計算機組成原理課件第1章計算機系統(tǒng)概論

計算機是一種能夠自動、高速解決數(shù)學問題及邏輯問題的現(xiàn)代化電子裝置。一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，硬件構(gòu)成了計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件則是計算機系統(tǒng)的應用基礎(chǔ)。自從1946年第一臺計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）誕生到第五代計算機的出現(xiàn)，計算機的硬件和軟件正朝著相互滲透、相互融合的方向發(fā)展，計算機的應用領(lǐng)域也已經(jīng)涉及到了各行各業(yè)，現(xiàn)代計算機的設(shè)計理念和設(shè)計技術(shù)更是日新月異。2計算機系統(tǒng)的分類計算機硬件的組成及功能計算機軟件的分類計算機的分類及應用領(lǐng)域現(xiàn)代計算機應用技術(shù)本章要點：31.1計算機的硬件系統(tǒng)計算機硬件（Hardware）是指計算機系統(tǒng)使用的電子線路和電子元件等物理設(shè)備的總稱。硬件是構(gòu)成計算機的物質(zhì)基礎(chǔ)，是計算機系統(tǒng)的核心。41.1.1馮·諾依曼計算機

計算機硬件（Hardware）是指計算機系統(tǒng)使用的電子線路和電子元件等物理設(shè)備的總稱。硬件是構(gòu)成計算機的物質(zhì)基礎(chǔ)，是計算機系統(tǒng)的核心。20世紀40年代中期，美國科學家馮·諾依曼大膽的提出了采用二進制作為數(shù)字計算機的數(shù)制基礎(chǔ)的理論。同時，他還提出了計算機組成結(jié)構(gòu)、程序存儲和程序設(shè)計等思想。人們把馮·諾依曼的這些理論總結(jié)為馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。5從ENIAC到當前最先進的計算機都采用的是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。所以馮·諾依曼是當之無愧的數(shù)字計算機之父。馮·諾依曼指出計算機硬件系統(tǒng)應由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。根據(jù)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的計算機必須具有如下特征：程序和數(shù)據(jù)在計算機中以二進制的方式執(zhí)行。必須能夠記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最終運算結(jié)果。6具有完成各種算術(shù)、邏輯運算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理的能力。指令由操作碼和地址碼組成。能夠根據(jù)需要控制程序走向，并能根據(jù)指令控制機器的各部件協(xié)調(diào)操作。輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備存儲器圖1-1馮·諾依曼型計算機的基本結(jié)構(gòu)7半個世紀以來，計算機已發(fā)展為一個龐大的家族，盡管各種類型的計算機的性能、結(jié)構(gòu)、應用等方面存在著差別，但是它們的基本組成結(jié)構(gòu)卻是相同的。現(xiàn)代計算機仍然采用的是馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，硬件系統(tǒng)仍由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備構(gòu)成。1.1.2計算機硬件組成

8在計算機中，運算器是一種執(zhí)行部件。其主要任務是完成信息的加工處理。這些處理主要有加、減、乘、除等算術(shù)運算和與、或、非、異或、同或等邏輯運算。運算器主要由運算邏輯單元ALU和寄存器兩部分組成，寄存器部件用來提供參與運算的操作數(shù)，并暫時存放運算結(jié)果，執(zhí)行流程如圖1-2所示。圖中寄存器A和寄存器B主要保存從內(nèi)存儲器取來的操作數(shù)，然后運算邏輯單元ALU對兩個寄存器中的數(shù)據(jù)進行算術(shù)或邏輯運算，并將運算結(jié)果送給寄存器A暫時存放。1.運算器

9寄存器A寄存器B運算邏輯單元ALU圖1-2運算器結(jié)構(gòu)圖10數(shù)據(jù)在計算機中通常以二進制數(shù)形式存儲和運算，這是因為二進制數(shù)的運算規(guī)律較為簡單。二進制數(shù)就是以2為基數(shù)來計數(shù)，即逢二進一，在二進制中只有0和1兩個獨立的數(shù)符，而這恰好能夠與電子器件中電壓的高低、脈沖的有無對應起來，在電路中容易實現(xiàn)。

11控制器是計算機的控制中心?？刂破髯鳛镃PU（中央處理器）的核心部件主要用來協(xié)調(diào)計算機的工作，完成程序信息的處理和數(shù)據(jù)的輸入/輸出?？刂破鞯膶崿F(xiàn)方法有兩種，即組合邏輯方法和微程序控制方法。組合邏輯方法的特點是以集成電路來產(chǎn)生指令執(zhí)行的微操作信號。具有程序執(zhí)行的速度快，控制單元的體積小等優(yōu)點。近年來隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，組合邏輯方法得到了廣泛的應用。2.控制器12微程序控制方法相對于組合邏輯方法來說設(shè)計過程比較復雜，但并不像設(shè)計組合邏輯控制電路那么煩瑣、不規(guī)則，而是有一定規(guī)律可循，修改起來也方便。尤其是可編程只讀存儲器的應用，為微程序控制器的設(shè)計提供了更大的靈活性和適用性，進而使微程序設(shè)計技術(shù)的應用越來越廣泛。目前已在中、小型和微型計算機中得到廣泛的應用，只是在一些巨型、大型計算機中，由于速度的限制不宜采用微程序控制技術(shù)。13存儲器的主要功能是存放程序與數(shù)據(jù)。程序是計算機操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是計算機操作的對象。程序和數(shù)據(jù)在存儲器中都是以二進制的形式表示，每8位二進制劃分為一個存儲單元。訪問存儲單元中程序與數(shù)據(jù)必須先給出該單元地址。存儲器主要由存儲體、地址寄存器與譯碼線路、讀寫電路與數(shù)據(jù)寄存器、控制線路等構(gòu)成，包括ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機存取存儲器）兩種。3.存儲器14

