東南大學(xué)信息學(xué)院-計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計(jì)課件運(yùn)算電路

課程概述本課程介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)算電路的基本原理和設(shè)計(jì)方法，著重講解數(shù)字邏輯電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路、存儲器、總線和接口、微處理器等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生將掌握運(yùn)算電路的基本理論和設(shè)計(jì)方法，并能夠運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行簡單的運(yùn)算電路設(shè)計(jì)和分析。ppbypptppt信息系統(tǒng)的基本構(gòu)成中央處理器(CPU)CPU是信息系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。存儲器存儲器用于保存程序和數(shù)據(jù)，分為主存儲器和輔助存儲器。輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備負(fù)責(zé)與外界進(jìn)行信息交換，包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等?？偩€總線是信息系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈?shù)字電路基礎(chǔ)基本概念數(shù)字電路使用0和1兩種狀態(tài)表示信息，構(gòu)成邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)。常用邏輯門電路包括與門、或門、非門、異或門等。邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)是數(shù)字電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通過邏輯運(yùn)算符號和公式表示邏輯關(guān)系，分析和簡化電路。布爾代數(shù)布爾代數(shù)是邏輯代數(shù)的基礎(chǔ)，提供邏輯運(yùn)算的理論基礎(chǔ)，包括邏輯運(yùn)算規(guī)則和公式。邏輯門電路邏輯門電路是數(shù)字電路的基本單元，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，構(gòu)成組合邏輯和時序邏輯電路的基礎(chǔ)。數(shù)字信號數(shù)字信號是離散的，由一系列脈沖信號組成，適用于數(shù)字電路的傳輸和處理。數(shù)字邏輯門電路1基本門電路與門、或門、非門是基本邏輯門電路。2組合邏輯門電路異或門、同或門、與非門、或非門是組合邏輯門電路。3邏輯門電路的特性邏輯門電路具有不同的特性，例如輸入輸出關(guān)系、驅(qū)動能力、傳播延遲等。邏輯門電路是數(shù)字電路中最基本的單元，它們實(shí)現(xiàn)各種邏輯運(yùn)算，例如與、或、非、異或等。邏輯門電路可以組合在一起形成更復(fù)雜的電路，例如組合邏輯電路和時序邏輯電路。組合邏輯電路設(shè)計(jì)1基本設(shè)計(jì)方法組合邏輯電路設(shè)計(jì)主要采用真值表、卡諾圖和邏輯表達(dá)式等方法，進(jìn)行電路的邏輯功能描述和化簡。2設(shè)計(jì)步驟組合邏輯電路設(shè)計(jì)通常遵循以下步驟：分析需求、建立真值表、繪制卡諾圖、化簡邏輯表達(dá)式、選擇合適的邏輯門電路、繪制電路圖。3電路實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路可以采用各種邏輯門電路、集成電路或可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)，以滿足不同的性能和成本要求。組合邏輯電路分析1邏輯表達(dá)式化簡通過代數(shù)方法或卡諾圖簡化邏輯表達(dá)式，降低電路復(fù)雜度。2電路功能分析根據(jù)邏輯表達(dá)式或電路圖分析組合邏輯電路的功能和特性。3時序分析分析電路的傳播延遲，確定信號的穩(wěn)定時間，避免邏輯競爭和冒險現(xiàn)象。4電路性能評估分析電路的功耗、速度、面積等性能指標(biāo)，評估其性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。組合邏輯電路分析是設(shè)計(jì)和調(diào)試組合邏輯電路的關(guān)鍵步驟，通過分析可以識別電路的邏輯功能、性能和潛在問題，以便優(yōu)化設(shè)計(jì)。編碼器和解碼器編碼器編碼器將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為特定輸出信號，例如將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為七段顯示器上的字符。解碼器解碼器將特定的輸入信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼，例如將七段顯示器上的字符轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。編碼器和解碼器應(yīng)用編碼器和解碼器廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，例如內(nèi)存地址譯碼、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。