计算机硬件基础

1、计算机组成原理与系统结构计算机组成原理与系统结构第第2章章 计算机硬件基础计算机硬件基础u 数字电路基础知识数字电路基础知识 数字量和模拟量数字量和模拟量 自然界中形形色色的物理量有两大类：数字量和模拟量自然界中形形色色的物理量有两大类：数字量和模拟量 数字量：物理量的变化在时间上和数量上都是离散的。数字量：物理量的变化在时间上和数量上都是离散的。 它们的变化在时间上是不连续的，同时，它们的数值它们的变化在时间上是不连续的，同时，它们的数值 大小和每次增减变化都是某一个最小单位的整倍数。大小和每次增减变化都是某一个最小单位的整倍数。 如：用电子电路记录自动生产线上输出零件的数目时，每送如：用电

2、子电路记录自动生产线上输出零件的数目时，每送 出一个零件便给电子电路一个信号，使之记出一个零件便给电子电路一个信号，使之记1；而没有零件送；而没有零件送出时，给电子电路一个信号，使之记出时，给电子电路一个信号，使之记0。最小的数量单位就是。最小的数量单位就是1个。个。u 数字电路基础知识数字电路基础知识 模拟量：模拟量的变化在时间上或数值上是连续的。模拟量：模拟量的变化在时间上或数值上是连续的。 如：温度传感器工作时输出的电压信号就属于模拟信号。因为如：温度传感器工作时输出的电压信号就属于模拟信号。因为在任何情况下被测温度都不可能发生突变，所以测得的电压在任何情况下被测温度都不可能发生突变，所

3、以测得的电压信号无论在时间上还是在数量上都是连续的。信号无论在时间上还是在数量上都是连续的。 表示数字量的信号称之为数字信号，工作在数字信号下的电表示数字量的信号称之为数字信号，工作在数字信号下的电子电路称之为数字电路。子电路称之为数字电路。 表示模拟量的信号称之为模拟信号，工作在模拟信号下的电表示模拟量的信号称之为模拟信号，工作在模拟信号下的电子电路称之为模拟电路。子电路称之为模拟电路。u 数字电路基础知识数字电路基础知识 逻辑电平逻辑电平 在电子电路中，用高、低电平分别表示二值逻辑的在电子电路中，用高、低电平分别表示二值逻辑的1和和0两种两种逻辑状态。逻辑状态。 获得高、低电平的基本原理获

4、得高、低电平的基本原理u 数字电路基础知识数字电路基础知识 半导体二极管半导体二极管 二极管的电路符号二极管的电路符号 二极管基本电路二极管基本电路 半导体二极管具有单向导半导体二极管具有单向导电性。电性。 外加正向电压时导通，外外加正向电压时导通，外加反向电压时截止。加反向电压时截止。 相当于一个受外加电压极相当于一个受外加电压极性控制的开关性控制的开关u 数字电路基础知识数字电路基础知识 半导体三极管半导体三极管 三极管的电路符号三极管的电路符号 三极管基本电路三极管基本电路 有三个工作区：饱和区、有三个工作区：饱和区、放大区、截止区；对应三放大区、截止区；对应三种工作状态。种工作状态。

5、只工作在饱和区和截止只工作在饱和区和截止区，则具有开关特性，即区，则具有开关特性，即工作于开关状态。工作于开关状态。2.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性u 二极管的开关特性二极管的开关特性Vr 死区电压死区电压Vr 线性化后的死区电压线性化后的死区电压RF 正向导通电阻正向导通电阻u 三极管的开关特性三极管的开关特性IB0Ic=IBu MOS管的开关特性管的开关特性VT开启电压开启电压VGSVT 饱和（导通）饱和（导通）VGSVT 截止截止2.2 基本逻辑运算和基本门电路基本逻辑运算和基本门电路u 逻辑变量和逻辑表达式逻辑变量和逻辑表达式 逻辑变量逻辑变量 反应事物逻辑关系，一般为

6、二值变量。通常用数字反应事物逻辑关系，一般为二值变量。通常用数字“1”、“0”表示。逻辑变量表示。逻辑变量无数值大小无数值大小，只反应两种，只反应两种逻辑状态逻辑状态。在。在这两个逻辑值中取其一。这两个逻辑值中取其一。 如：事物的如：事物的“真真”或或“假假”、电位的、电位的“高高”或或“低低”、开关、开关的的“通通”或或“断断”。 逻辑变量表达式（逻辑函数）逻辑变量表达式（逻辑函数） 描述输入（条件）、输出（结果）变量间逻辑关系的表达描述输入（条件）、输出（结果）变量间逻辑关系的表达式。式。u逻辑代数的逻辑代数的3种基本逻辑运算种基本逻辑运算与、或、非与、或、非如果把开关闭合作为条件，把灯亮

