《計算機組成原理》

1、第二節(jié)計算機的基本組成一、馮·諾依曼計算機的特點馮·諾依曼體系計算機的核心思想是“存儲程序”的概念。它的特點如下：(1) 計算機由運算器、存儲器、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)都用二進制代碼表示；(3) 指令和數(shù)據(jù)都以同等地位存放于存儲器內(nèi)，并可按地址尋訪；(4) 指令是由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)所在存儲器中的位置；(5) 指令在存儲器內(nèi)是順序存放的；(6) 機器以運算器為核心，輸入輸出設(shè)備與存儲器的數(shù)據(jù)傳送通過運算器。二、計算機的硬件框圖典型的馮·諾依曼計算機是以運算器為中心的，如下圖所示。其

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

3、條不紊地自動工作。由于運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，通常將他們合起來統(tǒng)稱為中央處理器，簡稱CPU。把輸入設(shè)備與輸出設(shè)備簡稱為I/O設(shè)備。因此，現(xiàn)代計算機可認為由三大部分組成：CPU、I/O設(shè)備及主存儲器MM。CPU與MM合起來稱為主機，I/O設(shè)備叫作外設(shè)。存儲器分為主存儲器MM和輔助存儲器。主存可直接與CPU交換信息，輔存又叫外存。三、計算機的解題過程為了比較形象地了解計算機的解題過程，首先分析一個更為細化的計算機組成框圖，如下圖所示。1運算器運算器包括三個寄存器和一個算邏單元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。這三個寄存器在完成不同運算時，所存放在操作數(shù)類別也各不相同。在典型的運算器中有3個寄存器：接收并保存一個操作數(shù)的接收寄存器；保存另一個操作數(shù)和運算結(jié)果的累加寄存器；在進行乘、除運算時保存乘數(shù)或商數(shù)的乘商寄存器。執(zhí)行部件包括一個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間順序發(fā)出不同的控制信號，使數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的門電路進入寄存器或加法器，完成規(guī)定的操作。下面簡要以加法為例分析一下這種結(jié)構(gòu)的運算器其加、減、乘、除四則運算的操作過程。假設(shè)ACC中已存有前一時刻的運算結(jié)果，并作為下述加法運算中的一個操作數(shù)。則：加法操作過程：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)存中取一個存放在M地址號內(nèi)的加數(shù)M，送至運算器的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存儲器主存儲器包括存儲體、各種邏輯部件及控制電路等。存儲體由許多存儲單元組成，每個存儲單元又包含若干個存儲元件，每個存儲元件能寄存一位二進制代碼“0”或“1”?？梢?，一個存儲單元可存儲一串二進制代碼，稱這串二進制代碼為一個存儲字，這串二進制代碼的個數(shù)叫做存儲字長。我們賦予每個存儲單元一個編號，叫做存儲單元的地址號。主存的工作方式就是按存儲單元的地址號來實現(xiàn)對存儲字各位的存（寫入）、取（讀出）。這種存取方

6、式叫做按地址存取，也即按地址訪問存儲器（簡稱訪存）。為了能實現(xiàn)按地址訪問的方式，主存中還必須配置兩個寄存器MAR和MDR。MAR是存儲器地址寄存器,用來存放欲訪問的存儲單元的地址，其位數(shù)對應(yīng)存儲單元的個數(shù)。MDR是存儲器數(shù)據(jù)寄存器,用來存放從存儲體某單元取出的代碼或者準備往某存儲單元存入的代碼，其位數(shù)與存儲字長相等。要想完整地完成一個取或存操作。 CPU還得給主存加以各種控制信號，如讀命令、寫命令和地址譯碼驅(qū)動信號等。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控制器控制器是計算機組成的神經(jīng)中樞，由它指揮全機各部件自動、協(xié)調(diào)地工作。具體而言，

7、它首先要命令存儲器讀出一條指令，這叫取指過程。接著對這條指令進行分析，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)行過程。以上就是通常所說的完成一條指令操作的取指、分析和執(zhí)行三階段?？刂破饔沙绦蛴嫈?shù)器PC，指令寄存器IR以及控制單元CU幾部分組成。PC用來存放當前欲執(zhí)行指令的地址， 它與主存的MAR之間有一條直接通路，且具有自動加1的功能， 即可自動形成下一條指令的地址。IR用來存放當前的指令， IR的內(nèi)容來自主存的MDR。IR中的操作碼送到CU，用來分析指令；其地址碼作為操作數(shù)的地址送至存儲器的MA

8、R。 CU用來分析當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。計算機的解題過程如下：首先把構(gòu)成程序的有序指令和數(shù)據(jù)，通過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）。啟動機器后，計算機便自動按存儲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。本課程是計算機專業(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)生掌握計算機常用的邏輯器件、部件的原理、參數(shù)及使用