多路選擇器和數(shù)據(jù)選擇器1多路選擇器多路選擇器根據(jù)控制信號選擇多個輸入信號中的一個輸出。2數(shù)據(jù)選擇器數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)地址信號選擇多個數(shù)據(jù)輸入中的一個輸出。3應(yīng)用多路選擇器和數(shù)據(jù)選擇器應(yīng)用廣泛，例如數(shù)據(jù)選擇、地址譯碼等。多路選擇器和數(shù)據(jù)選擇器都是組合邏輯電路，根據(jù)控制信號或地址信號選擇多個輸入信號中的一個輸出。它們廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，例如數(shù)據(jù)選擇、地址譯碼、信號路由等。算術(shù)電路1加法器和減法器加法器和減法器是算術(shù)電路中最重要的基本單元，實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算。2乘法器和除法器乘法器和除法器實(shí)現(xiàn)乘除運(yùn)算，通常使用移位和加減運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。3其他算術(shù)運(yùn)算電路其他算術(shù)運(yùn)算電路包括比較器、移位電路等，實(shí)現(xiàn)各種算術(shù)運(yùn)算。加法器和減法器1半加器實(shí)現(xiàn)一位二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算。2全加器實(shí)現(xiàn)多位二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算。3減法器實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)的減法運(yùn)算。加法器和減法器是算術(shù)電路中的基本單元，用于實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)的加減運(yùn)算。半加器實(shí)現(xiàn)一位二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算，全加器實(shí)現(xiàn)多位二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算。減法器可以使用加法器實(shí)現(xiàn)，通過將減數(shù)取反并加1，轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算。乘法器和除法器1基本原理乘法器通過移位和加法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)乘法。2乘法器類型常用的乘法器類型包括陣列乘法器和移位相加乘法器。3除法器類型常用的除法器類型包括恢復(fù)余數(shù)除法器和非恢復(fù)余數(shù)除法器。4應(yīng)用乘法器和除法器廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，例如算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等。乘法器和除法器是算術(shù)電路中重要的組成部分，用于實(shí)現(xiàn)乘除運(yùn)算。它們通常使用移位和加減運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，可以分為不同的類型，例如陣列乘法器、移位相加乘法器、恢復(fù)余數(shù)除法器、非恢復(fù)余數(shù)除法器等。這些電路在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，例如算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、信號處理等。移位電路1移位操作將寄存器中的數(shù)據(jù)按位左移或右移。2移位類型邏輯移位、算術(shù)移位和循環(huán)移位。3應(yīng)用乘除運(yùn)算、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和地址生成。移位電路是數(shù)字電路中常用的基本單元，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的移位操作。移位電路可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇不同的移位類型，例如邏輯移位、算術(shù)移位和循環(huán)移位。移位電路在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，例如乘除運(yùn)算、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、地址生成等。比較器基本原理比較器是用來比較兩個輸入信號的大小關(guān)系的邏輯電路。比較結(jié)果比較器輸出信號表示兩個輸入信號的大小關(guān)系，例如大于、小于或等于。應(yīng)用比較器廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，例如數(shù)據(jù)排序、地址比較和控制信號生成。類型比較器可以分為數(shù)字比較器和模擬比較器，分別用于數(shù)字信號和模擬信號的比較。實(shí)現(xiàn)比較器可以使用邏輯門電路或?qū)Ｓ眉呻娐穼?shí)現(xiàn)。