東南大學信息學院-計算機結(jié)構(gòu)與邏輯設計課件MSI電路

課程簡介本課程將深入淺出地介紹計算機體系結(jié)構(gòu)與邏輯設計，涉及數(shù)字邏輯電路基礎、組合邏輯電路、時序邏輯電路、存儲器、總線和接口、微處理器結(jié)構(gòu)等內(nèi)容。通過學習本課程，學生將掌握計算機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的基本原理，并具備設計和分析簡單數(shù)字邏輯電路的能力。ppbypptppt計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機系統(tǒng)硬件組織方式和工作原理的描述。它定義了計算機系統(tǒng)各個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指令集定義了計算機系統(tǒng)能夠執(zhí)行的指令集合。3存儲器組織包括主存、輔存的組織方式和管理策略。4輸入輸出定義了計算機系統(tǒng)與外部設備之間的通信方式。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是連接硬件和軟件的橋梁，決定了計算機系統(tǒng)的性能和功能。數(shù)字邏輯電路基礎基本邏輯運算包括與、或、非、異或等基本邏輯運算，是構(gòu)成復雜邏輯電路的基礎。邏輯代數(shù)利用邏輯代數(shù)工具對邏輯電路進行分析和設計，簡化電路結(jié)構(gòu)，提高電路效率。邏輯門用硬件實現(xiàn)基本邏輯運算的邏輯門，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)為基礎進行邏輯電路的分析和設計，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前輸入的電路，沒有記憶功能。1加法器實現(xiàn)二進制數(shù)的加法運算。2譯碼器將二進制代碼轉(zhuǎn)換為特定的輸出信號。3編碼器將特定的輸入信號轉(zhuǎn)換為二進制代碼。4比較器比較兩個輸入信號的大小。組合邏輯電路在計算機系統(tǒng)中廣泛應用，例如運算器、地址譯碼器等。組合邏輯電路設計實例1全加器全加器可以實現(xiàn)兩個二進制數(shù)的加法運算，并考慮進位。2譯碼器譯碼器將二進制代碼轉(zhuǎn)換為特定的輸出信號，例如地址譯碼。3編碼器編碼器將特定的輸入信號轉(zhuǎn)換為二進制代碼，例如鍵盤編碼。時序邏輯電路基本概念時序邏輯電路是指輸出不僅取決于當前輸入，還取決于電路的歷史狀態(tài)。觸發(fā)器觸發(fā)器是存儲一個二進制位的基本單元，是構(gòu)建時序邏輯電路的核心。狀態(tài)機狀態(tài)機是根據(jù)輸入和當前狀態(tài)產(chǎn)生輸出和下一個狀態(tài)的時序邏輯電路。時序邏輯電路設計設計時序邏輯電路需要考慮狀態(tài)轉(zhuǎn)換、時鐘信號、同步與異步控制等因素。時序邏輯電路設計實例本節(jié)將通過幾個典型的時序邏輯電路設計實例來加深對時序邏輯電路設計的理解。1同步計數(shù)器同步計數(shù)器是一種常用的時序邏輯電路，用于計數(shù)脈沖。2移位寄存器移位寄存器用于存儲和移位數(shù)據(jù)。3狀態(tài)機狀態(tài)機用于實現(xiàn)各種控制功能。寄存器寄存器是計算機系統(tǒng)中用來存儲數(shù)據(jù)的基本單元。它由若干個觸發(fā)器組成，每個觸發(fā)器可以存儲一位二進制數(shù)據(jù)。寄存器可以用來存儲指令、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堆棧寄存器用于實現(xiàn)堆棧操作，存放棧頂?shù)刂沸畔?。計?shù)器1基本概念計數(shù)器是用來計數(shù)的時序邏輯電路，它根據(jù)輸入的時鐘脈沖改變自身的狀態(tài)，實現(xiàn)計數(shù)功能。計數(shù)器的狀態(tài)變化由觸發(fā)器的狀態(tài)變化來實現(xiàn)，每個觸發(fā)器對應計數(shù)器的一位。2種類常見的計數(shù)器類型包括同步計數(shù)器、異步計數(shù)器、二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器、可控計數(shù)器等，它們根據(jù)實現(xiàn)方式和計數(shù)進制的不同而分類。3應用計數(shù)器廣泛應用于計算機系統(tǒng)中，例如時鐘計時、數(shù)據(jù)計數(shù)、地址生成等，它們是構(gòu)建復雜時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)控制信號將數(shù)據(jù)向左或向右移動。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)。應用移位寄存器廣泛應用于數(shù)據(jù)傳輸、代碼轉(zhuǎn)換、序列生成、延時電路等。結(jié)構(gòu)移位寄存器由多個觸發(fā)器組成，每個觸發(fā)器對應一位數(shù)據(jù)，觸發(fā)器之間通過移位控制信號連接。存儲器存儲器是計算機系統(tǒng)中用于存儲數(shù)據(jù)的部件，是計算機的重要組成部分。1主存儲器主要用于存放CPU正在運行的程序和數(shù)據(jù)。2輔助存儲器用于存放長期保存的數(shù)據(jù)，如操作系統(tǒng)、應用程序等。