《計(jì)算機(jī)組成原理》

1、第二節(jié)計(jì)算機(jī)的基本組成一、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)馮·諾依曼體系計(jì)算機(jī)的核心思想是“存儲(chǔ)程序”的概念。它的特點(diǎn)如下：(1) 計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成；(2) 指令和數(shù)據(jù)都用二進(jìn)制代碼表示；(3) 指令和數(shù)據(jù)都以同等地位存放于存儲(chǔ)器內(nèi)，并可按地址尋訪；(4) 指令是由操作碼和地址碼組成，操作碼用來(lái)表示操作的性質(zhì)，地址碼用來(lái)表示操作數(shù)所在存儲(chǔ)器中的位置；(5) 指令在存儲(chǔ)器內(nèi)是順序存放的；(6) 機(jī)器以運(yùn)算器為核心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳送通過(guò)運(yùn)算器。二、計(jì)算機(jī)的硬件框圖典型的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)是以運(yùn)算器為中心的，如下圖所示。其

2、中，輸入、輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送都需通過(guò)運(yùn)算器。圖中實(shí)線為數(shù)據(jù)線，虛線為控制線和反饋線?，F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)已轉(zhuǎn)化為以存儲(chǔ)器為中心，如下圖所示，圖中實(shí)線為控制線，虛線為反饋線，雙線為數(shù)據(jù)線。圖中各部件的功能是：(1) 運(yùn)算器用來(lái)完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算的中間結(jié)果暫存在運(yùn)算器內(nèi)；(2) 存儲(chǔ)器用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序；(3) 控制器用來(lái)控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)行及處理運(yùn)算結(jié)果；(4) 輸入設(shè)備用來(lái)將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機(jī)器能識(shí)別的信息形式，常見(jiàn)的有鍵盤、鼠標(biāo)等；(5) 輸出設(shè)備可將機(jī)器運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式如打印機(jī)輸出、顯示器輸出等。計(jì)算機(jī)的五大部件在控制器的統(tǒng)一指揮下，有

3、條不紊地自動(dòng)工作。由于運(yùn)算器和控制器在邏輯關(guān)系和電路結(jié)構(gòu)上聯(lián)系十分緊密，尤其在大規(guī)模集成電路制作工藝出現(xiàn)后，這兩大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常將他們合起來(lái)統(tǒng)稱為中央處理器，簡(jiǎn)稱CPU。把輸入設(shè)備與輸出設(shè)備簡(jiǎn)稱為I/O設(shè)備。因此，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可認(rèn)為由三大部分組成：CPU、I/O設(shè)備及主存儲(chǔ)器MM。CPU與MM合起來(lái)稱為主機(jī)，I/O設(shè)備叫作外設(shè)。存儲(chǔ)器分為主存儲(chǔ)器MM和輔助存儲(chǔ)器。主存可直接與CPU交換信息，輔存又叫外存。三、計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程為了比較形象地了解計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程，首先分析一個(gè)更為細(xì)化的計(jì)算機(jī)組成框圖，如下圖所示。1運(yùn)算器運(yùn)算器包括三個(gè)寄存器和一個(gè)算邏單元ALU。其中ACC為累加

4、器，MQ為乘商寄存器，X為操作數(shù)寄存器。這三個(gè)寄存器在完成不同運(yùn)算時(shí)，所存放在操作數(shù)類別也各不相同。在典型的運(yùn)算器中有3個(gè)寄存器：接收并保存一個(gè)操作數(shù)的接收寄存器；保存另一個(gè)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果的累加寄存器；在進(jìn)行乘、除運(yùn)算時(shí)保存乘數(shù)或商數(shù)的乘商寄存器。執(zhí)行部件包括一個(gè)加法器和各種類型的輸入輸出門電路?？刂齐娐钒凑找欢ǖ臅r(shí)間順序發(fā)出不同的控制信號(hào)，使數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的門電路進(jìn)入寄存器或加法器，完成規(guī)定的操作。下面簡(jiǎn)要以加法為例分析一下這種結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器其加、減、乘、除四則運(yùn)算的操作過(guò)程。假設(shè)ACC中已存有前一時(shí)刻的運(yùn)算結(jié)果，并作為下述加法運(yùn)算中的一個(gè)操作數(shù)。則：加法操作過(guò)程：ACC表示累加器中內(nèi)容，X表

5、示X寄存器中的內(nèi)容。MXACC+XACC即將ACC看作被加數(shù)，先從內(nèi)存中取一個(gè)存放在M地址號(hào)內(nèi)的加數(shù)M，送至運(yùn)算器的X寄存器中，然后將被加數(shù)ACC與加數(shù)X相加，其結(jié)果和保留在累加器ACC中。 2存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器包括存儲(chǔ)體、各種邏輯部件及控制電路等。存儲(chǔ)體由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元又包含若干個(gè)存儲(chǔ)元件，每個(gè)存儲(chǔ)元件能寄存一位二進(jìn)制代碼“0”或“1”?？梢?jiàn)，一個(gè)存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ)一串二進(jìn)制代碼，稱這串二進(jìn)制代碼為一個(gè)存儲(chǔ)字，這串二進(jìn)制代碼的個(gè)數(shù)叫做存儲(chǔ)字長(zhǎng)。我們賦予每個(gè)存儲(chǔ)單元一個(gè)編號(hào)，叫做存儲(chǔ)單元的地址號(hào)。主存的工作方式就是按存儲(chǔ)單元的地址號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)字各位的存（寫入）、?。ㄗx出）。這種存取方

6、式叫做按地址存取，也即按地址訪問(wèn)存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱訪存）。為了能實(shí)現(xiàn)按地址訪問(wèn)的方式，主存中還必須配置兩個(gè)寄存器MAR和MDR。MAR是存儲(chǔ)器地址寄存器,用來(lái)存放欲訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元的地址，其位數(shù)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)。MDR是存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器,用來(lái)存放從存儲(chǔ)體某單元取出的代碼或者準(zhǔn)備往某存儲(chǔ)單元存入的代碼，其位數(shù)與存儲(chǔ)字長(zhǎng)相等。要想完整地完成一個(gè)取或存操作。 CPU還得給主存加以各種控制信號(hào)，如讀命令、寫命令和地址譯碼驅(qū)動(dòng)信號(hào)等。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，主存都制作成大規(guī)模集成電路的芯片，而將MAR和MDR制作在CPU芯片中。 3控制器控制器是計(jì)算機(jī)組成的神經(jīng)中樞，由它指揮全機(jī)各部件自動(dòng)、協(xié)調(diào)地工作。具體而言，

7、它首先要命令存儲(chǔ)器讀出一條指令，這叫取指過(guò)程。接著對(duì)這條指令進(jìn)行分析，指出該指令要完成什么樣的操作，并按尋址特征指明操作數(shù)的地址，這叫分析指令過(guò)程。最后根據(jù)操作數(shù)所在的地址，取出操作數(shù)并完成某種操作，這叫作執(zhí)行過(guò)程。以上就是通常所說(shuō)的完成一條指令操作的取指、分析和執(zhí)行三階段。控制器由程序計(jì)數(shù)器PC，指令寄存器IR以及控制單元CU幾部分組成。PC用來(lái)存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址， 它與主存的MAR之間有一條直接通路，且具有自動(dòng)加1的功能， 即可自動(dòng)形成下一條指令的地址。IR用來(lái)存放當(dāng)前的指令， IR的內(nèi)容來(lái)自主存的MDR。IR中的操作碼送到CU，用來(lái)分析指令；其地址碼作為操作數(shù)的地址送至存儲(chǔ)器的MA

