1、0计算机硬件基础知识n布尔代数布尔代数在数字电路中，1位二进制数码的1和0不仅可以表示数量的大小，而且可以表示两种不同的逻辑状态。布尔代数研究的是二值变量的运算规律。在布尔代数中变量的取值只能是“0”和“1”。它代表了事物对立或矛盾着的两个方面。在布尔代数中共有与、或、非三种基本运算。2023-9-201第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代数的基本布尔代数的基本运算运算1、与运算A 只有决定一件事情的所有条件全都具备之后，这件事情才会发生。2023-9-202第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代数的基布尔代数的基本运算本运算 2、或运算A决定一件事情的多个条件中只要
2、有一个条件具备，这件事情就会发生。2023-9-203第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代数的基布尔代数的基本运算本运算 3、非运算A条件不具备时，事情才会发生。反之亦然。2023-9-204第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代数的复合运算布尔代数的复合运算 1、与非运算2023-9-205第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代数的复合运算布尔代数的复合运算 2、或非运算2023-9-206第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代数的复合运算布尔代数的复合运算 3、异或运算 2023-9-207第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代
3、数的复合运算布尔代数的复合运算 4、同或运算2023-9-208第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代数的基本公式基本运算规则 与运算（逻辑乘）：A0=0，A1=A，AA=A，A A=0 或运算（逻辑加）：A+0=A，A+1=1，A+A=A，A+A=1 非运算（逻辑非）：A=A2023-9-209第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代数的基本公式基本定律 交换律：A B=B A，A+B=B+A 结合律：(A B)C=A(B C)，(A+B)+C=A+(B+C)分配律：A (B+C)=A B+A C，(A+B)C=(A+B)(A+C)吸收律：A (A+B)=A，A+A B
4、=A 摩根定律：A+B+C+.=A B C .A B C =A+B+C+.2023-9-2010第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代数的基本公式基本规则 代入规则：在任何一个包含变量A的逻辑等式中，若以另外一个逻辑式代入式中所有A的位置，则等式仍然成立。反演规则：对于任何一个逻辑函数式Y，若将其中所有的“”换成“+”，“+”换成“”，0换成1，1换成0，原变量换成反变量，反变量换成原变量，则得到的结果仍就是Y。2023-9-2011第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代数的基本公式基本定理 对偶规则：对于任何一个逻辑函数式Y，若将其中的“”换成“+”，“+”换成“”，
5、0换成1，1换成0，则得到一个新的逻辑式Y，成为Y的对偶式。若两个逻辑式相等，则它们的对偶式也相等。注意！在使用上述定理时应遵守如下规则：1、不得改变原逻辑式的计算顺序；2、不属于单个变量上的反号应保留不变。2023-9-2012第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n布尔代数的基本公式n常用公式2023-9-2013第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n逻辑函数及其应用逻辑函数的建立和表示方法1、依题意，确定开关A，B为逻辑变量，灯F为逻辑函数。并设开关A，B上合为0，下合为1，灯F亮为1，灭为0。2、列出真值表。2023-9-2014第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n逻