3高速緩存位于主存儲器和CPU之間，用于加速數(shù)據(jù)訪問。存儲器根據(jù)訪問速度和容量可分為主存儲器、輔助存儲器和高速緩存，它們共同構(gòu)成計算機系統(tǒng)的存儲體系。存儲器訪問控制存儲器訪問控制是指計算機系統(tǒng)對不同用戶或程序訪問存儲器的權(quán)限進行限制。存儲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^(qū)域的讀寫權(quán)限。3保護機制防止程序非法訪問其他程序的內(nèi)存空間。總線和接口1總線總線是計算機系統(tǒng)中連接各個部件的通路，用于傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號。2接口接口是連接不同設備或系統(tǒng)的橋梁，負責協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)格式和信號傳輸。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算機的核心，包含運算器、控制器和寄存器組。運算器運算器負責執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算，如加減乘除、比較和位運算等?？刂破骺刂破髫撠熆刂莆⑻幚砥鲀?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各種臨時數(shù)據(jù)，如指令、地址和運算結(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)運算、邏輯運算、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)運算指令、邏輯運算指令、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語言編寫程序，以控制微處理器執(zhí)行特定任務。它涉及編寫指令序列，以控制微處理器的各個部件，包括運算器、控制器和存儲器，完成數(shù)據(jù)處理、邏輯運算、控制流程等操作。1匯編語言低級語言，直接與硬件指令對應。2高級語言更接近自然語言，易于理解和編寫。3編譯器將高級語言代碼轉(zhuǎn)換為機器語言。4調(diào)試器用于查找并修復程序中的錯誤。微處理器編程涉及使用各種工具和技術(shù)，包括匯編語言、高級語言、編譯器、調(diào)試器等，以實現(xiàn)特定功能。微處理器編程是計算機科學的核心內(nèi)容，也是理解計算機系統(tǒng)工作原理的關(guān)鍵。微處理器性能評價1性能指標評估微處理器性能的關(guān)鍵指標包括時鐘頻率、指令集、緩存大小、流水線深度、并行處理能力等。2基準測試通過標準基準測試來衡量微處理器的實際性能，例如SPEC、Geekbench和PassMark等。3功耗和熱量評估微處理器在運行時的功耗和散熱性能，以確保穩(wěn)定性和可靠性。4性價比綜合考慮性能、功耗、價格等因素，評估微處理器的性價比，選擇最優(yōu)方案。微處理器性能評價是計算機系統(tǒng)設計和優(yōu)化中重要的環(huán)節(jié)，通過科學的評估方法和指標體系，可以選擇最適合應用場景的處理器，提升系統(tǒng)整體性能和效率。微處理器外設微處理器外設是指與微處理器連接的各種外部設備，擴展了微處理器的功能，使其能夠與外部世界交互。1輸入設備鍵盤、鼠標、掃描儀等，用于將數(shù)據(jù)輸入到計算機系統(tǒng)。2輸出設備顯示器、打印機、音箱等，用于將數(shù)據(jù)輸出到外部世界。3存儲設備硬盤、光驅(qū)、U盤等，用于存儲數(shù)據(jù)和程序。4通信設備網(wǎng)絡接口卡、調(diào)制解調(diào)器等，用于與其他設備進行數(shù)據(jù)通信。微處理器外設是計算機系統(tǒng)不可缺少的一部分，它們?yōu)橛脩籼峁┝伺c計算機交互的便捷方式，豐富了計算機的功能。微處理器系統(tǒng)設計1系統(tǒng)需求分析明確系統(tǒng)功能、性能指標，確定硬件和軟件配置。2系統(tǒng)架構(gòu)設計選擇合適的系統(tǒng)架構(gòu)，包括總線結(jié)構(gòu)、存儲器組織、外設接口等。3硬件設計選擇合適的微處理器、存儲器、外設等，并進行電路設計和布線。4軟件設計編寫操作系統(tǒng)、應用程序和驅(qū)動程序等，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。5系統(tǒng)測試與調(diào)試對硬件和軟件進行測試，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)設計文檔、用戶手冊等，方便維護和升級。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，識別并解決系統(tǒng)中出現(xiàn)的錯誤和問題。1硬件調(diào)試檢查硬件連接、信號傳輸、時序關(guān)系等問題。2軟件調(diào)試識別并修復程序代碼中的邏輯錯誤、語法錯誤等。3系統(tǒng)調(diào)試驗證整個系統(tǒng)是否滿足設計要求，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)試是一項復雜而重要的工作，需要運用多種調(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)定運行。