ch3 系統(tǒng)軟硬件構造

第3章

系統(tǒng)軟硬件構造主要內(nèi)容邏輯運算與邏輯門其他邏輯電路觸發(fā)器與加法器從邏輯門到運算器馮·諾依曼結構及原理操作系統(tǒng)基礎2一、基本邏輯運算和邏輯門31.關于邏輯邏輯是思維規(guī)律，事物因果之間所遵循的規(guī)律。邏輯的基本表現(xiàn)形式是命題和推理命題能判斷真假的陳述語句推理從前提推出結論的思維過程前題是已知的命題，結論是通過推理規(guī)則得出的命題4語句例：2+3=53是偶數(shù)明天上午有課嗎？3不是偶數(shù)小明既學習英語，也學習德語從西安到北京經(jīng)鄭州走，或者經(jīng)太原走5真命題假命題不是命題并（同時）或者關于邏輯__命題非（否定）復合命題可以由簡單命題通過“聯(lián)結詞”所表示的運算得到。命題是邏輯的基本表現(xiàn)形式，所以，“聯(lián)結詞”所表示的運算就是邏輯運算?！安⒎恰薄安⑶摇薄盎蛘摺?“非”運算“與”運算“或”運算關于邏輯__命題命題的“真”和“假”可以對應為在物理上：開關的“斷開”和“閉合”，電平的“高”和“低”，……數(shù)學上：二進制的“1”和“0”7現(xiàn)代計算機由各種邏輯器件構成，其數(shù)學基礎是邏輯代數(shù)關于邏輯__命題2.邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)由英國數(shù)學家喬治·布爾發(fā)明主要研究和判斷相關的運算用字母表示變量，變量的取值只有0和1“0”對應“假”“1”對應“真”8邏輯運算邏輯運算：用符號來表示命題及其聯(lián)結關系。例如：“小明既學過英語，也學過德語”以上命題可以符號化為：AandB邏輯運算表示A和B同時發(fā)生符合命題3.邏輯運算與基本邏輯門表示兩個命題之間具有的邏輯關系基本邏輯運算：“與”、“或”、“非”10ABY000010100111邏輯關系真值表真值表1）“與”邏輯“與”運算僅當輸入條件全部為“真”時，輸出的結果為“真”若輸入條件有一個為“假”，則輸出結果為“假”“與”運算符號：

“·”，“∧”若用1表示“真”，用0表示“假”，則與規(guī)則：1∧1=11∧0=00∧1=00∧0=011在電路中，與運算相當于開關的串聯(lián)電路僅當所有開關都閉合時，電路才通電。12“與”邏輯與門（ANDgate）對多個邏輯變量執(zhí)行“與”運算的門電路&ABY輸入（V）輸出（V）VA

VBVY000550550.30.30.35輸入輸出A

BY000110110001輸入、輸出電壓關系輸入、輸出邏輯關系&ABYX┇2）“或”運算“或”運算輸入條件中有一個為“真”，則輸出的結果為“真”僅當輸入條件全部為“假”時，輸出結果才為“假”“或”運算符號：“+”，“∨”“或”運算規(guī)則：0∨0=00∨1=11∨0=11∨1=114電路中，“或”運算相當于開關的并聯(lián)電路僅當所有開關都斷開時，電路才無電流通過。15“或”運算對多個邏輯變量執(zhí)行“或”運算的門電路或門電路（ORgate）≥1ABY輸入輸出VA（V）VB（V）VY（V）0

00

5505

504.74.74.7輸入輸出ABY000110110111輸入、輸出電壓關系輸入、輸出邏輯關系≥1ABYX┇“非”運算：當決定事件結果的條件滿足時，事件不發(fā)生。非”屬于單邊運算，只有一個運算對象，運算符為一條上橫線?？梢员硎緸椋篈=B173）“非”運算“非”運算電路的表示：當開關斷開時燈亮；開關閉合時燈滅。18“非”運算19非門電路（NOTgate）對單個邏輯變量進行“非”運算F=A1AF由三種基本邏輯運算可以推導出各種其他的邏輯關系，由三種基本邏輯門可以組合出各種復雜的邏輯電路。常見邏輯關系及其門電路有：與非或非異或同或204.

