ch3系统软硬件构造

1、第第3 3章章系统软硬件构造系统软硬件构造主要内容主要内容n逻辑运算与逻辑门逻辑运算与逻辑门n其他逻辑电路其他逻辑电路n触发器与加法器触发器与加法器n从逻辑门到运算器从逻辑门到运算器n冯冯诺依曼结构及原理诺依曼结构及原理n操作系统基础操作系统基础2一、基本逻辑运算和逻辑门一、基本逻辑运算和逻辑门31. 关于逻辑关于逻辑n逻辑逻辑n是是思维规律，事物因果之间所遵循的思维规律，事物因果之间所遵循的规律。规律。n逻辑逻辑的基本表现形式是命题和的基本表现形式是命题和推理推理n命题命题n能判断真假的陈述语句能判断真假的陈述语句n推理推理n从前提推出结论的从前提推出结论的思维过程思维过程n前题前题是已知的

2、命题，是已知的命题，结论结论是通过推理规则得出的命是通过推理规则得出的命题题4n语句例：语句例：2+3=52+3=53 3是偶数是偶数明天上午有课吗？明天上午有课吗？3 3不是偶数不是偶数小明小明既既学习学习英语英语，也也学习学习德语德语从西安到北京经郑州走，或者经太原从西安到北京经郑州走，或者经太原走走5真命题真命题假假命题命题不是命题不是命题并（同时）并（同时）或者或者关于逻辑关于逻辑_命题命题非（否定）非（否定）n复合命题可以由简单命题通过复合命题可以由简单命题通过“联结词联结词”所表示所表示的运算得到。的运算得到。n命题是命题是逻辑的基本表现形式，所以，逻辑的基本表现形式，所以，“联结

3、词联结词”所表示的运算就是所表示的运算就是逻辑运算。逻辑运算。n“并非并非”n“并且并且”n“或者或者”6“非非”运算运算“与与”运算运算“或或”运算运算关于逻辑关于逻辑_命题命题n命题的命题的“真真”和和“假假”可以对应为可以对应为n在物理上：在物理上：n开关的开关的“断开断开”和和“闭合闭合”，电平的，电平的“高高”和和“低低”，n数学上：数学上：n二进制的二进制的“1 1”和和“0 0”7现代现代计算机计算机由各种逻辑器件构成，由各种逻辑器件构成，其数学基础其数学基础是逻辑是逻辑代数代数关于逻辑关于逻辑_命题命题2. 逻辑代数逻辑代数n逻辑逻辑代数代数由由英国英国数学家乔治数学家乔治布尔

4、发明布尔发明n主要主要研究和判断相关研究和判断相关的的运算运算n用字母表示变量，用字母表示变量，变量的取值变量的取值只有只有0 0和和1 1n“0 0”对应对应“假假”n“1 1”对应对应“真真”8逻辑运算逻辑运算n逻辑运算：逻辑运算：n用符号来表示命题及其联结关系。用符号来表示命题及其联结关系。n例如：例如：n“小小明既学过英语，也学过明既学过英语，也学过德语德语”n以上命题可以符号化为：以上命题可以符号化为：nA and BA and B逻辑运算逻辑运算表示表示A A和和B B同时发生同时发生符合命题符合命题3. 逻辑运算逻辑运算与基本逻辑门与基本逻辑门n表示两个命题之间具有的逻辑关系表示

5、两个命题之间具有的逻辑关系n基本基本逻辑运算：逻辑运算：n“与与”、“或或”、“非非”10A BY0 000 101 001 11逻辑关系真值表逻辑关系真值表真值表真值表1）“与与”逻辑逻辑n“与与”运算运算n仅仅当输入条件当输入条件全部为全部为“真真”时，输出的结果为时，输出的结果为“真真”n若若输入条件输入条件有一个有一个为为“假假”，则则输出结果输出结果为为“假假”n“与与”运算符号：运算符号： n“”， “”n若用若用1 1表示表示“真真”，用，用0 0表示表示“假假”，则与规则：，则与规则：n1 11=1 11=1 10=0 00=0 01=0 01=0 00=00=011n在电路中