9、方法，學(xué)懂簡單、完備的單臺計算機的基本組成原理，學(xué)習(xí)計算機設(shè)計中的入門性知識，掌握維護、使用計算機的技能。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；常用的同步時序電路，如寄存器、移位寄存器、計數(shù)器的原理、參數(shù)及使用方法；現(xiàn)場可編程器件：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，檢錯糾錯碼；數(shù)據(jù)的算術(shù)與邏輯運算，運算器的功能、組成與設(shè)計；教學(xué)機的運算器實例。計算機指令系統(tǒng)綜述，指令格式與尋址方式；教學(xué)計算機的指令系統(tǒng)與匯編語言程序設(shè)計；控制器的功能、組成與設(shè)計，微程序控制器部件和硬連線控制器部件；多級結(jié)構(gòu)的存儲系統(tǒng)綜述，主存儲器

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

11、，王誠教授主講，清華大學(xué)電教中心錄制。CAI課件計算機組成原理王誠主編清華大學(xué)出版社出版。EC2000教學(xué)計算機系統(tǒng)（教學(xué)實驗設(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)本章時要從層次結(jié)構(gòu)的觀點出發(fā)，認識完整計算機系統(tǒng)的基本組成。對計算機硬件子系統(tǒng)要從計算機的體系結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)3個部分的知識來了解，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)和計算機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)的知識后，掌握如何運用布爾代數(shù)的常用公式和基本規(guī)則，又如何恰當?shù)剡x擇已有的邏輯器件，設(shè)計出能夠?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、和時序邏輯的電路，會解決自己工作中遇到的實際問題。對于在本章中列出的中小規(guī)模的組合邏輯電路和時序邏輯電路，現(xiàn)場可編程器件等，重點在于明確概念，主要供查閱時使用，并不需要記憶過多的內(nèi)容。在學(xué)習(xí)的過程中還必須注意到，我們是將其他章節(jié)關(guān)于計算機組成原理、部件設(shè)計中主要屬于線路設(shè)計的內(nèi)容集中在本章，所以學(xué)到了某一章節(jié)，有可能需要回過頭來看看第2章的內(nèi)容。第3章 數(shù)據(jù)表示、運算和運算器部件運算器部件是學(xué)習(xí)計算機整機運行原理與設(shè)計能力最為基礎(chǔ)的一個環(huán)節(jié)。運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)在計算機內(nèi)的表示、存儲方式、完成運算所用的算法和實現(xiàn)這些算法所用的邏輯電路為線索進行學(xué)習(xí)。第4

13、章 指令、指令系統(tǒng)和控制器部件本章重點教學(xué)內(nèi)容是講授計算機控制器的功能、組成、設(shè)計與實現(xiàn)。其教學(xué)安排圍繞掌握計算機指令的執(zhí)行過程（步驟）與控制器的設(shè)計技術(shù)來進行，包括課堂教學(xué)、課外作業(yè)、教學(xué)實驗都應(yīng)緊緊把握住這個主線索。指令的功能安排，指令格式、尋址方式的選擇這3項內(nèi)容十分重要，在學(xué)習(xí)的整個過程中，應(yīng)該較好地掌握。對于指令系統(tǒng)舉例，不必花費太多精力推敲每條指令的具體內(nèi)容，但對教學(xué)計算機的指令系統(tǒng)須認真看一看。當你了解了計算機的指令系統(tǒng)和組合邏輯控制器的設(shè)計，整個計算機的核心部分就被你掌握了。第5章 多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)對本章的學(xué)習(xí)主要了解為什么要使用多級結(jié)構(gòu)來構(gòu)建存儲器系統(tǒng)，并以此為線索，了解

14、主存儲器、高速緩沖存儲器和虛擬存儲器的基本內(nèi)容。主存儲器要求掌握容量與讀寫速度等指標的概念，存儲器設(shè)計中的字、位擴展技術(shù)，存儲器與CPU的連接關(guān)系等內(nèi)容。關(guān)于磁盤、磁和光盤等存儲設(shè)備，則屬于概念和一般了解的知識比較多。在了解高速緩沖存儲器的功能和基本運行原理的基礎(chǔ)上，重點應(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。而在了解虛擬存儲器的功能和概念的基礎(chǔ)上，僅需要了解段式和頁式兩種管理方案，虛擬存儲器的硬件組成和把邏輯地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存實際地址的辦法。對本節(jié)內(nèi)容應(yīng)在學(xué)習(xí)中強調(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)對本章的學(xué)習(xí)內(nèi)容，應(yīng)該圍繞計算