其他邏輯運算及其門電路211）“與非”邏輯“與”運算“與非”運算“非”運算+A·BA∧B邏輯關系：或者“與非”運算22與非門ABF001011101110與非邏輯真值表&ABFF1AB&F’將與門的輸出接入非門的輸入，構成“與非門”232）“或非”邏輯“或”運算“或非”運算“非”運算+A+BA∨B邏輯關系：或者24或非門F1AB≥1F’將或門的輸出接入非門的輸入，構成“或非門”ABF≥1ABF001010100110或非邏輯真值表注：25可實現(xiàn)多個變量的“與非”或者“或非”運算“與非門”及“或非門”均為多輸入單輸出的門電路例：設：A=10101010，B=11110000計算：26101010101111000010100000∧10100000=01011111F=A·B=？F=A+B=？101010101111000011111010∨11111010=00000101=A⊕B273）“異或”邏輯“異或”邏輯關系是在與、或、非3種基本邏輯運算基礎上的變換。異或邏輯的布爾代數(shù)表達式：“異或”運算是兩個變量的運算運算規(guī)則：相同則為0。相異則為1。F=A·B+A·B異或運算符異或門對輸入的兩個邏輯變量執(zhí)行“異或”運算的門電路28=1ABFABF000011101110異或邏輯真值表異或門是兩輸入單輸出的門電路294）“同或”邏輯“同或”運算是在“異或”運算的基礎上再進行“非”運算的結果。同或運算的布爾表達式：“同或”運算是兩個變量的運算運算規(guī)則：相同則為1。相異則為0。F=A⊕B同或門對輸入的兩個邏輯變量執(zhí)行“同或”運算的門電路30ABF001010100111同或邏輯真值表=1ABF思考問題用與、或、非基本邏輯門構造異或門和同或門F=A·B+A·B=A⊕BF=A⊕B主要內(nèi)容邏輯運算與邏輯門其他邏輯電路觸發(fā)器與加法器從邏輯門到運算器馮·諾依曼結構及原理操作系統(tǒng)基礎32一、觸發(fā)器與加法器邏輯電路以二進制為原理，由各種邏輯門構成，實現(xiàn)數(shù)字信號邏輯運算和操作的電路。組合邏輯電路任意時刻的輸出僅僅取決于該時刻的輸入，與電路原來的狀態(tài)無關（沒有記憶功能）。時序邏輯電路任意時刻的輸出不僅取決于當時的輸入信號，還與以前的輸入有關（有記憶功能）。34351.觸發(fā)器觸發(fā)器是由基本邏輯門構造出的一種邏輯電路，具有記憶功能，屬于時序邏輯電路。在通電情況下：可以輸出高電平或低電平當有觸發(fā)信號時，輸出端狀態(tài)會翻轉由高變?yōu)榈?由低變?yōu)楦呷粲|發(fā)信號無效，輸出狀態(tài)保持不變，至到再有新的觸發(fā)信號出現(xiàn)或者斷電。QQ1001XX----RS觸發(fā)器36觸發(fā)器SR01101100兩種穩(wěn)定狀態(tài)狀態(tài)保持不變輸入端輸出端不允許RS觸發(fā)器邏輯真值表RS觸發(fā)器具有獨立的邏輯功能，可作為獨立部件存在封裝后用一個邏輯符號表示37觸發(fā)器抽象置1端（置位端）置0端（復位端）D觸發(fā)器在RS觸發(fā)器基礎上增加兩個與非門38觸發(fā)器控制端輸入端輸出端CP=0，輸出狀態(tài)保持不變CP=1，輸出取決于D端狀態(tài)01D觸發(fā)器D觸發(fā)器邏輯符號在有電源情況下，觸發(fā)器的輸出端總是處于某種特定狀態(tài)保持為“1”或者為“0”觸發(fā)器可以在輸出端存儲一位0或1觸發(fā)器是具有記憶功能的邏輯器件。39觸發(fā)器40觸發(fā)器的作用觸發(fā)器是具有記憶功能的邏輯器件任何時候輸出端都保持一個確定的穩(wěn)定狀態(tài)（0或1）一個觸發(fā)器能夠存儲1位二進制數(shù)例：用8個D觸發(fā)器可以存儲8位二進制數(shù)10110110內(nèi)存儲器2.加法器微處理器主要由控制器、運算器和寄存器組等三部分構成所有程序的執(zhí)行都是由運算器完成的運算器的核心是算術邏輯單元（ALU），主要功能：二進制算術運算，邏輯運算，其它操作。ALU的基本功能是算術運算。41現(xiàn)代計算機體系結構中：通過引入補碼，減法運算可以轉換為加法運算乘運算可以轉換為移位和加法運算除運算可以轉換為移位和減法運算，減法運算可以轉換為加法運算加法運算是最基本的運算42加法器ALU的基本功能部件是加法器加法器半加器實現(xiàn)兩個1位二進制數(shù)相加，不考慮來自低位的進位輸入：加數(shù)，被加數(shù)輸出：和，進位全加器實現(xiàn)兩個1位二進制數(shù)相加，考慮來自低位的進位器輸入：加數(shù)，被加數(shù)，低位的進位輸出：和，進位43半加器S=A