輸入設(shè)備的任務是輸入用戶提供的原始信息，并且將其轉(zhuǎn)換為計算機能識別的信息。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標、掃描儀等。4.輸入設(shè)備15輸出設(shè)備的任務是將計算機的處理結(jié)果以能被人們接受的或能為其他計算機所接受的形式輸出。常用的輸出設(shè)備有：打印機、顯示器、繪圖儀等。一般情況下，由于輸入、輸出設(shè)備種類繁多而且速度各異，因此它們一般不是直接同高速工作的主機相連接，而是通過適配器部件與主機相聯(lián)系，適配器的作用相當于一個轉(zhuǎn)換器。5.輸出設(shè)備16說明：除了上述五個部件外，計算機系統(tǒng)中還必須有總線。計算機通過總線將五大部件連接起來，總線是它們相互通信的公共通路，主要任務是在各部件之間傳送地址信息、數(shù)據(jù)信息和控制信息。因此，總線通常包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。思考：聯(lián)系實際應用，請列舉你所熟知計算機的輸入/輸出設(shè)備都有那些？171.2計算機的軟件系統(tǒng)監(jiān)控程序計算機軟件系統(tǒng)語言處理程序應用軟件科學計算數(shù)據(jù)處理自動控制系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)工程設(shè)計軟件（Software）是計算機系統(tǒng)中使用的各種程序，而軟件系統(tǒng)是指揮整個計算機硬件系統(tǒng)工作的程序集合。軟件系統(tǒng)所包含的內(nèi)容非常豐富，因而對其分類也較為困難。圖1-3給出了現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的軟件分類，整個軟件系統(tǒng)按其功能分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。18監(jiān)控程序計算機軟件系統(tǒng)語言處理程序應用軟件科學計算數(shù)據(jù)處理自動控制系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)工程設(shè)計圖1-3計算機的軟件系統(tǒng)19系統(tǒng)軟件主要功能是對整個計算機系統(tǒng)進行調(diào)度、管理、監(jiān)視及服務等。它能夠使系統(tǒng)的各種資源得到合理的調(diào)度和高效的使用，并能監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)故障就能自動保護現(xiàn)場信息使之不受破壞，并診斷出故障部位。它還可以幫助用戶調(diào)試程序、查找程序中的錯誤等。1.2.1系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件主要分類及其基本功能如下：20操作系統(tǒng)是一組控制程序的總稱。可以用它控制和管理計算機的各種資源，實現(xiàn)計算機系統(tǒng)運行自動化。它是系統(tǒng)軟件中最核心的組成部分，其主要任務有兩個：一是管好計算機系統(tǒng)的全部資源，使它們能充分發(fā)揮作用、高效率的工作。在這里所提及的資源是指計算機系統(tǒng)的各種功能部件，主要包括微處理器、存儲器、各種外部設(shè)備、各種軟件。二是為計算機系統(tǒng)和用戶之間提供接口，使用戶利用操作系統(tǒng)提供的功能去使用計算機，進而在用戶面前展現(xiàn)的是一臺功能強、使用方便的計算機。1.操作系統(tǒng)（OperatingSystem）21一臺計算機可以配置不同類型的操作系統(tǒng)，常用的操作系統(tǒng)類型有：（1）單用戶操作系統(tǒng)，用于系統(tǒng)規(guī)模不大又要求完成較廣泛任務的場合，例如：MS-DOS、PC-DOS、CP/M等。操作系統(tǒng)由執(zhí)行程序、調(diào)度程序、中斷處理和中斷服務程序、設(shè)備處理程序、存儲管理程序、程序庫管理程序等模塊組成。22（2）多用戶操作系統(tǒng)，又稱為分時系統(tǒng)，用于多個用戶需要同時使用計算機的場合，例如：Unix、Linux、OS/2、Windows98/2000/XP、WindowsVista等。（3）網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，用于需要對網(wǎng)絡信息進行管理，實現(xiàn)信息共享的場合，例如：NetWare、WindowsNT等。（4）實時操作系統(tǒng)，用于在嚴格時間范圍內(nèi)，對外部請求做出反應，系統(tǒng)具有高度可靠性的場合，例如：WindowsCE、UcLinux、Rdos等。23目前，新一代操作系統(tǒng)WindowsVista已投入使用。WindowsVista是美國微軟公司開發(fā)代號為長角(Longhorn)的下一版本MicrosoftWindows操作系統(tǒng)的正式名稱。它是繼WindowsXP和WindowsServer2003之后的又一重要的操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)帶有許多新的特性和技術(shù)，改進或新增加了包括Windows防火墻、無線網(wǎng)絡鏈接、家長控制、安全中心、WindowsMovieMaker、圖片庫、反病毒、間諜軟件、網(wǎng)絡映射、搜索、圖片收藏夾、WindowsMediaPlayer、支持RSS的OutlookExpress、P2PMessenger等更多功能。24用戶往往是用某一種程序設(shè)計語言來編寫程序，也就是常說的源程序。但計算機只能識別二進制信息，語言處理程序的實質(zhì)就是完成翻譯計算機各種語言的一組程序。其主要任務是對用戶使用的各種語言進行處理，進而使計算機能完成用戶以各種語言所描述的任務。在軟件分類中，除了將語言處理程序劃分為系統(tǒng)軟件外，各種程序設(shè)計語言也被視為系統(tǒng)軟件。在計算機應用中，程序設(shè)計語言主要包括以下種類。2.語言處理程序25（1）機器語言：是一種用二進制形式表示的，并且能夠直接被計算機硬件識別和執(zhí)行的語言。機器語言與計算機的邏輯結(jié)構(gòu)相關(guān)，也就是說，機器語言因計算機不同而異。利用機器語言編寫的程序稱之為機器語言程序。機器語言的缺點是：不易書寫，可閱讀性差，出錯也不易修改。（2）匯編語言：是一種將機器語言符號化的語言，它用形象、直觀、便于記憶的字母、符號來代替數(shù)字編碼的機器指令。匯編語言的語句與機器指令一一對應，不同的計算機具有不同的匯編語言。用匯編語言寫的程序稱為匯編語言程序。例如：Nasm、Masm、Tasm等都屬于匯編語言程序。26（3）高級語言：是一種與具體計算機邏輯結(jié)構(gòu)不相關(guān)的，表達方式接近于被描述的問題的程序設(shè)計語言。高級語言程序具可書寫性和可閱讀性強等優(yōu)點。高級語言程序在計算機并不能直接執(zhí)行，需要利用編譯程序或解釋程序?qū)⑵浞g成機器語言程序后再執(zhí)行。例如：Basic、Fortran、Pascal、C語言、Delphi、C++、Java等都屬于高級語言程序。（4）面向?qū)ο笳Z言：是當今軟件開發(fā)的主流方法和技術(shù)。面向?qū)ο笳Z言具有的抽象性、封裝性、模塊性、繼承性和多態(tài)性，以及支持自頂向下和自底向上的軟件開發(fā)風范和良好的可維護性日益被人們重視。27并且面向?qū)ο蟮乃枷胍呀?jīng)滲透到了計算機科學的其他領(lǐng)域，如操作系統(tǒng)、人工智能、數(shù)據(jù)庫、分布式計算和并行計算等領(lǐng)域，并成為這些領(lǐng)域的研究熱點。例如：Java、C++、VisualBasic、VisualC++、Delphi等都屬于面向?qū)ο笳Z言。注意：面向?qū)ο笳Z言均屬于高級語言，但并不是所有的高級語言都是面向?qū)ο笳Z言，例如：C語言是高級語言但不是面向?qū)ο笳Z言。28服務性程序又稱實用程序，是為系統(tǒng)提供各種服務性手段而設(shè)置的一組程序。其主要功能是完成對用戶程序的裝入、連接、編輯、查錯和糾錯以及硬件故障診斷等工作。服務性程序執(zhí)行的過程和詳細功能如下：3.服務性程序（1）裝入計算機。在使用計算機時，首先必須將程序從機器的外部經(jīng)由各種外部設(shè)備（如磁盤驅(qū)動器等）裝入內(nèi)存，這個功能由裝入程序完成。29（2）連接程序。在實際應用中，一個大的源程序常被分成若干個相對獨立的程序模塊，分別編譯為相應的目標模塊，這些獨立的目標模塊必須連成一個程序后才能投入運行。完成這一功能的程序叫做連接程序。（3）編輯程序。編輯程序是為用戶編制源程序提供的一種編輯手段，利用它用戶可以方便的編寫、修改、刪除或補充源程序。30（4）數(shù)制轉(zhuǎn)換程序。數(shù)制轉(zhuǎn)換程序可以使用戶直接用十進制數(shù)輸入，由計算機自動轉(zhuǎn)換成所能識別的二進制數(shù)。（5）診斷程序。診斷程序用于診斷硬件的故障。當機器在運行中出現(xiàn)故障時，診斷程序啟動運行，查出機器的故障部位。31數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DatabaseManagementSystems），簡稱DBMS，是管理數(shù)據(jù)庫的軟件。數(shù)據(jù)庫是為適應大型企業(yè)的數(shù)據(jù)處理和信息管理的需要而在文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。4.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

文件是一組相互關(guān)聯(lián)的信息（稱之為記錄）的集合，即文件描述具有相同性質(zhì)的一組記錄。對這些文件的組織和管理的程序構(gòu)成了文件系統(tǒng)，它是操作系統(tǒng)的一個組成部分，但由于各個用戶建立的文件系統(tǒng)其數(shù)據(jù)不能共享，造成大量重復，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)不一致性，而且各種文件缺乏統(tǒng)一的管理機構(gòu)。32為了克服上述缺點，數(shù)據(jù)庫用一個單獨的系統(tǒng)軟件來集中管理所有的文件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，這就是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。例如：FoxPro、Access、Oracle、SQLServer等都屬于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。1.2.2應用軟件

應用軟件是用戶利用計算機及其提供的系統(tǒng)軟件為解決各種實際問題而編制的計算機程序，是指除了系統(tǒng)軟件以外的所有軟件，由各種應用軟件包和面向問題的各種應用程序組成。由于計算機已滲透到了各個領(lǐng)域，因此，應用軟件是多種多樣的。33應用軟件主要是為用戶提供在各個具體應用領(lǐng)域中的輔助功能，它也是絕大多數(shù)用戶學習、使用計算機時最感興趣的內(nèi)容。如計算機輔助繪圖軟件AutoCAD、辦公軟件Office、圖形圖像處理軟件Photoshop、網(wǎng)絡下載軟件網(wǎng)際快車、迅雷等。說明：對計算機軟件分類，系統(tǒng)軟件和應用軟件的劃分并不是一成不變的，一些具有通用價值的應用程序也可納入系統(tǒng)軟件之中，作為一種資源提供給用戶。34現(xiàn)代計算機是一個十分復雜的硬件、軟件結(jié)合的整體。計算機系統(tǒng)的工作過程是軟硬件分層次相互配合完成的，計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1-4所示的。圖中表明了計算機系統(tǒng)的硬件與軟件之間的相互關(guān)系，同時也說明了從用戶提出任務到硬件執(zhí)行的過程。計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)35計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)共分為五級。第1級是微程序設(shè)計級，這是一個實際存在的硬件級，由硬件直接執(zhí)行微指令。第2級是機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)，該級也屬于硬件級。第3級是操作系統(tǒng)級，該級采用機器語言解釋執(zhí)行，既涉及軟件資源，也涉及硬件資源，即在操作系統(tǒng)的控制之下調(diào)用系統(tǒng)的硬件與軟件資源。第4級是匯編語言級，這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。第5級是高級語言級，這一級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行，它是面向用戶的，所編寫的程序稱之為用戶程序，這一級也屬于軟件級。36高級語言級匯編語言級操作系統(tǒng)級機器語言級微程序設(shè)計級第5級用編譯程序翻譯成匯編語言程序第4級用匯編程序翻譯成機器語言程序第3級用機器語言解釋操作系統(tǒng)第2級用微程序解釋機器指令第1級由硬件直接執(zhí)行微指令圖1-4計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)37總之，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷改進，計算機的應用范圍越來越廣?，F(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了一種固件技術(shù)，可以把一些常用的程序直接制作成硬件的器件，以硬件方式來實現(xiàn)軟件功能。固件技術(shù)的研究已成為重要的研究課題，隨著固件技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代計算機的軟件和硬件都將得到進一步的簡化。思考：結(jié)合軟件分類的方法，請對你日常生活、學習所用的軟件進行合理的分類，并說明原因。381.3計算機系統(tǒng)的發(fā)展與應用1.3.1計算機的發(fā)展簡史1946年，美國賓夕法尼亞大學研制出了世界上第一臺電子數(shù)字計算機，這臺計算機的名字稱為ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator)，即電子數(shù)值積分計算機。它采用了18000個電子管，重30噸，占地170平方米。該機的字長為10位十進制，計算速度每秒5000次，每次最多只能存儲20個字長為10位的十進制數(shù)。計算程序是通過“外接”的線路實現(xiàn)的。這臺ENIAC是一個專用機，它是最早誕生的一臺電子數(shù)字計算機，是現(xiàn)代計算機始祖。39自1946年第一臺電子數(shù)字計算機問世以來，計算機的發(fā)展以計算機硬件的邏輯元器件為標志，大致經(jīng)歷了電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路到大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等4個發(fā)展階段。40從1946年至1956年是電子管數(shù)字計算機時代。計算機的邏輯元件采用電子管。主存儲器采用磁芯、磁鼓，外存采用磁帶。電子管數(shù)字計算機主要特點是體積大、功耗大、運算速度每秒只有幾千次到幾萬次、價格昂貴、可靠性差。程序設(shè)計主要采用機器語言和匯編語言。主要應用于科學計算。雖然，電子管數(shù)字計算機有很多缺陷，但是它的體系結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計思想為以后計算機的高速發(fā)展奠定了科學基礎(chǔ)。1．第一代計算機41從1957年至1964年是晶體管數(shù)字計算機時代。計算機的邏輯元件采用晶體管。主存儲器采用磁芯，外存儲器采用先進的磁盤。晶體管數(shù)字計算機主要特點是體積小、重量輕、耗電少、運算速度每秒達十萬次以上、可靠性好。晶體管數(shù)字計算機的出現(xiàn)使軟件有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了多種用途的操作系統(tǒng)，以及各種各樣的高級語言，如FORTRAN、COBOL等高級語言。應用以各種數(shù)據(jù)處理、事務處理為主，并開始用于工業(yè)控制。2．第二代計算機