6、，与运算相当于开关的串联电路在电路中，与运算相当于开关的串联电路n仅当所有开关都闭合时，电路才通电。仅当所有开关都闭合时，电路才通电。12“与与”逻辑逻辑与门与门（AND gate）n对对多个多个逻辑变量逻辑变量执行执行“与与”运运算的算的门电路门电路&ABY输输 入入（V）输出输出（V） VA VBVY 0 0 0 5 5 0 5 50.30.30.35输输 入入输输 出出A BY 0 0 0 1 1 0 1 10001输入、输出电压关系输入、输出电压关系输入、输出逻辑关系输入、输出逻辑关系&ABYX2）“或或”运算运算n“或或”运算运算n输入条件输入条件中有一个中有一个为为

7、“真真”，则则输出输出的结果为的结果为“真真”n仅当仅当输入输入条件条件全部全部为为“假假”时时，输出结果，输出结果才才为为“假假”n“或或”运算符号：运算符号：n“+ +”，“”n“或或”运算规则：运算规则：n00=0 01=1 10=1 11=100=0 01=1 10=1 11=114n电路中，电路中，“或或”运算相当于开关的并联电路运算相当于开关的并联电路n仅当所有开关都断开时，电路才无电流通过。仅当所有开关都断开时，电路才无电流通过。15“或或”运算运算n对多个逻辑变量对多个逻辑变量执行执行“或或”运算的运算的门电路门电路或门电路或门电路（OR gate）11ABY输输 入入输输 出

8、出VA（V） VB（V）VY（V）0 00 5 5 05 504.74.74.7输输 入入输输 出出A BY0 00 11 01 10111输入、输出电压关系输入、输出电压关系输入、输出逻辑关系输入、输出逻辑关系11ABYXn“非非”运算：运算：n当当决定事件结果的条件满足时，事件不发生决定事件结果的条件满足时，事件不发生。n非非”属于单边运算属于单边运算，只有，只有一个运算对象一个运算对象，运算符，运算符为一为一条上条上横线横线。n可以表示为：可以表示为：nA=BA=B173）“非非”运算运算n“非非”运算电路的表示：运算电路的表示：n当开关断开时灯亮；开关闭合时灯灭。当开关断开时灯亮；开关

9、闭合时灯灭。18“非非”运算运算19非门电路非门电路（NOT gate）n对单个逻辑变量进行对单个逻辑变量进行“非非”运算运算nF=AF=A1AFn由三种基本逻辑运算可以推导出各种其他的逻辑由三种基本逻辑运算可以推导出各种其他的逻辑关系，由三种基本逻辑门可以组合出各种复杂的关系，由三种基本逻辑门可以组合出各种复杂的逻辑电路。逻辑电路。n常见逻辑关系及其门电路有：常见逻辑关系及其门电路有：n与非与非n或非或非n异或异或n同或同或204. 其他逻辑运算及其门电路其他逻辑运算及其门电路211）“与非与非”逻辑逻辑“与与”运算运算“与非与非”运算运算“非非”运算运算+ABAB逻辑关系：逻辑关系：或者或

10、者n“与与非非”运算运算22与非门与非门A B F0 0 10 1 11 0 11 1 0与非逻辑真值表与非逻辑真值表&ABFF1AB&Fn将与门的输出接入非门的输入，构成将与门的输出接入非门的输入，构成“与非门与非门”232）“或非或非”逻辑逻辑“或或”运算运算“或非或非”运算运算“非非”运算运算+A+BAB逻辑关系：逻辑关系：或者或者24或非门或非门F1AB11Fn将或门的输出接入非门的输入，构成将或门的输出接入非门的输入，构成“或非门或非门”ABF11A B F0 0 10 1 01 0 01 1 0或或非逻辑真值表非逻辑真值表注注：25可实现多个变量的可实现多个变量的“