6、辑函数及其应用逻辑函数的建立和表示方法3、写出逻辑函数表达式2023-9-2015第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n逻辑函数及其应用逻辑真值表逻辑函数表达式逻辑图2023-9-2016第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n逻辑函数及其应用由真值表写逻辑函数表达式步骤：（1）找出使Y为1的那些输入变量取值的组合；2023-9-2017第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n逻辑函数及其应用由真值表写逻辑函数表达式步骤：（2）、对应每一取值组合，按1写原变量，0写反变量的方法组成一个乘积项；（3）、将乘积项相加即得。2023-9-2018第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知
7、识n逻辑函数及其应用由逻辑函数表达式写真值表例：写出逻辑函数的真值表。2023-9-2019第3章 计算机硬件系统0计算机硬件基础知识n逻辑函数及其应用由逻辑图写逻辑函数表达式例：已知逻辑图,写出其对应的逻辑函数表达式2023-9-2020第3章 计算机硬件系统1 计算机硬件系统的组成计算机硬件系统组成：计算机硬件系统组成：存储器存储器数据流数据流控制流控制流运算器运算器外存储器外存储器输输出出设设备备内存储器内存储器输输入入设设备备控制器控制器2023-9-2021第3章 计算机硬件系统2 中央处理器（CPU）n一位加法器（一位加法器（Binary Adder Circuits）半加器半加器
8、如果不考虑有来自低位的进位将两个如果不考虑有来自低位的进位将两个1位二进位二进制数相加，称为半加。实现半加运算的电路叫制数相加，称为半加。实现半加运算的电路叫做半加器。做半加器。2023-9-2022第3章 计算机硬件系统2 中央处理器（CPU）2023-9-2023第3章 计算机硬件系统&+ABSCo2 中央处理器（CPU）n一位加法器（一位加法器（Binary Adder Circuits）全加器全加器在将两个对应位二进制数相加时，考虑来自低在将两个对应位二进制数相加时，考虑来自低位的进位，既将位的进位，既将3个数相加的运算称为全加，个数相加的运算称为全加，其电路叫做全加器。其电路叫做全加
9、器。2023-9-2024第3章 计算机硬件系统 2 中央处理器（CPU）n运算器与计算机其他部件的关系：运算器与计算机其他部件的关系：与控制器的关系与控制器的关系运算器接收到控制器发来的各种运算控制命令，进运算器接收到控制器发来的各种运算控制命令，进行运算行运算运算过程中产生的各种信息，包括运算结果特征标运算过程中产生的各种信息，包括运算结果特征标志和状态信息，再反馈给控制器志和状态信息，再反馈给控制器与存储器的关系与存储器的关系存储器可以把参加运算的数据传送给运算器；存储器可以把参加运算的数据传送给运算器；运算器也可把运算结果传送给存储器，同时运算器运算器也可把运算结果传送给存储器，同时运
10、算器提供存储器的地址。提供存储器的地址。2023-9-2025第3章 计算机硬件系统 2 中央处理器（CPU）n运算器的工作原理：运算器的工作原理：运算器的原理运算器的原理各种复杂的运算处理最终可分解为四则运算各种复杂的运算处理最终可分解为四则运算与基本的逻辑运算与基本的逻辑运算四则运算的核心是四则运算的核心是加法加法运算。运算。可以通过补码运算化减为加可以通过补码运算化减为加加减运算与移位加减运算与移位结合结合可以实现乘除运算可以实现乘除运算阶码与尾数的运算组合可以实现浮点运算。阶码与尾数的运算组合可以实现浮点运算。2023-9-2026第3章 计算机硬件系统 2 中央处理器（CPU）控制器
11、：控制器：n控制器控制器是中央处理器的重要组成部分是中央处理器的重要组成部分是整个系统的指挥中心，在控制器的控是整个系统的指挥中心，在控制器的控制之下，运算器、存储器和输入输出设制之下，运算器、存储器和输入输出设备等部件构成了一个有机的整体备等部件构成了一个有机的整体2023-9-2027第3章 计算机硬件系统 2 中央处理器（CPU）控制器的功能：控制器的功能：n控制器的基本功能控制器的基本功能负责指令的读出，进行识别和解释，并负责指令的读出，进行识别和解释，并指挥协调各功能部件执行指令。指挥协调各功能部件执行指令。2023-9-2028第3章 计算机硬件系统 2 中央处理器（CPU）控制器