15、機輸入/輸出子系統(tǒng)的組成、功能運行方式、具體使用方法等為主線索來進行。由于輸入/輸出設(shè)備種類繁多，功能多樣，組成和運行原理各不相同，學(xué)習(xí)時應(yīng)重點了解點陣方式運行的設(shè)備的組成及其工作原理進行。包括陰極射線管顯示器、液晶顯示器，針式打印機、噴墨式打印機和激光印字機。要求了解計算機中的總線類型、功能、總線仲裁、數(shù)據(jù)傳送協(xié)議等基本概念和現(xiàn)實總線的線路。對常用的輸入/輸出方式學(xué)習(xí)，重點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（DMA）方式的概念和術(shù)語。尤其對程序中斷方式，更是要求掌握的重點。幫助一、首頁說明同學(xué)們打開首頁，可以見到如下的頁面。該頁面分為兩個區(qū)域：1課程有關(guān)信息區(qū)域 這個區(qū)域包括

16、課程簡介、教學(xué)信息、綜合測試、學(xué)習(xí)論壇、友情鏈接、幫助幾個欄目。它提供了有關(guān)這門課程的許多教學(xué)信息，同學(xué)們在進入正式課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)前，應(yīng)該首先瀏覽一下，這對掌握這門課程的總體概況是有幫助的。下面分別加以說明： l     課程簡介其中包括：課程內(nèi)容（簡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、學(xué)分、教學(xué)媒體、實驗），學(xué)習(xí)方法（介紹了各章學(xué)習(xí)的方法和重點內(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，它詳細說明了對各章的內(nèi)容，以及掌握程度的要求。），課程

17、實施方案（介紹了課程開設(shè)的有關(guān)安排），教學(xué)輔導(dǎo)（詳細對有關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容分章節(jié)進行了輔導(dǎo)，是同學(xué)們在學(xué)習(xí)完課程相關(guān)內(nèi)容后，應(yīng)該重點閱讀的）。l     綜合測試其中包括：綜合模擬測試（這是電大在線遠程教育技術(shù)有限公司開設(shè)的一個綜合測試平臺，同學(xué)可以按照綜合測試頁面的有關(guān)說明，對自己學(xué)習(xí)完課程后的水平進行測試。），課程學(xué)習(xí)調(diào)查（提供了一個課程學(xué)習(xí)的調(diào)查問卷，請同學(xué)們學(xué)習(xí)完課程后，對這門網(wǎng)絡(luò)課程提出你的寶貴意見，我們將根據(jù)你們的意見對課程進行改進）。 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，提出問題進行討論，中央電大的老師將及時對你們的問題進行答復(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題）。l     友情鏈接這里提供了幾個地方電大有關(guān)該課程的資料，同學(xué)們可以作為學(xué)習(xí)中的參考。l     幫助對如何利用網(wǎng)絡(luò)課程進行學(xué)習(xí)提供了詳盡的幫助，同學(xué)們應(yīng)當首先瀏覽這部分內(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)是按照知識點來構(gòu)建的，同學(xué)們在學(xué)習(xí)時要熟悉和掌握這個特點。下面以課程第3章舉例加以說明：當選擇主頁上的第3章后，出現(xiàn)如下的頁面

19、，它包括：課程學(xué)習(xí)欄目、章節(jié)選擇、單元選擇、知識點選擇、語音控制和活動菜單幾個部分。（1） 課程學(xué)習(xí)欄目 這個欄目提供了針對每一章的學(xué)習(xí)指導(dǎo)、視頻課堂、實驗課堂、自我測試。下面分別加以說明：l     學(xué)習(xí)指導(dǎo)在學(xué)習(xí)指導(dǎo)中不但說明了第3章包括的視頻、實驗、自我測試內(nèi)容，而且提供了一個“知識樹”，即本章的知識結(jié)構(gòu)圖。這個圖清晰的反映了第3章中各單元的組成，各單元中知識點的分配情況，同學(xué)們應(yīng)該學(xué)會通過“知識樹”來掌握學(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、點擊左側(cè)視頻的標題，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，利用播放器的幾個控制按鈕，可以來控制視頻的播放。 l     實驗課堂在實驗課堂中，目前只提供了一個運算器部件的虛擬實驗。同學(xué)們首先要了解實驗的目的與要求，然后請仔細閱讀實驗的內(nèi)容與步驟，結(jié)合教材分析各個與運算器有關(guān)的控制信號代表的意義。接下來可以看一個具體的實例是如何操作的。在明了實驗操作步驟的基礎(chǔ)上，可以按照實驗要求進行虛擬的運算器實驗。l     自我測試 當同學(xué)們學(xué)習(xí)完第3章的內(nèi)容后，可以利用自我測試檢查自己對本章知識點掌握的程