11、与非与非”或者或者“或非或非”运算运算“与非门与非门”及及“或非门或非门”均为多输入单输出的门电路均为多输入单输出的门电路例例：设：设：A=10101010A=10101010，B=11110000B=11110000计算：计算：2610101010111100001010000010100000 =01011111F=AB =？F=A+B =？10101010111100001111101011111010 =00000101=A B273）“异或异或”逻辑逻辑n“异或异或”逻辑关系是在与、或、逻辑关系是在与、或、非非3 3种种基本逻辑基本逻辑运算基础上的变换运算基础上的变换。n异或逻辑的布

12、尔代数表达式：异或逻辑的布尔代数表达式：n“异或异或”运算是两个变量的运算运算是两个变量的运算n运算规则：运算规则：n相同则为相同则为0 0。相异则为。相异则为1 1。F=AB+AB异或异或运算符运算符异或门异或门n对输入的两个逻辑变量执行对输入的两个逻辑变量执行“异或异或”运算的门运算的门电路电路28=1ABFA B F0 0 00 1 11 0 11 1 0异或逻辑真值表异或逻辑真值表异或门是两输入单输出的门电路异或门是两输入单输出的门电路294）“同或同或”逻辑逻辑n“同同或或”运算运算是是在在“异或异或”运算的基础上再进行运算的基础上再进行“非非”运算的运算的结果。结果。n同同或运算的

13、布尔表达式：或运算的布尔表达式：n“同或同或”运算是两个变量的运算运算是两个变量的运算n运算运算规则：规则：n相同则为相同则为1 1。相异则为。相异则为0 0。F=A B同或门同或门n对输入的两个逻辑变量执行对输入的两个逻辑变量执行“同同或或”运算的门运算的门电路电路30A B F0 0 10 1 01 0 01 1 1同同或逻辑真值表或逻辑真值表=1ABF思考问题思考问题用与、或、非基本逻辑门构造异或门和同或门用与、或、非基本逻辑门构造异或门和同或门F=AB+AB=A BF=A B主要内容主要内容n逻辑运算与逻辑门逻辑运算与逻辑门n其他逻辑电路其他逻辑电路n触发器与加法器触发器与加法器n从逻

14、辑门到运算器从逻辑门到运算器n冯冯诺依曼结构及原理诺依曼结构及原理n操作系统基础操作系统基础32一、触发器与加法器一、触发器与加法器逻辑电路逻辑电路n以二进制为原理，以二进制为原理，由各种逻辑门由各种逻辑门构成，实现构成，实现数数字信号逻辑运算和操作的字信号逻辑运算和操作的电路。电路。n组合逻辑电路组合逻辑电路n任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态态无关（没有记忆功能）。无关（没有记忆功能）。n时序逻辑电路时序逻辑电路n任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，还，还与以前的输与以前的输入

15、入有关（有记忆功能）。有关（有记忆功能）。34351. 触发器触发器n触发器是由基本逻辑门构造出的一种逻辑电路触发器是由基本逻辑门构造出的一种逻辑电路，具有记忆功能，属于，具有记忆功能，属于时序逻辑电路时序逻辑电路。n在通电情况在通电情况下：下：n可以可以输出高电平输出高电平或或低电平低电平n当有触发信号时，输出端状态会当有触发信号时，输出端状态会翻转翻转n由高变为低由高变为低/ /由低变为高由低变为高n若触发信号无效，输出状态保持不变，至到再有新若触发信号无效，输出状态保持不变，至到再有新的触发信号出现或者断电。的触发信号出现或者断电。Q Q1 00 1X X- -nRSRS触发器触发器36

16、触发器触发器S R0 11 01 10 0两种稳两种稳定状态定状态状态保状态保持不变持不变输输入入端端输出端输出端不允许不允许RSRS触发器逻辑真值表触发器逻辑真值表nRSRS触发器具有独立的逻辑功能，可作为独立部触发器具有独立的逻辑功能，可作为独立部件存在件存在n封装后用一个逻辑符号表示封装后用一个逻辑符号表示37触发器触发器抽象抽象置置1 1端端（置位端）（置位端）置置0 0端端（复位端）（复位端）nDD触发器触发器n在在RSRS触发器基础上增加两个触发器基础上增加两个与非门与非门38触发器触发器控制控制端端输入端输入端输出端输出端CP=0CP=0，输出状态保持不变，输出状态保持不变CP=