8、R。 CU用來(lái)分析當(dāng)前指令所需完成的操作，并發(fā)出各種微操作命令序列，用以控制所有被控對(duì)象。 4I/OI/O子系統(tǒng)包括各種外部設(shè)備及相應(yīng)的接口。每一種設(shè)備都是由I/O接口與主機(jī)聯(lián)系的，它接受CU發(fā)出的各種控制命令完成相應(yīng)的操作。計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程如下：首先把構(gòu)成程序的有序指令和數(shù)據(jù)，通過(guò)鍵盤輸入到主存單元中，并置PC的初值為0（即令程序的首地址為0）。啟動(dòng)機(jī)器后，計(jì)算機(jī)便自動(dòng)按存儲(chǔ)器中所存放的指令順序，有序地逐條完成取指令、分析指令和執(zhí)行指令，直至執(zhí)行到程序的最后一條指令為止。本課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生必修的硬件課程中重要核心課程之一?；疽笫鞘箤W(xué)生掌握計(jì)算機(jī)常用的邏輯器件、部件的原理、參數(shù)及使用

9、方法，學(xué)懂簡(jiǎn)單、完備的單臺(tái)計(jì)算機(jī)的基本組成原理，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的入門性知識(shí)，掌握維護(hù)、使用計(jì)算機(jī)的技能。課程內(nèi)容包括：常用的組合邏輯器件，如譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、編碼器；常用的同步時(shí)序電路，如寄存器、移位寄存器、計(jì)數(shù)器的原理、參數(shù)及使用方法；現(xiàn)場(chǎng)可編程器件：PLA，PAL，GAL和PGA等器件的原理與使用；數(shù)字化編碼，數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)表示，檢錯(cuò)糾錯(cuò)碼；數(shù)據(jù)的算術(shù)與邏輯運(yùn)算，運(yùn)算器的功能、組成與設(shè)計(jì)；教學(xué)機(jī)的運(yùn)算器實(shí)例。計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)綜述，指令格式與尋址方式；教學(xué)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)與匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)；控制器的功能、組成與設(shè)計(jì)，微程序控制器部件和硬連線控制器部件；多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)綜述，主存儲(chǔ)器

10、的組成與設(shè)計(jì)，磁盤設(shè)備的組成與運(yùn)行原理，光盤機(jī)的組成與運(yùn)行原理，磁帶機(jī)的組成與運(yùn)行原理，磁盤陣列技術(shù)Cache存儲(chǔ)器的運(yùn)行原理，虛擬存儲(chǔ)器的概念與實(shí)現(xiàn)；計(jì)算機(jī)輸入/輸出設(shè)備與輸入/輸出系統(tǒng)綜述，顯示器設(shè)備，針式打印機(jī)設(shè)備，激光印字機(jī)設(shè)備；計(jì)算機(jī)總線的功能與組成，輸入/輸出系統(tǒng)的功能與組成；教學(xué)機(jī)的總線與輸入/輸出系統(tǒng)實(shí)例。幾種常用的輸入/輸出方式，中斷與DMA的請(qǐng)求、響應(yīng)和處理。本課程課內(nèi)學(xué)時(shí)90，電視學(xué)時(shí)8，第2學(xué)期開設(shè)，學(xué)分5。課程首次播出時(shí)間2000年春季。教學(xué)媒體：文字教材計(jì)算機(jī)組成原理（第3版）王誠(chéng)主編，實(shí)驗(yàn)教材計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)王誠(chéng)等編著清華大學(xué)出版社出版。錄像教材（8學(xué)時(shí)）

11、，王誠(chéng)教授主講，清華大學(xué)電教中心錄制。CAI課件計(jì)算機(jī)組成原理王誠(chéng)主編清華大學(xué)出版社出版。EC2000教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備）清華大學(xué)同方教學(xué)儀器公司生產(chǎn)。第1章 概述學(xué)習(xí)本章時(shí)要從層次結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)識(shí)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成。對(duì)計(jì)算機(jī)硬件子系統(tǒng)要從計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)3個(gè)部分的知識(shí)來(lái)了解，并且要搞清楚它們之間的聯(lián)系與區(qū)別，這就是學(xué)習(xí)本門課程的主脈絡(luò)第2章 數(shù)字電路基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)中的邏輯部件本章的學(xué)習(xí)主要應(yīng)該在了解數(shù)字電路最基礎(chǔ)的知識(shí)后，掌握如何運(yùn)用布爾代數(shù)的常用公式和基本規(guī)則，又如何恰當(dāng)?shù)剡x擇已有的邏輯器件，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的邏輯功能的電路，包括組合邏輯的電路

12、和時(shí)序邏輯的電路，會(huì)解決自己工作中遇到的實(shí)際問(wèn)題。對(duì)于在本章中列出的中小規(guī)模的組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路，現(xiàn)場(chǎng)可編程器件等，重點(diǎn)在于明確概念，主要供查閱時(shí)使用，并不需要記憶過(guò)多的內(nèi)容。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中還必須注意到，我們是將其他章節(jié)關(guān)于計(jì)算機(jī)組成原理、部件設(shè)計(jì)中主要屬于線路設(shè)計(jì)的內(nèi)容集中在本章，所以學(xué)到了某一章節(jié)，有可能需要回過(guò)頭來(lái)看看第2章的內(nèi)容。第3章 數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算和運(yùn)算器部件運(yùn)算器部件是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)整機(jī)運(yùn)行原理與設(shè)計(jì)能力最為基礎(chǔ)的一個(gè)環(huán)節(jié)。運(yùn)算器最重要的功能是加工數(shù)據(jù)，為此，應(yīng)該以掌握各種類型的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示、存儲(chǔ)方式、完成運(yùn)算所用的算法和實(shí)現(xiàn)這些算法所用的邏輯電路為線索進(jìn)行學(xué)習(xí)。第4

13、章 指令、指令系統(tǒng)和控制器部件本章重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容是講授計(jì)算機(jī)控制器的功能、組成、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其教學(xué)安排圍繞掌握計(jì)算機(jī)指令的執(zhí)行過(guò)程（步驟）與控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)進(jìn)行，包括課堂教學(xué)、課外作業(yè)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)都應(yīng)緊緊把握住這個(gè)主線索。指令的功能安排，指令格式、尋址方式的選擇這3項(xiàng)內(nèi)容十分重要，在學(xué)習(xí)的整個(gè)過(guò)程中，應(yīng)該較好地掌握。對(duì)于指令系統(tǒng)舉例，不必花費(fèi)太多精力推敲每條指令的具體內(nèi)容，但對(duì)教學(xué)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)須認(rèn)真看一看。當(dāng)你了解了計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)和組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)，整個(gè)計(jì)算機(jī)的核心部分就被你掌握了。第5章 多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)對(duì)本章的學(xué)習(xí)主要了解為什么要使用多級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建存儲(chǔ)器系統(tǒng)，并以此為線索，了解

14、主存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器的基本內(nèi)容。主存儲(chǔ)器要求掌握容量與讀寫速度等指標(biāo)的概念，存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)中的字、位擴(kuò)展技術(shù)，存儲(chǔ)器與CPU的連接關(guān)系等內(nèi)容。關(guān)于磁盤、磁和光盤等存儲(chǔ)設(shè)備，則屬于概念和一般了解的知識(shí)比較多。在了解高速緩沖存儲(chǔ)器的功能和基本運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)應(yīng)該從概念上比較、理解Cache的全相聯(lián)映像、直接映像和多路組相聯(lián)映像三種構(gòu)成方式。而在了解虛擬存儲(chǔ)器的功能和概念的基礎(chǔ)上，僅需要了解段式和頁(yè)式兩種管理方案，虛擬存儲(chǔ)器的硬件組成和把邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存實(shí)際地址的辦法。對(duì)本節(jié)內(nèi)容應(yīng)在學(xué)習(xí)中強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)掌握基本原理和概念。第6章 輸入輸出設(shè)備與輸入輸出系統(tǒng)對(duì)本章的學(xué)習(xí)內(nèi)容，應(yīng)該圍繞計(jì)算