12、的功能：控制器的功能：1）程序控制程序控制保证机器按一定顺序执行程序是控制器的首要任务；保证机器按一定顺序执行程序是控制器的首要任务；2）操作控制操作控制指令的功能是由若干个操作信号的组合来实现的；指令的功能是由若干个操作信号的组合来实现的；3）时间控制时间控制对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。各种指令的操作信各种指令的操作信 号均受到时间的严格控制；号均受到时间的严格控制；一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制；一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制；4）数据加工数据加工2023-9-2029第3章 计算机硬件系统 2 中央处理器（CPU
13、）控制器的组成：控制器的组成：（1）指令部件指令部件程序计数器程序计数器(PC)、指令寄存器、指令寄存器(IR)、指令译码器、指令译码器（ID）、程序状态寄存器（）、程序状态寄存器（PSW）和地址形成部件等。）和地址形成部件等。（2）时序部件时序部件 时序部件就是用来产生各部件所需要的定时控制信号时序部件就是用来产生各部件所需要的定时控制信号的部件。时序信号一般由工作周期，工作节拍及工作的部件。时序信号一般由工作周期，工作节拍及工作时标脉冲三级时序信号构成。时标脉冲三级时序信号构成。2023-9-2030第3章 计算机硬件系统 2 中央处理器（CPU）控制器的组成：控制器的组成：（3）微操作控
14、制线路微操作控制线路 微操作是指计算机中最基本的操作；微操作控制逻辑，微操作是指计算机中最基本的操作；微操作控制逻辑，用来产生机器所需的全部的微操作信号。用来产生机器所需的全部的微操作信号。微操作控制逻辑的作用是把操作码译码器输出的控制微操作控制逻辑的作用是把操作码译码器输出的控制电位，时序信号以及各种控制条件进行组合，按一定电位，时序信号以及各种控制条件进行组合，按一定时间顺序产生并发出一系列微操作控制信号，以完成时间顺序产生并发出一系列微操作控制信号，以完成指令规定的全部操作。指令规定的全部操作。（4）中断控制逻辑中断控制逻辑 中断控制逻辑用来控制中断处理的硬件逻辑。中断控制逻辑用来控制中
15、断处理的硬件逻辑。2023-9-2031第3章 计算机硬件系统 2 中央处理器（CPU）摩尔定律与处理器的发展摩尔定律与处理器的发展n摩尔定律归纳起来包括以下几点：摩尔定律归纳起来包括以下几点：（1）芯片技术发展具有周期性，周期是）芯片技术发展具有周期性，周期是18-24个月；个月；（2）芯片上所集成的门电路的数目，每隔一个周期就翻一番；）芯片上所集成的门电路的数目，每隔一个周期就翻一番；（3）处理器的性能每隔一个周期提高一倍，并且价格同比下）处理器的性能每隔一个周期提高一倍，并且价格同比下降一倍。降一倍。2023-9-2032第3章 计算机硬件系统 3 存储器主存储器的两种主要形式：主存储器
16、的两种主要形式：n 随机存取存储器（随机存取存储器（Random-Access Memory，简称，简称RAM）n 只读存储器（只读存储器（Read-Only Memory，简称，简称ROM）2023-9-2033第3章 计算机硬件系统 3 存储器n随机存取存储器随机存取存储器RAMRAM能随机地对存储器中的任何单元进能随机地对存储器中的任何单元进行存取，且与存取的时间和该单元的物理行存取，且与存取的时间和该单元的物理位置无关。位置无关。2023-9-2034第3章 计算机硬件系统 3 存储器n 随机存取存储器随机存取存储器RAM 静态静态SRAM只要保持供电，它总能保持两个稳定的状态中的一个
17、只要保持供电，它总能保持两个稳定的状态中的一个状态。状态。是利用双稳态触发器的开关特性进行记忆是利用双稳态触发器的开关特性进行记忆动态动态DRAM靠靠MOS电路中的栅极电容来记忆信息电路中的栅极电容来记忆信息由于电容的电荷会泄漏，除要保持电源外，还必须设由于电容的电荷会泄漏，除要保持电源外，还必须设置刷新电路，动态地每隔一定的时间间隔对它进行一置刷新电路，动态地每隔一定的时间间隔对它进行一次刷新，否则信息就会丢失。次刷新，否则信息就会丢失。2023-9-2035第3章 计算机硬件系统 3 存储器n 随机存取存储器随机存取存储器RAM SRAM读写速度快而成本也高，读写速度快而成本也高，DRAM
18、比比SRAM集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作大容集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作大容量存储器。量存储器。主内存通常采用主内存通常采用DRAM，而高速缓冲存储器，而高速缓冲存储器（Cache）则使用）则使用SRAM。2023-9-2036第3章 计算机硬件系统 3 存储器n 只读存储器（只读存储器（Read-Only Memory，简称，简称ROM）是一种在机器运行过程中只能读出、不能写是一种在机器运行过程中只能读出、不能写入信息的存储器入信息的存储器采用非易失性器件制造采用非易失性器件制造没有电源时，其存储的信息也能长期保存。没有电源时，其存储的信息也能长期保存。它所存储的信息是用