17、1CP=1，输出取决于，输出取决于DD端端状态状态0 1D D触触发器发器D D触发器逻辑符号触发器逻辑符号n在有电源情况下，触发器的输出端总是处于某种在有电源情况下，触发器的输出端总是处于某种特定状态特定状态n保持为保持为“1 1”或者为或者为“0 0”n触发器可以在输出端存储一位触发器可以在输出端存储一位0 0或或1 1n触发器是具有记忆功能的逻辑器件。触发器是具有记忆功能的逻辑器件。39触发器触发器40触发器的作用触发器的作用n触发器是具有记忆功能的逻辑器件触发器是具有记忆功能的逻辑器件n任何时候输出端都保持一个确定的稳定任何时候输出端都保持一个确定的稳定状态（状态（0或或1）n一个触发

18、器能够存储一个触发器能够存储1位二进制数位二进制数n例：例：n用用8个个D触发器可以存储触发器可以存储8位二进制数位二进制数10110110内存储器内存储器2. 加法器加法器n微处理器主要由控制器、运算器和寄存器组等微处理器主要由控制器、运算器和寄存器组等三部分构成三部分构成n所有程序的执行都是由运算器完成的所有程序的执行都是由运算器完成的n运算器的核心是算术运算器的核心是算术逻辑单元（逻辑单元（ALUALU），主要），主要功能：功能：n二进制算术运算，逻辑运算，其它操作。二进制算术运算，逻辑运算，其它操作。nALUALU的基本功能是算术运算。的基本功能是算术运算。41n现代计算机体系结构现代

19、计算机体系结构中：中：n通过通过引入补码，减法运算可以转换为加法引入补码，减法运算可以转换为加法运算运算n乘运算乘运算可以转换为移位和可以转换为移位和加法运算加法运算n除除运算可以转换为移位运算可以转换为移位和减法运算，减法运算可以转和减法运算，减法运算可以转换为加法运算换为加法运算 n加法运算是最基本的运算加法运算是最基本的运算42加法器加法器ALU的基本功能部件是加法器的基本功能部件是加法器加法器加法器n半加器半加器n实现两个实现两个1 1位二进制数相加，不考虑来自低位的进位位二进制数相加，不考虑来自低位的进位n输入：输入：n加数，被加数加数，被加数n输出：输出：n和，进位和，进位n全加器

20、全加器n实现两个实现两个1 1位二进制数相加，考虑来自位二进制数相加，考虑来自低位的进位器低位的进位器n输入：输入：n加数，被加数，低位的进位加数，被加数，低位的进位n输出：输出：n和，和，进位进位43n半加器半加器nS S= =A A B BnC C= =A AB B44A B S C0 0 0 00 1 1 01 0 1 01 1 0 1=1ABSC加法器加法器输入输入输出输出进位进位n全加器全加器n用两个半加器再加上一个用两个半加器再加上一个“或或”门，可以构成一个全门，可以构成一个全加器加器45加法器加法器输入输入输出输出A AB BC CininS SC Coutout0 00 00

21、 00 00 00 00 01 11 10 00 01 10 01 10 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 01 10 01 10 01 11 11 10 00 01 11 11 11 11 11 10100110001101110n另外一种全加器电路另外一种全加器电路n全加器是具有完整功能的全加器是具有完整功能的逻辑部件。逻辑部件。46加法器加法器相同逻辑功能，可以有不同的电路相同逻辑功能，可以有不同的电路实现实现CinCoutAAi iB Bi iC Ci-1i-1C Ci iS Si i逻辑符号逻辑符号n用用N N个个1 1位加法器可以构成位加法器可以构成N N

22、位加法器位加法器加法器加法器4 4位涟波进位位涟波进位加加法法器器加法器由加法器由各种逻辑门各种逻辑门构成构成二、从逻辑门到运算器二、从逻辑门到运算器 抽象与构造抽象与构造运算器运算器n运算器是运算器是CPUCPU的核心功能部件之一，与控制器共的核心功能部件之一，与控制器共同组成了同组成了CPUCPU的核心部分。的核心部分。n主要功能：主要功能：n算术、逻辑运算，移位算术、逻辑运算，移位、求补、求补等其它操作等其它操作n暂时存放参加运算的数据和中间运算结果等暂时存放参加运算的数据和中间运算结果等49算术逻辑单元算术逻辑单元（ALUALU）各种寄存器各种寄存器寄存器寄存器n寄存器寄存器nCPU中