觸發(fā)器1基本原理觸發(fā)器是數(shù)字電路中重要的基本單元，用于存儲一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。2類型常用的觸發(fā)器類型包括SR觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和T觸發(fā)器。3應(yīng)用觸發(fā)器廣泛應(yīng)用于時序邏輯電路、計(jì)數(shù)器、寄存器等。時序邏輯電路1定義時序邏輯電路是其輸出不僅取決于當(dāng)前輸入，還取決于電路之前狀態(tài)的電路。2主要元件觸發(fā)器是時序邏輯電路中最基本的單元，用于存儲信息。3應(yīng)用時序邏輯電路廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，例如計(jì)數(shù)器、寄存器、移位寄存器、存儲器等。寄存器1定義一組觸發(fā)器2功能存儲多個數(shù)據(jù)3類型并行輸入/輸出4應(yīng)用CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲寄存器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中重要的組成部分，由多個觸發(fā)器組成，能夠存儲多個二進(jìn)制數(shù)據(jù)。寄存器通常用于存儲CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)，例如指令、操作數(shù)、地址等。計(jì)數(shù)器1定義計(jì)數(shù)器是一種時序邏輯電路。2功能用于計(jì)數(shù)脈沖的個數(shù)。3類型同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器。4應(yīng)用定時、頻率測量和數(shù)據(jù)處理。計(jì)數(shù)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中重要的組成部分，用于計(jì)數(shù)脈沖的個數(shù)。計(jì)數(shù)器可以分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器，同步計(jì)數(shù)器所有觸發(fā)器的時鐘信號同時到達(dá)，而異步計(jì)數(shù)器的時鐘信號依次到達(dá)。計(jì)數(shù)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，例如定時、頻率測量、數(shù)據(jù)處理等。移位寄存器定義移位寄存器是一種特殊的寄存器，用于存儲和移位數(shù)據(jù)。工作原理移位寄存器通過時鐘信號控制，每次時鐘脈沖到來，數(shù)據(jù)會向一個方向移動一位。類型常見的移位寄存器類型包括串行輸入/串行輸出、串行輸入/并行輸出、并行輸入/串行輸出和并行輸入/并行輸出。應(yīng)用移位寄存器廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，例如數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和地址生成。存儲器定義存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存儲數(shù)據(jù)的部件，它是計(jì)算機(jī)的核心部件之一。功能存儲器用于保存計(jì)算機(jī)程序和數(shù)據(jù)，供中央處理器(CPU)訪問和處理。分類存儲器可以分為主存儲器和輔助存儲器，主存儲器用于存放當(dāng)前運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，輔助存儲器用于保存長期保存的數(shù)據(jù)和程序。類型主存儲器又可以分為隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)，輔助存儲器包括硬盤、光盤、U盤等。存儲器分類1按訪問速度主存、輔存2按存儲介質(zhì)半導(dǎo)體存儲器、磁存儲器3按存取方式隨機(jī)存取、順序存取4按功能ROM、RAM存儲器根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行分類。按訪問速度，可以分為主存和輔存。主存訪問速度快，用于存放當(dāng)前運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，輔存訪問速度慢，用于存放長期保存的數(shù)據(jù)和程序。按存儲介質(zhì)，可以分為半導(dǎo)體存儲器和磁存儲器。半導(dǎo)體存儲器使用集成電路芯片作為存儲介質(zhì)，具有體積小、速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。磁存儲器使用磁性材料作為存儲介質(zhì)，具有容量大、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。按存取方式，可以分為隨機(jī)存取和順序存取。隨機(jī)存取存儲器(RAM)可以隨機(jī)訪問任意地址的存儲單元，順序存取存儲器(如磁帶)只能按順序訪問存儲單元。按功能，可以分為ROM和RAM。ROM用于存放只讀的數(shù)據(jù)，例如操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序，RAM用于存放可讀寫的程序和數(shù)據(jù)。存儲器訪問方式1隨機(jī)存取可以隨機(jī)訪問任意地址的存儲單元。2順序存取只能按順序訪問存儲單元。