15、機(jī)輸入/輸出子系統(tǒng)的組成、功能運(yùn)行方式、具體使用方法等為主線索來(lái)進(jìn)行。由于輸入/輸出設(shè)備種類繁多，功能多樣，組成和運(yùn)行原理各不相同，學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)了解點(diǎn)陣方式運(yùn)行的設(shè)備的組成及其工作原理進(jìn)行。包括陰極射線管顯示器、液晶顯示器，針式打印機(jī)、噴墨式打印機(jī)和激光印字機(jī)。要求了解計(jì)算機(jī)中的總線類型、功能、總線仲裁、數(shù)據(jù)傳送協(xié)議等基本概念和現(xiàn)實(shí)總線的線路。對(duì)常用的輸入/輸出方式學(xué)習(xí)，重點(diǎn)是掌握程序直接控制方式、程序中斷方式和直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）方式的概念和術(shù)語(yǔ)。尤其對(duì)程序中斷方式，更是要求掌握的重點(diǎn)。幫助一、首頁(yè)說(shuō)明同學(xué)們打開首頁(yè)，可以見(jiàn)到如下的頁(yè)面。該頁(yè)面分為兩個(gè)區(qū)域：1課程有關(guān)信息區(qū)域 這個(gè)區(qū)域包括

16、課程簡(jiǎn)介、教學(xué)信息、綜合測(cè)試、學(xué)習(xí)論壇、友情鏈接、幫助幾個(gè)欄目。它提供了有關(guān)這門課程的許多教學(xué)信息，同學(xué)們?cè)谶M(jìn)入正式課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)前，應(yīng)該首先瀏覽一下，這對(duì)掌握這門課程的總體概況是有幫助的。下面分別加以說(shuō)明： l     課程簡(jiǎn)介其中包括：課程內(nèi)容（簡(jiǎn)單扼要的介紹了課程所包括的學(xué)習(xí)內(nèi)容），開設(shè)情況（介紹了課程的學(xué)時(shí)、學(xué)分、教學(xué)媒體、實(shí)驗(yàn)），學(xué)習(xí)方法（介紹了各章學(xué)習(xí)的方法和重點(diǎn)內(nèi)容）。l     教學(xué)信息其中包括：教學(xué)大綱（教學(xué)大綱是同學(xué)們學(xué)習(xí)該課程的指導(dǎo)性文件，它詳細(xì)說(shuō)明了對(duì)各章的內(nèi)容，以及掌握程度的要求。），課程

17、實(shí)施方案（介紹了課程開設(shè)的有關(guān)安排），教學(xué)輔導(dǎo)（詳細(xì)對(duì)有關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容分章節(jié)進(jìn)行了輔導(dǎo)，是同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)完課程相關(guān)內(nèi)容后，應(yīng)該重點(diǎn)閱讀的）。l     綜合測(cè)試其中包括：綜合模擬測(cè)試（這是電大在線遠(yuǎn)程教育技術(shù)有限公司開設(shè)的一個(gè)綜合測(cè)試平臺(tái)，同學(xué)可以按照綜合測(cè)試頁(yè)面的有關(guān)說(shuō)明，對(duì)自己學(xué)習(xí)完課程后的水平進(jìn)行測(cè)試。），課程學(xué)習(xí)調(diào)查（提供了一個(gè)課程學(xué)習(xí)的調(diào)查問(wèn)卷，請(qǐng)同學(xué)們學(xué)習(xí)完課程后，對(duì)這門網(wǎng)絡(luò)課程提出你的寶貴意見(jiàn)，我們將根據(jù)你們的意見(jiàn)對(duì)課程進(jìn)行改進(jìn)）。 l     學(xué)習(xí)論壇其中包括：中央電大BBS（同學(xué)們可以在上面發(fā)表自己的看

18、法，提出問(wèn)題進(jìn)行討論，中央電大的老師將及時(shí)對(duì)你們的問(wèn)題進(jìn)行答復(fù)），電子郵件（同學(xué)可以利用此電子郵件向中央電大教師提出問(wèn)題）。l     友情鏈接這里提供了幾個(gè)地方電大有關(guān)該課程的資料，同學(xué)們可以作為學(xué)習(xí)中的參考。l     幫助對(duì)如何利用網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行學(xué)習(xí)提供了詳盡的幫助，同學(xué)們應(yīng)當(dāng)首先瀏覽這部分內(nèi)容，全面掌握網(wǎng)絡(luò)課程的使用方法。2課程學(xué)習(xí)內(nèi)容區(qū)域 這部分區(qū)域是課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，我們這門課程的結(jié)構(gòu)是按照知識(shí)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建的，同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)時(shí)要熟悉和掌握這個(gè)特點(diǎn)。下面以課程第3章舉例加以說(shuō)明：當(dāng)選擇主頁(yè)上的第3章后，出現(xiàn)如下的頁(yè)面

19、，它包括：課程學(xué)習(xí)欄目、章節(jié)選擇、單元選擇、知識(shí)點(diǎn)選擇、語(yǔ)音控制和活動(dòng)菜單幾個(gè)部分。（1） 課程學(xué)習(xí)欄目 這個(gè)欄目提供了針對(duì)每一章的學(xué)習(xí)指導(dǎo)、視頻課堂、實(shí)驗(yàn)課堂、自我測(cè)試。下面分別加以說(shuō)明：l     學(xué)習(xí)指導(dǎo)在學(xué)習(xí)指導(dǎo)中不但說(shuō)明了第3章包括的視頻、實(shí)驗(yàn)、自我測(cè)試內(nèi)容，而且提供了一個(gè)“知識(shí)樹”，即本章的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。這個(gè)圖清晰的反映了第3章中各單元的組成，各單元中知識(shí)點(diǎn)的分配情況，同學(xué)們應(yīng)該學(xué)會(huì)通過(guò)“知識(shí)樹”來(lái)掌握學(xué)習(xí)本章的基本脈絡(luò)。   l     視頻課堂 在視頻課堂中提供了第3章的全部視頻，同學(xué)們只要

20、點(diǎn)擊左側(cè)視頻的標(biāo)題，就可以在右側(cè)的播放器中收看到有關(guān)的主講老師講授的內(nèi)容。此外，利用播放器的幾個(gè)控制按鈕，可以來(lái)控制視頻的播放。 l     實(shí)驗(yàn)課堂在實(shí)驗(yàn)課堂中，目前只提供了一個(gè)運(yùn)算器部件的虛擬實(shí)驗(yàn)。同學(xué)們首先要了解實(shí)驗(yàn)的目的與要求，然后請(qǐng)仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與步驟，結(jié)合教材分析各個(gè)與運(yùn)算器有關(guān)的控制信號(hào)代表的意義。接下來(lái)可以看一個(gè)具體的實(shí)例是如何操作的。在明了實(shí)驗(yàn)操作步驟的基礎(chǔ)上，可以按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行虛擬的運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)。l     自我測(cè)試 當(dāng)同學(xué)們學(xué)習(xí)完第3章的內(nèi)容后，可以利用自我測(cè)試檢查自己對(duì)本章知識(shí)點(diǎn)掌握的程