23、用于存放中间运算结果或其它二进制信息的部件中用于存放中间运算结果或其它二进制信息的部件n由触发器和门电路组成由触发器和门电路组成n一个触发器可以存放一个触发器可以存放1位二进制码位二进制码nN个触发器可以个触发器可以存放存放N位位二进制二进制码码4 4个个D D触发器构成的触发器构成的4 4位寄存器位寄存器实现定点数补码实现定点数补码加加减运算的减运算的逻辑电路逻辑电路算术逻辑单元算术逻辑单元（ALU）nALUALU的基本功能之一是算术运算的基本功能之一是算术运算n加法运算是算术运算的基础加法运算是算术运算的基础n计算机中的数以补码形式存在计算机中的数以补码形式存在n例：例：nX+YX+Y补补

24、= = XX补补+Y+Y 补补n X-YX-Y 补补=X=X补补+-Y+-Y 补补51控制将控制将X X送加法器送加法器控制将控制将Y Y送加法器送加法器基本逻辑门基本逻辑门52组合组合逻辑门电路逻辑门电路触发器触发器RSRS触发器触发器组合与抽象组合与抽象DD触发器（其它触发器（其它触发器）触发器）逻辑符号表示逻辑符号表示组合组合封装，抽象封装，抽象与非门与非门或非门或非门异或门异或门组合组合逻辑符号表示逻辑符号表示封装，封装，抽象抽象组合，抽象组合，抽象53算术逻辑单元算术逻辑单元逻辑门逻辑门+ +触发器触发器加法器加法器组合组合组合组合寄存器寄存器存储器存储器各种逻辑门电路各种逻辑门电路

25、组合组合CPUCPU逻辑门逻辑门+ +触发器触发器组合组合主主机机系系统统组合与抽象组合与抽象系统构造的基本思路系统构造的基本思路n任何复杂的逻辑电路都可以由基本逻辑门组合任何复杂的逻辑电路都可以由基本逻辑门组合构成构成n硬件系统构造的基本方式：硬件系统构造的基本方式：n自底向上，逐层封装、抽象自底向上，逐层封装、抽象n系统设计的基本过程：系统设计的基本过程：n自顶向下，分析和分解问题自顶向下，分析和分解问题n自底向上，构造和设计自底向上，构造和设计54同样适用同样适用软件设计软件设计计算机内部的信息都以二进制表示计算机内部的信息都以二进制表示将将“0 0”和和“1 1”赋予逻辑属性，就成为逻

26、辑变量赋予逻辑属性，就成为逻辑变量实现逻辑变量间关系的电路称为逻辑电路实现逻辑变量间关系的电路称为逻辑电路构成各种逻辑电路的基本元素是基本逻辑门构成各种逻辑电路的基本元素是基本逻辑门基本逻辑门的不同的连接方法构成了计算机基本逻辑门的不同的连接方法构成了计算机小结小结主要内容主要内容n逻辑运算与逻辑门逻辑运算与逻辑门n其他逻辑电路其他逻辑电路n触发器触发器n加法器与加法器与ALUALUn冯冯诺依曼结构及原理诺依曼结构及原理n操作系统基础操作系统基础56为什么为什么“电子计算机之父电子计算机之父”的桂冠没有戴在的桂冠没有戴在象象莫齐利莫齐利、埃克特或、埃克特或阿坦那索夫阿坦那索夫等等这样一些实际这

