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MSI電路

課程簡介本課程將深入淺出地介紹計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計(jì)，涉及數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、存儲(chǔ)器、總線和接口、微處理器結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生將掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的基本原理，并具備設(shè)計(jì)和分析簡單數(shù)字邏輯電路的能力。ppbypptppt計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件組織方式和工作原理的描述。它定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)組成部分之間的接口、數(shù)據(jù)表示、指令集等。1數(shù)據(jù)表示包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)編碼等。2指令集定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠執(zhí)行的指令集合。3存儲(chǔ)器組織包括主存、輔存的組織方式和管理策略。4輸入輸出定義了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的通信方式。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是連接硬件和軟件的橋梁，決定了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和功能。數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)基本邏輯運(yùn)算包括與、或、非、異或等基本邏輯運(yùn)算，是構(gòu)成復(fù)雜邏輯電路的基礎(chǔ)。邏輯代數(shù)利用邏輯代數(shù)工具對(duì)邏輯電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，簡化電路結(jié)構(gòu)，提高電路效率。邏輯門用硬件實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算的邏輯門，是構(gòu)成數(shù)字電路的基本單元。布爾代數(shù)以布爾代數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)，確保電路功能的正確性。組合邏輯電路組合邏輯電路是輸出僅取決于當(dāng)前輸入的電路，沒有記憶功能。1加法器實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算。2譯碼器將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為特定的輸出信號(hào)。3編碼器將特定的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼。4比較器比較兩個(gè)輸入信號(hào)的大小。組合邏輯電路在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，例如運(yùn)算器、地址譯碼器等。組合邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例1全加器全加器可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算，并考慮進(jìn)位。2譯碼器譯碼器將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為特定的輸出信號(hào)，例如地址譯碼。3編碼器編碼器將特定的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼，例如鍵盤編碼。時(shí)序邏輯電路基本概念時(shí)序邏輯電路是指輸出不僅取決于當(dāng)前輸入，還取決于電路的歷史狀態(tài)。觸發(fā)器觸發(fā)器是存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位的基本單元，是構(gòu)建時(shí)序邏輯電路的核心。狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī)是根據(jù)輸入和當(dāng)前狀態(tài)產(chǎn)生輸出和下一個(gè)狀態(tài)的時(shí)序邏輯電路。時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)序邏輯電路需要考慮狀態(tài)轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘信號(hào)、同步與異步控制等因素。時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例本節(jié)將通過幾個(gè)典型的時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)例來加深對(duì)時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)的理解。1同步計(jì)數(shù)器同步計(jì)數(shù)器是一種常用的時(shí)序邏輯電路，用于計(jì)數(shù)脈沖。2移位寄存器移位寄存器用于存儲(chǔ)和移位數(shù)據(jù)。3狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī)用于實(shí)現(xiàn)各種控制功能。寄存器寄存器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的基本單元。它由若干個(gè)觸發(fā)器組成，每個(gè)觸發(fā)器可以存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。寄存器可以用來存儲(chǔ)指令、數(shù)據(jù)、地址等信息。1通用寄存器用于存放通用數(shù)據(jù)，可由CPU隨意訪問。2專用寄存器用于存放特定數(shù)據(jù)，如狀態(tài)寄存器、指令寄存器等。3索引寄存器用于存放地址信息，用于尋址操作。4堆棧寄存器用于實(shí)現(xiàn)堆棧操作，存放棧頂?shù)刂沸畔?。?jì)數(shù)器1基本概念計(jì)數(shù)器是用來計(jì)數(shù)的時(shí)序邏輯電路，它根據(jù)輸入的時(shí)鐘脈沖改變自身的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。