计算机组成原理,很全了

第1章计算机系统概论

第1章计算机系统概论

计算机人雌够自动、高速解决数学问题及期问郦聊代化电

子:。一4^的计算机系雌硬件系统和软件系统两部分组成,硬

件构成了计算机系统的物质基础，软件则是计算机系统的应用基础。自

从194脾第一台计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegrator

andCalculator)诞生到第五代计算机的出现，计算机的硬件和软件正

朝着相互渗透、相互融合的方向发展，计算机的应用领域也已经涉及到

了各行各业，现代计算机的设H理念和设计技术更是日新月异。

1.1.1冯・诺依曼计算机

计算机硬件(Hardware)是指计算机系统使用的电子线咨和电子

元件等物理设备的蝌硬件裁成计算机的物质基础，是计算机系统

的梭d

从ENIAC到当前最先瞬计算机都采用的是冯诺依曼体辎构。所

以冯•诺依曼是当之无愧的贿计算机之父。

冯•诺依曼指出计算机硬件系统应由运算器、控制器、存储器、输

入设备、输出设备五用P分构成，基本结构框图如图所示o蹿冯

诺依曼体系结构构成的计算机螂具有如下特征：

程序和翻居在计算机中以二进制的方式执行。

必黛够记Z1程序、数据、中:解果及最终运算结果。

具有完成各种算术、逻辑运算秘陲传送等Hl的能力。

指令由地址碑瞄。

能够根据需弹制程序走向,并能网辅令控制机器的各部件协调

操作。

半个世纪以来，计算机已发展为f庞大的家族，尽管各种类型的

计算机的性税结构、应解方面存在着差别，但是它们的基本组第

构却是相同的。现代计算机仍然采用的是冯诺依曼体辎构，硬件系统

仍由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备构成O

1.运算器

在计算机中，运算部HW5SP件。其短任务是完成信息的加

攻理。这些艇主要有加、减、乘、鳍算术运算和与、或、异

或、同靖逻辑遨（。运算器主要由运算逻辑单元ALU和寄存器两部分

m,

执行流程如图1-2所示。图中寄存器丽寄存器B主要保存从内存储器取

来的操帽数,然后运算逻辑单元ALU对两个寄存器中的翻触行算术或

逻辑运算，并将运算结果送给寄存器A暂时存放。

数据在计算机中通常以二进制雌式存储和运算，这是因为二mo

数的运算规为简翦二mo数就是以2为期的即忙进

在二进制中只有。和1两个密立的数符,而这恰好能够与电子器件中电压

的高低、脉冲的有无对应起来，在电路中容易频。

控制器是计算机的控制中心。控制器作为CPU（中央处理器）的核

心部件主要用来协调计算机的工作,完雌序信息瞰曲1澳交;的输入

输出。

控制器的实现方法有酬，即组合逻辑方法序控制方法。组

合逻辑方法的特点是以集成电路来产翊令执行的微操作信号。具有程

痴行的速度快，控制单元的体积/」博优点。近年来随着集成电路技术

的迅速发展，组合逻辑方法得到了广泛的应用。

微程序控制方法相对于组合逻辑方法蝴设计过程比较蜂,但并

不像设计组合逻■制电路I陷烦琐、不规则，而是有一定规律可循，

修改起来也方便。尤其是可编程只读存储器的应用，为微程蝌制器的

设计提供了更大的灵活性和适用性,进而使犍序设计技术的应用解

越广泛。目前已在中、小型和微型计算机中得到广泛的应用，只是在一

些巨型、大型计算机中，由于速度的限制不宜采用微程雕制技术O

!计算机操作的对象。程序^储器中都是以二进制的形式

表示，每脸二进制划分为f存储单元。访问存储单元中程序与嘘

必犯禽出元地址o

短体、蜘

存器、控制线解构成，包括ROM（只读存储器）和RAM（随机存取

^8）酬。

输入设备的够瞬入用户提螭原始信息，并且将其版为计算

机能识SU的信息。常用的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪等。

输出设备的喀星将计算机的果以t人们接受的或能为

其他计算机所接受的帽瀚出。常用的输出设备有：打印机、显斓、

绘邮图。

mi况下，由于输入、输出设备种类繁多而且速度各异，因此它

们TS不是］同高速工作的主机相邮,而是窿过适配器部件与主机

相联系，适配器的当于f器。

1.2计算机的软件系统

思序计算机软件獭语言处理序应用软件科学计算超处

理自动控制例欺件操作系统工程设计

软件（Software）是计算机系统中使用的各种程序，而软件系统是