27、样一些实际研究者头上，而是戴在了匈牙利数学家冯研究者头上，而是戴在了匈牙利数学家冯 诺诺依曼（依曼（J.VonJ.Von Neumann Neumann）头上）头上？57冯冯 诺依诺依曼曼电子计算机之父电子计算机之父冯冯诺依曼提出了现代计算机的体系结构诺依曼提出了现代计算机的体系结构冯冯 诺依曼诺依曼计算机结构特点计算机结构特点1.1.采用二进制采用二进制n计算机中所有信息（数据和指令）统一用二进制表示计算机中所有信息（数据和指令）统一用二进制表示2.2.设计计算机硬件由五个部分构成设计计算机硬件由五个部分构成n运算器运算器n逻辑控制装置逻辑控制装置n存储器存储器n输入和输入和输出设备输出设备

28、3.3.提出存储程序原理提出存储程序原理58一、指令和程序一、指令和程序5960指令和程序指令和程序n指令：指令：n控制计算机完成某项操作的、能够被计算机识别的控制计算机完成某项操作的、能够被计算机识别的“命令命令”。n计算机硬件能够直接识别的指令计算机硬件能够直接识别的指令n二进制形式描述的机器指令二进制形式描述的机器指令n指令系统：指令系统：n计算机能够识别的所有指令的集合。计算机能够识别的所有指令的集合。n程序：程序：n按一定顺序组织在一起的指令序列。按一定顺序组织在一起的指令序列。611. 指令格式指令格式指令码指令码操作数操作数说明指令的功能说明指令的功能说明指令操作的对象说明指令操

29、作的对象n计算机的工作过程就是执行程序的过程计算机的工作过程就是执行程序的过程n程序是指令的序列程序是指令的序列n计算机的工作过程就是执行指令的过程计算机的工作过程就是执行指令的过程n在计算机中：在计算机中：622. 指令的执行过程指令的执行过程程序是由指令组成的程序是由指令组成的程序程序内存内存CPU指令和数据指令和数据结果结果 获取要执行的指令获取要执行的指令 明确指令的功能明确指令的功能 获取操作的数据获取操作的数据 执行指令执行指令 送回送回结果结果63 取指令取指令分析指令分析指令读取操作数读取操作数 执行指令执行指令存放结果存放结果指令的执行过程指令的执行过程n顺序执行：顺序执行：

30、n一条指令执行完了再执行下一条指令。一条指令执行完了再执行下一条指令。n并行执行：并行执行：n同时执行两条或多条指令。同时执行两条或多条指令。核心步骤核心步骤643. 两种执行方式的比较两种执行方式的比较n顺序执行方式顺序执行方式n执行时间执行时间= =取指令取指令+ +分析指令分析指令+ +执行指令执行指令n例：例：n设三个部分的执行时间均为设三个部分的执行时间均为tt，则执行则执行n n条指令条指令时间时间T T0 0为：为： nT T0 0=3=3ntnt取指令取指令1 1执行执行指令指令1 1分析分析指令指令1 1CPU取指令取指令2 2执行执行指令指令2 2分析分析指令指令2 265

31、两种执行方式的比较两种执行方式的比较n并行执行方式：并行执行方式：（假设指令执行分为三个步骤）（假设指令执行分为三个步骤）分析分析指令指令3取指令取指令3分析分析指令指令2取指令取指令1执行执行指令指令1取指令取指令2执行执行指令指令2分析分析指令指令1执行执行指令指令3n仅第仅第1 1条指令需要条指令需要3 3 tt时间，之后每经过时间，之后每经过1 1 tt，就有一条指令执行结束，就有一条指令执行结束n执行时间执行时间： T T =3=3tt + +（ n-1n-1）tt两种执行方式时间的比较两种执行方式时间的比较n并行：并行：n更高的效率，更高的复杂度更高的效率，更高的复杂度n相对于顺序

32、执行方式，指令并行执行的优势用加相对于顺序执行方式，指令并行执行的优势用加速比表示：速比表示：nS=S=顺序执行花费的时间顺序执行花费的时间/ /并行执行花费的时间并行执行花费的时间n例：例：n3n3n tt / /（3 3tt + +（ n-1n-1）t)t)n=3n/=3n/（2+n2+n）二、冯二、冯诺依曼结构诺依曼结构 微机硬件组成及基本原理微机硬件组成及基本原理n结构特点：结构特点：n以运算器为核心，所有信息的输入和输出都需要通以运算器为核心，所有信息的输入和输出都需要通过运算器过运算器68冯冯 诺依曼结构诺依曼结构主机系统主机系统69冯冯 诺依曼计算机基本原理诺依曼计算机基本原理n