21、度，選擇自我測試后，頁面提供了15道選擇題，當鼠標移動到編號1時，出現(xiàn)第1題的內(nèi)容，選擇一個答案。當15道題全部做完后，點擊評分按鈕，會給出一個總的分數(shù)與各題的對錯情況，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） 單元選擇當選擇其中一章后，在單元選擇部分就會出現(xiàn)該章各單元的序號，利用單元選擇按鈕，可以方便的選擇其中任意一個單元。（4） 知識點選擇當選擇其中一個單元后，在知識點選擇部分就會出現(xiàn)該單元有關(guān)知識點的序號，利用知識點選擇按鈕，可以方便的選擇其中任意一個知識點。這三者的關(guān)系與每章的“知識樹”是對應(yīng)的。（5） 語音控制 大部分的文本閱

22、讀部分都有老師講解，同學(xué)們可以利用語音控制部分的按鈕進行相應(yīng)的控制。（6） 活動菜單為了同學(xué)們方便地首頁的菜單上，課程還設(shè)置了一個活動菜單，當將鼠標移動到活動菜單處，菜單就會向右側(cè)移出，方便同學(xué)使用。當鼠標離開時，菜單則自動向左隱藏。（7）課程索引 在課程學(xué)習(xí)欄目區(qū)域還設(shè)置了一個重要的工具課程索引，課程索引為同學(xué)們簡便快速地檢索課程全部內(nèi)容提供了極大的方便。 在課程索引上面列出大綱、目標、實驗、指令、媒體、詞匯六個部分按鈕，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。同時在大綱中，還可以對該章的單元或知識點進行查看。l     目標列出了各章的學(xué)習(xí)目標，操作方法類似。l     實驗 列出了各章的實驗（目前只有運算器部件實驗）項目，同學(xué)們可以選擇任何一個虛擬實驗進行操作，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、動畫，同學(xué)們可以選擇任何一個媒體進行視聽，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，阿拉伯數(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)詞匯的說明。第1章 概述 教學(xué)內(nèi)容:傳統(tǒng)說法的計算機的5大功能部件各自的功能與相互連接關(guān)系，如何從層次的觀點來看待完整計算機系統(tǒng)的組成；計算機體系結(jié)構(gòu)、組成、實現(xiàn)各自涉及的主要內(nèi)容，計算機發(fā)展歷程和應(yīng)用領(lǐng)域。單元1 計算機系統(tǒng)的基本組成和它的層次結(jié)構(gòu)單元2 計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)概述 單元1 計算機系統(tǒng)的基本組成和它的層次結(jié)構(gòu) 學(xué)習(xí)目標1要求掌握計算機系統(tǒng)由哪些基本部件組成的，每個部件的基本作用。2掌握硬件系統(tǒng)有

25、哪幾個層次。計算機系統(tǒng)的含義是什么？這可以從它所完成的功能和相應(yīng)的組成兩個方面來加以回答。從它所完成功能的角度看，計算機系統(tǒng)應(yīng)該能完成原始數(shù)據(jù)的輸入、存儲、對數(shù)據(jù)的運算和處理、并把計算處理的結(jié)果輸出出來這樣4項操作功能。為此，一臺計算機的硬件系統(tǒng)至少需要由下述幾個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個方框圖給出了計算機硬件系統(tǒng)的5個基本組成。其中數(shù)據(jù)輸入設(shè)備完成對原始數(shù)據(jù)的輸入功能；數(shù)據(jù)存儲部件完成對數(shù)據(jù)的存儲功能；數(shù)據(jù)運算部件完成對數(shù)據(jù)的運算處理功能；結(jié)果輸出設(shè)備完成對運算處理結(jié)果的輸出功能；而控制器部件的功能則是向系統(tǒng)各個部件或設(shè)備提供它們協(xié)調(diào)運行所需

26、要的控制信號。圖中上部稱為部件的3個組成部分，通常是使用電子線路實現(xiàn)的，安裝在一個金屬機柜內(nèi)或者印制電路板上，被稱為計算機的主機。左邊的數(shù)據(jù)運算部件和計算機控制部件，合稱為中央處理器（CPU，center processing unit），又稱其為計算機的處理機（processor）。圖中下部的2個設(shè)備，通常是使用精密機械裝置和電子線路共同制作出來的，合稱為輸入輸出設(shè)備，又稱其為計算機的外圍設(shè)備。圖中中部畫出的是連接計算機各部分的公共信號線，稱為總線?？偩€通常由三種信號線組成，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；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，以選擇數(shù)據(jù)存儲部件中的一個存儲單元，或者外部設(shè)備中的一個設(shè)備；控制總線，用于向存儲部件和外部設(shè)備傳送起控制作用的電氣信號，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。計算機的5個組成部分是通過總線被有機地連接在一起，從而構(gòu)成一臺完整的、可以協(xié)調(diào)運行（執(zhí)行程序）的計算機硬件系統(tǒng)。在硬件組成的基礎(chǔ)之上，計算機系統(tǒng)還必須有它的軟件部分。軟件包括：· 語言支持程序，即匯編語言和高級程序設(shè)計語言、各種專用目的的語言。· 操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的存在，為使用計算機的用戶提供了許多支持，同時與程序設(shè)計語言相結(jié)合，使得程序