摘镖个计算机硬件辍工作雌序集合。软修统所包含的内窗障

丰富，因而对其分类也较为困难。图18出了现代计算机系雌软件

整个软件系J能分为系球怫I应用^｛牛两龙&

系娥件主要功能是对整个计算机系统在行调度、管理、监视及服

务等。它撕使系统的各种诩鼾融恰理的调度阿敏的使用，并能监

视麴6的运行状态，一旦出三漉自动轴现场信息使之不受破

坏，并诊断出故脚部位。它还可以帮助用户调试程序、查找程序中的错

误等。

操作系统吸■期制程序的总赧可以用它控制和管理计算机的各

种资源，实现计算机魏施行自动化。它是系统软件中最核心的组成部

分，其主要任务有两个：T管好计算机系统的全部资源，使它们能充

分蟒作用、高效率的工作。在这里所提及的资源是指计算机系统的各

种功能部件，主要包3胭器、存、各种外设备、各种软件。

二是为计算机系统和用户之间提供接口，使用户利用操作系骈i供的功

能去使用计算机，进而在用户面前期的是一台功能强、使用方便的计

算机O

一台计算机可以配置不同类型的操作拗，常用的操作尚类型

(1)单用户操作系统，用于翦F大又要覆成较广泛做

的脸，W:MS-DOS.PC-DOS.CP/M^O

(2)多用户操作系统，又称为分时系统，用于多个用户需要同时

算例如：Unix、Linux、OS/2、Windows98/2000/XP,

WindowsVista^o

操作麹5,用于需要对信息进行管理，信息共

享槐合，题：NetWare.WindowsNT^0

(4)则操作獭，用升E严格时间范围内，对外部请求做出反

应,则靠合,酶：WindowsCE、UcLinux.Rdos

等。

目前，新Ttis作系统WindowsVista已投入使用。Windows

VistaM蹲微软公司开发代号为长角(LonghomjaTF一版本

MicrosoftWindow^佛统回名称。它3WindowsX啷

WindowsServer2003；^09又一^^山操

新的I蟠啦米面相撕增力QT包括Window鲂灿、礴^的

接、家长控制、安全中心、WindowsMovieMaker、图片库、反5般、

间深坎件、网络映射、搜索、图片收I峡、WindowsMediaPlayers

^j^RSS的OutlookExpress、P2PMessenge^功能。

用户往往是艘-帮程序设计语言来编写程序,也就是常说的源程

序。但计算机只能识别二进制信息，语翻理程序的实质就是完成B译

计算机各种语言的一维程序。其主要任务是对用户使用的各种语言进行

陋，进而使计算机能完成用户以各种语言所描述的口。在软件分类

中，除了将语言处理程序划分为系球件外，各晒序设计语言也弱6

:件。在计算机应用中，程序设计语言主要包括以种类。

(1)机器语音：是T用二进制形式表示的，并且能够直接被计算机硬件

识别礴行的语言。机器语音与计算机的逻雌构相关，也就是说，机器语言因计

算机不同而异。利用机器语言编写的程J炳之为机器语言程序o机器语言的缺点是:

不易书写，可阅读性差，出错也不易修改。

(2)汇编语言：是T将机器语言符号化的语菖它用形氟直观、便于

记忆的字母、符号来代他数字编码的机器指令。足语音的语句与机器指令一~对

应，不同的计算机具有不同的汇编语言。用汇编语言写的程称为汇编语言程序。

懒：Nasm.Masm、Tasm^P属TOS语

(3)翻语言：也用与具体计算机逻辑结构不相关的，表达

方式接近于雌述的问题的程序设计语言。高级语言程序具可书写性和

可阅读性强等优点。高级语言程序在计算机并不能先行，需飘用

编嚣序或解释程序I银翻译成机器语言程序后再执行。例如：Basic,

Fortran,Pascak璐言、Delphi、C++、Jav得都属于高级语言程

序。

(4)面向对象语言：是当今软件开发的主流方法碱术。面向

对象语言具有的抽象性、封装性、模块性、继承性和多态性，以及知

自顶向FD自底向上的软件开发风哪良好的可哪性日益被人们重

视。

并且面向对象的礴已经渗透到了计算机科学的其他领域,如操作

系统、人工智能、碗薛、分布式计算幽行计算等领域，并成为这些

领例如：Java、C++、VisualBasic、VisualC++„

Delphi等都属于面向对象语言。

服务性程序又称实用程序,是为系殛供各种服务性手段而设置的

其主要功能■成对用户程廓域入、连接、编辑、/物

纠错以及硬件故障诊断等工作o服务性程序执行的过程和i糊功撕

下:

(2)酶际应中，f大睇辗序懒汾睇干个

相对独立的程序模块，分另编译为相应的目标模块，这朝立的目标模

mi?前人运行。完啥-功除程序口微雌程

序。

(4)数制触灌序。数制转换程序可以使用户直接用十进轴嫌

入，由计算机自动转所能识别的二进制数。

(DatabaseManagementSystems),l^j^DBMS,是@@

数据库的软件。崛库是为适应大型企业磷飒则信息管理的需要而在文件系

为了克服±述映点,营用f单独的微软件雉中管理所有

的文件，实顼数据共享，这就题据库管理系第例如:FoxPro、

Access、Oracle、SQL

应臃件主为用腕艇各个具体应用领域中的辅助功能,它

也雌大多数用户学习、使用计算机时最感兴趣的内容。如计算机辅助

绘解软件AutoCAD、办公软件Office、图腌像处理饮件Photoshop

网价飒帆磁车、迅脸。

现代计算机广■个十分复杂的硬件、软件结合的整体。计算机系统

的工作过程是软硬件分层次相互配合完成的,计算机系统的层次结构如

图1砺示的。图中表明了计算机系统的硬件与软件之间的相互关系，

同时也说明了从用户提出限到硬件执行的过程。

计算机系统的层次绢轶分为五级。第1级是微程序设计级，这是

一个实际的硬健，由硬件直敏行令。第啜题雌包R,

它由陲序解酬器指令系统，该级也属于硬他。第您系统

级，该级采用机器语言解释执行，既涉及软件窗®,也涉及硬件缝,

即减作系统的控制之下调用辍的硬件与软件资源。第4级居匚编语

言级，这一级由汇编程序初群瞅行。第5级曷够R语言级，这f由

各丽级语静它ji0向用户的，

之为用户程序，这一级也属于软件级。

1.3计算机系统的发展与应用

自194昨第子数字计算机问世以来，计算机的发展以计算

机硬件的逻辑元器件为标志，大嵋历了电子管、晶体管、中小规鳏

成电路到大路等4个发展阶段。

从194墀至195墀是电子管数字计算机时代.曲机fl曜情元件

采用电子管。主存储器采用磁芯、磁鼓，外存采用磁带。电子管数字计

算机主要特点是体积大、功耗大、运算速度每眇只有几千次到几万次、

价格昂贵、可靠性差。程序设计主要采用机器语言和;O语言。主要应

用于科学计跖虽然，电子管数字计算机有很多缺陷，但是它的体辎

构蹿序设计围想为以后计算机的高速发展奠定了科学翻队

从1957年至196伟IBM蝌1■期时代。计翱联厮谈

采用晶体管。主存储器采用磁芯，外存储器采用先进的磁盘。晶体管数

字计算机主蝴点是体积小、S:、耗电少、运算速度每眇达十万次

以上、可靠世孔晶体管数字计算机的出现麒:件有了很大的发展，出

现了多种用途的操作微，以及各种各样的高级语言，如FORTRAN、

COBOa语言。应用以各附速主，a用

于工J11绘制。

从196得至197阐强|成电酬■算娴代。计期I的逻断群课

用中、小规膜成电路；用半导体存辘代替磁芯存储器,采用流水线

多道程腑拼做回技和集成电路计算机主要特点是体积更小、速度

快、精度高、功豳黑计算机成本进/下降。在此期间软件向系列化、

多样化发展，软修渐完善，分时操作系统、会溺语言够种高级语

言已经出现，出了模块化与结构触序设计的居施L在发展大型

机的同时，“小型计算机”开始出现。计算机品种璘向多样化、系列化

发展，应用领域不断扩大。

从1971年以后是大路计算机时代O计算机的

逻辑元件以大、超大规模集路为主要功能器件。大规蝴超趣模

集路计算机主要特点是速度更快、集成度更高、软好富、有通讯

功能、切配合。在间硬饰软件的技术日级善，计算速度

每眇千万亿次以上，计算机结构也开始以分布敢理来组织系统。

同时，大型机、中型机、超小型机、计算机网络、智育拟、程

等都有了新的发展。应用开始进入尖端科学、军事工程、空间技柳大

型事熟爨等社筋术和社会生活各个领域。

随着大规赚成电路的发展，20世纪70年代计算机开始向微型化方向展.