42從1965年至1970年是集成電路計算機時代。計算機的邏輯元件采用中、小規(guī)模集成電路；用半導體存儲器代替磁芯存儲器，采用流水線、多道程序和并行處理技術(shù)。集成電路計算機主要特點是體積更小、速度快、精度高、功能強、計算機成本進一步下降。在此期間軟件向系列化、多樣化發(fā)展，軟件逐漸完善，分時操作系統(tǒng)、會話式語言等多種高級語言已經(jīng)出現(xiàn)，并且提出了模塊化與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的思想。在發(fā)展大型機的同時，“小型計算機”開始出現(xiàn)。計算機品種開始向多樣化、系列化發(fā)展，應用領(lǐng)域不斷擴大。3．第三代計算機

43從1971年以后是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機時代。計算機的邏輯元件以大、超大規(guī)模集成電路為主要功能器件。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機主要特點是速度更快、集成度更高、軟件豐富、有通訊功能、軟硬密切配合。在此期間硬件和軟件的技術(shù)日益完善，計算速度每秒千萬次/億次以上，計算機結(jié)構(gòu)也開始以分布式處理來組織系統(tǒng)。同時，大型機、中型機、超小型機、計算機網(wǎng)絡、智能模擬、軟件工程等都有了新的發(fā)展。應用開始進入尖端科學、軍事工程、空間技術(shù)和大型事務處理等社會技術(shù)和社會生活各個領(lǐng)域。

4．第四代計算機44隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，20世紀70年代計算機開始向微型化方向展。1971年美國Inter公司設(shè)計生產(chǎn)出了第一個微處理器，而后與IBM公司合作生產(chǎn)了第一臺微型計算機，開創(chuàng)了微型計算機的新時代。微型計算機具有體積小、重量輕、功耗低、功能強、可靠性高、結(jié)構(gòu)靈活、使用環(huán)境要求低、價格低廉等一系列特點和優(yōu)點，得到了廣泛的應用和飛速的發(fā)展。目前，微型計算機已進入雙核心甚至多核心時代。傳統(tǒng)單核處理器相比，又雙核心處理器加入了五項主要改革：寬動態(tài)指令執(zhí)行、智能電源管理（、智能緩存技術(shù)、智能緩存加速及高級數(shù)字媒體增強。新技術(shù)的應用使雙核心處理器在工作效率、節(jié)能、多媒體操作以及網(wǎng)絡操作方面表現(xiàn)的更為優(yōu)越。45從80年代開始，日本、美國和歐洲紛紛進行第五代計算機的研制工作，目前第五代計算機有以下幾個研究方向：（2）生物計算機－－運用生物工程技術(shù)，蛋白分子作芯片，可以使計算機體積更小，存儲量更大，智能化更強；（1）神經(jīng)網(wǎng)絡計算機－－模擬人的大腦思維，可同時并行處理大量實時變化的數(shù)據(jù)，并引出結(jié)論；46小知識：生物計算機一旦研制成功，其運算速度是目前傳統(tǒng)計算機根本無法比擬的，它幾十小時的運算量就相當于目前全球所有計算機運算量的總和。生物計算機的存儲量也大得驚人?？茖W家采用有機的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成的生物芯片代替由無機材料制作的硅芯片，其大小僅為現(xiàn)在所用的硅芯片的十萬分之一，而集成度卻極大地提高，如用血紅素制成的生物芯片，1平方毫米能容納10億個門電路，其開關(guān)速度達到10微微秒。此外生物芯片具備的低阻抗、低能耗的性質(zhì)使他們擺脫了傳統(tǒng)半導體元件散熱的困擾，從而克服了長期以來集成電路制作工藝復雜、電路因故障發(fā)熱熔化以及能量消耗大等弊端，給計算機的進一步發(fā)展開拓了廣闊的前景。此外，生物計算機的元件密度比人的神經(jīng)密度還要高100萬倍，而且其傳遞信息的速度也比人腦進行思維的速度快100萬倍。它即快捷，又準確，可以直接接受人腦的指揮，成為人腦的外延或擴充部分，它以從人體細胞吸收營養(yǎng)的方式來補充能量，而不需要外界的任何其他能量。47（3）光子計算機－－用光作為信息載體，通過對光的處理來完成對信息的處理，可提高運算速度、降低耗能。新一代計算機與前四代計算機的本質(zhì)區(qū)別是：計算機的主要功能將從信息處理上升為知識處理，使計算機具有人類的某些智能，所以又稱為人工智能計算機。通常認為，第五代計算機具有以下幾個方面的功能：（1）具有處理各種信息的能力。除目前計算機能處理離散數(shù)據(jù)外，第五代計算機還能對聲音、文字和圖象等形式的信息進行識別處理。48（2）具有學習、聯(lián)想、推理和解釋問題的能力。（3）具有對人的自然語言的理解能力。即只需把要處理或計算的問題，用自然語言寫出要求及說明，計算機就能理解其意，按人的要求進行處理或計算，而現(xiàn)在的計算機需要使用專門的計算機語言把處理過程與數(shù)據(jù)描述出來。對第五代計算機來說，只需告訴它“做什么”，而不必告訴它“怎么做”。總之，第五代計算機將采用多媒體技術(shù)把聲音、圖形、圖象系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)集成為一個整體，使計算機具有像人一樣的能聽、能看、能想、能說、能寫等功能，甚至研制生產(chǎn)出具有某些“情感”、“智力”的計算機產(chǎn)品。思考：

請結(jié)合智能計算機的發(fā)展情況，智能計算機在實際生活中的應用有那些？49電子計算機是一種由電子線路構(gòu)成的設(shè)備，它能對信息進行記憶、傳送和處理，從而實現(xiàn)計算的功能。計算機的分類方法一般有如下幾種。1.3.2計算機的分類50一般可分為數(shù)字計算機、模擬計算機。數(shù)字計算機處理的是離散的數(shù)字量。通常用脈沖的有無或電平的高低表示二進制數(shù)字“1”和“0”，其不同的組合表示大小不同的數(shù)值，只要增加組合的位數(shù)就可增加表示數(shù)的范圍和精度。因此，只要不考慮設(shè)備的代價，數(shù)字計算機所表示的數(shù)值范圍與精度幾乎沒有限制。我們通常所說的計算機，如未特別說明，均指的是數(shù)字計算機，簡稱為計算機。1.按信息的形式及處理方式51模擬計算機處理的信息是連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、距離、速度等等。模擬計算機的運算速度快，但精度不高，且每做一次運算需重新設(shè)計和編排線路，故通用性不強，信息的存儲也較為困難。模擬計算機多用于解數(shù)學方程或自動控制模擬系統(tǒng)的連續(xù)變化過程。目前，在很多應用領(lǐng)域數(shù)字計算機已經(jīng)取代模擬計算機。52數(shù)字計算機按其用途即應用特點可分為通用計算機和專用計算機。通用計算機就是我們通常所說的計算機。它通常根據(jù)不同的計算機系列型號配備一定的外設(shè)，配備多種系統(tǒng)軟件，如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及多種工具軟件。只要再配備相應的應用軟件，就可應用于各種領(lǐng)域。通用機的特點是通用性強，功能全。2.按計算機的用途53專用計算機是針對某一特定應用領(lǐng)域或面向某種算法的計算機，這種機器由于功能單一，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，可靠性較高，使其在軍事和工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。如某一工業(yè)過程控制計算機，軍事上特定武器裝備的控制指揮儀，以及目前已廣泛應用的嵌入式系統(tǒng)計算機。專用機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及專用軟件是專門針對其應用領(lǐng)域設(shè)計的，因而對該領(lǐng)域是高效的。專用機若用于其他領(lǐng)域，則效率極低甚至無法運行。