BC=A∧B44半加器邏輯關系A

B

S

C0000011010101101&=1ABSC加法器輸入輸出進位全加器用兩個半加器再加上一個“或”門，可以構成一個全加器45加法器輸入輸出ABCinSCout00000001100101001101100101010111001111110100110001101110另外一種全加器電路全加器是具有完整功能的邏輯部件。46加法器相同邏輯功能，可以有不同的電路實現(xiàn)∑CinCoutAiBiCi-1CiSi邏輯符號用N個1位加法器可以構成N位加法器加法器4位漣波進位加法器加法器由各種邏輯門構成二、從邏輯門到運算器

——抽象與構造運算器運算器是CPU的核心功能部件之一，與控制器共同組成了CPU的核心部分。主要功能：算術、邏輯運算，移位、求補等其它操作暫時存放參加運算的數(shù)據(jù)和中間運算結果等49算術邏輯單元（ALU）各種寄存器寄存器寄存器CPU中用于存放中間運算結果或其它二進制信息的部件由觸發(fā)器和門電路組成一個觸發(fā)器可以存放1位二進制碼N個觸發(fā)器可以存放N位二進制碼4個D觸發(fā)器構成的4位寄存器實現(xiàn)定點數(shù)補碼加減運算的邏輯電路算術邏輯單元（ALU）ALU的基本功能之一是算術運算加法運算是算術運算的基礎計算機中的數(shù)以補碼形式存在例：[X+Y]補=[X]補+[Y]補[X-Y]補=[X]補+[-Y]補51控制將X送加法器控制將Y送加法器基本邏輯門52組合邏輯門電路觸發(fā)器RS觸發(fā)器組合與抽象D觸發(fā)器（其它觸發(fā)器）邏輯符號表示組合封裝，抽象與非門或非門異或門組合邏輯符號表示封裝，抽象組合，抽象53算術邏輯單元邏輯門+觸發(fā)器加法器組合組合寄存器存儲器各種邏輯門電路組合CPU邏輯門+觸發(fā)器組合主機系統(tǒng)組合與抽象系統(tǒng)構造的基本思路任何復雜的邏輯電路都可以由基本邏輯門組合構成硬件系統(tǒng)構造的基本方式：自底向上，逐層封裝、抽象系統(tǒng)設計的基本過程：自頂向下，分析和分解問題自底向上，構造和設計54同樣適用軟件設計計算機內(nèi)部的信息都以二進制表示將“0”和“1”賦予邏輯屬性，就成為邏輯變量實現(xiàn)邏輯變量間關系的電路稱為邏輯電路構成各種邏輯電路的基本元素是基本邏輯門基本邏輯門的不同的連接方法構成了計算機小結主要內(nèi)容邏輯運算與邏輯門其他邏輯電路觸發(fā)器加法器與ALU馮·諾依曼結構及原理操作系統(tǒng)基礎56為什么“電子計算機之父”的桂冠沒有戴在象莫齊利、埃克特或阿坦那索夫等這樣一些實際研究者頭上，而是戴在了匈牙利數(shù)學家馮?諾依曼（J.VonNeumann）頭上？57馮?諾依曼——電子計算機之父馮?諾依曼提出了現(xiàn)代計算機的體系結構馮?諾依曼計算機結構特點采用二進制計算機中所有信息（數(shù)據(jù)和指令）統(tǒng)一用二進制表示設計計算機硬件由五個部分構成運算器邏輯控制裝置存儲器輸入和輸出設備提出存儲程序原理58一、指令和程序5960指令和程序指令：控制計算機完成某項操作的、能夠被計算機識別的“命令”。計算機硬件能夠直接識別的指令二進制形式描述的機器指令指令系統(tǒng)：計算機能夠識別的所有指令的集合。程序：按一定順序組織在一起的指令序列。611.指令格式指令碼操作數(shù)說明指令的功能說明指令操作的對象計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程程序是指令的序列計算機的工作過程就是執(zhí)行指令的過程在計算機中：622.