1971^^lntei^^gid^djT^-4«ra8,丽与旧M公^^

了第一^侬计算机，开创了触I计算机的新时代。

微型计算机具有体积小、重嘘、功耗低、功醒、可靠性高、结构灵活、

使解境要瘫、价格低吟系列特点和优品懒了广瑜应照0飞邮I

发展。目前，微型计算机已进入双核心甚至多核心时代。传统单核娴器相比,

交吸怏理器力叭了5礴令执行、智能电源管理(、智

能缓曲蜘智■梆腱及麒麟钠体墉9。新技术的应用使双核凶理

从8(m忸始，日本、美甄就脂粉》行顺代HI硼的嬲工

作，目前第五代计算机有以下几个研究方向：

小知识：生物计算机一旦研制成功，其运K速度是目前传统计算机根本

无法因0的，它几十4例的运算函魁于目前朝所有计算机运管邮总和.

算机的存储■也大得惊人。科学家采用有机a幢白质分子L®

片代替由无机材料制作的硅芯片，其大小仅为赃所用的晓片的i■万分之一,

而集成度却极大地提高，如用血红素制成的生物芯片，1平方塞米解纳1。亿个

门电路，斯关速度达SI1。微微秒。此外^物芯片具备的低I酬;、低僻的性

质使他们摆脱了做半导体元怫热的困扰，从而克服了长期以艇fe或电路制

作工2复杂、电路因故脚僦增化以及能量蹦大

发丽5了广阔的前景。此外，机的元件密度比AM神经密度献高

100万倍，而且其传递信息的速度也比人脑进行思维的速度快100万倍。它即快

捷，又准确，可以图成为人脑瞰限断充部分，它以从

人体细胞吸收营养的方嫌补充虹，而不够外界的任何其他能匹

⑶光子计算机_―用光作为信息载体，通过对光的蜘烷成

对礴雌算献能。

新十计算机与前四代计算机的本质区别是:计算机的主要功能将

从信息遮忸为知识陋，使计算机具有人类的某些智能，所以又称

为人工智能计算机。通常认为,第五代计算机具有以下几个方面的功能:

(D具有陋各种信息的能力。除目前计算机微塞离1嫩据外,

第五代计算机还能对声音、文字和图箝形式的信息进行识s收t理。

(2)具有学习、联想、倒和解释问题的能力。

(3)具有对人的自然语音的理解能力。即只建期潭或计算的问题，用自

然语言写出要求及说明，计算机就喇皿t,按人的要求进行处理或计算，而现

在的计算机需要使用专门的计算机语睡蜘雌耍酷5述出来。对第五代计算

机来说，只需告诉它“做什么”，而不必告诉它“怎么做”。

总之，第五代计算机招采用多媒体技棣声音、图形、图象系统、计算机系统

和通讯超蛔为使计算机具有像人一样的能听、能看、㈱L能说、

等功能，甚至研制生产出具有某些“情感”、噌力”的计算机产品。

电钳由电子箍信MWiBZ

传送瞰爨,从磔现计算的功能。计算机的分类方法f有如下加。

一般可分为数字计算机徽i计算机。

数字计算机处理的是离散的数字■<>通常用脉冲的有无或电平的高

低表示二进制数字“1”和“0”，其不同的组合表示大〃不同的数值，只要

勒肉合的位数就可城口耘微的范麟n精度。因此，只虾考虑设&

的代价，数字计算机腌示的数值范围与精度几乎没有限制。我们通常

所说的计算机，如未概u说明，均指的字计算机，音为计算机。

徽I计算机照的信息是朝变化的徽版,如温度、压力、距离.