21、度，選擇自我測(cè)試后，頁(yè)面提供了15道選擇題，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到編號(hào)1時(shí)，出現(xiàn)第1題的內(nèi)容，選擇一個(gè)答案。當(dāng)15道題全部做完后，點(diǎn)擊評(píng)分按鈕，會(huì)給出一個(gè)總的分?jǐn)?shù)與各題的對(duì)錯(cuò)情況，以及有關(guān)的學(xué)習(xí)指導(dǎo)建議。（2） 章節(jié)選擇本課程一共有6章，章節(jié)選擇按鈕既是用于選擇章節(jié)用的。（3） 單元選擇當(dāng)選擇其中一章后，在單元選擇部分就會(huì)出現(xiàn)該章各單元的序號(hào)，利用單元選擇按鈕，可以方便的選擇其中任意一個(gè)單元。（4） 知識(shí)點(diǎn)選擇當(dāng)選擇其中一個(gè)單元后，在知識(shí)點(diǎn)選擇部分就會(huì)出現(xiàn)該單元有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的序號(hào)，利用知識(shí)點(diǎn)選擇按鈕，可以方便的選擇其中任意一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。這三者的關(guān)系與每章的“知識(shí)樹”是對(duì)應(yīng)的。（5） 語(yǔ)音控制 大部分的文本閱

22、讀部分都有老師講解，同學(xué)們可以利用語(yǔ)音控制部分的按鈕進(jìn)行相應(yīng)的控制。（6） 活動(dòng)菜單為了同學(xué)們方便地首頁(yè)的菜單上，課程還設(shè)置了一個(gè)活動(dòng)菜單，當(dāng)將鼠標(biāo)移動(dòng)到活動(dòng)菜單處，菜單就會(huì)向右側(cè)移出，方便同學(xué)使用。當(dāng)鼠標(biāo)離開時(shí)，菜單則自動(dòng)向左隱藏。（7）課程索引 在課程學(xué)習(xí)欄目區(qū)域還設(shè)置了一個(gè)重要的工具課程索引，課程索引為同學(xué)們簡(jiǎn)便快速地檢索課程全部?jī)?nèi)容提供了極大的方便。 在課程索引上面列出大綱、目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)、指令、媒體、詞匯六個(gè)部分按鈕，下面的1、2、3、4、5、6則是選擇第Î章的按鈕。舉例：l     大綱如果想查找第3章的大綱，先選擇大綱按鈕，然后再選擇

23、“3”按鈕，則有關(guān)內(nèi)容即可呈現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)在大綱中，還可以對(duì)該章的單元或知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行查看。l     目標(biāo)列出了各章的學(xué)習(xí)目標(biāo)，操作方法類似。l     實(shí)驗(yàn) 列出了各章的實(shí)驗(yàn)（目前只有運(yùn)算器部件實(shí)驗(yàn)）項(xiàng)目，同學(xué)們可以選擇任何一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，操作方法類似。l     指令列出了第4章的匯編指令，操作方法類似。l     媒體列出了各章的使用的媒體，包括音頻、視頻、動(dòng)畫，同學(xué)們可以選擇任何一個(gè)媒體進(jìn)行視聽，操作方法類似。l &

24、#160;   詞匯列出了本課程使用的一些專業(yè)詞匯，它是按照詞匯的英文字母AZ的順序，阿拉伯?dāng)?shù)字09順序，以及中文排序的。方便同學(xué)們快速查找專業(yè)詞匯的說(shuō)明。第1章 概述 教學(xué)內(nèi)容:傳統(tǒng)說(shuō)法的計(jì)算機(jī)的5大功能部件各自的功能與相互連接關(guān)系，如何從層次的觀點(diǎn)來(lái)看待完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成；計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、組成、實(shí)現(xiàn)各自涉及的主要內(nèi)容，計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程和應(yīng)用領(lǐng)域。單元1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和它的層次結(jié)構(gòu)單元2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)概述 單元1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和它的層次結(jié)構(gòu) 學(xué)習(xí)目標(biāo)1要求掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由哪些基本部件組成的，每個(gè)部件的基本作用。2掌握硬件系統(tǒng)有

25、哪幾個(gè)層次。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的含義是什么？這可以從它所完成的功能和相應(yīng)的組成兩個(gè)方面來(lái)加以回答。從它所完成功能的角度看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該能完成原始數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理、并把計(jì)算處理的結(jié)果輸出出來(lái)這樣4項(xiàng)操作功能。為此，一臺(tái)計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)至少需要由下述幾個(gè)相互連接在一起的部件和設(shè)備組成，如圖11所示。圖11從組成的角度，圖中用5個(gè)方框圖給出了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的5個(gè)基本組成。其中數(shù)據(jù)輸入設(shè)備完成對(duì)原始數(shù)據(jù)的輸入功能；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能；數(shù)據(jù)運(yùn)算部件完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理功能；結(jié)果輸出設(shè)備完成對(duì)運(yùn)算處理結(jié)果的輸出功能；而控制器部件的功能則是向系統(tǒng)各個(gè)部件或設(shè)備提供它們協(xié)調(diào)運(yùn)行所需

26、要的控制信號(hào)。圖中上部稱為部件的3個(gè)組成部分，通常是使用電子線路實(shí)現(xiàn)的，安裝在一個(gè)金屬機(jī)柜內(nèi)或者印制電路板上，被稱為計(jì)算機(jī)的主機(jī)。左邊的數(shù)據(jù)運(yùn)算部件和計(jì)算機(jī)控制部件，合稱為中央處理器（CPU，center processing unit），又稱其為計(jì)算機(jī)的處理機(jī)（processor）。圖中下部的2個(gè)設(shè)備，通常是使用精密機(jī)械裝置和電子線路共同制作出來(lái)的，合稱為輸入輸出設(shè)備，又稱其為計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備。圖中中部畫出的是連接計(jì)算機(jī)各部分的公共信號(hào)線，稱為總線?？偩€通常由三種信號(hào)線組成，分別是：數(shù)據(jù)總線，用于在這些部件或設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)信息（指令和數(shù)據(jù)）的電氣信號(hào)；地址總線，用于在這些部件或設(shè)備之間傳送

27、屬于地址信息的電氣信號(hào)，以選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部件中的一個(gè)存儲(chǔ)單元，或者外部設(shè)備中的一個(gè)設(shè)備；控制總線，用于向存儲(chǔ)部件和外部設(shè)備傳送起控制作用的電氣信號(hào)，也就是指定在CPU和這些部件或者設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送的方向以及操作的性質(zhì)（讀操作還是寫操作）等。計(jì)算機(jī)的5個(gè)組成部分是通過(guò)總線被有機(jī)地連接在一起，從而構(gòu)成一臺(tái)完整的、可以協(xié)調(diào)運(yùn)行（執(zhí)行程序）的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。在硬件組成的基礎(chǔ)之上，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還必須有它的軟件部分。軟件包括：· 語(yǔ)言支持程序，即匯編語(yǔ)言和高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、各種專用目的的語(yǔ)言。· 操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的存在，為使用計(jì)算機(jī)的用戶提供了許多支持，同時(shí)與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相結(jié)合，使得程序

28、設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)化，建立用戶的應(yīng)用程序和操作計(jì)算機(jī)更方便。· 在操作系統(tǒng)軟件之上還包括，例如，文字處理軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，網(wǎng)絡(luò)軟件，多媒體信息處理軟件，辦公自動(dòng)化軟件等等。綜上所述，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件兩大部分（兩類資源）組成的。還可以從計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)所涉及到的知識(shí)面之間的關(guān)系，依照如下的層次觀點(diǎn)（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由多個(gè)不同層次的內(nèi)容組成的）來(lái)認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成。第一個(gè)層次，是數(shù)字邏輯層?，F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，通常說(shuō)的都是電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，作為計(jì)算機(jī)一詞的定語(yǔ)，“電子”一詞指明的是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)最重要的物質(zhì)材料是電子線路，“數(shù)字”一詞所指明的是所用是數(shù)字邏輯電路，直接處理的是離散的數(shù)字信息。設(shè)計(jì)