28、設(shè)計更簡化，建立用戶的應(yīng)用程序和操作計算機更方便。· 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)庫軟件，網(wǎng)絡(luò)軟件，多媒體信息處理軟件，辦公自動化軟件等等。綜上所述，計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件兩大部分（兩類資源）組成的。還可以從計算機硬件設(shè)計和實現(xiàn)所涉及到的知識面之間的關(guān)系，依照如下的層次觀點（計算機系統(tǒng)是由多個不同層次的內(nèi)容組成的）來認識計算機硬件系統(tǒng)的組成。第一個層次，是數(shù)字邏輯層。現(xiàn)在的計算機，通常說的都是電子數(shù)字計算機，作為計算機一詞的定語，“電子”一詞指明的是實現(xiàn)計算機最重要的物質(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

29、計算機硬件的最基礎(chǔ)的知識就是數(shù)字邏輯和數(shù)字門電路，解決的基本問題是：使用何種線路和如何存儲信息，使用何種線路和如何傳送信息，使用何種線路和如何運算與加工信息等方面的問題。第二個層次，是微體系結(jié)構(gòu)層。計算機最核心、本質(zhì)的功能是執(zhí)行程序，程序是按一定規(guī)則和順序組織起來的指令序列。第二個層次體現(xiàn)的是，為了執(zhí)行指令，需要在計算機中設(shè)置哪些功能部件(例如：存儲、運算、輸入和輸出、接口和總線等部件，當然還有更復(fù)雜一點的是控制器部件)，每個部件又如何具體組成和怎樣運行，這些部件如何實現(xiàn)相互連接并協(xié)同工作等方面的知識和技術(shù)。這是本教材的重點、也算是難點內(nèi)容。第三個層次，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)類型和對其運算所用的算法，每一條指令的格式和完成的功能，如何指出想要對其執(zhí)行讀操作或者寫操作的存儲器的一個存儲單元，如何指出想要執(zhí)行輸入或者輸出操作的一個外部設(shè)備。一臺計算機的指令系統(tǒng)，對計算機廠家和用戶來說，都是很重要的一件事情，需要非常認真仔細地分析和對待。單元2計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)概述學(xué)習(xí)目標1了解什么是計算機的體系結(jié)構(gòu)、計算機組成、計算機實現(xiàn)的基本概念。2了解這三個概念的聯(lián)系與區(qū)別。計算機的體系結(jié)構(gòu)（computerarchitecture），通常是指涉及機器語言或者匯編語言的程序設(shè)計人員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性，更多說的是計算機的外特性，是硬件子系統(tǒng)

31、的結(jié)構(gòu)概念及其功能特性。這其中最重要的問題都直接和計算機的指令系統(tǒng)有關(guān)，例如計算機的字長，計算機硬件能夠直接識別和處理的數(shù)據(jù)類型及其表示、存儲、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)中對各類信息的保護，計算機運行狀態(tài)的定義和切換，對各種運行異?；蛘叱鲥e的檢測和處理方案等等，這些都是程序設(shè)計人員編寫出高質(zhì)量程序并確保其正常運行必須深入了解的計算機的有關(guān)屬性。計算機體系結(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。計算機組成（computerorganization），是依據(jù)計算機體系結(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)計計算機各部件的具體組成，它們之間的連接關(guān)系，實現(xiàn)機器指令級的各種功能和特性。從這一點又可以說，計算機組成是計算機體系結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。為了實現(xiàn)相同的計算機體系結(jié)構(gòu)所要求的功能，完全可以有多種不同的計算機組成設(shè)計方案。因為半導(dǎo)體器件性能的提高，新的技術(shù)成果的面世，或者又有新的價格/性能比的需求出現(xiàn)，都會帶來計算機組成的變化。在計算機組成的領(lǐng)域內(nèi)，需要重點解決的問題之一是合理的性能價格比，關(guān)鍵的技術(shù)措施在于處理好計算機內(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部件形成的“瓶頸”問題而影響計算機的整體性能。例如，對運算器部件，可以通過實現(xiàn)數(shù)據(jù)運算的流水線處理和設(shè)置多個運算功能部件，在運算器內(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；對控制器部件，可以通過指令預(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)計方案等措施以提高執(zhí)行指令的速度；對存儲器部件，使用由高速緩沖存儲器、主存儲器、虛擬存儲器構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)的存儲系統(tǒng)，使用由可以交替運行的多個存儲器構(gòu)成的多體結(jié)構(gòu)，使用性能更高的改進型的存儲器芯片等措施，以提高存儲