数字计算机年用途即应用特点可分为通用计算机和专用计算机。

通用计算机就是我们通常所说的计算机O它通常根据不同的计算机

系酒号配备■贵的&限，配备多种系辘:件，如操作系统、数据库管

理獭及多种工具软件。只要再配备相应的应用软件，就可应用于各种

通用机的特点是物迪，功能全。

专用计算机是针对某面向某种算法的计算机,这

种机器由于功能单一，结构简单,1I■■■・低，较瓯浑事

和理赣！I等领域得到了广泛的应用。如某一攻过能制计算机,军

事上特定武器装备的控制指挥仪,以及目前已广泛应用的嵌入式礴］■

算机专用机的系统I及专用软件是专门针对其应用领域设计的，因

而对该领域是氟蟠。专用机若用于其他领域，则降极低甚至无法运

行。

所瞰模，是综合计算机的多方面因素而言，通常涉及运算速度、

搬脖长、存1注夕陪P设备等硬件配置，以及软件、价格等诸多方

面。因此按规模分类场也即按计算机的性蟒分类。由于计算机科

学技术的飞速发展，这郴!横或性能的概念也是在不I磔化的。昔日的

大型机，其性能可能赶不上现在的微型机。尽管如此，计算机业界仍习

惯将计算机分为巨型机大型机、中型机、小型机、微翱等几球型。

也称为超级计算机，它是f国家科技水平、经济实力和辍威力

的象征。巨型机速度最快，性能最强，技术最复杂，具有巨大的数值计

官息处麒力，是每个时代计算机翩■术隹集中惨。目前巨

型计算机一般字长6狙，酬平均执行上百亿次浮点运算,主存容,1~

4S5^Lt,速通道每眇可像镯据几千万个字以上，具有

丰富的系统软件。目前世界上最快速的计算机都采用大规模并行处理

MPP(MassivelyParallelProcessing)技术，每匐B代巨型机％随

有数百至上万个艇器。198年自行研制出了第一台银河巨型机

如图1书所示o此后，我国自行研制的银河-m型巨型机每秒运算可达

到12磔，如图1用所示o现在，我国正酶制更高性能的巨型机。

算机(LangScaleComputer/Mainframe)是计算

族中通用性最S,功能也很酗计算机。长32~6狙，每睇

俄百万到数千万条指令，主存容■几十万到几百字，有的外设

和通信接口，有很强的I/C班遵助和丰富的系统软件及应用软件。大

型机示例图如图1・7

小型计算机(Mini8mputer)是性t手、价

域十分广泛的计算机。f字长32位，速度每眇几十万到几百万次,内

存容•几万到几十万字，配有一5^0的外设与覆簸口，支够种高

级语言和汇编语言编写的程序，有功能较强的操作系统。

微型计算机(Mlcrosmputer)简称微型机或微机，是以微处

理器为中央处理器而组成的计算机系统O

肝算机的分类方法很多。按字长可分为的、］时、3徽、64

位'后‘注!机计酗I;触哪式可分为m座式和殿式!计算机，前

者如台式机(如图所示)，后者是一种可移动的制型机，如笔记本

和掌上计算机(如图1・9所示)。

按使用方式，一般将计算机分为工假麻服务器，这也是目前广泛

采用的实用的分类方法。这种分类方法是以网绳吩布式计算环境为背

景的。

工作站(Workstation)是以个人计算环境和分布式网络计算环境

为霸队具有良好的性能价格比。所谓个人计算环境置S为个人使用计

算机创造—尽可能易学易用的工作襁，为面向特定应用领域的人员

提供一个具有友好人机界面的i率工作平台。分布式网络计算环境是

指工作站在进行信做理时，可以通过网络与服务器和其他工作站或计

算机互通信息和共享资源。工作的多功能就它的高速运算功能,适

应绒体的应用功肯识5力能，如图1-10所示O

服务器(Server)是网络环境或在具有客户/服务雌构的分布计

粳中，为客户的请藏供服务的结点计算机。客户/服务器是实现

资艘享的TI结构，客户是服^器的对fe。在网络和分布式计算环境

中，服务器提供大量公用的服如船§库服务、www服务、文件服

务、打印服务等。在设计上，要求服务器具有更好的初勖凝性能、极

高的可用度、良好的安全性、很强的扩展能力，网编吩布式计算环境

中的工作站多充当信息中心，如图1・11所示0

数字计算机问世以来，计算机得到高速发展的原因主要是它的普及与

应用。如今，计算机的应用与普及已从军事、科研、经济领域不断向教育、

文化、商业、贸易、以至娱乐、生活诸方面进军，时女b均引起了巨大

的变革。在应用实践中，人们对计算机的功能及特性不断提出新的要求。

正整6于这一原因，计算机技术得到了极大的发展。

目前，计算机的应用领域已垓千种。按照计算机的应用特点，计算

机的应用可以大体上分为科学计算、疑敌腿、实时控制、计算机辅助工

程、办公自动化、通信和智能应用等几大类.