29、計(jì)算機(jī)硬件的最基礎(chǔ)的知識(shí)就是數(shù)字邏輯和數(shù)字門電路，解決的基本問(wèn)題是：使用何種線路和如何存儲(chǔ)信息，使用何種線路和如何傳送信息，使用何種線路和如何運(yùn)算與加工信息等方面的問(wèn)題。第二個(gè)層次，是微體系結(jié)構(gòu)層。計(jì)算機(jī)最核心、本質(zhì)的功能是執(zhí)行程序，程序是按一定規(guī)則和順序組織起來(lái)的指令序列。第二個(gè)層次體現(xiàn)的是，為了執(zhí)行指令，需要在計(jì)算機(jī)中設(shè)置哪些功能部件(例如：存儲(chǔ)、運(yùn)算、輸入和輸出、接口和總線等部件，當(dāng)然還有更復(fù)雜一點(diǎn)的是控制器部件)，每個(gè)部件又如何具體組成和怎樣運(yùn)行，這些部件如何實(shí)現(xiàn)相互連接并協(xié)同工作等方面的知識(shí)和技術(shù)。這是本教材的重點(diǎn)、也算是難點(diǎn)內(nèi)容。第三個(gè)層次，是指令系統(tǒng)層。這涉及到需要確定使用哪些指

30、令，指令能夠處理的數(shù)據(jù)類型和對(duì)其運(yùn)算所用的算法，每一條指令的格式和完成的功能，如何指出想要對(duì)其執(zhí)行讀操作或者寫操作的存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元，如何指出想要執(zhí)行輸入或者輸出操作的一個(gè)外部設(shè)備。一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，對(duì)計(jì)算機(jī)廠家和用戶來(lái)說(shuō)，都是很重要的一件事情，需要非常認(rèn)真仔細(xì)地分析和對(duì)待。單元2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)概述學(xué)習(xí)目標(biāo)1了解什么是計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的基本概念。2了解這三個(gè)概念的聯(lián)系與區(qū)別。計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)（computerarchitecture），通常是指涉及機(jī)器語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)人員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，更多說(shuō)的是計(jì)算機(jī)的外特性，是硬件子系統(tǒng)

31、的結(jié)構(gòu)概念及其功能特性。這其中最重要的問(wèn)題都直接和計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)有關(guān)，例如計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)類型及其表示、存儲(chǔ)、讀寫方式，指令系統(tǒng)的組成，指令類別、格式和功能，指令中使用的寄存器數(shù)量和表示方法，支持的尋址方式，存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備和CPU之間數(shù)據(jù)傳送的方式和控制，也包括中斷的類型和處理流程，系統(tǒng)中對(duì)各類信息的保護(hù)，計(jì)算機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的定義和切換，對(duì)各種運(yùn)行異?；蛘叱鲥e(cuò)的檢測(cè)和處理方案等等，這些都是程序設(shè)計(jì)人員編寫出高質(zhì)量程序并確保其正常運(yùn)行必須深入了解的計(jì)算機(jī)的有關(guān)屬性。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要研究硬件和軟件功能的劃分，確定硬件和軟件的界面，即哪些功能應(yīng)劃分給硬件子系統(tǒng)完

32、成，哪些功能應(yīng)劃分到軟件子系統(tǒng)中完成。計(jì)算機(jī)組成（computerorganization），是依據(jù)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)確定并且分配了硬件子系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)和功能特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)各部件的具體組成，它們之間的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性。從這一點(diǎn)又可以說(shuō)，計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)相同的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所要求的功能，完全可以有多種不同的計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)方案。因?yàn)榘雽?dǎo)體器件性能的提高，新的技術(shù)成果的面世，或者又有新的價(jià)格/性能比的需求出現(xiàn)，都會(huì)帶來(lái)計(jì)算機(jī)組成的變化。在計(jì)算機(jī)組成的領(lǐng)域內(nèi)，需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一是合理的性能價(jià)格比，關(guān)鍵的技術(shù)措施在于處理好計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流

33、和控制流，合理地匹配各功能部件的性能參數(shù)，也就是盡力避免因一個(gè)部件形成的“瓶頸”問(wèn)題而影響計(jì)算機(jī)的整體性能。例如，對(duì)運(yùn)算器部件，可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算的流水線處理和設(shè)置多個(gè)運(yùn)算功能部件，在運(yùn)算器內(nèi)安排更多的寄存器等措施以提高其處理數(shù)據(jù)的能力；對(duì)控制器部件，可以通過(guò)指令預(yù)取，指令流水線處理，多指令流水線，選用RISC（reduced instruction set computer）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案等措施以提高執(zhí)行指令的速度；對(duì)存儲(chǔ)器部件，使用由高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器、虛擬存儲(chǔ)器構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)，使用由可以交替運(yùn)行的多個(gè)存儲(chǔ)器構(gòu)成的多體結(jié)構(gòu)，使用性能更高的改進(jìn)型的存儲(chǔ)器芯片等措施，以提高存儲(chǔ)

34、器系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量和讀寫速度。對(duì)輸入輸出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)通道、外圍處理機(jī)等方式，合理地設(shè)置緩沖器和排隊(duì)策略，配備速度更快的設(shè)備，配備更多數(shù)量的設(shè)備，以提高單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)輸入輸出的流量。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言，關(guān)鍵是盡可能地使計(jì)算機(jī)各個(gè)功能部件都以自己所具有的高速度運(yùn)行，避免或者減少不同功能部件彼此之間的相互制約和等待現(xiàn)象，例如通過(guò)支持多線程、多進(jìn)程、多道程序、多任務(wù)等措施，選用最合理的資源調(diào)度算法和分配策略，以便最大限度地提高系統(tǒng)的資源利用率。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(computerimplementation)，是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。包括中央處理機(jī)、主存儲(chǔ)器、輸入輸出接口和設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)，所選用的半導(dǎo)體器件的集成度

35、和速度，器件、模塊、插件、底板的劃分，電源、冷卻、裝配等技術(shù)，生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)調(diào)試等各種問(wèn)題，一句話，就是把完成邏輯設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)組成方案轉(zhuǎn)換為真實(shí)的計(jì)算機(jī)，也就是把滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行、價(jià)格等各項(xiàng)要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)真正地制作并調(diào)試出來(lái)。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是三個(gè)不同的概念，各自有不同的含義，但是又有著密切的聯(lián)系，而且隨著時(shí)間和技術(shù)的進(jìn)步，這些含義也會(huì)有所改變。在某些情況下，有時(shí)也無(wú)需特意地去區(qū)分計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成的不同含義。第2章 數(shù)字電路基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)中的邏輯部件教學(xué)內(nèi)容:常見(jiàn)組合邏輯部件：譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、編碼器、全加器及快速加法器、ALU原理及使用方法。常見(jiàn)同步時(shí)序電路：