7、作为结果，下面三个电如果把开关闭合作为条件，把灯亮作为结果，下面三个电路代表了三种不同的因果关系。路代表了三种不同的因果关系。 只有决定事物结只有决定事物结果的全部条件同时果的全部条件同时具备时，结果才发具备时，结果才发生，这种因果关系生，这种因果关系叫做叫做逻辑与逻辑与，或，或逻逻辑相乘辑相乘。 在决定事物结果在决定事物结果的诸条件中只要一的诸条件中只要一个满足，结果就发个满足，结果就发生，这种因果关系生，这种因果关系叫做叫做逻辑或逻辑或，或，或逻逻辑相加辑相加。 只要条件具备了，只要条件具备了，结果便不会发生；结果便不会发生；而条件不具备时，而条件不具备时，结果一定发生。这结果一定发生。这

8、种因果关系叫做种因果关系叫做逻逻辑非辑非，或，或逻辑求反逻辑求反。u逻辑代数的逻辑代数的3种基本逻辑运算种基本逻辑运算与、或、非与、或、非 Y=AB Y=A+B Y=A若以若以A、B表示开关的状态，表示开关的状态，1表示开关闭合，表示开关闭合，0表示开关断开；表示开关断开； 以以Y表示灯的状态：表示灯的状态：1表示灯亮，表示灯亮，0表示灯灭表示灯灭 则可写出以下三种因果关系的逻辑表达式则可写出以下三种因果关系的逻辑表达式u 逻辑门逻辑门 逻辑电平逻辑电平 正逻辑：用低电平信号（如正逻辑：用低电平信号（如0.5V以下）表示逻辑以下）表示逻辑“0”；用；用高电平信号（如高电平信号（如5V）表示逻辑

9、）表示逻辑“1”。 逻辑运算逻辑运算 对逻辑变量的操作，有与、或、非三种基本逻辑运算。由这对逻辑变量的操作，有与、或、非三种基本逻辑运算。由这三种逻辑运算可构造出任何逻辑函数。三种逻辑运算可构造出任何逻辑函数。 逻辑门逻辑门 对逻辑变量完成逻辑运算的电路。基本逻辑门有与门对逻辑变量完成逻辑运算的电路。基本逻辑门有与门（AND）、或门（）、或门（OR）、非门（）、非门（NOT）。）。 复杂的逻辑电路可以由基本逻辑门组成。复杂的逻辑电路可以由基本逻辑门组成。u 简单的逻辑门电路简单的逻辑门电路二极管二极管“与与”门电路门电路二输入与门二输入与门输入：输入：A、B输出：输出：Lu 简单的逻辑门电路简

10、单的逻辑门电路二极管二极管“或或”门电路门电路二输入或门二输入或门输入：输入：A、B输出：输出：Lu 简单的逻辑门电路简单的逻辑门电路三极管三极管“非非”门电路门电路反相器反相器输入：输入：A输出：输出：Lu 逻辑门的表示方法逻辑门的表示方法三种方式：电路符号、逻辑表达式、真值表三种方式：电路符号、逻辑表达式、真值表与门（与门（AND） 电路符号电路符号 逻辑表达式逻辑表达式 F=AB 真值表真值表ABF000010100111用图表表示逻辑关系用图表表示逻辑关系u 逻辑门的表示方法逻辑门的表示方法 或门（或门（OR） 电路符号电路符号 逻辑表达式逻辑表达式 F=A+B 真值表真值表ABF00

11、0011101111u 逻辑门的表示方法逻辑门的表示方法 非门（非门（NOT） 电路符号电路符号 逻辑表达式逻辑表达式 F=A 真值表真值表AF0110u 逻辑门的表示方法逻辑门的表示方法 与非门（与非门（NAND） 电路符号电路符号 逻辑表达式逻辑表达式 F=AB 真值表真值表ABF001011101110u 逻辑门的表示方法逻辑门的表示方法 或非门（或非门（NOR） 电路符号电路符号 逻辑表达式逻辑表达式 F=A+B 真值表真值表ABF001010100110u 逻辑门的表示方法逻辑门的表示方法 异非门（异非门（XOR） 电路符号电路符号 逻辑表达式逻辑表达式 F=A B 真值表真值表AB

