2-10所示。部分机器指令的功能及为它们指派的操作码如表2-3所示。例2-1仅仅介绍了设计指令系统的基本方法，真正指令系统的设计要比这个例子复杂。根据机器指令功能，可将其分为四类：(1)数据处理类。例如，加、减、乘、除等算术运算，与、或、非等逻辑运算，左移、右移等移位运算等。(2)数据传送类。例如，中央处理器与内存之间的取数据、存数据操作，主机与外部设备之间的数据输入、数据输出操作等。(3)程序控制类。例如，无条件转移与条件转移等。(4) CPU状态管理类。例如，结束等。根据机器指令格式，可以将其分为四类(OP代表操作码，X、Y、Z代表内存地址，A代表寄存器地址)：(1)三地址：有三个内存地址，指令格式为(OP,X,Y,Z)，可以完成(X)OP(Y)→Z的操作。(2)二地址：有两个内存地址，指令格式为(OP,X,Y)，可以完成(X)OP(Y)→X的操作。(3)单地址：有一个内存地址，指令格式为(OP,A,X)，可以完成(A)OP(X)→A的操作。(4)零地址：没有内存地址，指令格式为(OP)，可以完成诸如结束等操作。此外，真正指令系统的操作数也有多种编码方法，称为机器指令寻址方法。寻址方式主要包括以下五种：(1)立即寻址方式：形式地址的数值不是地址，而是数据。(2)直接寻址方式：形式地址的数值是数据的有效地址。(3)间接寻址方式：形式地址的数值是数据的有效地址的地址，即根据形式地址找到一个内存单元，这个内存单元中存储了数据的有效地址，再根据该有效地址找到另一个内存单元，这个内存单元中存储了数据。(4)相对寻址方式：程序计数器的数值与形式地址的数值的和是数据的有效地址，即根据程序计数器的数值与形式地址的数值计算数据的有效地址，再根据有效地址找到一个内存单元，这个内存单元中存储了数据。这种方式主要用于转移指令。(5)变址寻址方式：变址寄存器的数值与形式地址的数值的和是数据的有效地址，即根据变址寄存器的数值与形式地址的数值计算数据的有效地址，再根据有效地址找到一个内存单元，这个内存单元中存储了数据。这种方式可以扩大寻址范围。程序计数器和变址寄存器是中央处理器中用于存储内存地址的寄存器，程序计数器用于存储指令地址，而变址寄存器用于存储数据地址。2.4.2中央处理器中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)可有条不紊地执行存储在内存中的机器指令形式的程序，完成信息处理，其执行过程如图2-11所示。当用户发出运行某程序的命令后，CPU开始执行程序，先从内存中取出第一条指令进行分析并执行，再从内存中取出下一条指令进行分析并执行，这样重复，直至遇到结束指令，CPU结束程序运行。CPU的基本组成如图2-12所示，主要包括运算器和控制器。运算器用于完成算术运算和逻辑运算，主要包括算术逻辑单元和通用寄存器。数据从内存取出后送至通用寄存器或者算术逻辑单元进行算术运算或者逻辑运算，结果存于通用寄存器后送至内存。控制器用于控制计算机工作，主要包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器和控制部件。程序计数器存储和计算下一条指令的内存地址。程序第一条指令的内存地址称为程序首地址。首先，运行程序命令将程序首地址赋予程序计数器，根据程序首地址就可以取出第一条指令。当指令取出后，程序计数器自动加1计算得到下一条指令的内存地址。如果程序顺序执行，则根据这个地址就可以取出下一条指令；如果程序非顺序执行，则转移指令会将转移地址重新赋予程序计数器，从而可以根据新地址取出下一条指令。需要强调，程序计数器的自动加1不是加数值1，而是加一条机器指令长度，例如，如果一条指令长度为一个内存单元，则加1就是加数值(1)2；如果一条指令长度为两个内存单元，则加1就是加数值(10)2。指令从内存取出后送至指令寄存器，完成取指令；指令译码器分析指令的操作码，完成分析指令；根据分析结果，控制部件发出控制信号，完成执行指令。在执行指令中，如果从内存取数据，则指令的操作数指示了数据的内存地址。数据寄存器用于暂时存放从内存读出的指令或数据以及向内存写入的数据。若是从内存读出的指令，则送至指令寄存器；若是数据，则送至通用寄存器或者算术逻辑单元。地址寄存器用于暂时存放即将访问的指令或数据在内存中的地址，根据这个内存地址，可以从相应内存单元中取出指令或数据。2.5外部设备2.5.1输入设备计算机通过输入设备输入数据。输入设备种类很多，例如，