19、特殊方式写入的。它所存储的信息是用特殊方式写入的。主要用于存储器经常要用的一些固定信息主要用于存储器经常要用的一些固定信息。2023-9-2037第3章 计算机硬件系统 3 存储器ROM的主要功能：的主要功能：n 功能：主要用于存储器经常要用的一些固定信息。功能：主要用于存储器经常要用的一些固定信息。ROM在计算机中主要用来保存出厂的一些固定设在计算机中主要用来保存出厂的一些固定设置和系统硬件引导程序，即通常所谓置和系统硬件引导程序，即通常所谓BIOS，ROM技术也用于一些固件产品中。技术也用于一些固件产品中。2023-9-2038第3章 计算机硬件系统输入输入/输出输出设备设备数据通信设备数
20、据通信设备外存储设备（硬磁盘、软磁盘、光盘）外存储设备（硬磁盘、软磁盘、光盘）多媒体多媒体数数/模、模模、模/数转换数转换汉字处理设备汉字处理设备终端设备（键盘终端设备（键盘+显示器）显示器）输入输入设备设备输出输出设备设备语音输出语音输出语言与文字输入语言与文字输入光学字符识别光学字符识别键盘键盘条形码条形码图形输入设备（鼠标器、图形板、跟踪球、操纵杆、光笔）图形输入设备（鼠标器、图形板、跟踪球、操纵杆、光笔）图象输入设备（摄像机、扫描仪、传真机）图象输入设备（摄像机、扫描仪、传真机）绘图机（平板式、滚筒式）绘图机（平板式、滚筒式）打印设备（点阵式打印机、激光打印机、喷墨打印机）打印设备（点
21、阵式打印机、激光打印机、喷墨打印机）显示器（字符、汉字、图形、图象、液晶、等离子）显示器（字符、汉字、图形、图象、液晶、等离子）4 输入输出设备2023-9-2039第3章 计算机硬件系统n总线的基本概念：总线的基本概念：总线是连接两个或多个功能部件的一组共享的信息传总线是连接两个或多个功能部件的一组共享的信息传输线，是多个部件共享传输介质。输线，是多个部件共享传输介质。一个部件发出的信号可以被连接到总线上的其他所有一个部件发出的信号可以被连接到总线上的其他所有部件所接收。部件所接收。总线通常由许多传输线或通路构成，在并行传输条件总线通常由许多传输线或通路构成，在并行传输条件下，每条线可传输一
22、位二进制信息，若干条线可同时下，每条线可传输一位二进制信息，若干条线可同时传输多位二进制信息。传输多位二进制信息。计算机系统中含有多种总线，在各个层次上提供部件计算机系统中含有多种总线，在各个层次上提供部件之间连接和信息交换的通路。之间连接和信息交换的通路。5 计算机总线2023-9-2040第3章 计算机硬件系统n根据所连接部件的不同，根据所连接部件的不同，总线总线分成三种类分成三种类型型：内部总线：内部总线：指芯片内部连接各元件的总线。指芯片内部连接各元件的总线。例如例如CPUCPU芯片内部，在各个寄存器、芯片内部，在各个寄存器、ALUALU、指令部件等各元件之、指令部件等各元件之间也有总
23、线相连。间也有总线相连。系统总线：系统总线：指连接指连接CPUCPU、存储器和各种、存储器和各种I/OI/O模块等主要模块等主要部件的总线。部件的总线。由于这些部件通常制作在插件板卡上，所以连接这些部件的总由于这些部件通常制作在插件板卡上，所以连接这些部件的总线一般是主板式或底板式总线线一般是主板式或底板式总线I/OI/O总线：总线：这类总线用于主机和这类总线用于主机和I/OI/O设备之间或计算机设备之间或计算机系统之间的通信。系统之间的通信。由于这类连接涉及到许多方面，包括：距离远近、速度快慢、由于这类连接涉及到许多方面，包括：距离远近、速度快慢、工作方式等，差异很大，所以工作方式等，差异很
24、大，所以I/OI/O总线的种类很多。总线的种类很多。5 计算机总线2023-9-2041第3章 计算机硬件系统n总线的数据传输方式：总线的数据传输方式：串行传输串行传输串行总线的数据在数据线上按位进行传输，因此只串行总线的数据在数据线上按位进行传输，因此只需要一根数据线，线路的成本低，适合于远距离的需要一根数据线，线路的成本低，适合于远距离的数据传输。数据传输。并行传输并行传输并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送，并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送，每一位要有一根数据线，因此有多根数据线。并行每一位要有一根数据线，因此有多根数据线。并行传输比串行传输速度要快得多，但需要更多的传输