計(jì)數(shù)器的狀態(tài)變化由觸發(fā)器的狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)觸發(fā)器對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的一位。2種類常見的計(jì)數(shù)器類型包括同步計(jì)數(shù)器、異步計(jì)數(shù)器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、可控計(jì)數(shù)器等，它們根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式和計(jì)數(shù)進(jìn)制的不同而分類。3應(yīng)用計(jì)數(shù)器廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，例如時(shí)鐘計(jì)時(shí)、數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)、地址生成等，它們是構(gòu)建復(fù)雜時(shí)序邏輯電路的重要組成部分。移位寄存器基本概念移位寄存器是一種特殊的寄存器，它可以根據(jù)控制信號(hào)將數(shù)據(jù)向左或向右移動(dòng)。類型常見移位寄存器類型包括串行輸入串行輸出(SISO)、串行輸入并行輸出(SIPO)、并行輸入串行輸出(PISO)和并行輸入并行輸出(PIPO)。應(yīng)用移位寄存器廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸、代碼轉(zhuǎn)換、序列生成、延時(shí)電路等。結(jié)構(gòu)移位寄存器由多個(gè)觸發(fā)器組成，每個(gè)觸發(fā)器對(duì)應(yīng)一位數(shù)據(jù)，觸發(fā)器之間通過移位控制信號(hào)連接。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的部件，是計(jì)算機(jī)的重要組成部分。1主存儲(chǔ)器主要用于存放CPU正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。2輔助存儲(chǔ)器用于存放長期保存的數(shù)據(jù)，如操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等。3高速緩存位于主存儲(chǔ)器和CPU之間，用于加速數(shù)據(jù)訪問。存儲(chǔ)器根據(jù)訪問速度和容量可分為主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器和高速緩存，它們共同構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)體系。存儲(chǔ)器訪問控制存儲(chǔ)器訪問控制是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)不同用戶或程序訪問存儲(chǔ)器的權(quán)限進(jìn)行限制。存儲(chǔ)器訪問控制是保障系統(tǒng)安全的重要手段，可以防止非法訪問、數(shù)據(jù)泄露和系統(tǒng)崩潰。1地址映射將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，確保程序訪問的地址空間是合法的。2訪問權(quán)限控制限制用戶或程序?qū)μ囟ù鎯?chǔ)區(qū)域的讀寫權(quán)限。3保護(hù)機(jī)制防止程序非法訪問其他程序的內(nèi)存空間?？偩€和接口1總線總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中連接各個(gè)部件的通路，用于傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)。2接口接口是連接不同設(shè)備或系統(tǒng)的橋梁，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)格式和信號(hào)傳輸。3總線和接口的分類總線可以分為內(nèi)部總線和外部總線，接口可以分為輸入接口和輸出接口。微處理器結(jié)構(gòu)基本組成微處理器是計(jì)算機(jī)的核心，包含運(yùn)算器、控制器和寄存器組。運(yùn)算器運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，如加減乘除、比較和位運(yùn)算等?？刂破骺刂破髫?fù)責(zé)控制微處理器內(nèi)部各部件的協(xié)調(diào)工作，以及從內(nèi)存中讀取指令并執(zhí)行。寄存器組寄存器組用于存儲(chǔ)各種臨時(shí)數(shù)據(jù)，如指令、地址和運(yùn)算結(jié)果等，供CPU快速訪問。微處理器指令系統(tǒng)1指令集指令集是微處理器能夠執(zhí)行的所有指令的集合，包含數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、控制轉(zhuǎn)移、輸入輸出等操作。2指令格式指令格式是指指令在內(nèi)存中的存儲(chǔ)形式，包括操作碼、操作數(shù)、地址碼等字段。3指令類型指令類型根據(jù)功能可以分為數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、控制轉(zhuǎn)移指令、輸入輸出指令等。微處理器編程微處理器編程是指使用匯編語言或高級(jí)語言編寫程序，以控制微處理器執(zhí)行特定任務(wù)。它涉及編寫指令序列，以控制微處理器的各個(gè)部件，包括運(yùn)算器、控制器和存儲(chǔ)器，完成數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算、控制流程等操作。1匯編語言低級(jí)語言，直接與硬件指令對(duì)應(yīng)。2高級(jí)語言更接近自然語言，易于理解和編寫。3編譯器將高級(jí)語言代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言。4調(diào)試器用于查找并修復(fù)程序中的錯(cuò)誤。微處理器編程涉及使用各種工具和技術(shù)，包括匯編語言、高級(jí)語言、編譯器、調(diào)試器等，以實(shí)現(xiàn)特定功能。微處理器編程是計(jì)算機(jī)科學(xué)的核心內(nèi)容，也是理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作原理的關(guān)鍵。微處理器性能評(píng)價(jià)1性能指標(biāo)評(píng)估微處理器性能的關(guān)鍵指標(biāo)包括時(shí)鐘頻率、指令集、緩存大小、流水線深度、并行處理能力等。