34、器系統(tǒng)的存儲容量和讀寫速度。對輸入輸出設(shè)備，實現(xiàn)通道、外圍處理機等方式，合理地設(shè)置緩沖器和排隊策略，配備速度更快的設(shè)備，配備更多數(shù)量的設(shè)備，以提高單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)輸入輸出的流量。對計算機系統(tǒng)而言，關(guān)鍵是盡可能地使計算機各個功能部件都以自己所具有的高速度運行，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，例如通過支持多線程、多進程、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。計算機實現(xiàn)(computerimplementation)，是計算機組成的物理實現(xiàn)。包括中央處理機、主存儲器、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)試等各種問題，一句話，就是把完成邏輯設(shè)計的計算機組成方案轉(zhuǎn)換為真實的計算機，也就是把滿足設(shè)計和運行、價格等各項要求的計算機系統(tǒng)真正地制作并調(diào)試出來。計算機體系結(jié)構(gòu)，計算機組成和計算機實現(xiàn)是三個不同的概念，各自有不同的含義，但是又有著密切的聯(lián)系，而且隨著時間和技術(shù)的進步，這些含義也會有所改變。在某些情況下，有時也無需特意地去區(qū)分計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成的不同含義。第2章 數(shù)字電路基礎(chǔ)和計算機中的邏輯部件教學(xué)內(nèi)容:常見組合邏輯部件：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。常見同步時序電路：

36、寄存器、移位寄存器、計數(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)計實現(xiàn)一定處理功能的邏輯電路的過程與方法，包括組合邏輯電路和時序邏輯電路。單元1 組合邏輯電路及其應(yīng)用知識點1 基本邏輯門知識點2 三態(tài)門知識點3 數(shù)據(jù)選擇器知識點4 譯碼器和編碼器知識點5 教學(xué)計算機中組合邏輯電路的應(yīng)用單元2 時序邏輯電路及其應(yīng)用知識點1 基本R-S觸發(fā)器知識點2 D型觸發(fā)器知識點3計數(shù)器知識點4一位全加器知識點5教學(xué)計算機中時序邏輯電路的應(yīng)用單元3 現(xiàn)場可編程器件及其應(yīng)用知識點1 現(xiàn)場可編程器件概述知識點2 通用可編程器件GAL20V8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其編程使用知識點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)計方面的知識，是我們學(xué)習(xí)計算機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式對它們的邏輯功能進行了描述。在計算機的邏輯部件部分，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序邏輯電路。組合邏輯電路的特點是：電路的輸出僅決定于該電路當前輸入信號的狀態(tài)，與電路的以前狀態(tài)（以前的輸入或操作過程）無關(guān)，換言之，組合邏輯電路無記憶功能。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、的特點是：電路的輸出狀態(tài)，不僅與當前輸入信號的狀態(tài)有關(guān)，還與電路以前的狀態(tài)（以前的輸入信號或操作過程）有關(guān)。在時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、計數(shù)器部件。同時還介紹了組合邏輯電路與時序邏輯電路在教學(xué)計算機中的實際應(yīng)用。最后介紹了現(xiàn)場可編程邏輯器件，包括現(xiàn)場可編程邏輯器件的基本概念，簡單和復(fù)雜的PLD器件，例如GAL20V8器件（Genaral Array Logic）器件屬于簡單的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)計算機的設(shè)計中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這是我們在學(xué)習(xí)數(shù)字電路知識時應(yīng)該充分了解和

39、掌握的。學(xué)習(xí)目標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、計數(shù)器部件的功能、邏輯表示。4了解現(xiàn)場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)計實例，進一步加深理解。單元1組合邏輯電路及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標1要求掌握基本邏輯門的功能以及真值表、邏輯表達式。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、邏輯表達式。4掌握譯碼器電路的功能以及真值表、邏輯表達式。5掌握編碼器電路的功能以及真值表、邏輯表達式。知識點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現(xiàn)，也可以用MOS管的器件來實現(xiàn)。我們可以只使用非門、與門、或門就能夠設(shè)計出任何復(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