33、基本原理基本原理n将计算过程描述为由多条指令按一定顺序组成的程将计算过程描述为由多条指令按一定顺序组成的程序，并放入存储器保存。序，并放入存储器保存。n指令按其在存储器中存放的顺序执行；指令按其在存储器中存放的顺序执行；n由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执由控制器控制整个程序和数据的存取以及程序的执行。行。存储程序原理存储程序原理70内存中的程序内存中的程序指令指令1 1指令指令2 2指令指令n n分析分析获取操作数获取操作数执行执行存放结果存放结果程序计数器程序计数器PCPC地址地址CPU取出取出操作数操作数冯冯 诺依曼计算机基本原理诺依曼计算机基本原理71n具体过程可描述为：具体

34、过程可描述为：从内存中取第一条指令；从内存中取第一条指令；送指令译码器译码，以确定要进行的操作；送指令译码器译码，以确定要进行的操作；读取相应的操作数（即执行的对象）；读取相应的操作数（即执行的对象）；执行指令；执行指令；存放执行结果；存放执行结果；转向，直到遇到暂停指令方才结束转向，直到遇到暂停指令方才结束。 冯冯 诺依曼计算机基本原理诺依曼计算机基本原理内存单元地址内存单元地址PC1000FH地址地址寄存器寄存器1000FH+1“读存储器读存储器”命令命令指令译码指令译码数数据据总总线线地址总线地址总线B1H1000FH微机读取一条指令的工作过程：B1H内存储器内存储器73程序计数器程序计

35、数器PCnPCPC用来产生和存放下一条将要读取的指令的地址。用来产生和存放下一条将要读取的指令的地址。n在程序开始执行前，须将程序第一条指令在内存中的存放地址送在程序开始执行前，须将程序第一条指令在内存中的存放地址送入入PCPCnPCPC每输出一次地址，就指向内存的一个单元，每输出一次地址，就指向内存的一个单元，CPUCPU将该将该单元的指令自动取出。单元的指令自动取出。n之后，之后，PCPC中内容自动加中内容自动加1 1，准备读取下一条指令。，准备读取下一条指令。n如果每取走一条指令，如果每取走一条指令，PCPC都只做简单都只做简单的加的加1 1操作，则程操作，则程序将会顺序执行序将会顺序执

36、行nPCPC是程序执行的是程序执行的“指挥棒指挥棒”。PCPC指向哪里，指向哪里，CPUCPU就到就到哪里取哪里取指令指令PCPC是是“指令指针指令指针”顺序结顺序结构程序构程序冯冯 诺依曼结构的局限性诺依曼结构的局限性nCPUCPU与存储器只间会有大量的数据交互，造成总线与存储器只间会有大量的数据交互，造成总线瓶径；瓶径；n指令的执行顺序由程序计数器控制，使得即使有关指令的执行顺序由程序计数器控制，使得即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列。数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列。n指令的执行顺序由程序决定，对一些大型的、复杂指令的执行顺序由程序决定，对一些大型的、复杂的任务是比较困

37、难；的任务是比较困难；n以运算器为中心，以运算器为中心，I/OI/O设备与存储器间的数据传送设备与存储器间的数据传送都要经过运算器，使处理效率、特别是对非数值数都要经过运算器，使处理效率、特别是对非数值数据的处理效率比较低。据的处理效率比较低。74哈佛结构哈佛结构n特点：特点：n指令和数据分别存放在两个独立的存储器模块中；指令和数据分别存放在两个独立的存储器模块中；nCPUCPU与存储器间指令和数据的传送分别采用两组独与存储器间指令和数据的传送分别采用两组独立的总线。立的总线。主要内容主要内容n逻辑运算与逻辑门逻辑运算与逻辑门n其他逻辑电路其他逻辑电路n触发器触发器n加法器与加法器与ALUAL

