导论PPT 第3章 计算机硬件基础

1、第3章 计算机硬件基础,了解基本的算术运算与逻辑运算 理解计算机的硬件构成，包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备 理解冯诺依曼体系计算机的工作原理 了解存储器的多级存储体系结构 了解外设分为输入设备、输出设备、外存储器、数据通信设备和过程控制设备 了解不同的指令系统RISC和CISC，不同的编程语言 掌握衡量个人计算机性能的技术指标,教学目的：,武汉科技学院,3.1 数字逻辑基础 3.1.1 逻辑运算 3.1.2 基本逻辑电路和逻辑部件 3.2 计算机硬件基本组成 3.2.1 典型冯诺依曼机体系结构 3.2.2 微处理器基础 3.2.3 存储设备 3.2.4 输入和输出设备 3.3 指令系统与机器语言 3.3.1 指令系统及其指令的执行过程 3.3.2 机器语言和汇编语言基础 3.4 个人计算机的性能指标,第3章 计算机硬件基础,3.1 数字逻辑基础,数字系统或计算机中的基本运算包括：逻辑运算和移位运算，它们都是二进制数字的位运算，是构成其它各种运算的基础。,逻辑运算：与、或、非以及其它复合逻辑 移位运算：(算术逻辑循环)左、右移位,1. 逻辑运算,表3-1 三种基本逻辑运算,例

2、如： X=10101011，Y=11100001，则XY=10100001； X=10101011，Y=11100001，则XY=11101011； X=1010，Y=1000，则 =0101， = 0111。,1、算术右移 ： X3 X2 X1 X0 X3 X3 X2 X1 2、算术左移 ： X3 X2 X1 X0 X2 X1 X0 0 3、逻辑右移 ： X3 X2 X1 X0 0 X3 X2 X1 4、逻辑左移 ： X3 X2 X1 X0 X2 X1 X0 0 5、循环右移 ： X3 X2 X1 X0 X0 X3 X2 X1 6、循环左移 ： X3 X2 X1 X0 X2 X1 X0 X3 7、带进位位的循环右移 ： C X3 X2 X1 X0 X0 C X3 X2 X1 8、带进位位的循环左移 ： C X3 X2 X1 X0 X3 X2 X1 X0 C,2. 移位运算,3.1.2 基本逻辑电路和逻辑部件,计算机系统的硬件是有许多逻辑器件组成的，它们一般可以分成组合逻辑器件和时序逻辑器件两大类。如果某器件的输出状态仅与当时的输入状态有关，而与过去的输入状态无关，则称为组合逻辑器件

3、；如果逻辑器件的输出状态不但与当时的输入有关，而且还与电路在此刻以前的状态有关，则称为时序逻辑器件。,组合逻辑电路的基本单元为门电路；时序逻辑器件内必须包含能存储信息的记忆元件触发器，它是构成时序逻辑电路的基础。,1.基本逻辑门,逻辑运算举例：,某汽车驾校培训班进行结业考试，有3个评判员，A为主评判员，B，C为副评判员，在评判时按照少数服从多数原则，但是若主评判员认为合格，旧可以通过。试写出驾驶员通过考试的逻辑表达式。,得到：FABC,解：有3个输入变量A，B，C。假设为1表示合格，0表示不合格。 有1个输出变量F1表示通过考试，F0表示考试不通过。 列出真值表：,1） 两个互补的输出端Q和 2）两个稳定的状态。通常将Q=1和 =0称为“1”状态，而把Q=0和 =1称为“0”状态。当输入信号不发生变化时，触发器状态稳定不变。 3）在一定输入信号作用下，触发器可以从一个稳定状态转移到另一个稳定状态。通常把输入信号作用之前的状态成为“现态”，记作Q n和 n ，而把输入信号作用后的状态称为触发器的次态，记作Q (n+1) 和 (n+1) 。为了简单起见，一般省略现态上的上标n，就用Q和 表