微處理器系統(tǒng)實例單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)是小型嵌入式系統(tǒng)，廣泛應用于智能家電、工業(yè)控制和消費電子等領(lǐng)域。個人計算機個人計算機是應用最廣泛的微處理器系統(tǒng)，包括臺式機、筆記本電腦和移動設備等。服務器系統(tǒng)服務器系統(tǒng)是為網(wǎng)絡提供服務的計算機系統(tǒng)，具備高性能和高可靠性。超級計算機超級計算機是處理海量數(shù)據(jù)的強大計算系統(tǒng)，用于科學研究和數(shù)據(jù)分析。微處理器系統(tǒng)應用嵌入式系統(tǒng)微處理器在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應用，例如智能手機、家用電器和汽車電子等。服務器系統(tǒng)高性能微處理器用于搭建大型服務器系統(tǒng)，提供云計算、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡服務。工業(yè)自動化微處理器控制機器人、生產(chǎn)線和其他工業(yè)設備，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。醫(yī)療設備微處理器應用于醫(yī)療影像、診斷設備和治療儀器，提高醫(yī)療效率和精確度?？茖W研究微處理器用于超級計算機、科學儀器和數(shù)據(jù)分析，推動科學研究和技術(shù)進步。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，升級內(nèi)存和存儲設備，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，例如總線結(jié)構(gòu)和存儲器組織。2軟件優(yōu)化優(yōu)化操作系統(tǒng)和應用程序的性能，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)定地運行，并提供預期功能的能力。1硬件可靠性處理器、存儲器、外設等硬件部件的質(zhì)量和耐用性。2軟件可靠性操作系統(tǒng)、應用程序和驅(qū)動程序等軟件的穩(wěn)定性和安全性。3系統(tǒng)設計可靠性合理的系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)冗余和容錯機制。4維護和更新定期維護、更新軟件和固件，修復漏洞，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)設計多個方面進行綜合考慮。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)設計可靠性是指合理的系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)冗余和容錯機制。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，保護數(shù)據(jù)和資源安全的能力。1硬件安全處理器、存儲器和外設的物理安全措施，防止硬件損壞或盜竊。2軟件安全操作系統(tǒng)和應用程序的安全機制，防止惡意軟件攻擊和數(shù)據(jù)泄露。3網(wǎng)絡安全網(wǎng)絡連接的安全性，防止網(wǎng)絡攻擊和數(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機制，保護數(shù)據(jù)完整性和機密性。提高微處理器系統(tǒng)安全性需要從硬件、軟件、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)多個方面進行綜合考慮。在設計和實現(xiàn)系統(tǒng)時，應充分考慮安全因素，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，未來將會更加強大，功能更加豐富，應用范圍更加廣泛。1更高性能多核處理器、并行計算，提升運算速度。2更低功耗新型材料、工藝改進，降低能耗。3更小尺寸集成度更高，芯片體積更小。4更強安全硬件和軟件安全措施，增強防攻擊能力。未來微處理器將會更加智能化，能夠更好地理解人類需求，更方便地與人進行交互，推動人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展。課程總結(jié)1知識回顧本課程涵蓋了計算機結(jié)構(gòu)與邏輯設計的基本概念和原理，從數(shù)字邏輯電路基礎到微處理器系統(tǒng)設計。2技能提升通過課程學習，學生掌握了數(shù)字邏輯電路分析與設計方法，具備微處理器系統(tǒng)設計與應用的基本能力。3未來展望未來將繼續(xù)學習更深入的計算機體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設計知識，應用所學知識解決實際問題。課程實踐課程實踐是鞏固理論知識，培養(yǎng)實踐技能的重要環(huán)節(jié)。1實驗驗證理論，熟悉操作。2設計獨立完成，鍛煉思維。3項目團隊合作，解決問題。通過實驗、設計和項目實踐，學生將理論與實踐相結(jié)合，提升解決實際問題的能力。課程考核平時成績平時成績主要包括課堂參與、作業(yè)完成情況和實驗結(jié)果。期末考試期末考試以閉卷形式進行，考察學生對課程內(nèi)容