科学研究和IB计算是计算机应用最早的；o机的发明

和发展，首先是为了解决科学技术和速设计中大■的数学计算问瓯

因此科学计算是计算机应用的f霞领域O例如大范围的地区气象

礴信息，如果用人口博需要几天的时间完成，而用计算机处理这些

信息可使有值。

目前，有效地使用蚌计算机来求辍学问题，已经形成一^门

的学科_数值计算。许多计算领域的问题，如计算物理、计算力亲

计算化学、计算经济胃均可归结为数值计算问题。源豺算往往涉及

到!:际杂的数学公式，如求解上干阶的微分方程组、大型的矩阵班等

等。

人类已进入信息化社会,各种信息浩如烟海。为认识Wi逑信息,

前展对大■的信息进行分析加工。计算机的应用使信息处理口

起相E常快捷，蝴学国防建设、

文做育、的陶等礴的工作卖嘘来更u诲松。

好数婕的主要功能，是将输入设备稣的帆、

分类、加工、以融厮需要的信息o如企业管理、库存管理、帐目计宜

图^^鸣，它彳据■大，算术运算比较

简单，有大出墀辑与判断，陋的结果多以报::表或文件形式存储或输

出。

实时控制是计算机在过磅制中的重要应用。最初的过程控制主要

应用于韩、卫朝Mt化a器系卿航空航天等,而现在已广泛

「■A，•T-T神经辍的功能，由于高灵敏度、

高精确度的控制，使得上述领触工作能在人的意志控制卜准确无误地

达到目的。例如由雷达和髀发射雌成的防空系统，地嘘雌制系

统，自动化生产鳍，都需要在计算懈制下腑。

是近几年来迅i毂展的~个+算机应用领域,它包

括计算机助设计CAD(ComputerAidedDesign^计醐孀助制造

CAM(ComputerAidedManufacture厢计算学

CAI(ComputerAssistedInstruction)^^!*方面。

CAD广泛应用于船舶、飞机、汽车、建筑、电子等方面的设计。由

计算机辅助产生的设计结果通过图形设备与设计人员交耳可及时对设

计做出判断和修改，最终完成设计工作。因此，采用CAD技术，提高了

设计的自动化水平，缩短了设计周期，减轻了设计人员的劳动，也大大

提高了设计质・。

CAM则是使用行生产设备的管理和生产过程的控制,

例如，计算机控制的全自动汽车朝生产线。

办公自动化OA(OfficeAutomation雇用计算机帮助办公室人员

陋日常工作。例如，用计算机进行文字处理，文挡管理，资料，图象

声音陋和网络通信等。它既属于信触1回的范围，又是目前计算机应

用的一呼m立的。

蝴g通信主要是利用通信卫星群和光导纤维构成的计算机应用网

络，实现信息双向交流，同时利用多!技椽大计期1的应用范围。

通信卫星的覆盖面广，光朝维解的信息・大，保密性好，他们的优

势用卜,利用计算机将二者结合起来可在的范围内双向传送qS电视

图象在内的各种信号，把整个地球网络邮起来，使人们彳里就可以

收看世界上任何T电视台的节目，通过屏幕与远在千里乃曲友人面

对面地通话。总之，以计算机为核心的信息高速公路的实现，将进一

改变人们的生活方式。

人工智能(ArtificialIntelligence,翻SI)是用计期来酬、

延伸、扩展人类的某些智力渤］,使计算机具有学习和磔能力。如今

人工智能的则与应用已在模式识别、景物分析、自断言的理解与生

一•«：：

成、博弈、自动o»=：证明、自媚序设计、专家系统、跚训练辍、

智能决策统机器人等领域解I了重大的突蝴快速的发展，

人的研究为例，现已在机器人的视觉、触觉、声音识别等方面取得了较

大的进展，tw了趣明灵巧的新型机器人一智能机器人。

上述七种画■匕口£<型酸了的大多数领域,能包

括当今计算机的应用范畴。随着计算机网蝴术和信息高速公路的发

展，计算机的应用几乎渗凝I人类靛的各个领域，如电子商务、电子

邮件、信、通电子雌疗、电子

等，人们可以进入f五猊粼&的世界，畅游信息的癣。计算

机的广泛应用正改变着人类的生活方式,它屣着>心髓人—

社会~信息化社会。

1.4现代计算机技术应用

精揩脂令集计算机RISC(ReducedInstructionSetComputer)