4、示现态。显然，次态就是现态和输入的函数。,2. 基本触发器,触发器的特点：,（1）基本R-S触发器,（2）D触发器,（3）J-K触发器,3. 基本逻辑器件,常用的组合逻辑器件有加法器、算术逻辑运算单元（ALU）、译码器、编码器、多路选择器、多路分配器等 。,常用的时序逻辑器件有计数器、寄存器、序列检测器、代码产生器等。,设有两个四位二进制数相加，其竖式如下： 1 0 1 0 被加数A + 0 0 1 1 加数B 1 1 0 1 和S,1） 全加器,2） 译码器编码器,A,B,C,Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Y7,Y8,使能输入端E,3） 奇偶校验器,1数据校验： 用以发现或同时能得出错误位置特征的数据编码。 计算机中的错误类型： （1）固定性错误-元器件故障； （2）突发性错误-噪声干扰。,2.检错码-奇偶校验码 1) 定义 使包括一位校验位在内的数据代码，“1”的个数总是奇(或偶)数个的数据编码。 数据101101奇校验码：1011011 偶校验码：1011010 设二进制数X=X0X1Xn-1，校验位为C，则 奇校验码 X0 X1Xn-1C=1 偶校验码 X0 X1Xn-1

5、C=0 2) 奇偶校验位的生成,3) 奇偶校验码的检错过程 设检错码X0X1X2X3C存放在内存储器中 设读出时为X0X1X2X3C 由X0X1X2X3形成C*； 判C*是否与C相同 是：说明无错或无奇数位 否：出错奇数位出错 例2.35：X0X1X2X3C=10110 (奇校验) X0X1X2X3C=11110 由X0X1X2X3 生成C*= 1 则 C*与C不相同出错,例7已知下表中左面一栏有5个字节的数据。请分别用奇校验和偶校验进行编码,填在中间一栏和右面一栏。,计数器是一种对输入脉冲进行计数的时序逻辑电路，被计数的脉冲信号称作“计数脉冲”。计数器的“数”是用触发器的状态组合来表示的，在计数脉冲作用下使一组触发器的状态逐个转换成不同的状态组合来表示数的增加或减少，即可达到计数的目的。,4）计数器,计数器的种类很多，按其进位制可分为二进制、十进制和任意进制计数器；按其功能可分为加法计数器、减法计数器和加/减可逆计数器等。下图是“模”为16的二进制可逆加/减计数器。,计数器的逻辑符号及引脚功能,寄存器是数字系统中用来存放数据或运算结果的一种常用逻辑部件。,5) 寄存器,4位双向移位寄

6、存器 的逻辑符号及功能,3.2 计算机硬件基本组成,主机,显示器,键盘,鼠标,3.2.1 典型冯诺依曼机体系结构,采用二进制形式表示数据和指令 采用存储程序的方式 有运算器、存储器、控制器、输入和输出设备等五大部件组成,微型计算机,个人电脑（ PC） 便携计算机 单片计算机,台式电脑,笔记本电脑,掌上电脑,小型机,小型机比微型机稍大，它可以同时为多个用户执行任务。目前在计算机领域中，小型机的概念逐渐淡化，被分化或融合为不同规模的工作站或服务器。,工作站,服务器,大型机,大型机体积大，速度快，并且价格昂贵。一般用在需要对大量的数据进行存储、处理和管理工作的大型企业、大公司或科研院所等机构。,大型机,巨型机,巨型机又称超级计算机，是运算速度最快、功能最强、存储容量和体积最大、价格最贵的一类计算机。它主要用于国家级高科技领域和国防尖端技术中的科学计算和科学研究，如天气预报、地震分析以及核武器试验等。,每秒运行次数12.3万亿次 的ASCI白色超级计算机,1 现代计算机结构的特点,现代计算机转向以存储器为中心，其组成框图如下所示。,2 计算机硬件的典型结构,1、小型机的总线型结构 单总线结构