54所謂規(guī)模，是綜合計算機的多方面因素而言，通常涉及運算速度、機器字長、存儲容量、外部設(shè)備等硬件配置，以及軟件、價格等諸多方面。因此，按規(guī)模分類實際也即按計算機的性能來分類。由于計算機科學技術(shù)的飛速發(fā)展，這種規(guī)?；蛐阅艿母拍钜彩窃诓粩嘧兓?。昔日的大型機，其性能可能趕不上現(xiàn)在的微型機。盡管如此，計算機業(yè)界仍習慣將計算機分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機等幾種類型。3.按計算機的規(guī)模

55也稱為超級計算機，它是一個國家科技水平、經(jīng)濟實力和軍事威力的象征。巨型機速度最快，性能最強，技術(shù)最復雜，具有巨大的數(shù)值計算和信息處理能力，是每個時代計算機高精尖技術(shù)的集中代表。目前巨型計算機一般字長64位，每秒平均執(zhí)行上百億次浮點運算，主存容量1～4百萬字以上，其高速數(shù)據(jù)通道每秒可傳送數(shù)據(jù)幾千萬個字以上，具有豐富的系統(tǒng)軟件。目前世界上最快速的計算機都采用大規(guī)模并行處理MPP（MassivelyParallelProcessing）技術(shù)，每臺現(xiàn)代巨型機都擁有數(shù)百至上萬個處理器。1983年我國自行研制出了第一臺銀河巨型機，如圖1-5所示。此后，我國自行研制的銀河－Ⅲ型巨型機每秒運算可達到120億次，如圖1-6所示?，F(xiàn)在，我國正在研制更高性能的巨型機。（1）巨型機56圖1-5第一臺銀河巨型機圖1-6銀河Ⅲ巨型機57大型計算機（LangScaleComputer/Mainframe）是計算機家族中通用性最強，功能也很強的計算機。一般字長32～64位，每秒執(zhí)行數(shù)百萬到數(shù)千萬條指令，主存容量幾十萬到幾百字，有較多的外設(shè)和通信接口，有很強的I/O處理能力和豐富的系統(tǒng)軟件及應用軟件。大型機示例圖如圖1-7（2）大型計算機圖1-7IBM大型機58小型計算機（Minicomputer）是性能較好、價格便宜、應用領(lǐng)域十分廣泛的計算機。一般字長32位，速度每秒幾十萬到幾百萬次，內(nèi)存容量幾萬到幾十萬字，配有一定數(shù)量的外設(shè)與通信接口，支持多種高級語言和匯編語言編寫的程序，有功能較強的操作系統(tǒng)。（3）小型計算機HP的小型機59微型計算機（Microcomputer）簡稱微型機或微機，是以微處理器為中央處理器而組成的計算機系統(tǒng)。（4）微型計算機它是性能價格比最高、應用領(lǐng)域最廣的一種計算機。近年來，微型機的發(fā)展最快、市場占有率最高，其許多性能達到甚至超過了小型機的水平。微型計算機正不斷向微型化、網(wǎng)絡化、高性能、多用途發(fā)展。

60微型計算機的分類方法很多。按字長可分為8位、16位、32位、64位微型機計算機;按組裝形式可分為非便攜式和便攜式微型計算機，前者如臺式機（如圖1-8所示），后者是一種可移動的微型機，如筆記本和掌上計算機（如圖1-9所示）。圖1-8臺式機圖1-9筆記本

6162按使用方式，一般將計算機分為工作站和服務器，這也是目前廣泛采用的實用的分類方法。這種分類方法是以網(wǎng)絡和分布式計算環(huán)境為背景的。4.按使用的方式工作站服務器6263工作站（Workstation）是以個人計算環(huán)境和分布式網(wǎng)絡計算環(huán)境為基礎(chǔ)，具有良好的性能價格比。所謂個人計算環(huán)境是指為個人使用計算機創(chuàng)造一個盡可能易學易用的工作環(huán)境，為面向特定應用領(lǐng)域的人員提供一個具有友好人機界面的高效率工作平臺。分布式網(wǎng)絡計算環(huán)境是指工作站在進行信息處理時，可以通過網(wǎng)絡與服務器和其他工作站或計算機互通信息和共享資源。工作站的多功能是指它的高速運算功能，適應多媒體的應用功能和知識處理功能，如圖1-10所示。（1）工作站6364服務器（Server）是網(wǎng)絡環(huán)境或在具有客戶／服務器結(jié)構(gòu)的分布計算環(huán)境中，為客戶的請求提供服務的結(jié)點計算機?？蛻簦掌魇菍崿F(xiàn)資源共享的一種結(jié)構(gòu)，客戶是服務器的對象。在網(wǎng)絡和分布式計算環(huán)境中，服務器提供大量公用的服務，如數(shù)據(jù)庫服務、WWW服務、文件服務、打印服務等。在設(shè)計上，要求服務器具有更好的數(shù)據(jù)交換性能、極高的可用度、良好的安全性、很強的擴展能力，網(wǎng)絡和分布式計算環(huán)境中的工作站多充當信息中心，如圖1-11所示。（2）服務器6465圖1-10工作站

