2.2 深入理解计算机的器件

 

计算机是由运算器、控制器、存储器和输入输出设备构成的，其中运算器、控制器和存储器称为计算机的核心部件。输入输出设备又叫周边设备或外部设备，简称外设。外设主要是用来进行人机交互或计算机之间交互的设备。计算机核心部件主要是用来执行程序的设备。电子计算机中不论何种设备都是由电路器件构成的。电路的基本元件有电阻、电容、电感、导线、二极管、三极管、变压器、开关、电源等。电子元件的组合可以构成模拟电路和数字电路。模拟电路中的电压、电流等的变化是连续的，设备的状态变化也是连续的过程。数字电路中电路的状态只考察元器件两种对立的状态，换句话说数字电路的变化是不连续的。由于一种状态用1表示，另一种状态用0表示，故称这种电路为数字电路。数字电路相对简单，且容易控制，因而是设计计算机的重要途径。一般，电路观察点为高电位记为“1”，低电位记为“0”，这样就有了逻辑代数的基本常量0和1。

 

数字电路实质上应该叫逻辑电路，因为用一些电子元件可以直接构造出能够表达逻辑的“非”“与”“或”三种运算的电路。用这三种电路的组合，就能够表达全部的逻辑运算。又由于二进制数数码与逻辑常量完全相同，故而用逻辑组合电路就可以来表示二进制数，进而可以表示二进制数的算术运算和逻辑运算过程。

 

信息是事物的表现和描述。全部信息用能否运算来划分，只有两种，一是数值，二是非数值。由于不论数值信息还是非数值信息都可以用二进制数表示，故所有的信息都可以用二进制数表达。二进制数是可以用逻辑电路表示的，因而才会有所有的信息都可以用逻辑电路表达出来。计算机的核心部分又是由逻辑电路构造的，因而计算机能够表达和处理全部信息。

 

组成运算器的设备包括加减法运算器、乘法运算器、除法运算器，这其中又包括定点运算器和浮点运算器，这些是算术运算器。除了完成算术运算之外，运算器还包括逻辑运算器和一些数据特殊处理的运算器。

 

2.2.1 组成运算器的器件

 

计算机的功能最主要要是由运算器表达出来的，因而理解运算器是学习计算机设计的首要任务。

 

2.2.1.1 导线

 

导线又可叫作结点，这是因为电路中导线各处的电位都认为是相同的（理想状态）。原理图中导线是一条线，Verilog HDL语言中用“wire”描述。多根导线在原理图中要用粗线表示，还要标注有多少根。在语言描述中用整数向量表达更方便。例如，wire [7:0] line; 描述的是名称是line的8根导线组成的多股线。多股线国外称为“bus”，国内又常翻译成“总线”，实际上与计算机中传递数据的公共线路叫总线有一些不同，使用中要注意。

 

多股线其中的一条用向量分量的形式表示。例如，line[3]表示一条线，而line[5:3]表示其中的3条线。

 

如何表示导线连接？原理图中只要将画的线连接到一起就可以。Verilog HDL语言中用“assign”描述。例如，assign a = b;其中 a、b是导线，可以是多股线。

 

导线有条件的连接，原理图用开关元件表示，Verilog HDL语言中可以用“？：”运算符号来表达。例如，assign x = (k = = 0) ? a : b;这表示：如果导线k的值是0，那么导线x与导线a连接，不然导线x与导线b连接。

 

2.2.1.2 基本逻辑运算

 

在布尔代数的学习中，将使用系统这个概念。何为系统？严格地说现在尚无定论。一个系统可以认为是所涉及的对象全部，其中包括对象和对对象的各种处理操作。理论研究中，时常将对数据的各种处理操作称为运算。

 

定义 2 -1 在一个非空集合上定义了若干个运算，那么所成的系统叫代数系统，简称代数。

 

实际当中人们研究的代数系统很多，由于课程的需要，在此只研究逻辑代数，也就是布尔代数。下面给出布尔代数的定义。

 

定义 2 -2 布尔代数是在集合{0，1}上定义了运算：

 

或运算                    与运算               非运算

 

0 ＋ 0 = 0            0 • 0 = 0               1 = 0

 

0 ＋ 1 = 1            0 • 1 = 0               0 = 1

 

1 ＋ 0 = 1            1 • 0 = 0

 

1 ＋ 1 = 1            1 • 1 = 1

 

所构成的系统。其中“＋”、“•”、“’”是“或”、“与”、“非”逻辑运算符。

 

在布尔代数中的0，1叫逻辑值，它们是逻辑常量。0常用来表示否定，1常用来表示肯定。例如，一盏灯的状态可以用0表示不亮，用1表示亮。再如，电路中某一点的电势相对某一个标准低就用0来表示，而这一点的电势高，就用1来表示。

 

2.2.1.3 基本逻辑运算的电路元件

 

利用二极管和三极管可以组成能够实现逻辑运算的基本电路，这些基本逻辑电路分别称为或门电路、与门电路和非门电路。

 

2.2.1.3.1 或门电路

 

图 2 -1（a）所示的是或门电路，它是用两个二极管并联再和电阻串联组成的电路，粗短线表示接地，接地表示低电位。如果将a、b、c高电位用1记，低电位用0记，那么由二极管的单向导电性可知，当a或b有一个是高电位时（即a=1或b=1时），至少就有一个二极管导通，于是R就有从上往下的电流通过，R的上端c相对于另一端是高电位，即有c=1。

 

 

只有当a和b都是低电位时（a=0且b=0），两个二极管都不导通，R上就没有电流通过，R的上端和R的下端电势相同，都为低电位，即c=0。容易验证或门电路的状态和或运算的真值表的值是一样的，因而或门电路可以表达逻辑的或运算。

 

或门电路今后用图 2 1中(b)所示的简单符号来记，a，b叫输入端，c叫输出端。图 2 1（b）的左图是我国规定的符号，右图是设计软件中使用的符号。

 

2.2.1.3.2 与门电路

 

同或门电路一样，可以用2个三极管组成图 2 2 (a)所示的与门电路。这个电路的工作原理是：当两个三极管的基极a，b同时加上高电位时，两个三极管都导通，于是电阻R才有由上向下的电流，这样c端就是高电位（即c=1），不然，或者a=0，或者a=b=0，或者b=0，此任何一种情况都会使两个三极管至少有一个处在截止状态，这样电路就处于断开状态，电阻R没有电流通过。由于c端通过电阻R和“地”相连，地是低电位，故而c端是低电位。

 

从数值上看，与门电路的a，b任何一端为0都可以使c端的值为0。例如令a=0，则c=0，这样a就起一个控制端的作用，它能够控制c端使之为0。同样，b端也有相同的作用。

 

容易验证与门电路的状态和与运算的真值表的值是一样的，因而与门电路可以表达逻辑的与运算。

 

与门电路的符号如图 2 2 (b)所示，同样a、b是输入端，c是输出端。图 2 2 (b)的左图是我国规定的符号，右图是设计软件中使用的符号。

 

 

2.2.1.3.3 非门电路

 

非门电路也用三极管组成。图 2 3 (a)中的非门电路的R是负载电阻。当a端高电位即a=1时，由于三极管导通，相当于c与地直接相连，于是c点的电位和地一样，就是0。而当a=0时，由于三极管处在截止状态，c通过R与下端高电位一样，则有c=1。