指令的執(zhí)行過程程序是由指令組成的程序內(nèi)存CPU指令和數(shù)據(jù)結果①獲取要執(zhí)行的指令②明確指令的功能③獲取操作的數(shù)據(jù)④執(zhí)行指令⑤送回結果63取指令分析指令讀取操作數(shù)執(zhí)行指令存放結果指令的執(zhí)行過程順序執(zhí)行：一條指令執(zhí)行完了再執(zhí)行下一條指令。并行執(zhí)行：同時執(zhí)行兩條或多條指令。核心步驟643.

兩種執(zhí)行方式的比較順序執(zhí)行方式執(zhí)行時間=取指令+分析指令+執(zhí)行指令例：設三個部分的執(zhí)行時間均為Δt，則執(zhí)行n條指令時間T0為：

T0=3nΔt取指令1執(zhí)行指令1分析指令1CPU取指令2執(zhí)行指令2分析指令265兩種執(zhí)行方式的比較并行執(zhí)行方式：（假設指令執(zhí)行分為三個步驟）分析指令3取指令3分析指令2取指令1執(zhí)行指令1取指令2執(zhí)行指令2分析指令1執(zhí)行指令3僅第1條指令需要3

Δt時間，之后每經(jīng)過1

Δt，就有一條指令執(zhí)行結束執(zhí)行時間：

T=3Δt+（n-1）Δt兩種執(zhí)行方式時間的比較并行：更高的效率，更高的復雜度相對于順序執(zhí)行方式，指令并行執(zhí)行的優(yōu)勢用加速比表示：S=順序執(zhí)行花費的時間/并行執(zhí)行花費的時間例：3nΔt/（3Δt+（n-1）Δt)=3n/（2+n）二、馮?諾依曼結構

——微機硬件組成及基本原理結構特點：以運算器為核心，所有信息的輸入和輸出都需要通過運算器68馮?諾依曼結構主機系統(tǒng)69馮?諾依曼計算機基本原理基本原理將計算過程描述為由多條指令按一定順序組成的程序，并放入存儲器保存。指令按其在存儲器中存放的順序執(zhí)行；由控制器控制整個程序和數(shù)據(jù)的存取以及程序的執(zhí)行。存儲程序原理70內(nèi)存中的程序指令1指令2指令n┇分析獲取操作數(shù)執(zhí)行存放結果┇程序計數(shù)器PC地址CPU取出操作數(shù)馮?諾依曼計算機基本原理71具體過程可描述為：從內(nèi)存中取第一條指令；送指令譯碼器譯碼，以確定要進行的操作；讀取相應的操作數(shù)（即執(zhí)行的對象）；執(zhí)行指令；存放執(zhí)行結果；轉向①，直到遇到暫停指令方才結束。