圖1-11服務器

6566數(shù)字計算機問世以來，計算機得到高速發(fā)展的原因主要是它的普及與應用。如今，計算機的應用與普及已從軍事、科研、經(jīng)濟領(lǐng)域不斷向教育、文化、商業(yè)、貿(mào)易、以至娛樂、生活諸方面進軍，所到之處均引起了巨大的變革。在應用實踐中，人們對計算機的功能及特性不斷提出新的要求。正是基于這一原因，計算機技術(shù)得到了極大的發(fā)展。目前，計算機的應用領(lǐng)域已達數(shù)千種。按照計算機的應用特點，計算機的應用可以大體上分為科學計算、數(shù)據(jù)處理、實時控制、計算機輔助工程、辦公自動化、數(shù)據(jù)通信和智能應用等幾大類.1.3.3計算機的應用領(lǐng)域6667科學研究和工程計算領(lǐng)域是計算機應用最早的領(lǐng)域。計算機的發(fā)明和發(fā)展，首先是為了解決科學技術(shù)和工程設(shè)計中大量的數(shù)學計算問題。因此，科學計算是計算機應用的一個重要領(lǐng)域。例如大范圍的地區(qū)氣象預報信息，如果用人工計算需要幾天的時間完成，而用計算機處理這些信息很短時間就可以完成，使氣象預報具有實用價值。1.科學計算6768目前，有效地使用數(shù)字計算機來求解數(shù)學問題，已經(jīng)形成一個專門的學科——數(shù)值計算。許多計算領(lǐng)域的問題，如計算物理、計算力學、計算化學、計算經(jīng)濟學等均可歸結(jié)為數(shù)值計算問題。這類計算往往涉及到較復雜的數(shù)學公式，如求解上千階的微分方程組、大型的矩陣運算等等。68計算機組成與結(jié)構(gòu)69人類已進入信息化社會，各種信息浩如煙海。為認識掌握這些信息，就需要對大量的信息進行分析加工。計算機的應用使信息處理工作實現(xiàn)起來非常快捷，準確。使科學實驗、生產(chǎn)控制、組織管理、國防建設(shè)、文化教育、醫(yī)療服務等領(lǐng)域的工作實現(xiàn)起來更加輕松。數(shù)據(jù)處理的主要功能，是將輸入設(shè)備送來的數(shù)據(jù)及時記錄、整理、分類、加工、以得到所需要的信息。如企業(yè)管理、庫存管理、帳目計算、情報檢索、圖像處理等等，它們的特點是原始數(shù)據(jù)量大，算術(shù)運算比較簡單，有大量的邏輯與判斷，處理的結(jié)果多以報表或文件形式存儲或輸出。2.數(shù)據(jù)處理6970實時控制是計算機在過程控制中的重要應用。最初的過程控制主要應用于導彈、衛(wèi)星等現(xiàn)代化武器系統(tǒng)和航空航天等領(lǐng)域，而現(xiàn)在已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)過程。過程控制發(fā)揮著神經(jīng)系統(tǒng)的功能，由于高靈敏度、高精確度的控制，使得上述領(lǐng)域的工作能在人的意志控制下準確無誤地達到目的。例如由雷達和導彈發(fā)射器組成的防空系統(tǒng)，地鐵指揮控制系統(tǒng)，自動化生產(chǎn)線等，都需要在計算機控制下運行。3.實時控制70計算機組成與結(jié)構(gòu)71計算機輔助工程是近幾年來迅速發(fā)展的一個計算機應用領(lǐng)域，它包括計算機輔助設(shè)計CAD（ComputerAidedDesign)、計算機輔助制造CAM（ComputerAidedManufacture)和計算機輔助教學CAI(ComputerAssistedInstruction)等多個方面。CAD廣泛應用于船舶、飛機、汽車、建筑、電子等方面的設(shè)計。由計算機輔助產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果通過圖形設(shè)備與設(shè)計人員交互，可及時對設(shè)計做出判斷和修改，最終完成設(shè)計工作。因此，采用CAD技術(shù)，提高了設(shè)計的自動化水平，縮短了設(shè)計周期，減輕了設(shè)計人員的勞動，也大大提高了設(shè)計質(zhì)量。4.計算機輔助工程71計算機組成與結(jié)構(gòu)72CAM則是使用計算機進行生產(chǎn)設(shè)備的管理和生產(chǎn)過程的控制，例如，計算機控制的全自動汽車裝配生產(chǎn)線。CAI使教學手段達到一個新的水平，即利用計算機模擬一般教學設(shè)備難以表現(xiàn)的物理或工作過程，并通過交互操作極大的提高了教學效率。72計算機組成與結(jié)構(gòu)73辦公自動化OA（OfficeAutomation)指用計算機幫助辦公室人員處理日常工作。例如，用計算機進行文字處理，文擋管理，資料，圖象，聲音處理和網(wǎng)絡通信等。它既屬于信息處理的范圍，又是目前計算機應用的一個較獨立的領(lǐng)域。5.辦公自動化73計算機組成與結(jié)構(gòu)74數(shù)據(jù)通信主要是利用通信衛(wèi)星群和光導纖維構(gòu)成的計算機應用網(wǎng)絡，實現(xiàn)信息雙向交流，同時利用多媒體技術(shù)擴大計算機的應用范圍。通信衛(wèi)星的覆蓋面廣，光導纖維傳輸?shù)男畔⒘看?，保密性好，他們的?yōu)勢互補，利用計算機將二者結(jié)合起來可在全球范圍內(nèi)雙向傳送包括電視圖象在內(nèi)的各種信號，把整個地球網(wǎng)絡連接起來，使人們在家里就可以收看世界上任何一家電視臺的節(jié)目，通過屏幕與遠在千里之外的友人面對面地通話。總之，以計算機為核心的信息高速公路的實現(xiàn)，將進一步改變?nèi)藗兊纳罘绞健?.數(shù)據(jù)通信74計算機組成與結(jié)構(gòu)75人工智能（ArtificialIntelligence，簡稱AI）是用計算機來模擬、延伸、擴展人類的某些智力活動，使計算機具有學習和推理能力。如今，人工智能的研究與應用已在模式識別、景物分析、自然語言的理解與生成、博弈、自動定理證明、自動程序設(shè)計、專家系統(tǒng)、模擬訓練系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、機器人等領(lǐng)域得到了重大的突破和快速的發(fā)展，以機器人的研究為例，現(xiàn)已在機器人的視覺、觸覺、聲音識別等方面取得了較大的進展，出現(xiàn)了越來越聰明靈巧的新型機器人——智能機器人。7.人工智能75計算機組成與結(jié)構(gòu)76上述七種應用類型雖覆蓋了計算機應用的大多數(shù)領(lǐng)域，但并未能包括當今計算機的應用范疇。隨著計算機網(wǎng)絡技術(shù)和信息高速公路的發(fā)展，計算機的應用幾乎滲透到人類活動的各個領(lǐng)域，如電子商務、電子郵件、交互式通信、檢索查詢、電子游戲、遠程醫(yī)療、遠程教育、電子購物等等，人們可以進入一個五彩繽紛的世界，暢游信息的海洋。計算機的廣泛應用正改變著人類的生活方式，它標志著人類進入一個全新的社會——信息化社會。思考：結(jié)合生活中你對計算機了解的情況，請分別舉例說明那些計算機屬于巨型機、小型機、微型機？76計算機組成與結(jié)構(gòu)771.4現(xiàn)代計算機技術(shù)應用精簡指令集計算機RISC（ReducedInstructionSetComputer）是美國加州伯克利分校的帕特遜等人于1979年提出的。RISC結(jié)構(gòu)是相對于傳統(tǒng)的采用微程序結(jié)構(gòu)的復雜指令集計算機CISC（ComplexInstructionSetComputer）結(jié)構(gòu)而言的。它的出現(xiàn)是計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展史上一個重要的里程碑。1.4.1精簡指令集計算機

77計算機組成與結(jié)構(gòu)78傳統(tǒng)的CISC指令集隨著計算機的發(fā)展而引入了各種各樣的復雜指令，使得指令集和為此要實現(xiàn)這些指令功能的計算機體系結(jié)構(gòu)越來越復雜，不堪重負。經(jīng)過大量的研究和分析，發(fā)現(xiàn)在CISC的指令集中，各種指令的使用頻度相當懸殊。計算機在運行程序中，大概僅有20%的指令被反復使用，使用量約占整個程序的80%；而有80%的指令則很少使用，其使用量約占整個程序的20%。這就是所謂的“二八定律”。78計算機組成與結(jié)構(gòu)79復雜的指令系統(tǒng)必然增加硬件實現(xiàn)的復雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且由于復雜指令需要進行復雜的操作，很難實現(xiàn)流水線執(zhí)行，從而影響了機器的速度。為了解決上述問題，RISC微處理器的設(shè)計和應用得到了較快的發(fā)展。一般來說，RISC處理器比同等的CISC處理器要快50%～75%，同時RISC處理器更容易設(shè)計和糾錯。RISC是在繼承CISC的成功技術(shù)并克服CISC的缺點的基礎(chǔ)上產(chǎn)生并發(fā)展起來的。RISC的著眼點不簡單地放在簡化指令系統(tǒng)上，而是通過簡化指令使計算機的結(jié)構(gòu)更合理，從而提高運算速度。79例如：計算機執(zhí)行程序所需要的時間P可用下式表示：P=I×CPI×T其中，I是高級語言編譯后在機器上運行的指令數(shù)，CPI為執(zhí)行每條指令所需的平均周期數(shù)，T是每個機器周期的時間。由于RISC指令比較簡單，原CISC機中比較復雜的指令在這里用子程序來代替，因此RISC的I要比CISC的多20%～40%。但是RISC的大多數(shù)指令只用一個機器周期實現(xiàn)，所以CPI的值要比CISC小得多。同時因為RISC結(jié)構(gòu)簡單，所以完成一個操作所經(jīng)過的數(shù)據(jù)通路較短，使得T值大為減少。后來，RISC的硬件結(jié)構(gòu)有很大改進，一個機器周期平均可完成一條以上指令，甚至可達幾條指令。80RISC的設(shè)計要點為：（1）選取使用頻度最高的一些簡單指令和很有用但并不復雜的指令；（2）指令的長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少；（3）只有取數(shù)／存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令操作都在寄存器之間進行；（4）采用指令流水線操作，實現(xiàn)指令并行操作；（5）大部分指令在一個時鐘周期內(nèi)完成；（6）CPU中通用寄存器的數(shù)目相當多；（7）以硬布線控制為主，不用或少用微程序控制，以加快指令執(zhí)行速度。81目前，RISC指令微處理器在嵌入式計算機中得到了廣泛的應用，設(shè)計生產(chǎn)RISC指令微處理器的公司也越來越多，比如：英國的ARM公司設(shè)計的ARM7、ARM9、ARM10、ARM11等系列RISC指令微處理器；IBM公司的PowerPC；DEC公司的Alpha；HP公司的HPPA；MIPA公司的R10000；SUN公司的UltraSPARC等。嵌入式計算機嵌入式系統(tǒng)以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。82嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括嵌入式微處理器、存儲器及外設(shè)器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（OS）和應用程序編程。應用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應用程序編程與硬件的交互作用。