36、寄存器、移位寄存器、計(jì)數(shù)器的原理及使用方法?？删幊踢壿嬯嚵校篟OM，GAL，CPLD器件的原理與使用。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一定處理功能的邏輯電路的過(guò)程與方法，包括組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。單元1 組合邏輯電路及其應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)1 基本邏輯門知識(shí)點(diǎn)2 三態(tài)門知識(shí)點(diǎn)3 數(shù)據(jù)選擇器知識(shí)點(diǎn)4 譯碼器和編碼器知識(shí)點(diǎn)5 教學(xué)計(jì)算機(jī)中組合邏輯電路的應(yīng)用單元2 時(shí)序邏輯電路及其應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)1 基本R-S觸發(fā)器知識(shí)點(diǎn)2 D型觸發(fā)器知識(shí)點(diǎn)3計(jì)數(shù)器知識(shí)點(diǎn)4一位全加器知識(shí)點(diǎn)5教學(xué)計(jì)算機(jī)中時(shí)序邏輯電路的應(yīng)用單元3 現(xiàn)場(chǎng)可編程器件及其應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)1 現(xiàn)場(chǎng)可編程器件概述知識(shí)點(diǎn)2 通用可編程器件GAL20V8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其編程使用知識(shí)點(diǎn)3 M

37、ACH器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)概述數(shù)字電路和邏輯設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，是我們學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理之前首先需要掌握的基礎(chǔ)內(nèi)容。在本章中，數(shù)字電路基礎(chǔ)方面，主要介紹了有關(guān)基礎(chǔ)邏輯門電路的相關(guān)內(nèi)容，包括非門、與門和或門的原理性線路，并用真值表和邏輯表達(dá)式對(duì)它們的邏輯功能進(jìn)行了描述。在計(jì)算機(jī)的邏輯部件部分，主要介紹了最常用的中小規(guī)模邏輯電路，包括組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。組合邏輯電路的特點(diǎn)是：電路的輸出僅決定于該電路當(dāng)前輸入信號(hào)的狀態(tài)，與電路的以前狀態(tài)（以前的輸入或操作過(guò)程）無(wú)關(guān)，換言之，組合邏輯電路無(wú)記憶功能。在組合邏輯電路中介紹了三態(tài)門、數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器、編碼器。而時(shí)序邏輯電路，是指含有觸發(fā)器記憶功能的電路，它

38、的特點(diǎn)是：電路的輸出狀態(tài)，不僅與當(dāng)前輸入信號(hào)的狀態(tài)有關(guān)，還與電路以前的狀態(tài)（以前的輸入信號(hào)或操作過(guò)程）有關(guān)。在時(shí)序邏輯電路中介紹了基本R-S觸發(fā)器、D型觸發(fā)器與寄存器、計(jì)數(shù)器部件。同時(shí)還介紹了組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路在教學(xué)計(jì)算機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用。最后介紹了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件，包括現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件的基本概念，簡(jiǎn)單和復(fù)雜的PLD器件，例如GAL20V8器件（Genaral Array Logic）器件屬于簡(jiǎn)單的PLD，而MACH（Macro Array CMOS High-density）器件是復(fù)雜的PLD。以上這些器件在教學(xué)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這是我們?cè)趯W(xué)習(xí)數(shù)字電路知識(shí)時(shí)應(yīng)該充分了解和

39、掌握的。學(xué)習(xí)目標(biāo)1要求掌握基本邏輯門（非門、與門和或門）電路的功能、邏輯表示。2掌握組合邏輯電路中三態(tài)門、數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器、編碼器電路的功能、邏輯表示。3掌握時(shí)序邏輯電路中基本R-S觸發(fā)器、D型觸發(fā)器與寄存器、計(jì)數(shù)器部件的功能、邏輯表示。4了解現(xiàn)場(chǎng)可編程器件的基本概念，GAL20V8器件和MACH器件的基本功能。5要求將以上學(xué)習(xí)內(nèi)容結(jié)合教材2.2.2、2.3.5和2.4.3節(jié)中給出的線路設(shè)計(jì)實(shí)例，進(jìn)一步加深理解。單元1組合邏輯電路及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)1要求掌握基本邏輯門的功能以及真值表、邏輯表達(dá)式。2掌握組合邏輯電路中三態(tài)門電路的功能以及真值表、邏輯表達(dá)式。3掌握數(shù)據(jù)選擇器電路的功能以及真值表、

40、邏輯表達(dá)式。4掌握譯碼器電路的功能以及真值表、邏輯表達(dá)式。5掌握編碼器電路的功能以及真值表、邏輯表達(dá)式。知識(shí)點(diǎn)1 基本邏輯門在數(shù)字電路中，最基本的邏輯門電路有3種，即非門（反相器）、與門、或門。由這些最基本的邏輯門電路又可以派生出與非門、或非門2種。它們可以用雙極型器件實(shí)現(xiàn)，也可以用MOS管的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們可以只使用非門、與門、或門就能夠設(shè)計(jì)出任何復(fù)雜功能的邏輯電路。例如組合邏輯電路中的加法器，譯碼器和優(yōu)先級(jí)編碼器，數(shù)據(jù)多路選擇器等。下面將這些邏輯門的邏輯關(guān)系，以及功能分述如下：與門：輸出和輸入的邏輯關(guān)系是：ZA·B。與門的功能，即輸出與輸入是，僅在全部的輸入條件都具備（均為真）時(shí)

41、，函數(shù)的輸出才成立（為真）?；蜷T：輸出和輸入的邏輯關(guān)系是：ZAB?；蜷T的功能，即輸出與輸入是，在全部的輸入條件中只要有一個(gè)具備（為真）時(shí)，函數(shù)的輸出就成立（為真）。非門：輸出和輸入的邏輯關(guān)系是：。非門的功能，即輸出與輸入是反相位的關(guān)系。與非門： 輸出和輸入的關(guān)系是：。與非門的功能，即2路輸入A和B的“與運(yùn)算結(jié)果”和輸出Vout是反相位的關(guān)系?；蚍情T：輸出和輸入的關(guān)系是：?；蚍情T的功能，即2路輸入A和B的“或運(yùn)算結(jié)果”和輸出是反相位的關(guān)系。異或門： 輸出和輸入的關(guān)系是：ZAB。異或門的功能，即2路輸入A和B的輸入條件都相同時(shí)，輸出不成立（為假）。輸入條件中只要有一個(gè)具備（為真）時(shí)，函數(shù)的輸出就成

42、立（為真）。知識(shí)點(diǎn)2 三態(tài)門三態(tài)門是一種最重要的總線接口電路。它具有圖騰對(duì)輸出結(jié)構(gòu)的TTL電路，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、傳輸速度快，又具有集電極開路輸出可以實(shí)現(xiàn)“線與”的優(yōu)點(diǎn)。所謂三態(tài)，是指這種門電路的輸出既可以為一般二值邏輯電路的正常的“0”狀態(tài)、正常的“1”狀態(tài)，又可以為特有的高阻狀態(tài)，此時(shí)，它的“0”和“1”的輸出都是截止的，即輸出相當(dāng)于斷開狀態(tài)，失去了任何邏輯控制功能。三態(tài)電路的輸出邏輯狀態(tài)的控制，是通過(guò)一個(gè)輸入引腳 實(shí)現(xiàn)的,當(dāng) 為低電平輸入時(shí)，三態(tài)電路依據(jù)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)的狀態(tài)，給出正常的“0”或“1”輸出； 當(dāng)為高電平輸入時(shí)，三態(tài)電路給出高阻態(tài)輸出。 三態(tài)電路最重要的應(yīng)用是構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中總線