12、F000011101110u 逻辑代数的基本定律逻辑代数的基本定律 逻辑代数的逻辑代数的3种基本逻辑操作种基本逻辑操作 与、或、非与、或、非在逻辑表达式中的优先级：非、与、或在逻辑表达式中的优先级：非、与、或根据与、或、非运算的定义和运算规则，可以推导出根据与、或、非运算的定义和运算规则，可以推导出一系列逻辑运算定律和规则，这是逻辑函数化简和逻一系列逻辑运算定律和规则，这是逻辑函数化简和逻辑电路分析、设计的基础。辑电路分析、设计的基础。u 逻辑代数的基本定律逻辑代数的基本定律 交换律交换律 A+B=B+A AB=BA 结合律结合律 A+（B+C）=（A+B）+C A（BC）=（AB）C 分配率

13、分配率 A+BC=（A+B）（A+C） A（B+C）=AB+AC u 逻辑代数的基本定律逻辑代数的基本定律 吸收律吸收律 A+AB=A A（A+B）=A 反演律反演律 A+B = A B A B = A + B 吸收率吸收率A+AB=A+BA（A+B）=AB重叠率重叠率 A+A=A AA=Au 逻辑代数的基本定律逻辑代数的基本定律 互补律互补律 A+A=1 A A=0 0-1律律 0+A = A 1+A = 1 0 A = 0 1 A = A u 逻辑函数的化简逻辑函数的化简 在设计逻辑电路时，每个逻辑表达式和一个逻辑电在设计逻辑电路时，每个逻辑表达式和一个逻辑电路相对应，须将逻辑表达式进行化

14、简，以减少电路所路相对应，须将逻辑表达式进行化简，以减少电路所用元器件的数量。用元器件的数量。 化简方法有两种化简方法有两种 代数化简法代数化简法 卡诺图化简法卡诺图化简法u代数化简法代数化简法 直接利用逻辑代数的基本公式和规则进行化简的方法直接利用逻辑代数的基本公式和规则进行化简的方法（1）并项法）并项法 利用互补率利用互补率:A+A=1，将两项合并成一项，并消去一个变量，将两项合并成一项，并消去一个变量 例例2.1 F = A B C+A B C = A B（C+C）= A B （分配率）（分配率） 例例2.2 F = A B+A C +A B C = A（B+C）+A B C = A（B

15、+C）+ A（B+C）= A（B+C）+（B+C） = A （反演率）（反演率）（互补率）（互补率）u代数化简法代数化简法（2）吸收法）吸收法 利用吸收率利用吸收率: A+AB =A，吸收掉多余项，吸收掉多余项AB 例例2.3 F = B +A B D = B （将（将AD看成一个变量）看成一个变量） 或或=B（1+AD）=B 例例2.4 F = A C +A B C +B C = A C +（A C）B + B C = A C + B C （将（将AC看成一个变量）看成一个变量） 或或 = A C（1+B）+ B C （分配率）（分配率）u代数化简法代数化简法（3）消去法）消去法 利用吸收率

16、利用吸收率: A+AB =A+B，消去与项中的多余因子，消去与项中的多余因子A 例例2.5 F = A B+A C+B C = A B+（A+B）C （分配率）（分配率） =A B+A B C （反演率）（反演率） =A B+C （吸收率（吸收率 ）u代数化简法代数化简法（4）配项法）配项法 有些函数很难直接用上述定律进行化简，这时可利用互补率有些函数很难直接用上述定律进行化简，这时可利用互补率A+A=1，将某些项乘以该项，展开后再消去多余项；也可，将某些项乘以该项，展开后再消去多余项；也可以先加上一些多余项或无关项，然后再做进一步化简。以先加上一些多余项或无关项，然后再做进一步化简。 例例2

17、.9 F = A B+A C+B C = A B+A C+B C（A+A） （配项法）（配项法） =A B+A C+A B C+A B C （分配率）（分配率） =A B（1+C）+A C（1+B） （分配率（分配率 ） =A B+A C （0-1律）律）u利用代数化简法化简逻辑电路利用代数化简法化简逻辑电路 按照逻辑电路写出逻辑表达式按照逻辑电路写出逻辑表达式 利用代数化简法进行化简利用代数化简法进行化简 用逻辑门实现其功能用逻辑门实现其功能 例：习题例：习题2.6（a）分析下面的逻辑电路图，写出相应的表达式并进行化简分析下面的逻辑电路图，写出相应的表达式并进行化简按照逻辑电路写出逻辑表达式