831.嵌入式微處理器嵌入式計算機的核心是嵌入式微處理器（如圖1-13所示）。嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點：（2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。（1）對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低限度。84（3）可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，能擴展出滿足應用需求的高速嵌入式微處理器。（4）嵌入式微處理器功耗低，適合用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備。圖1-13嵌入式微處理器85嵌入式計算機在應用數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機，一臺通用計算機的外部設(shè)備中就包含了若干個嵌入式微處理器，鍵盤、鼠標、軟驅(qū)、硬盤、顯卡、顯示器、Modem、網(wǎng)卡、聲卡、打印機、掃描儀、數(shù)字相機、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計算機的應用領(lǐng)域。下面介紹幾種具體的應用.2.嵌入式計算機的應用領(lǐng)域86所謂的移動數(shù)據(jù)庫是支持移動計算機的數(shù)據(jù)庫,有兩層含義：一是用戶在移動的過程中可以聯(lián)機訪問數(shù)據(jù)庫資源。二是用戶可以帶著數(shù)據(jù)庫移動。典型的應用場合例如：在行駛的救護車上查詢最近的醫(yī)院。該系統(tǒng)由前臺移動終端、后臺同步服務器組成，移動終端上有嵌入式實時操作系統(tǒng)和嵌入式數(shù)據(jù)庫。其他包括手機、PDA、掌上電腦等各種移動設(shè)備。用掌上電腦（或PDA）上網(wǎng)，人們可以隨時隨地獲取信息。（1）嵌入式移動數(shù)據(jù)庫87智能家居網(wǎng)絡（E-Home）指在一個家居中建立一個通信網(wǎng)絡，為家庭信息提供必要的通路；在家庭網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的控制下，通過相應的硬件和執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對所有家庭網(wǎng)絡中家電和設(shè)備的控制和監(jiān)測。家用電器將向數(shù)字化和網(wǎng)絡化發(fā)展，電視機、微波爐、等都將嵌入計算機并通過家庭控制中心與Internet連接，轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芫W(wǎng)絡家電。其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的組成必然有家庭網(wǎng)關(guān)，家庭網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的信號綜合，并具有與外界聯(lián)絡的接口，以便作遠程控制和信息交換。不論是網(wǎng)關(guān)還是各家電上的控制模塊，都需要有嵌入式操作系統(tǒng)。這些操作系統(tǒng)必須有內(nèi)嵌入式、實時性好、多用戶的特點。（2）嵌入式系統(tǒng)在智能家居網(wǎng)絡中的應用88嵌入式語音芯片基于嵌入式操作系統(tǒng)，采用語音識別和語音合成、語音學層次結(jié)構(gòu)體系和文本處理模型等技術(shù)，可以應用在手持設(shè)備、智能家電等多個領(lǐng)域。如果賦予這些設(shè)備人性化的交互方式和便利的使用方法，也可應用于玩具中，實現(xiàn)聲控玩具、仿真寵物、與人對話的玩具。也能應用于車載通信設(shè)備實現(xiàn)人機交流。（3）嵌入式語言芯片89以藍牙為代表的小范圍無線接入?yún)f(xié)議與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合，必將推動嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用。近來，基于這些協(xié)議的嵌入式產(chǎn)品層出不窮，包括各種系統(tǒng)、無線公文包、各類數(shù)字電子設(shè)備以及在電子商務的應用。這些產(chǎn)品以其微型化和低成本的特點為它們在家庭和辦公室自動化、電子商務、工業(yè)控制、智能化建筑和各種特殊場合的應用開辟了廣闊的前景。（4）基于小范圍無線通信協(xié)議的嵌入式產(chǎn)品90我國的工業(yè)生產(chǎn)需要完成智能化，數(shù)字化改造，智能控制設(shè)備、智能儀表、自動控制等為嵌入式系統(tǒng)提供了很大的市場。而工業(yè)控制、仿真、數(shù)據(jù)采集、軍用等領(lǐng)域一般都要求操作系統(tǒng)支持實時響應。在服務業(yè)和交通系統(tǒng)，嵌入式也在發(fā)揮著越來越重要的作用。（5）其他工業(yè)控制和仿真領(lǐng)域，嵌入式設(shè)備也早已得到廣泛應用。91嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用而設(shè)計的，與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，而且能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，增強其移動能力。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期。3.嵌入式計算機系統(tǒng)與通用型計算機系統(tǒng)的比較92為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。思考：隨著嵌入式計算機的高速發(fā)展，計算機的應用也越來越貼近人們的生活，請舉例說明你身邊那些產(chǎn)品屬于嵌入式計算機系統(tǒng)的應用。93本章小結(jié)本章主要講述了計算機的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的基本組成及其功能，并從層次結(jié)構(gòu)的角度分析了計算機的層次結(jié)構(gòu)。隨后介紹了計算機的發(fā)展歷程、應用領(lǐng)域和現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展與應用方向。通過本章的學習，讀者應該在思想上對計算機的發(fā)展和應用有一定的認識，對計算機的設(shè)計技術(shù)和新的發(fā)展、應用方向有所了解，充分理解計算機總體結(jié)構(gòu)及軟、硬件的功能，為深入學習以后各章打下基礎(chǔ)。94第2章計算機的邏輯部件計算機組成原理95計算機的邏輯部件本章從邏輯代數(shù)的基本知識、邏輯門電路的構(gòu)成及特性出發(fā)，介紹組合邏輯電路分析與設(shè)計的一般方法；介紹了加法器、譯碼器等常用芯片的邏輯功能；介紹了加法器、譯碼器等中規(guī)模器件設(shè)計組合邏輯電路、解決實際問題的思路與方法。讀者應深入理解基本邏輯運算、邏輯運算規(guī)則、邏輯函數(shù)的標準表達式、代數(shù)化簡、卡諾圖化簡等基本理論；掌握利用邏輯代數(shù)知識分析組合邏輯電路的方法；掌握用小規(guī)模器件設(shè)計組合電路的一般過程；深入理解中規(guī)模器件在設(shè)計組合邏輯電路、解決實際問題中的應用。96本章要點：數(shù)字邏輯電路基礎(chǔ)知識邏輯函數(shù)的化簡加法器設(shè)計譯碼器設(shè)計計數(shù)器設(shè)計EDA技術(shù)972.1.1邏輯代數(shù)的基本知識邏輯代數(shù)是研究邏輯電路的基本工具，是描述輸入邏輯變量和輸出函數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學表達式。邏輯代數(shù)又稱為開關(guān)代數(shù)或布爾代數(shù)，是由英國數(shù)學家喬治·布爾（GeorgeBoole）于19世紀中葉首先提出的用于描述客觀事物邏輯關(guān)系的數(shù)學方法，是按一定的邏輯規(guī)律進行運算的，反映邏輯變量運算規(guī)律的數(shù)學，主要應用于繼電器開關(guān)電路的分析與設(shè)計上。經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展后，被用于數(shù)字邏輯電路和數(shù)字系統(tǒng)中，成為邏輯電路分析和設(shè)計的有力工具。2.1數(shù)字邏輯與數(shù)字電路98通常電子系統(tǒng)中都含有模擬和數(shù)字兩種模塊。和模擬電路相比較，在存儲、分析或傳輸信號時，數(shù)字電路更具優(yōu)越性。在數(shù)字電路中，常用二進制數(shù)來量化連續(xù)變化的模擬信號，而二進制數(shù)正好是用數(shù)字1和0來表示的。這里的0和1不是十進制數(shù)中的數(shù)字，邏輯0和邏輯1不代表數(shù)值大小，僅表示相互矛盾、相互對立的兩種邏輯狀態(tài)，這樣就可借助復雜的數(shù)字系統(tǒng)來實現(xiàn)信號的存儲、分析和傳輸。1．數(shù)字邏輯信號992.邏輯電平邏輯代數(shù)與普通代數(shù)相似之處在于它們都是用字母表示變量，用代數(shù)式描述客觀事物間的關(guān)系。但不同的是，邏輯代數(shù)是描述客觀事物間的邏輯關(guān)系，邏輯函數(shù)表達式中的邏輯變量的取值和邏輯函數(shù)值都只有兩個值，即0和1，稱之為數(shù)字邏輯。在電路上，可用電子器件的開關(guān)特性來實現(xiàn)，由此形成離散信號電壓或數(shù)字電壓，這些數(shù)字電壓通常用邏輯電平來表示。應當注意，邏輯電平不是物理量，而是物理量的相對表示。在正邏輯體系中，用1來表示高電平，用0來表示低電平。在負邏輯體系中，用0來表示高電平，用1來表示低電平（本書采用正邏輯）。這種高電平和低電平統(tǒng)稱為邏輯電平。1002.1.2常見的門電路1．與門真值表表示的兩輸入端與門如表2-1所示，邏輯符號如圖2-1所示。從與門的邏輯關(guān)系上可以看出，如果輸入端A作為控制端，則A的值將會決定輸入端B的值是否能被輸出到端口Y。表2-1兩輸入端與門的真值表ABY=AB000010100111101 （a）國外符號（b）國標符號圖2-1兩輸入端與門邏輯符號B&AY符號表示:1022．或門真值表表示的兩輸入端或門如表2-2所示，邏輯符號如圖2-2所示。表2-2兩輸入端或門的真值表ABY=A+B000011101111103圖2-2兩輸入端或門邏輯符號（a）國外符號（b）國標符號B≥1AY1043．非門非門可以用反相器電路實現(xiàn)，因此非門又稱為“反相器”。真值表表示的非門如表2-3所示，邏輯符號如圖2-3所示。表2-3非門的真值表A0110105 （a）國外符號（b）國標符號