2基準(zhǔn)測試通過標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)測試來衡量微處理器的實(shí)際性能，例如SPEC、Geekbench和PassMark等。3功耗和熱量評(píng)估微處理器在運(yùn)行時(shí)的功耗和散熱性能，以確保穩(wěn)定性和可靠性。4性價(jià)比綜合考慮性能、功耗、價(jià)格等因素，評(píng)估微處理器的性價(jià)比，選擇最優(yōu)方案。微處理器性能評(píng)價(jià)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中重要的環(huán)節(jié)，通過科學(xué)的評(píng)估方法和指標(biāo)體系，可以選擇最適合應(yīng)用場景的處理器，提升系統(tǒng)整體性能和效率。微處理器外設(shè)微處理器外設(shè)是指與微處理器連接的各種外部設(shè)備，擴(kuò)展了微處理器的功能，使其能夠與外部世界交互。1輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等，用于將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、音箱等，用于將數(shù)據(jù)輸出到外部世界。3存儲(chǔ)設(shè)備硬盤、光驅(qū)、U盤等，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序。4通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口卡、調(diào)制解調(diào)器等，用于與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。微處理器外設(shè)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不可缺少的一部分，它們?yōu)橛脩籼峁┝伺c計(jì)算機(jī)交互的便捷方式，豐富了計(jì)算機(jī)的功能。微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)1系統(tǒng)需求分析明確系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)，確定硬件和軟件配置。2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)選擇合適的系統(tǒng)架構(gòu)，包括總線結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器組織、外設(shè)接口等。3硬件設(shè)計(jì)選擇合適的微處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)等，并進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和布線。4軟件設(shè)計(jì)編寫操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。5系統(tǒng)測試與調(diào)試對(duì)硬件和軟件進(jìn)行測試，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。6系統(tǒng)文檔編寫撰寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)文檔、用戶手冊等，方便維護(hù)和升級(jí)。微處理器系統(tǒng)調(diào)試微處理器系統(tǒng)調(diào)試是指在開發(fā)和測試微處理器系統(tǒng)過程中，識(shí)別并解決系統(tǒng)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤和問題。1硬件調(diào)試檢查硬件連接、信號(hào)傳輸、時(shí)序關(guān)系等問題。2軟件調(diào)試識(shí)別并修復(fù)程序代碼中的邏輯錯(cuò)誤、語法錯(cuò)誤等。3系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求，解決硬件和軟件之間的兼容性問題。4性能調(diào)試優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高效率和可靠性。微處理器系統(tǒng)調(diào)試是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的工作，需要運(yùn)用多種調(diào)試工具和方法，才能有效地解決系統(tǒng)中的問題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。微處理器系統(tǒng)實(shí)例單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)是小型嵌入式系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于智能家電、工業(yè)控制和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。個(gè)人計(jì)算機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)是應(yīng)用最廣泛的微處理器系統(tǒng)，包括臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦和移動(dòng)設(shè)備等。服務(wù)器系統(tǒng)服務(wù)器系統(tǒng)是為網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具備高性能和高可靠性。超級(jí)計(jì)算機(jī)超級(jí)計(jì)算機(jī)是處理海量數(shù)據(jù)的強(qiáng)大計(jì)算系統(tǒng)，用于科學(xué)研究和數(shù)據(jù)分析。微處理器系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)微處理器在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，例如智能手機(jī)、家用電器和汽車電子等。服務(wù)器系統(tǒng)高性能微處理器用于搭建大型服務(wù)器系統(tǒng)，提供云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。工業(yè)自動(dòng)化微處理器控制機(jī)器人、生產(chǎn)線和其他工業(yè)設(shè)備，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。醫(yī)療設(shè)備微處理器應(yīng)用于醫(yī)療影像、診斷設(shè)備和治療儀器，提高醫(yī)療效率和精確度。