7、、 CPU为中心的双总线结构 、以存储器为中心的双总线结构。,2、微型机的一般结构,3、大、中型计算机的通道结构,微型计算机的结构框图,1）小型机的单总线结构,2）以CPU为中心的小型机双总线结构,3）以M为中心的小型机双总线结构,4）大、中型计算机的通道型结构,3 计算机系统的硬件组成,运算器：运算器是一个对数据信息进行加工处理的部件， 主要执行算术运算和逻辑运算。,控制器：控制器是计算机的指挥中心，它使计算机各部件自动协调地工作。,存储器：存储器是用来存储程序和各种数据信息的记忆部件。,输入设备：输入器又称输入设备，是变换输入形式的部件。它将人们熟悉的信息形式变换成计算机能接受并识别的信息形式。,输出设备：输出器又称输出设备，是变化计算机输出信息的部件。它将计算机运算结果的二进制信息转换成人类或其他设备所能接受和识别的形式、如字符、文字、图形、图像、声音等。,主机内部,主机是计算机硬件中最重要的部分，打开主机机箱后，可以看到内部结构。其中包括主板、微处理器芯片、内存、扩展板，还有软盘驱动器、硬盘及其驱动器、光盘驱动器以及电源。另外，为了在CPU、内存储器、外存储器和外部设备之间传递

8、数据和指令，主机中还有各类通信总线。,电源,微处理器(CPU),内存,扩展板,光驱,软驱,硬盘,数据线,主板,3.3.2微处理器基础 1. 运算器,2. 控制器,3.微处理器的工作原理,取出指令：从存储器中取出要执行的指令到CPU内部的指令寄存器暂存； 分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，根据该指令中的操作码译出该指令对应的操作； 执行指令：根据指令译码器向各个部件发出的控制信号，完成指令规定的操作； 为执行下一条指令做好准备，即形成下一条指令地址。,4.CPU性能指标,主频: 主频即CPU工作的时钟频率。CPU的工作是周期性的，它不断地取指令、执行指令等操作。这些操作需要精确定时，按照精确的节拍工作，因此CPU需要一个时钟电路产生标准节拍，一旦机器加电，时钟电路便连续不断地发出节拍，就像乐队的指挥一样指挥CPU有节奏的工作，这个节拍的频率就是主频。一般说来，主频越高，CPU的工作速度越快。 工作电压: 工作电压是指CPU正常工作时所需要的电压。早期CPU的工作电压一般为5V，而随着CPU主频的提高，CPU工作电压有逐步下降的趋势，以解决发热过高的问题,中央处理器（CP

9、U）,CPU是PC机的核心，它的主要功能是执行程序指令，完成各种运算和控制功能。,CPU的类型标志着PC类型。就INTEL CPU而言，已从8088发展到P4。除INTEL公司的CPU外，还有AMD、Cyrix、TI等公司的CPU。目前较为流行的CPU是奔腾CPU。,主频、总线宽度、速度等参数是CPU的常见指标 。,3.2.3 存储设备,1.存储器层次结构 微机采用的三级存储方式,为什么要将存贮器分为内存和外存,存储器是用来存放信息的地方，信息又分为临时 和永久的，由于CPU的运行速度非常快，需要经常 访问存储器。但存储容量、读写速度、体积及价格不 可能同时满足，为了解决上述矛盾，将急需处理的信 息放在内存，内存采用半导体电路器件，速度快、容 量小、价格高；外存采用机械设备，磁性材料，容量 无限、 便宜、速度慢。,?,2.存储器分类,3.内存储器,内存条是内存芯片焊接在一定规格的印刷电路板(PCB)上,而今采用DIMM（168线）内存条。 特点: 速度快，用纳秒(ns)表示,可达10纳秒以上；内存是计算机的中心仓库，需要处理的信息首先放入内存，再根据需要调到其他部件中。,1). 随机存取存储器RAM （Read Write Random Access Memory） 特点：用户可随时读出、写入；但断电后，存储的内容立即消失。 作用：用户作为临时存放数据、结果、需运行的程序等信息，占内存的90容量。,2). 只读存储器ROM（ Read Only Memory ） 特点：只能读出，不能写入；断电后信息不丢失。 作用：计算机出厂前，由厂家将系统软件一

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