圖2-3非門邏輯符號B1AY符號表示:1065．或非門真值表表示的兩輸入端或非門如表2-5所示，邏輯符號如圖2-5所示?？梢岳没蚍情T的輸入端A來控制輸入端B。當A=0時，（輸入信號被反相輸出）；當A=1時，則不管B的值是什么，Y都為0。表2-5兩輸入端或非門的真值表

AB001010100110107符號表示: （a）國外符號（b）國標符號圖2-5兩輸入端或非門邏輯符號AB≥1Y1086．異或門真值表表示的兩輸入端異或門如表2-6所示，邏輯符號如圖2-6所示。從邏輯表達式中可以看出，異或門能夠用與門、非門和或門來實現(xiàn)。表2-6兩輸入端異或門的真值表AB000011101110109符號表示: （a）國外符號（b）國標符號圖2-6兩輸入端異或門邏輯符號B＝1AY1107．同或門真值表表示的兩輸入端同或門如表2-7所示，邏輯符號如圖2-7所示。表2-7兩輸入端同或門的真值表AB001010100111111符號表示:（a）國外符號（b）國標符號圖2-7兩輸入端同或門邏輯符號AB＝1Y1122.2.1加法器在數(shù)字系統(tǒng)中，減法、乘法和除法的核心都是加法，因此加法器是計算機的基本運算單元，在邏輯電路中經(jīng)常使用。半加器和全加器是算術(shù)運算電路中的基本單元，它們是完成1位二進制數(shù)相加的一種組合邏輯電路。2.2常用的組合邏輯電路設(shè)計1131．半加器不考慮低位進位的加法器稱半加器。設(shè)A為被加數(shù)，B為加數(shù)。本位和為S，本位進位為C，根據(jù)半加器的概念得出半加器的真值表如表2-8所示。由真值表可得出本位和S，本位進位C的表達式：表2-8 半加器真值表ABSC0011010101100001114實現(xiàn)半加器運算的邏輯電路如圖2-8（a）所示，（b）圖為半加器的符號。

圖2-8半加器1152．全加器半加器只是解決了兩個一位二進制數(shù)相加，沒有考慮來自低位的進位。如果要多位二進制數(shù)相加，必須同時考慮來自低位的進位，這種加法器稱全加器。全加器真值表如表2-9所示，表中Ai為被加數(shù)；Bi為加數(shù)；本位和Si；進位Ci，低位進位Ci-1。根據(jù)全加器的概念得出全加器真值表如下頁表2-9所示。116表2-9 全加器真值表0101010100001111001100110110100100010111117由真值表寫出：118根據(jù)表達式畫出全加器邏輯圖如圖2-9（a）所示，圖2-9（b）是全加器的符號。 (a)邏輯圖(b)符號圖2-9全加器電路1193．多位二進制加法電路用全加器可以實現(xiàn)多位二進制加法運算，實現(xiàn)四位二進制加法運算的邏輯圖如圖2-10所示。圖中低位進位輸出作為高位進位輸入，進位信號是后級向前級一級一級傳輸?shù)摹＆睸COCIABΣSCOCIABΣSCOCIABΣSCOCIABA3A2A1A0B3B2B1B0S3S2S1S0CO圖2-10四位二進加法器邏輯圖

1204．集成四位二進制加法器74283集成四位二進制加法器74283采用了超前進位方式。74283邏輯符號及引腳圖如圖2-11所示。Σ0033CICO03PQΣ53141262151174113109A0A1A2A3B0B1B2B3S0S1S2S3CICO（a）邏輯符號 （b）引腳圖圖2-114位二進制加法器74283的邏輯符號、引腳圖思考：

結(jié)合集成四位二進制加法器74283的引腳圖，查閱相關(guān)資料請分析設(shè)計出四位二進制加法器詳細的電路圖。1212.2.2譯碼器設(shè)計譯碼器是一個多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的作用是通過對編碼的譯碼，形成相應的控制信號或輸出信號，即把給定的代碼進行“翻譯”，變成相應的狀態(tài)，使輸出通道中相應的一路有信號輸出。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換、終端的數(shù)字顯示，還用于數(shù)據(jù)分配，存貯器尋址和組合控制信號等。不同的功能可選用不同種類的譯碼器。譯碼器可分為通用譯碼器和顯示譯碼器兩大類。前者又分為變量譯碼器和代碼變換譯碼器。1221．變量譯碼器（又稱二進制譯碼器）用以表示輸入變量的狀態(tài)，如2線－4線、3線－8線和4線－16線譯碼器。若有n個輸入變量，則有2n個不同的組合狀態(tài)，就有2n個輸出端供其使用。而每一個輸出所代表的函數(shù)對應于n個輸入變量的最小項。以3線－8線譯碼器74LS138為例進行分析，圖2-12(a)、(b)分別為其邏輯圖及引腳排列。其中、、為地址輸入端，～為譯碼輸出端，S1、、為使能端。表2-10為74LS138功能表。當S1＝1，＋＝0時，器件使能，地址碼所指定的輸出端有信號（為0）輸出，其它所有輸出端均無信號（全為1）輸出。當S1＝0，＋＝X時，或S1＝X，＋＝1時，譯碼器被禁止，所有輸出同時為1。123圖2-123－8線譯碼器74LS138邏輯圖及引腳排列圖2-123－8線譯碼器74LS138邏輯圖及引腳排列124表2-1074LS138功能表+輸入輸出S1A2A1A0100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111100××××11111111×1×××11111111125利用使能端能方便地將兩個3線-8線譯碼器組合成一個4線-16線譯碼器，如圖2-13所示。

圖2-13用兩片74LS138組合成4-16譯碼器1262．數(shù)碼顯示譯碼器(1)七段發(fā)光二極管(LED)數(shù)碼管LED數(shù)碼管是目前最常用的數(shù)字顯示器，圖2-14(a)、(b)為共陰管和共陽管的電路，(c)為兩種不同出線形式的引出腳功能圖。一個LED數(shù)碼管可用來顯示一位0～9十進制數(shù)和一個小數(shù)點。小型數(shù)碼管（0.5寸和0.36寸）每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色不同略有差別，通常約為2～2.5V，每個發(fā)光二極管的點亮電流在5～10mA。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進制數(shù)字就需要有一個專門的譯碼器，該譯碼器不但要完成譯碼功能，還要有相當?shù)尿?qū)動能力。127

(a)共陰連接（“1”電平驅(qū)動）(b)共陽連接（“0”電平驅(qū)動）

128(c)符號及引腳功能圖2－14LED數(shù)碼管129(2)BCD碼七段譯碼驅(qū)動器此類譯碼器型號有74LS47（共陽），74LS48（共陰），CC4511（共陰）等。以CC4511BCD為例，圖2-15為CC4511引腳排列圖。圖2－15CC4511引腳排列

130其中：A、B、C、D—8421BCD碼輸入端。a、b、c、d、e、f、g—譯碼輸出端，輸出“1”有效，用來驅(qū)動共陰極LED數(shù)碼管。—測試輸入端，＝“0”時，譯碼輸出全為“1”。 —消隱輸入端，＝“0”時，譯碼輸出全為“0”。LE—鎖定端，LE＝“1”時譯碼器處于鎖定（保持）狀態(tài)，譯碼輸出保持在LE＝0時的數(shù)值，LE＝0為正常譯碼。表2-11為CC4511功能表。CC4511內(nèi)接有上拉電阻，故只需在輸出端與數(shù)碼管各段之間串入限流電阻即可工作。譯碼器還有拒偽碼功能，當輸入碼超過1001時，輸出全為“0”，數(shù)碼管熄滅。131表2-11CC4511功能表132續(xù)表:133在實際應用中，將十進制數(shù)的BCD碼接至譯碼器的相應輸入端A、B、C、D即可顯示0～9的數(shù)字。四位數(shù)碼管可接受四組BCD碼輸入。CC4511與LED數(shù)碼管的連接如圖2-16所示。圖2-16CC4511驅(qū)動一位LED數(shù)碼管