38、Un冯冯诺依曼结构及原理诺依曼结构及原理n操作系统基础操作系统基础76操作系统操作系统什么是操作系统？什么是操作系统？77它有哪些主要功能？它有哪些主要功能？它在计算机中起到什么作用？它在计算机中起到什么作用？操作系统操作系统（Operating SystemOperating System，OSOS）n操作系统操作系统是一组控制和管理计算机软、硬件资源是一组控制和管理计算机软、硬件资源、为用户提供便捷使用计算机的程序集合。、为用户提供便捷使用计算机的程序集合。n是用户和计算机之间进行是用户和计算机之间进行“交流交流”的的界面。界面。n操作系统的功能：操作系统的功能：n管理系统资源管理系统资源

39、n为用户使用计算机为用户使用计算机提供友好界面提供友好界面78处理器处理器存储器存储器I/OI/O设备设备各种信息各种信息79操作系统操作系统计算机硬件系统计算机硬件系统I/OI/O设备管理，存储管理设备管理，存储管理文件管理文件管理窗口软件窗口软件用户用户数据输入输出数据输入输出数据存储数据存储文件存取文件存取功功能能强强大大的的虚虚拟拟机机程序程序数据数据B005040888045+8内存必须考虑必须考虑：数据如何输入、输出；数据如何输入、输出；如何存储；如何管如何存储；如何管理；理；. .n是计算机硬件上的第一层软件，是各种类型的计是计算机硬件上的第一层软件，是各种类型的计算机都必须配置

40、的软件。算机都必须配置的软件。n其它所有软件都运行于操作系统之上，依赖于它其它所有软件都运行于操作系统之上，依赖于它的支持。的支持。80操作系统操作系统计算机硬件系统计算机硬件系统操作系统操作系统应用软件应用软件1.1.作为用户和计算机硬件之间的接口。作为用户和计算机硬件之间的接口。n隐藏硬件，使用户不必考虑不同硬件造成的差异隐藏硬件，使用户不必考虑不同硬件造成的差异； n为为用户和计算机之间进行用户和计算机之间进行“交流交流”提供统一的界面。提供统一的界面。81操作系统的作用操作系统的作用通过键盘通过键盘应用程序应用程序系统系统调用调用操操作作系系统统用用户户命令命令82操作系统的作用操作系

41、统的作用2.2.是对硬件系统功能的扩充是对硬件系统功能的扩充3.3.管理系统管理系统资源资源OSOS的的作用可以形象的比喻作用可以形象的比喻为一个乐团的为一个乐团的指挥。指挥。 一是一是有效管理有效管理和分配计算机系统的硬件和软件资源，和分配计算机系统的硬件和软件资源，使得有限的系统资源能够发挥更大的作用。使得有限的系统资源能够发挥更大的作用。 二是二是为使用计算机提供便利。为使用计算机提供便利。OSOS通过内部极其复杂通过内部极其复杂的综合处理，为用户提供友好、便捷的操作界面，以便的综合处理，为用户提供友好、便捷的操作界面，以便用户无需了解计算机硬件或系统软件的有关细节就能方用户无需了解计算

42、机硬件或系统软件的有关细节就能方便地使用便地使用计算机。计算机。n操作系统操作系统具有五大基本功具有五大基本功能能：83操作系统功能操作系统功能设备管理设备管理存储器管理存储器管理存储器管理处理器管理处理器管理处理器管理用户接口用户接口用户接口文件管理文件管理文件管理文件管理操作系统操作系统操作系统的分类操作系统的分类n种类繁多，但基本目的只有一个种类繁多，但基本目的只有一个：实现：实现在不同环在不同环境下为不同应用目的提供不同形式和不同效率的境下为不同应用目的提供不同形式和不同效率的资源管理，以满足不同用户的操作资源管理，以满足不同用户的操作需要。需要。n批处理系统批处理系统n分时操作系统分时操作系统n实时操作系统实时操作系统n嵌入式操作系统嵌入式操作系统n分布式操作系统分布式操作系统n。84CPUCPU程序1程序2程序3程序nCPU时间片程序排队队列CPUCPUCP