18、按照逻辑电路写出逻辑表达式abca = ABb = ABc = BF = b+c = AB+B 由吸收率由吸收率: A+AB=A+B可写成：可写成：F= B+BAF = A+B利用代数化简法进行化简利用代数化简法进行化简用逻辑门实现其功能用逻辑门实现其功能化简后的电路化简后的电路u利用代数化简法设计逻辑电路利用代数化简法设计逻辑电路 按照设计要求写出逻辑表达式按照设计要求写出逻辑表达式 利用代数化简法进行化简利用代数化简法进行化简 用逻辑门实现其功能用逻辑门实现其功能 用上述例用上述例2.9 F = A B+A C+B C =A B+A C （已化简）（已化简）2.3 组合逻辑电路实例组合逻辑

19、电路实例 组合逻辑电路的特点是输入信号变化时，输出信号也跟着变化组合逻辑电路的特点是输入信号变化时，输出信号也跟着变化 在计算机处理器的设计中，组合逻辑电路通常被用来产生控制在计算机处理器的设计中，组合逻辑电路通常被用来产生控制信号信号 它的输入信号一般为指令的操作码和状态信号，输出信号是寄它的输入信号一般为指令的操作码和状态信号，输出信号是寄存器、存储器、存器、存储器、I/O接口的读接口的读/写控制信号和数据选择信号写控制信号和数据选择信号u组合逻辑电路的设计步骤组合逻辑电路的设计步骤 分析该逻辑电路的逻辑要求分析该逻辑电路的逻辑要求 根据逻辑要求确定输入变量和输出变量根据逻辑要求确定输入变

20、量和输出变量 将输入将输入/输出关系表示成真值表输出关系表示成真值表 根据真值表写出输出函数的逻辑表达式，并化简根据真值表写出输出函数的逻辑表达式，并化简 画出逻辑电路画出逻辑电路 组合逻辑电路设计例组合逻辑电路设计例 例题：例题： 已知已知A、B为输入变量，为输入变量，F为输出变量。要求为输出变量。要求A、B为为0时，时，F=0，否则，否则F=1，用逻辑电路实现。，用逻辑电路实现。 分析该逻辑电路的逻辑要求：见题目要求分析该逻辑电路的逻辑要求：见题目要求 根据逻辑要求确定输入变量和输出变量：见题目要求根据逻辑要求确定输入变量和输出变量：见题目要求 将输入将输入/输出关系表示成真值表输出关系表

21、示成真值表 ABF000011101111 组合逻辑电路设计例组合逻辑电路设计例 据真值表写出输出函数的逻辑表达式，并化简据真值表写出输出函数的逻辑表达式，并化简 由真值表写出逻辑表达式的方法：由真值表写出逻辑表达式的方法：1、找出真值表中使、找出真值表中使F=1的那些输入变量取值的组合的那些输入变量取值的组合2、每组输入变量取值的组合对应一个乘积项，其中取值为、每组输入变量取值的组合对应一个乘积项，其中取值为1的写入原变量，取值为的写入原变量，取值为0的写入反变量的写入反变量3、将这些乘积项相加，即得到、将这些乘积项相加，即得到F的逻辑表达式的逻辑表达式ABF000011101111真值表真

22、值表F=AB+AB+AB =AB+A（B+B） 互补率互补率 =AB+A 吸收率吸收率 =A+B 画出逻辑电路画出逻辑电路u 加法器加法器 加法器是计算机基本运算部件之一加法器是计算机基本运算部件之一 由多个一位全加器组合而成由多个一位全加器组合而成 二进制一位全加器二进制一位全加器Xn Yn Cn-1 Fn Cn0 0 0 0 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 输入变量：输入变量：3个个 加数加数Xn、被加数、被加数Yn和低位和低位来的进位来的进位Cn-1 输出变量：输出变量：2个个本位的和本位

23、的和Fn、向高位的、向高位的进位进位Cn一位全加器真值表一位全加器真值表 由真值表可的全加器输出由真值表可的全加器输出Fn和进位输出和进位输出 Cn的的表达式为：表达式为：Fn = XnYnCn-1 + XnYnCn-1 + XnYnCn-1 +XnYnCn-1Cn = XnYnCn-1 + XnYnCn-1 + XnYnCn-1 +XnYnCn-1 化简可得：化简可得：Fn = Xn Yn Cn-1Cn = XnYn + （XnYn）Cn-1异或门异或门一位全加器的逻辑电路见一位全加器的逻辑电路见p.43 图图2.19 一位全加器逻辑电路一位全加器逻辑电路 一位全加器逻辑符号一位全加器逻辑符