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。或門的功能，即輸出與輸入是，在全部的輸入條件中只要有一個具備（為真）時，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“與運算結(jié)果”和輸出Vout是反相位的關(guān)系。或非門：輸出和輸入的關(guān)系是：。或非門的功能，即2路輸入A和B的“或運算結(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，輸出不成立（為假）。輸入條件中只要有一個具備（為真）時，函數(shù)的輸出就成

42、立（為真）。知識點2 三態(tài)門三態(tài)門是一種最重要的總線接口電路。它具有圖騰對輸出結(jié)構(gòu)的TTL電路，驅(qū)動能力強、傳輸速度快，又具有集電極開路輸出可以實現(xiàn)“線與”的優(yōu)點。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，它的“0”和“1”的輸出都是截止的，即輸出相當于斷開狀態(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，是通過一個輸入引腳 實現(xiàn)的,當 為低電平輸入時，三態(tài)電路依據(jù)輸入數(shù)據(jù)信號的狀態(tài)，給出正常的“0”或“1”輸出； 當為高電平輸入時，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)成計算機硬件系統(tǒng)中總線

43、的接收器和發(fā)送器。在教學(xué)計算機系統(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器件實現(xiàn)總線邏輯。知識點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：由選擇信號來控制多路數(shù)據(jù)輸入中的一路作為該器件的輸出。在教學(xué)計算機中選用了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S用于選擇將A路輸入還是B路輸入送到輸出，當S為低時，選擇A路輸入，反之選擇B路輸入。輸出控制信號 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)。知識點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)，若輸入信號有n個，其輸出最多可以有2n個。正常輸出時，2n個輸出中僅有一個輸出為低電平（或高電平），其他2n-1個輸出均為高電平（或低電平），用于表明n個輸入的某一種狀態(tài)組合。在不需要譯碼時，可以通過另外的控制信號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)計算機中，選用了有3個輸入信號、8個（23）輸出信號（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個輸入信號、4個（22）輸出信號（低電平有效）的雙2-4譯碼器SN74LS139。編碼器的功能是：把2n個輸入信號

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僅有個為低電平（或高電平），其余2n-1個輸出均為高電平（或低電平）。在教學(xué)計算機系統(tǒng)中，選用了有個輸入信號、個編碼輸出信號的74LS148器件。知識點5 教學(xué)計算機中組合邏輯電路的應(yīng)用 在實現(xiàn)TEC-2000系列教學(xué)計算機的過程中，在不同的部件里用到了多種組合邏輯電路，例如：多路控制信號選擇邏輯與線路實現(xiàn)，依據(jù)指令操作碼和時間序列編碼來提供多位控制信號的線路等。圖21 教學(xué)計算機控制運算器運行的信號有24位，它可能有4處來源： 在進行脫機運算器實驗時，它經(jīng)過3片SN74LS240器件決定于兩個12位的微型開關(guān)，

46、在運行微程序控制器時，它來自微指令寄存器的有關(guān)字段， 在運行硬連線控制器時，對原有的指令，它來自一個大規(guī)模集成電路MACH芯片的有關(guān)管腳， 對新增加的指令，它來自于幾個中小規(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)過三態(tài)邏輯控制關(guān)系，可以簡單地把這些芯片的對應(yīng)管腳連接在一起，如圖21所示。在要求使用哪一個線路提供控制信號時，就使其輸出正常的邏輯電平，并使其他3個電路的輸出進入高阻態(tài)即可。單元2時序邏輯電路及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標1要求掌握時序邏輯電路中基本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了解時序電路在教學(xué)計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用知識點1 基本R-S觸發(fā)器觸發(fā)器是實現(xiàn)計算機中的記憶（存儲）功能最常用的邏輯電路，用于暫存“0”或“1”代碼。R-S觸發(fā)器的特點是：當A、B兩個與非門的輸入R和S均為高電平時，電路的輸出Q和一定相反，即一個輸出為高，另一個輸出一定為低。在無外界作用時，電路能保持此狀態(tài)不變。若在某一時刻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)楦唠娖剑捎赒的變化（從低電平變?yōu)楦唠娖剑?，反過來又作用于門A，使門A的兩個輸入均為高電平，則的輸出顯然會變?yōu)榈碗娖健Ｈ粼谀骋粫r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，就會使觸發(fā)器的兩個輸出端又回到Q為低電平，為高電平的狀態(tài)。不允許兩個觸發(fā)輸入端R和S同時為“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。知識點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，它需要避免兩個觸發(fā)輸入端R和S同時為“0”可能產(chǎn)生的錯誤操作。在此基礎(chǔ)上有多種改進型觸發(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兩個輸出端，有一個數(shù)據(jù)輸入端D和時鐘觸發(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）。當時鐘輸入端CP處于高電平或低電平時、或負跳變沿時，觸發(fā)