43、的接收器和發(fā)送器。在教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，選用了只有單向傳送功能的SN74LS240和SN74LS244，具有雙向傳送功能的SN74LS245器件實(shí)現(xiàn)總線邏輯。知識(shí)點(diǎn)3 數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器又稱為多路開關(guān)，是以“與或”門及“與或非”門為主體的電路，其功能是：由選擇信號(hào)來(lái)控制多路數(shù)據(jù)輸入中的一路作為該器件的輸出。在教學(xué)計(jì)算機(jī)中選用了4位輸入/輸出的、帶有三態(tài)輸出控制的SN74LS257器件。輸入與輸出關(guān)系為：輸入選擇控制信號(hào)S用于選擇將A路輸入還是B路輸入送到輸出，當(dāng)S為低時(shí)，選擇A路輸入，反之選擇B路輸入。輸出控制信號(hào) 為低，被選中的4位輸出為正常邏輯電平， 為高則輸出為高阻態(tài)。知識(shí)點(diǎn)4 譯碼器和

44、編碼器譯碼器的功能是：把一組輸入代碼的狀態(tài)組合翻譯成相應(yīng)的輸出狀態(tài)，若輸入信號(hào)有n個(gè)，其輸出最多可以有2n個(gè)。正常輸出時(shí)，2n個(gè)輸出中僅有一個(gè)輸出為低電平（或高電平），其他2n-1個(gè)輸出均為高電平（或低電平），用于表明n個(gè)輸入的某一種狀態(tài)組合。在不需要譯碼時(shí)，可以通過(guò)另外的控制信號(hào)使全部輸出均為高電平（或低電平），用于表明不選擇任何輸入狀態(tài)組合。教學(xué)計(jì)算機(jī)中，選用了有3個(gè)輸入信號(hào)、8個(gè)（23）輸出信號(hào)（低電平有效）的SN74LS138譯碼器（通常稱為3-8譯碼器），也選用了雙路有2個(gè)輸入信號(hào)、4個(gè)（22）輸出信號(hào)（低電平有效）的雙2-4譯碼器SN74LS139。編碼器的功能是：把2n個(gè)輸入信號(hào)

45、不同的組合狀態(tài)，編碼成n位輸出狀態(tài)。這是譯碼器的逆向操作功能。正常情況是輸入信號(hào)僅有個(gè)為低電平（或高電平），其余2n-1個(gè)輸出均為高電平（或低電平）。在教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，選用了有個(gè)輸入信號(hào)、個(gè)編碼輸出信號(hào)的74LS148器件。知識(shí)點(diǎn)5 教學(xué)計(jì)算機(jī)中組合邏輯電路的應(yīng)用 在實(shí)現(xiàn)TEC-2000系列教學(xué)計(jì)算機(jī)的過(guò)程中，在不同的部件里用到了多種組合邏輯電路，例如：多路控制信號(hào)選擇邏輯與線路實(shí)現(xiàn)，依據(jù)指令操作碼和時(shí)間序列編碼來(lái)提供多位控制信號(hào)的線路等。圖21 教學(xué)計(jì)算機(jī)控制運(yùn)算器運(yùn)行的信號(hào)有24位，它可能有4處來(lái)源： 在進(jìn)行脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)時(shí)，它經(jīng)過(guò)3片SN74LS240器件決定于兩個(gè)12位的微型開關(guān)，

46、在運(yùn)行微程序控制器時(shí)，它來(lái)自微指令寄存器的有關(guān)字段， 在運(yùn)行硬連線控制器時(shí)，對(duì)原有的指令，它來(lái)自一個(gè)大規(guī)模集成電路MACH芯片的有關(guān)管腳， 對(duì)新增加的指令，它來(lái)自于幾個(gè)中小規(guī)模集成電路GAL20V8芯片的有關(guān)管腳。由于用到的這些線路本身都支持三態(tài)邏輯輸出，經(jīng)過(guò)三態(tài)邏輯控制關(guān)系，可以簡(jiǎn)單地把這些芯片的對(duì)應(yīng)管腳連接在一起，如圖21所示。在要求使用哪一個(gè)線路提供控制信號(hào)時(shí)，就使其輸出正常的邏輯電平，并使其他3個(gè)電路的輸出進(jìn)入高阻態(tài)即可。單元2時(shí)序邏輯電路及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)1要求掌握時(shí)序邏輯電路中基本R-S觸發(fā)器功能，以及功能表。2掌握D型觸發(fā)器功能，以及功能表。3要求掌握計(jì)數(shù)器部件的功能，功能表。4掌

47、握一位全加器的功能和功能表。5了解時(shí)序電路在教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)1 基本R-S觸發(fā)器觸發(fā)器是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)中的記憶（存儲(chǔ)）功能最常用的邏輯電路，用于暫存“0”或“1”代碼。R-S觸發(fā)器的特點(diǎn)是：當(dāng)A、B兩個(gè)與非門的輸入R和S均為高電平時(shí)，電路的輸出Q和一定相反，即一個(gè)輸出為高，另一個(gè)輸出一定為低。在無(wú)外界作用時(shí)，電路能保持此狀態(tài)不變。若在某一時(shí)刻t，R保持高電平不變，S從“1”狀態(tài)（高電平） 變?yōu)椤?”狀態(tài)（低電平），則將使得門B的輸出端Q從低電平變?yōu)楦唠娖?，由于Q的變化（從低電平變?yōu)楦唠娖剑?，反過(guò)來(lái)又作用于門A，使門A的兩個(gè)輸入均為高電平，則的輸出顯然會(huì)變?yōu)榈碗娖?。若在某一時(shí)刻t，S保持

48、高電平不變，R發(fā)生從高到低的電平變化時(shí)，就會(huì)使觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端又回到Q為低電平，為高電平的狀態(tài)。不允許兩個(gè)觸發(fā)輸入端R和S同時(shí)為“0”的情況發(fā)生。R-S觸發(fā)器是構(gòu)成其它類型觸發(fā)器的基本電路。知識(shí)點(diǎn)2 D型觸發(fā)器基本R-S觸發(fā)器存在有一些不足，比如，在接收數(shù)據(jù)期間不允許輸入的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，它需要避免兩個(gè)觸發(fā)輸入端R和S同時(shí)為“0”可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤操作。在此基礎(chǔ)上有多種改進(jìn)型觸發(fā)器，常用的D型觸發(fā)器就是其中之一。D觸發(fā)器也有 和Q兩個(gè)輸出端，有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入端D和時(shí)鐘觸發(fā)輸入端CP。D型觸發(fā)器接收數(shù)據(jù)是在CP脈沖的正跳變沿（從低電平到高電平）。當(dāng)時(shí)鐘輸入端CP處于高電平或低電平時(shí)、或負(fù)跳變沿時(shí)，觸發(fā)

49、器的狀態(tài)都保持不變。用該種方式啟動(dòng)觸發(fā)的觸發(fā)器被稱為邊沿觸發(fā)器，一旦它的觸發(fā)操作正常開始，即使輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化也不會(huì)影響對(duì)原來(lái)數(shù)據(jù)的正常接收。D觸發(fā)器可以單個(gè)獨(dú)立使用，也可以把多個(gè)D觸發(fā)器合成一個(gè)部件使用，從而形成接收與發(fā)送多位數(shù)據(jù)的寄存器，或帶有移位操作功能的移位寄存器，或帶有計(jì)數(shù)功能的進(jìn)位計(jì)數(shù)器等。在TEC-2000教學(xué)計(jì)算機(jī)中，選用了由8個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成的8位寄存器SN74LS377，SN74LS374和SN74LS273，以及由4個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成的4位計(jì)數(shù)器SN74LS161等4種器件。知識(shí)點(diǎn)3 計(jì)數(shù)器 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器是一個(gè)n位的二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器器件，二進(jìn)制計(jì)數(shù)就是每位觸發(fā)器按逢二進(jìn)一的規(guī)則