是I小眦伯克利分校M的I麹等人于197地鼬的。RISCmM

^^<^］采用微程腔构的曾令集计算机CISC(Complex

InstructionSetComputer)结构而言的。它的出现是计算机体

发展史上f重要的里程碑。

传辘JCIS嗡领随着计算机的发展而引入了各种各样的的指

令,使得指令集和为urn飒这留聆功除计算机体系结।礴来越复

杂,经过大■的研।分析，发现在CIS取脂，中，各

种指令的使甩舰度相当僦。计算机在运行程序中，大概仅有20湘指

令被反复使用，使用■约占整1濯序的80%；而有80%的指令则很少使

用，其期屿占整1濯^的20%。颜溟丽1的“二/淀律”。

复杂的指令辍必黜加硬件翊的复杂性,这不仅增加了研制时

间前M而且由于期指令需要选行复系的操作，很降现流水僦

行，从而影响了机器的速度。为了解决上述问题，RISC微艇器的设

申崛得到了较快的发展。说，RISC处聊比同等的CISC处

理飕快50%~75%,同时RIS改理S更容易设计和纠错。

RISC是建承CISCM成叨技术并克服CISC的缺点的基砒上产生

并发展起来的。RISC的着眼点不简单地放i化指令系统上，而是通

过简化指令使计算机辘构更管理，从而提高班速度。

例如：计翱i执行程序所需要演r间p可用下式表示：

P=lXCPIXT

其中，I是邮语言编译后在机器上运行的指令数，CPI为执行每

舞令所需的平均周螂，T是每个机器周期的时间。

由于RISC指令比较简单，原CIS的中比较复螂脂令

子程序来代替，因此RISCM耍比CISCM多20%~40%。但是RISC的

大多娄指令只用一个机器周期趣，所以CPI的曦比CISC/J僻。同

时因为RISC结构简单，所以完成T操作所经过的通,使

得T值大为减少。后来，RlSCfiWI^有很大改进，TW周期平

均可完成令，甚至可达几条指令。

RISCMiSH■要点为：

(1)选取使用频度最高的一些简单指令和很有用但并不复碘指

令；

(2)指令的长广二一_定，指令格式附妙，类少;

(3)只存令访问存储器，蛛目令操(T都在寄存器

之间进行；

(4)采用指令流水僦作，实现指令并行操作;

(5)大部分指令在一个时钟周期内完成；

(6)CPU中通用寄存器的数目相当多；

(7)以硬布融制为主，不用或少用糜雌制，以加幡令执

目前，RIS嗡令微照器在嵌入式计算机中懒了广泛的应用，

设计生产RISC指令微处理器的公司也越来越多，比如：英国的ARM公

司设计的ARM7、ARM9、ARM10.ARM11等彩URIS嗡令微料器;

旧淞司的PowerPC;DEC公部Alpha；HP公司的HPPA；MIPA公

司的R10000;SU*司的UltraSPARC等。

嵌入式系统系统，它包蹒件和软件两部分。硬件

包括嵌入式徽理器、存储器及外设器件和"嗨口、图形控制器等。

软件部分包瞎作系统软件(OS)和应用程瞒程。应用程序控制着

系统的运怖行为；硒作系雌制着应用程序编程与硬件的交互作

用。

⑶可扩展的处理器结构，能扩展出满足应用需求的高速嵌入式

微处理器。

嵌入式计算机在应用数■上远远醐了各种通用计算机,一台通用

计算机的外部设备中就包含了若干个嵌入式触I理器，键盘、鼠标软

驱、艇、显卡、Modem.神、声卡、打印机、扫描仪、

数字相机、US曲啜均是由嵌入式料器控制的。在制造工业、过

朝制、通取仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消

费丽品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。下面介绍几种具体的应

用.

所谓的移动数据库是支持移动tt算机的嘘库,有两层含义：-B

用户臃动的过程中可以蝴访可库资源。二是用户可以带帏

够动。典型的应用场合例如：在行驶的螂库上查询最近的医院《该

系统由前台询终端、后台同步服务器组成，移雌端上有嵌入式期

操作系统和嵌入式需据库。其他包括手机PDA、掌上电脑等各种移动

设备。用掌上电脑(或PDA)上网，人们可以随时随殛取信息。

智毓居网络(E-Home)指在f家居中建立TSM网络，为

庭网络操作系统的控制下，通过相应的

硬件和执行机构，则对所有家庭网络中家电和设备的控制和监测。家

用电器将向数字化和化发展，电视机、微波炉、电话等都将嵌入计

算机并通过家制中心与Interne迪，酶为智能网络家电。其网

络簟的箍网关，家I关主双酶制网络和信息网络

的信号综合，并具有与外界联络的接口，以便侑园寓赣厢信息雌。

不论是网关还是毓电上的控制模块，都需要有嵌入岫作辍。这些

操作系统必须有内嵌入式、实时性好、多用户的特点。

嵌入式语音芯片基于嵌入避鼾惨统，采用语音识别和语音合成

语音学层次结构^^和文本攵型级术，可以应用朝持设备、智

除电等多的域。如果赋予这些设备人性化的交互方式和（聊」的使用

方法，也可应用于玩具中，实现声控玩息仿期物、与人对话的玩具.