24、号 四位二进制加法器四位二进制加法器 将将n个加法器连接起来可组成个加法器连接起来可组成n位加法器位加法器 特点：位间进位是串行传送（称为行波进位），特点：位间进位是串行传送（称为行波进位）， 即本位全加和即本位全加和Fi必须等低位进位必须等低位进位Ci来到后才能得到来到后才能得到 缺点：加法时间与位数有关，速度较慢缺点：加法时间与位数有关，速度较慢 四位二进制并行进位加法器四位二进制并行进位加法器 特点：采用特点：采用“并行进位法并行进位法”或或“超前进位产超前进位产生电路生电路”来同时来同时形成各位的进位形成各位的进位 优点：运算速优点：运算速度大大加快度大大加快u 译码器译码器 功能：将

25、输入编码译成相应的控制电位，作为芯片的片选信功能：将输入编码译成相应的控制电位，作为芯片的片选信号或其他操作控制信号号或其他操作控制信号 特点：特点： 有有n个输入变量，个输入变量， 2n个输出变量个输出变量 当输入为某一编码时，则仅有一个输出为当输入为某一编码时，则仅有一个输出为“0”（或为（或为“1”），其余输出均为，其余输出均为“1”（或为（或为“0”） 常用的译码器芯片：常用的译码器芯片： 74LS139：双：双24译码器（译码器（n2） 74LS138：38译码器（译码器（n3）u 译码器译码器 74LS139 内部集成了两个内部集成了两个24译码器译码器 有有2个输入变量，个输入变

26、量， 22=4个输出变量个输出变量 逻辑符号逻辑符号引脚功能：引脚功能：E：使能端：使能端B、A：译码输入端：译码输入端Y0Y3：译码输出端：译码输出端u 译码器译码器 功能表（真值表）功能表（真值表）输入输入输出输出EBAY0Y1Y2Y3HLLLLXLLHHXLHLHHLHHHHHLHHHHHLHHHHHLE=0，译码器为工作状态，译码器为工作状态译码输出译码输出Y0Y3取决于译取决于译码输入码输入A、BL：0，低电平，低电平H：1，高电平，高电平X：任意：任意u 译码器译码器 74LS138 38译码器译码器 有有3个输入变量，个输入变量， 23=8个输出变量个输出变量 逻辑符号逻辑符号引

27、脚功能：引脚功能：E1、E2、E3：使能端：使能端C、B、A：译码输入端：译码输入端Y0Y7：译码输出端：译码输出端u 译码器译码器 功能表（真值表）功能表（真值表）E1、E2=0，E3=1译码器为工作状态译码器为工作状态译码输出译码输出Y0Y7取决取决于译码输入于译码输入A、B、C0：低电平：低电平1：高电平：高电平X：任意：任意输输 入入输输 出出E1E2E3C B AY7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y00 0 10 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 10 0 1 1 1 1 1 1 1 0 10 0 10 1 0 1 1 1 1 1 0 1 10 0 10 1 1

28、 1 1 1 1 0 1 1 10 0 11 0 0 1 1 1 0 1 1 1 10 0 11 0 1 1 1 0 1 1 1 1 10 0 11 1 0 1 0 1 1 1 1 1 10 0 11 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 X X 0X X X 1 1 1 1 1 1 1 1X 1 XX X X 1 1 1 1 1 1 1 11 X X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1u 译码器译码器74LS138应用实例应用实例 用用74LS138（Y2）给地址为）给地址为A4HA7H的存储器的存储器（芯片）设计译码器（芯片）设计译码器存储器地址（存储器地址（4B）：）：此部分译

29、码，选中存储器此部分译码，选中存储器A4H 1 0 1 0 0 1 0 0A5H 1 0 1 0 0 1 0 1A6H 1 0 1 0 0 1 1 0A7H 1 0 1 0 0 1 1 1A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0选择存选择存储器内储器内部单元部单元 2.4 时序逻辑电路实例时序逻辑电路实例 时序逻辑电路与组合逻辑电路的不同在于，它的输出不仅与当时序逻辑电路与组合逻辑电路的不同在于，它的输出不仅与当前的输入状态有关，而且还与前一时刻的电路整体有关，因此前的输入状态有关，而且还与前一时刻的电路整体有关，因此时序逻辑电路需要对前一时刻的状态进行记忆。时序逻辑电路需要对前一时刻的状态进行记忆。 完成记忆功能的基本元件是触发器。完成记忆功能的基本元件是触发器。 触发器是构成时序逻辑电路的基础。触发器是构成时序逻辑电路的基础。 时序逻辑电路的状态何时发生变化，是由时钟（时序逻辑电路的状态何时发生变化，是由时钟（Clock）信号）信号决定的。决定的。u 电平触发器电平触发器 电平触发器又称电平触发器又称D锁存器锁存器 在时钟信号在时钟信号C的作用下，输出端的作用