25、传输比串行传输速度要快得多，但需要更多的传输线。线。5 计算机总线2023-9-2042第3章 计算机硬件系统n 基于冯基于冯诺伊曼模型建造的计算机分为诺伊曼模型建造的计算机分为五五个子系统：存储个子系统：存储器、算术器、算术/逻辑单元、控制单元和输入逻辑单元、控制单元和输入/输出单元。而从现输出单元。而从现代的观点来看，计算机的硬件基本组成包括处理器、存储代的观点来看，计算机的硬件基本组成包括处理器、存储器、总线、输入和输出设备。器、总线、输入和输出设备。n 处理器也叫处理器也叫CPU，是计算机的核心部件。，是计算机的核心部件。CPU包含了运包含了运算器和控制器，以及为保证它们高速运行所需的
26、寄存器。算器和控制器，以及为保证它们高速运行所需的寄存器。n 运算器是计算机进行算术运算和逻辑运算的重要部件。运运算器是计算机进行算术运算和逻辑运算的重要部件。运算器的逻辑结构取决于机器指令系统、数据表示方法、运算器的逻辑结构取决于机器指令系统、数据表示方法、运算方法和电路等。算方法和电路等。本章小结本章小结2023-9-2043第3章 计算机硬件系统n 控制器的主要功能就在于：正确地分步完成每一条指令规控制器的主要功能就在于：正确地分步完成每一条指令规定的功能，正确且自动地连续执行指令。定的功能，正确且自动地连续执行指令。n 摩尔定律指出：处理器每隔一个摩尔周期，性能就提高一摩尔定律指出：处
27、理器每隔一个摩尔周期，性能就提高一倍，而单位能力的成本下降一半。倍，而单位能力的成本下降一半。n 存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，是冯是冯诺依曼结构计算机的重要组成部分。计算机中的全诺依曼结构计算机的重要组成部分。计算机中的全部信息，包括输入的数据、运行的程序、运算的中间结果部信息，包括输入的数据、运行的程序、运算的中间结果和最终结果都保存在存储器中。和最终结果都保存在存储器中。本章小结本章小结2023-9-2044第3章 计算机硬件系统n 存储器包括主存储器（常称内存或主存）和辅助存储器（也称外存）存储器包括主存储器（常
28、称内存或主存）和辅助存储器（也称外存）两大类。计算机中的存储器由于成本、速度、容量等方面的原因，综两大类。计算机中的存储器由于成本、速度、容量等方面的原因，综合设计成多层次的存储体系。合设计成多层次的存储体系。n 辅助存储器是主存储器的后援存储设备，用以存放当前暂时不用的程辅助存储器是主存储器的后援存储设备，用以存放当前暂时不用的程序或数据。对辅助存储器的基本要求是：容量大、成本低、可以长时序或数据。对辅助存储器的基本要求是：容量大、成本低、可以长时间不加电保存信息。目前主要有磁记录、光记录两类，具体形式如磁间不加电保存信息。目前主要有磁记录、光记录两类，具体形式如磁盘、磁带、光盘、光磁盘、闪
29、存等。盘、磁带、光盘、光磁盘、闪存等。n 输入输入/输出设备是计算机基本功能部件，由于其通常作为单独的设备输出设备是计算机基本功能部件，由于其通常作为单独的设备配置在主机之外，又称为计算机外围设备（简称外设或配置在主机之外，又称为计算机外围设备（简称外设或I/O设备）。设备）。它们是计算机与人和计算机与其他机器之间建立关系的设备。它们是计算机与人和计算机与其他机器之间建立关系的设备。本章小结本章小结2023-9-2045第3章 计算机硬件系统n 计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数字化仪和手写板等。计算机常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数字化仪和手写板等。计算机常用的输出设备从用途
30、上可以分为显示设备（显示器）；打印计算机常用的输出设备从用途上可以分为显示设备（显示器）；打印设备（打印机）；音频输出设备等。设备（打印机）；音频输出设备等。n 总线是计算机中各部件之间传输数据的公共通道。总线一般通过分时总线是计算机中各部件之间传输数据的公共通道。总线一般通过分时复用的方式，将信息从一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件。复用的方式，将信息从一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件。n 计算机系统中的总线大致分为内部总线、系统总线和计算机系统中的总线大致分为内部总线、系统总线和I/O总线总线n 通用串行总线（通用串行总线（USB）不是一种新的总线标准，而是应用在）不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域领域的接口技术。的接口技术。USB具有传输速度快，使用方便，支持热插拔，连接灵具有传输速度快，使用方便，支持热插拔，连接灵活，独立供电等优点。活，独立供电等优点。本章小结本章小结2023-9-2046第3章 计算机硬件系统