也能应用于车载通信设备实现人机交流0

以蓝牙为代表的小范围?纳入协议与嵌入式辍的结合,必将推

动嵌入式系雌广泛应用。近来,基于这些协议的嵌入式产品层出不穷,

包括各种电话系统、秘公文包、各i字电子设备以及在电子商务的

应用。这甄=品以2化和低成本的特点为它们在家幽n办公室自动

化、电？w务、zomik智雌建种翻场合的应用开辟了广

阔的前景。

我国的需要完成智能化，数字化改造，智雌制设备、

智能仪表、自动控制等为嵌入趣懒供了很大的市场。而工）Ud渊、

曲、3憾K集、军用等领域TSI陵蝴作系统相期响应。在服

交通礴，嵌入式也在发挥着越来越重要的作用。

嵌入式系统通常是面向特定应用而设计的，与通用型的最大不同就是嵌

入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体

积小、集成度高等特点，而且能够把通用CPU中许多由板卡完成的向集成

在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，增强其移动能力。嵌

入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体

应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、

高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统的硬件和软件都必须碱

率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,

这样才能在具体应用中对处理器的邮更具有竞争力嵌入式系1具

用有机地结合在T坦，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式

系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。

为曲高执行速蛹断可靠性,嵌入式系统中的软件TS都固化

在存f牖盹片或单片机本身中，而不是存贮于

嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常

能对其中的程序功能进行修改的,必须有T开发工翩环境才

能进行开发。

本章小结

本章主要讲述了计算机的硬件辍和软件系辘鹿本组

能，并从层次结构的角度分析了计算机的层烯构。随后介绍了计算机

的发展历程、应用领域和现代计算机技术的发展与应用方向。通过本章

的学习，读者应该在函上对计算机的发展和应用有一^认识，对计

算机的设计技术和新的发展、应用方向有所了解，充分理解计算机总体

结敢、硬件的功能，为深入学习以后各章打下基础。

第2章计算机的逻辑部件

计算机的逻辑部件

本章从逻辑代数的基枷识、逻辑门电路的构成及特性出发，介绍

组合逻辑电路分析与设计的f方法；介绍了力叫器、译码器等常用芯

片的逻辑功能;介绍了加法器、译码器等中规模器件设计组合鳏电路.

解决实际问题的思路与方法。读者应深入理解基本逻辑运算、逻辑运算

规则、逻辑球的榆睫达式、傲化简、卡诺图化简赳本理论;掌

握利逻辑代蜘识分析组合期电辎方法;蜘翻小规酶件设计

组合电路的TSJ圾；深入理解中规模器件在设印胎逻辑电路、解决

实际问题中的应用。

本章要点:

数字逻辑电识

逻辑函数的化简

加法器设计

EDA琳

2.1.1逻辑他的基本知识

逻辑例是研究逻霾电路的基本工具,:输入逻想变蚓输出

函数之间关系的数学君i式。逻值代数又称为开对5尔馋，是

由期数物弟•布尔(GeorgeBoole)于1泄纪中叶首播出的

用建哪逻的解方法，律进行运算

的，反映朝变量运算规律的数学，主要应用于域器开关电路的分析

与设计上。经切断的施和发展后，被用于数字遭«电踊擞字系统

中，成为逻辐电路分析和设计的有力工M。

通常电子系轴都含有酬和数字两种模块。和邮i电路相睡，

在存胤分施猫输信号时，数字电路更具优越性。碰字电路中，常

用二mo数来量化i化的幽信号，而二蝴数I的是用数字1和0

来耘谢。这B的o和坏是+进制数^的数字,逻辑(麻礴1不的^

值大小，仅表示相互矛盾、相互对立的两种逻辑触，这幽何借助复

杂皎数字系触实现信号的存储、分析和储I。

2.逻辑电平

与普通代数相似之处在于它俏是用字母耘液*,用f3叵员描

述事物间的关系。但不同的是，期代做是撒醋观事物间的逻辑关系,

逻辑函数雌式中的逻触邱取值和逻辑画划幅限有两个值，即。和1,称

在电路上，可用电子器件的开关恃性核现，由此形成离散信号电压藏

字电压，这蹴字电压通常用断电平来表示》应当注意，逻辑电平不是物理

■,而是■fl?相对谢。在正逻辑体系中，用1来表示高电平，用竦赫

低电平。在负逻辗体系中，用0来表示高电平，用1来表示低电平(本书采用正

逻辑).蝴高电平和雌3吟为蝴电平。

2.1.2常见的门电路

1.与口

央际的两输入端与门如表2・1所示，逻辑符号如图2・1所示o

从与门的逻辑关系上可以看出，如果输入端A作为控制端，则侬)值将

会决定输入端B的值是否能被输出到端口丫。

(a)国外符号(b)酶相

图2・1臃鸿与门逻辑符号

2.或门

M-示的两输门如表2士所示，逻辑符号如图2出所示o

图2・2两输入端或门逻辑符号

(a)国外符号(b)国标符号

3.非门

非门可以用反相器电路实现，因gE门又称为“反相器”。真