3直接存取根據(jù)地址直接訪問指定存儲單元。4關(guān)聯(lián)存取根據(jù)內(nèi)容訪問存儲單元。存儲器訪問方式是指CPU訪問存儲單元的方式。隨機(jī)存取存儲器(RAM)可以隨機(jī)訪問任意地址的存儲單元，順序存取存儲器(如磁帶)只能按順序訪問存儲單元，直接存取存儲器(如磁盤)根據(jù)地址直接訪問指定存儲單元，關(guān)聯(lián)存取存儲器(如數(shù)據(jù)庫)根據(jù)內(nèi)容訪問存儲單元。存儲器控制電路1地址譯碼地址譯碼將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，選擇特定存儲單元。2讀寫控制讀寫控制信號決定存儲器進(jìn)行讀操作還是寫操作。3數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖器用于臨時存儲數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率?？偩€和接口1總線電子元件間的數(shù)據(jù)通路。2類型數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。3接口連接不同設(shè)備的橋梁。4功能數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備控制?？偩€是電子系統(tǒng)中不同元件之間傳輸數(shù)據(jù)的通路，負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信息。接口是連接不同設(shè)備的橋梁，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制信號，確保數(shù)據(jù)能夠在不同設(shè)備之間順利交換。微處理器的基本結(jié)構(gòu)1運(yùn)算器運(yùn)算器是CPU的核心，負(fù)責(zé)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。2控制器控制器負(fù)責(zé)控制CPU各個部件的工作，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的流動。3寄存器組寄存器組用于臨時存儲CPU中正在處理的數(shù)據(jù)和指令。CPU的功能和工作原理指令獲取從內(nèi)存中獲取指令，并將指令送到指令寄存器。指令解碼解碼指令，確定指令的操作碼和操作數(shù)，并根據(jù)指令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)操作。指令執(zhí)行執(zhí)行指令，根據(jù)指令的操作碼和操作數(shù)，完成相應(yīng)的運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌＝Y(jié)果存儲將運(yùn)算結(jié)果或數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)存或寄存器中。指令系統(tǒng)1指令格式指令的組成和結(jié)構(gòu)。2指令集CPU可執(zhí)行的所有指令。3尋址方式CPU訪問操作數(shù)的方式。4指令周期CPU執(zhí)行一條指令的過程。指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件和軟件之間溝通的橋梁，它定義了CPU可執(zhí)行的操作類型，并提供了程序員與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)交互的方式。指令格式規(guī)定了指令的組成和結(jié)構(gòu)，包括操作碼、操作數(shù)和地址碼等。指令集是指CPU可執(zhí)行的所有指令，包括算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。尋址方式是CPU訪問操作數(shù)的方式，常見尋址方式包括立即尋址、直接尋址、間接尋址和寄存器尋址等。指令周期是CPU執(zhí)行一條指令的過程，包括取指令、解碼、執(zhí)行和寫回等步驟。中斷系統(tǒng)1中斷概念中斷是硬件或軟件事件，導(dǎo)致CPU暫停當(dāng)前執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理程序。2中斷類型可分為硬件中斷和軟件中斷，例如鍵盤中斷、時鐘中斷、系統(tǒng)調(diào)用等。3中斷處理流程保存CPU狀態(tài)、執(zhí)行中斷處理程序、恢復(fù)CPU狀態(tài)，最后返回原程序。4中斷向量表存儲中斷處理程序地址的表，用于快速查找中斷處理程序。中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它允許CPU在處理當(dāng)前任務(wù)的同時，及時響應(yīng)外部事件，提高系統(tǒng)的效率和靈活性。輸入輸出接口1定義連接CPU與外部設(shè)備的橋梁。2功能數(shù)據(jù)傳輸、控制信號。3類型并行接口、串行接口。4設(shè)計(jì)硬件電路、軟件驅(qū)動。輸入輸出接口是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中連接CPU與外部設(shè)備的橋梁，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)CPU與外部設(shè)備之間的通信。輸入輸出接口的功能包括數(shù)據(jù)傳輸和控制信號，例如，向打印機(jī)發(fā)送打印數(shù)據(jù)，接收鍵盤輸入的字符，控制硬盤的讀寫等。常