科學(xué)研究微處理器用于超級(jí)計(jì)算機(jī)、科學(xué)儀器和數(shù)據(jù)分析，推動(dòng)科學(xué)研究和技術(shù)進(jìn)步。微處理器系統(tǒng)性能優(yōu)化1硬件優(yōu)化選擇更高性能的處理器，升級(jí)內(nèi)存和存儲(chǔ)設(shè)備，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，例如總線結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器組織。2軟件優(yōu)化優(yōu)化操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的性能，例如使用高效的算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼優(yōu)化技術(shù)，減少系統(tǒng)開銷。3系統(tǒng)優(yōu)化通過調(diào)整系統(tǒng)配置，例如電源管理、溫度控制和網(wǎng)絡(luò)配置，提升系統(tǒng)整體性能和效率。微處理器系統(tǒng)可靠性微處理器系統(tǒng)可靠性是指系統(tǒng)在各種環(huán)境和條件下，能夠持續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行，并提供預(yù)期功能的能力。1硬件可靠性處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)等硬件部件的質(zhì)量和耐用性。2軟件可靠性操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序等軟件的穩(wěn)定性和安全性。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性合理的系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)冗余和容錯(cuò)機(jī)制。4維護(hù)和更新定期維護(hù)、更新軟件和固件，修復(fù)漏洞，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。提高微處理器系統(tǒng)可靠性需要從硬件、軟件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。硬件可靠性是指硬件部件的質(zhì)量和耐用性，軟件可靠性是指軟件的穩(wěn)定性和安全性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性是指合理的系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)冗余和容錯(cuò)機(jī)制。微處理器系統(tǒng)安全性微處理器系統(tǒng)安全性是指系統(tǒng)能夠抵抗各種攻擊，保護(hù)數(shù)據(jù)和資源安全的能力。1硬件安全處理器、存儲(chǔ)器和外設(shè)的物理安全措施，防止硬件損壞或盜竊。2軟件安全操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的安全機(jī)制，防止惡意軟件攻擊和數(shù)據(jù)泄露。3網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)絡(luò)連接的安全性，防止網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)竊取。4數(shù)據(jù)安全數(shù)據(jù)加密、訪問控制和備份恢復(fù)機(jī)制，保護(hù)數(shù)據(jù)完整性和機(jī)密性。提高微處理器系統(tǒng)安全性需要從硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)多個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮安全因素，并采取必要的安全措施，確保系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。微處理器系統(tǒng)未來發(fā)展微處理器技術(shù)不斷發(fā)展，未來將會(huì)更加強(qiáng)大，功能更加豐富，應(yīng)用范圍更加廣泛。1更高性能多核處理器、并行計(jì)算，提升運(yùn)算速度。2更低功耗新型材料、工藝改進(jìn)，降低能耗。3更小尺寸集成度更高，芯片體積更小。4更強(qiáng)安全硬件和軟件安全措施，增強(qiáng)防攻擊能力。未來微處理器將會(huì)更加智能化，能夠更好地理解人類需求，更方便地與人進(jìn)行交互，推動(dòng)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展。課程總結(jié)1知識(shí)回顧本課程涵蓋了計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計(jì)的基本概念和原理，從數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)到微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2技能提升通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了數(shù)字邏輯電路分析與設(shè)計(jì)方法，具備微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的基本能力。3未來展望未來將繼續(xù)學(xué)習(xí)更深入的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。課程實(shí)踐課程實(shí)踐是鞏固理論知識(shí)，培養(yǎng)實(shí)踐技能的重要環(huán)節(jié)。1實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論，熟悉操作。2設(shè)計(jì)獨(dú)立完成，鍛煉思維。3項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)合作，解決問題。通過實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)和項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合，提升解決實(shí)際問題的能力。課程考核平時(shí)成績平時(shí)成績主要包括課堂參與、作業(yè)完成情況和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。期末考試期末考試以閉卷形式進(jìn)行，考察學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容