49、器的狀態(tài)都保持不變。用該種方式啟動觸發(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)生變化也不會影響對原來數(shù)據(jù)的正常接收。D觸發(fā)器可以單個獨立使用，也可以把多個D觸發(fā)器合成一個部件使用，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，或帶有計數(shù)功能的進位計數(shù)器等。在TEC-2000教學(xué)計算機中，選用了由8個D觸發(fā)器構(gòu)成的8位寄存器SN74LS377，SN74LS374和SN74LS273，以及由4個D觸發(fā)器構(gòu)成的4位計數(shù)器SN74LS161等4種器件。知識點3 計數(shù)器 二進制計數(shù)器是一個n位的二進制同步計數(shù)器器件，二進制計數(shù)就是每位觸發(fā)器按逢二進一的規(guī)則

50、實現(xiàn)計數(shù)。例如，n=4時，當4位從全零狀態(tài)開始計數(shù)時，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)器在同一個時鐘脈沖信號作用下同時翻轉(zhuǎn)。 在TEC-2000教學(xué)計算機中，選用了一個4位的二進制同步計數(shù)器器件SN74LS 161。知識點4 一位全加器 我們知道運算器部件是計算機五大功能部件中的數(shù)據(jù)加工部件，而運算器的中的主要部件就是算術(shù)與邏輯運算部件(英文縮寫為ALU)，用以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運算。由于加法操作是各種算術(shù)運算的基礎(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，以及低位送來的進位Ci（i1位向第i位的進位）。它產(chǎn)生兩個輸出量：全加和i，以及向高位的進位Ci+1（第i位向i+1位的進位）。其邏輯表達式如下： i=AiBiCi Ci+1= Ai Bi +（AiBi）Ci知識點5 教學(xué)計算機中時序邏輯電路的應(yīng)用圖22 在組合邏輯控制器的組成中，有一個叫做節(jié)拍發(fā)生器的部件，屬于非常典型的時序電路，通常由幾個觸發(fā)器和輸入控制門等線路構(gòu)成，通過這幾個觸發(fā)器不同的狀態(tài)編碼來標示、區(qū)分每一條指令不同的執(zhí)行步驟。在教學(xué)計算機系統(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器件實現(xiàn)的，如圖22。GAL20V8器件本身可以運行在組合邏輯方式，也可以運行于觸發(fā)器邏輯方式，并且實現(xiàn)的正好是與或兩級邏輯關(guān)系。單元3現(xiàn)場可編程器件及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標1要求了解現(xiàn)場可編程器件的基本概念。2了解簡單的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）。知識點1 現(xiàn)場可編程器件概述現(xiàn)場可編程器件，是指用戶在自己的工作地點，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由與或兩級陣列組成， 但用戶僅能對與陣列進行編程，或陣列是由生產(chǎn)廠家確定的。在教學(xué)計算機系統(tǒng)中，我們選用了GAL20V8和MACH4兩種類型的現(xiàn)場可編程器件。GAL20V8是通用陣列邏輯器件，它最多可以有20個輸入引腳、最多可以有8個輸出引腳。它既可以實現(xiàn)組合邏輯的邏輯功能，也可以實現(xiàn)時序邏輯的邏輯功能。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大的現(xiàn)場可編程器件，在教學(xué)計算機中，它用于實現(xiàn)組合邏輯控制器的時序控制信號形成部件。知識點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個輸出引腳，分別標為IO0IO7，有I1I10、I12和I13共12個專用輸入引腳，另有I0/CLK和I11/OE兩個引腳，當被編程的電路需要時鐘信號和使用輸出允許控制時，時鐘脈沖和輸出允許控制信號就只能分別從I0/CLK和I11/OE這兩個引腳輸入；當不需要這兩個信號（或一個）時，它們（或一個）可用作數(shù)據(jù)輸入引腳。IO0IO7在某些場合，也可用于輸入功能，或分時用于輸入

55、/輸出功能，可由用戶決定。所以說它最多有20個輸入、8個輸出（至少有2個引腳用于輸出）。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。要對通用可編程器件GAL20V8進行編程，需要使用專用的軟件工具和能對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)計和操作過程大體如下：1編輯擴展名為“PLD” 的源文件，該文件用于描述在GAL20V8內(nèi)部實現(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語言編輯擴展名為“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)的軟件對已設(shè)計的源文件進行編譯，以生成GAL20V8的熔絲圖文件，擴展名為“.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GAL20V8進行編程。由于不同廠商提供的編程軟件和編程設(shè)備有所不同，具體操作細節(jié)請閱讀有關(guān)設(shè)備的使用手冊。知識點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器件進行編程；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)是由多個優(yōu)化的PAL塊和一個中央開關(guān)距陣互連而成。中央開關(guān)矩