馮?諾依曼計算機基本原理內(nèi)存單元地址PC1000FH地址寄存器1000FH+1“讀存儲器”命令指令譯碼數(shù)據(jù)總線地址總線B1H1000FH微機讀取一條指令的工作過程：B1H┇┇內(nèi)存儲器73程序計數(shù)器PCPC用來產(chǎn)生和存放下一條將要讀取的指令的地址。在程序開始執(zhí)行前，須將程序第一條指令在內(nèi)存中的存放地址送入PCPC每輸出一次地址，就指向內(nèi)存的一個單元，CPU將該單元的指令自動取出。之后，PC中內(nèi)容自動加1，準備讀取下一條指令。如果每取走一條指令，PC都只做簡單的加1操作，則程序將會順序執(zhí)行PC是程序執(zhí)行的“指揮棒”。PC指向哪里，CPU就到哪里取指令PC是“指令指針”順序結構程序馮?諾依曼結構的局限性CPU與存儲器只間會有大量的數(shù)據(jù)交互，造成總線瓶徑；指令的執(zhí)行順序由程序計數(shù)器控制，使得即使有關數(shù)據(jù)巳經(jīng)準備好，也必須逐條執(zhí)行指令序列。指令的執(zhí)行順序由程序決定，對一些大型的、復雜的任務是比較困難；以運算器為中心，I/O設備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過運算器，使處理效率、特別是對非數(shù)值數(shù)據(jù)的處理效率比較低。74哈佛結構特點：指令和數(shù)據(jù)分別存放在兩個獨立的存儲器模塊中；CPU與存儲器間指令和數(shù)據(jù)的傳送分別采用兩組獨立的總線。主要內(nèi)容邏輯運算與邏輯門其他邏輯電路觸發(fā)器加法器與ALU馮·諾依曼結構及原理操作系統(tǒng)基礎76操作系統(tǒng)什么是操作系統(tǒng)？77它有哪些主要功能？它在計算機中起到什么作用？操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）操作系統(tǒng)是一組控制和管理計算機軟、硬件資源、為用戶提供便捷使用計算機的程序集合。是用戶和計算機之間進行“交流”的界面。操作系統(tǒng)的功能：管理系統(tǒng)資源為用戶使用計算機提供友好界面78處理器存儲器I/O設備各種信息79操作系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)I/O設備管理，存儲管理文件管理窗口軟件用戶數(shù)據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)存儲文件存取功能強大的虛擬機程序數(shù)據(jù)B005040888045+8內(nèi)存必須考慮：數(shù)據(jù)如何輸入、輸出；如何存儲；如何管理；..是計算機硬件上的第一層軟件，是各種類型的計算機都必須配置的軟件。其它所有軟件都運行于操作系統(tǒng)之上，依賴于它的支持。80操作系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)操作系統(tǒng)應用軟件作為用戶和計算機硬件之間的接口。隱藏硬件，使用戶不必考慮不同硬件造成的差異；為用戶和計算機之間進行“交流”提供統(tǒng)一的界面。81操作系統(tǒng)的作用通過鍵盤應用程序系統(tǒng)調用操作系統(tǒng)用戶命令82操作系統(tǒng)的作用是對硬件系統(tǒng)功能的擴充管理系統(tǒng)資源OS的作用可以形象的比喻為一個樂團的指揮。一是有效管理和分配計算機系統(tǒng)的硬件和軟件資源，使得有限的系統(tǒng)資源能夠發(fā)揮更大的作用。二是為使用計算機提供便利。OS通過內(nèi)部極其復雜的綜合處理，為用戶提供友好、便捷的操作界面，以便用戶無需了解計算機硬件或系統(tǒng)軟件的有關細節(jié)就能方便地使用計算機。操作