50、實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。例如，n=4時(shí)，當(dāng)4位從全零狀態(tài)開始計(jì)數(shù)時(shí)，4位觸發(fā)器的狀態(tài)變化序列遵從0000000100100011111011110000的順序關(guān)系。同步指的是4位觸發(fā)器在同一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)作用下同時(shí)翻轉(zhuǎn)。 在TEC-2000教學(xué)計(jì)算機(jī)中，選用了一個(gè)4位的二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器器件SN74LS 161。知識(shí)點(diǎn)4 一位全加器 我們知道運(yùn)算器部件是計(jì)算機(jī)五大功能部件中的數(shù)據(jù)加工部件，而運(yùn)算器的中的主要部件就是算術(shù)與邏輯運(yùn)算部件(英文縮寫為ALU)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。由于加法操作是各種算術(shù)運(yùn)算的基礎(chǔ)，因此ALU的核心是加法器。 目前一位加法單元通常是采用全加器，全加器有三個(gè)輸入量：A操作數(shù)的

51、第i位Ai，B操作數(shù)的第i位Bi，以及低位送來(lái)的進(jìn)位Ci（i1位向第i位的進(jìn)位）。它產(chǎn)生兩個(gè)輸出量：全加和i，以及向高位的進(jìn)位Ci+1（第i位向i+1位的進(jìn)位）。其邏輯表達(dá)式如下： i=AiBiCi Ci+1= Ai Bi +（AiBi）Ci知識(shí)點(diǎn)5 教學(xué)計(jì)算機(jī)中時(shí)序邏輯電路的應(yīng)用圖22 在組合邏輯控制器的組成中，有一個(gè)叫做節(jié)拍發(fā)生器的部件，屬于非常典型的時(shí)序電路，通常由幾個(gè)觸發(fā)器和輸入控制門等線路構(gòu)成，通過(guò)這幾個(gè)觸發(fā)器不同的狀態(tài)編碼來(lái)標(biāo)示、區(qū)分每一條指令不同的執(zhí)行步驟。在教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中節(jié)拍發(fā)生器由4位觸發(fā)器組成，從高位向低位分別命名為T3、T2、T1、T0，節(jié)拍發(fā)生器是用一片GA

52、L20V8器件實(shí)現(xiàn)的，如圖22。GAL20V8器件本身可以運(yùn)行在組合邏輯方式，也可以運(yùn)行于觸發(fā)器邏輯方式，并且實(shí)現(xiàn)的正好是與或兩級(jí)邏輯關(guān)系。單元3現(xiàn)場(chǎng)可編程器件及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)1要求了解現(xiàn)場(chǎng)可編程器件的基本概念。2了解簡(jiǎn)單的PLD器件，例如GAL20V8器件（Genaral Array Logic）。3了解復(fù)雜的PLD器件，例如MACH器件（Macro Array CMOS High-density）。知識(shí)點(diǎn)1 現(xiàn)場(chǎng)可編程器件概述現(xiàn)場(chǎng)可編程器件，是指用戶在自己的工作地點(diǎn)，借助于編程設(shè)備，可以方便地向器件內(nèi)寫入所需要的信息的半導(dǎo)體電路。目前使用比較普遍的現(xiàn)場(chǎng)可編程器件有如下幾種：通用陣列邏輯GA

53、L（General Array Logic），GAL由與或兩級(jí)陣列組成，并在輸出端增加了邏輯宏單元，又允許多種輸出方式，故性能大為提高?？删幊剃嚵羞壿婸AL（Programmable Array Logic），PAL由與或兩級(jí)陣列組成， 但用戶僅能對(duì)與陣列進(jìn)行編程，或陣列是由生產(chǎn)廠家確定的。在教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，我們選用了GAL20V8和MACH4兩種類型的現(xiàn)場(chǎng)可編程器件。GAL20V8是通用陣列邏輯器件，它最多可以有20個(gè)輸入引腳、最多可以有8個(gè)輸出引腳。它既可以實(shí)現(xiàn)組合邏輯的邏輯功能，也可以實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯的邏輯功能。MACH（Macro Array CMOS High-density）是集成了

54、多片PAL、輸入/出引腳更多、集成度更高和功能更強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)可編程器件，在教學(xué)計(jì)算機(jī)中，它用于實(shí)現(xiàn)組合邏輯控制器的時(shí)序控制信號(hào)形成部件。知識(shí)點(diǎn)2 通用可編程器件GAL20V8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其編程使用通用可編程器件GAL20V8有8個(gè)輸出引腳，分別標(biāo)為IO0IO7，有I1I10、I12和I13共12個(gè)專用輸入引腳，另有I0/CLK和I11/OE兩個(gè)引腳，當(dāng)被編程的電路需要時(shí)鐘信號(hào)和使用輸出允許控制時(shí)，時(shí)鐘脈沖和輸出允許控制信號(hào)就只能分別從I0/CLK和I11/OE這兩個(gè)引腳輸入；當(dāng)不需要這兩個(gè)信號(hào)（或一個(gè)）時(shí)，它們（或一個(gè)）可用作數(shù)據(jù)輸入引腳。IO0IO7在某些場(chǎng)合，也可用于輸入功能，或分時(shí)用于輸入

55、/輸出功能，可由用戶決定。所以說(shuō)它最多有20個(gè)輸入、8個(gè)輸出（至少有2個(gè)引腳用于輸出）。如圖23所示。圖23 GAL20V8內(nèi)部，包括輸入緩沖門、輸出反饋緩沖門、與門陣列、輸出邏輯宏單元OLMC（內(nèi)含或陣列）和輸出三態(tài)門等。要對(duì)通用可編程器件GAL20V8進(jìn)行編程，需要使用專用的軟件工具和能對(duì)GAL器件編程的編程器，才可以向GAL20V8器件內(nèi)寫入所需要的邏輯功能。設(shè)計(jì)和操作過(guò)程大體如下：1編輯擴(kuò)展名為“PLD” 的源文件，該文件用于描述在GAL20V8內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的邏輯功能。此為文本文件，但格式應(yīng)符合相應(yīng)編譯軟件的要求，也可以用ABEL語(yǔ)言編輯擴(kuò)展名為“ABL”的源文件，只是要有相應(yīng)的編譯軟件完

56、成編譯才能使用。2用相應(yīng)的軟件對(duì)已設(shè)計(jì)的源文件進(jìn)行編譯，以生成GAL20V8的熔絲圖文件，擴(kuò)展名為“.JED”。3用編程設(shè)備向GAL20V8器件內(nèi)寫入熔絲圖文件所規(guī)定的內(nèi)容，即對(duì)GAL20V8進(jìn)行編程。由于不同廠商提供的編程軟件和編程設(shè)備有所不同，具體操作細(xì)節(jié)請(qǐng)閱讀有關(guān)設(shè)備的使用手冊(cè)。知識(shí)點(diǎn)3 MACH器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MACH（Macro Array CMOS High-density）器件是復(fù)雜的PLD（CPLD-Complex PLD），采用CMOS電可擦工藝制造。器件有兩種編程方法：一種須在編程器上對(duì)器件進(jìn)行編程；另一種在系統(tǒng)可編程（ISP-In System Programmability）。圖2 MACH4系列器件的基本結(jié)構(gòu)均相同，其主要差別僅體現(xiàn)在容量上，如：引腳數(shù)和宏單元數(shù)等不同。MACH 435器件的基本結(jié)構(gòu)如圖24所示。MACH4的結(jié)構(gòu)是由多個(gè)優(yōu)化的PAL塊和一個(gè)中央開關(guān)距陣互連而成。中央開關(guān)矩