1342.2.3移位寄存器設(shè)計移位寄存器和數(shù)碼寄存器不同，移位寄存器不僅能存儲數(shù)據(jù)，而且具有移位的功能。按照數(shù)據(jù)移動的方向，可分為單向移位和雙向移位。而單向移位又有左移和右移之分。1．單向移位寄存器圖2-17所示為4位單向右移移位寄存器,由4個D觸發(fā)器構(gòu)成。將前一位觸發(fā)器的輸出與后一位觸發(fā)器的輸入相連，將前一位數(shù)據(jù)移至后一位。在CP移位指令控制下，數(shù)據(jù)依次由D0輸入，經(jīng)4個CP脈沖，可并行輸出Q0～Q3。135圖2-17單向移位寄存器設(shè)輸入數(shù)碼為1101，那么,在CP移位脈沖作用下，其數(shù)據(jù)移動情況如表2-16所示?？梢?，當經(jīng)過4個CP脈沖后，1101四位數(shù)據(jù)全部移入寄存器中，并從四個觸發(fā)器Q端得到并行數(shù)據(jù)輸出。再經(jīng)四個CP脈沖,則由Q3全部串行輸出。136表2-12移位寄存器中數(shù)據(jù)的移動CP移位寄存器中數(shù)碼F0F1F2F30123401011001010001000001同樣方法,數(shù)據(jù)由右輸入可構(gòu)成左移移位寄存器。上述移位寄存器數(shù)據(jù)都是串行輸入的，事實上，在數(shù)據(jù)輸入形式上還可實現(xiàn)并行輸入，左移或右移串行輸出而構(gòu)成多種工作方式。1372．中規(guī)模集成移位寄存器將左移和右移移位寄存器結(jié)合起來,加上移位控制端,在方向控制信號作用下可構(gòu)成雙向移位寄存器。集成移位寄存器種類很多，功能與前所述相同。它有雙向，單向；也有并入/并出、并入/串出、串入/并出、串入/串出；還有四位、八位等類型。圖2-18所示是一種功能較強的集成四位雙向移位寄存器74LS194。它具有并行寄存，左移寄存，右移寄存和保持四種工作模式，由M1M0端信號確定74LS194的工作模式。為低電平有效的清零端，DSR為右移串行輸入端，DSL為左移串行輸入端，D3D2D1D0為并行輸入端。138(a)邏輯符號(b)引腳圖圖2-18集成四位雙向移位寄存器74LS194Q3Q2Q1Q0M1M0CPD3D2D1D0CRDSRDSL741947419418169CRDSRABCDGNDVCCCPQDM1QAQBQCDSLM013974LS194功能表見表2-13。由表2-17可以知道，74LS194在端為低電平時具有異步清零功能。條件下，M1M0=00時，寄存器實現(xiàn)保持（數(shù)據(jù)）功能；圖2-23（b）中QA作為寄存器高位輸出，即QAQBQCQD=Q3Q2Q1Q0，M1M0=01時，寄存器實現(xiàn)右移功能，CP作用下，數(shù)據(jù)由高位向低位移動，右移輸入端DSR數(shù)據(jù)移入Q3；M1M0=10時，寄存器實現(xiàn)左移功能，CP作用下，數(shù)據(jù)由低位向高位移動，左移輸入端DSL數(shù)據(jù)移入Q0；M1M0=11時，寄存器實現(xiàn)并行輸入（預置）功能，并行輸入數(shù)據(jù)D3D2D1D0=ABCD寄存到Q端，時鐘上跳后Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0=ABCD。140表2-1374LS194功能表M1M0DSLDSRCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q00×××××××××00001×××××××××Q3Q2Q1Q0111××↑ABCDABCD1101×↑××××Q2Q1Q011100×↑××××Q2Q1Q00101×1↑××××1Q3Q2Q1101×0↑××××0Q3Q2Q1100×××××××Q3Q2Q1Q0141將74LS194各功能端,控制端適當級連,可實現(xiàn)容量的擴展。圖2-19所示是由74LS194構(gòu)成的8位雙向移位寄存器。圖2-1974LS194構(gòu)成的8位雙向移位寄存器1421．計數(shù)器分類計數(shù)器是時序邏輯電路的一個基本功能模塊。能夠?qū)崿F(xiàn)計數(shù)功能的電路稱為計數(shù)器。它是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。它不僅用于對脈沖計數(shù)，還可用于定時、分頻、數(shù)字運算等工作。計數(shù)器種類很多，按對脈沖計數(shù)值增減分為：加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器。按照計數(shù)器中各觸發(fā)器計數(shù)脈沖引入的方式不同，分為：同步計數(shù)器、異步計數(shù)器。若各觸發(fā)器受同一時鐘脈沖控制，其狀態(tài)更新是在同一時刻完成，則為同步計數(shù)；反之，則為異步計數(shù)器。按照計數(shù)器循環(huán)長度可分為：二進制計數(shù)器、八進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器、十六進制計數(shù)器、N進制計數(shù)器等。也就是不同的計數(shù)長度。2.2.4計數(shù)器設(shè)計1432．同步二進制計數(shù)器—74LS161集成計數(shù)器74LS161是一種同步四位二進制加法集成計數(shù)器。其邏輯符號如圖2-20（a）所示，管腳的排列如圖2-25（b）所示，邏輯功能如表2-14所示。Q0Q1Q2Q3CTTCTPCPD0D1D2D3RDCOLD741617416118169CRCPD0D1D2D3GNDVCCQ3Q2CTTCOQ0Q1CTPLD（a）邏輯符號（b）管腳圖圖2-20集成4位二進計數(shù)器74LS161144表2-1474161的功能表145由表2-14可知，74LS161具有以下功能：（1）異步清零。當RD＝0時，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，不論有無時鐘脈沖CP，計數(shù)器輸出將被直接置零（Q3Q2QlQ0＝0000），稱為異步清零。（2）同步并行預置數(shù)。當RD＝1、LD＝0時，在輸入時鐘脈沖CP上升沿的作用下，并行輸入端的數(shù)據(jù)d3d2d1d0被置入計數(shù)器的輸出端，即Q3Q2QlQ0＝d3d2d1d0。由于這個操作要與CP上升沿同步，所以稱為同步預置數(shù)。（3）計數(shù)。當RD＝LD＝EP＝ET＝1時，在CP端輸入計數(shù)脈沖，計數(shù)器進行二進制加法計數(shù)。146（4）保持。當RD＝LD＝1，且＝0，即兩個使能端中有0時，則計數(shù)器保持原來的狀態(tài)不變。這時，如EP＝0、ET＝1，則進位輸出信號RCO保持不變；如ET＝0則不管EP狀態(tài)如何，進位輸出信號RCO為低電平0。在數(shù)字集成電路中有許多型號的計數(shù)器產(chǎn)品，可以用這些數(shù)字集成電路來實現(xiàn)所需要的計數(shù)功能和時序邏輯功能。在設(shè)計相關(guān)電路時有兩種方法，一種為反饋清零法，另一種為反饋置數(shù)法3．集成計數(shù)器的應用147（1）反饋清零法反饋清零法是利用反饋電路產(chǎn)生一個給集成計數(shù)器的復位信號，使計數(shù)器各輸出端為零（清零）。反饋電路一般是組合邏輯電路，計數(shù)器輸出部分或全部作為其輸入，在計數(shù)器一定的輸出狀態(tài)下即時產(chǎn)生復位信號，使計數(shù)電路同步或異步地復位。反饋清零法的邏輯框圖如圖圖2-21所示。Qn-1

…Q1Q0計數(shù)器LD組合電路CPZRDDCP……圖2-21反饋清零法框圖

148（2）反饋置數(shù)法反饋置數(shù)法將反饋邏輯電路產(chǎn)生的信號送到計數(shù)電路的置位端，在滿足條件時，計數(shù)電路輸出狀態(tài)為給定的二進制碼。反饋置數(shù)法的邏輯框圖如圖2-22所示。

Qn-1

…Q1Q0計數(shù)器RD

組合電路CPZLDDCP……Dn-1…D0dn-1…d0圖2-22反饋清零法框圖

1494．環(huán)形計數(shù)圖2-23（a）所示的環(huán)形計數(shù)器是由4個D觸發(fā)器組成的。任何時刻，它只有一位為1，其它各位為0。當CLR信號使電路清零后，便由最低位的觸發(fā)器產(chǎn)生一個與時鐘脈沖同寬的節(jié)拍脈沖信號T0，T0的下降沿引發(fā)T1，T1的下降沿又引發(fā)T2，……依次形成T0、T1、T2、T3共4個節(jié)拍脈沖。這樣，隨著時鐘脈沖的到來，環(huán)形計數(shù)器的各位輪流置1，且在最高位（左邊第一位）置1之后又回到右邊第一位，這就形成環(huán)形置位，所以稱為環(huán)形計數(shù)器。150環(huán)形計數(shù)器不是用來計數(shù)的，而是用于發(fā)出順序控制信號的。它是計算機的控制器中的一個重要部件。1512.3.1EDA技術(shù)簡介隨著半導體技術(shù)、集成技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計和設(shè)計手段發(fā)生了很大的變化。特別是進入到20世紀90年代以后，電子設(shè)計自動化EDA（ElectricalDesignAutomation）技術(shù)的發(fā)展和普及給電子系統(tǒng)的設(shè)計帶來了革命性的變化。EDA是一種實現(xiàn)電子系統(tǒng)或電子產(chǎn)品自動化設(shè)計的技術(shù)，它與電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，它吸收了計算機科學領(lǐng)域的大多數(shù)最新研究成果，以高性能的計算機作為工作平臺，促進了工程發(fā)展。2.3EDA技術(shù)152EDA可以看作是電子CAD的高級階段。是90年代初，從CAD、CAM（計算機輔助制造）、CAT（計算機輔助測試）、和CAE（計算機輔助工程）的概念發(fā)展而來的。EDA技術(shù)就是以計算機為工具、在EDA軟件平臺上，對以硬件描述語言HDL為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設(shè)計文件，自動地完成邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局