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东南大学计算机结构与逻辑设计课件ppt1

第一章计算机系统概述

(1)计算机系统概述是理解计算机科学与技术领域的基础。它涵盖了计算机系统的基本概念、发展历程以及组成要素。计算机系统由硬件和软件两部分组成，硬件包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等，而软件则包括操作系统、应用软件等。从计算机的诞生到今天，计算机系统经历了从电子管到晶体管，再到集成电路和大规模集成电路的演变过程，其性能和功能得到了极大的提升。

(2)计算机系统的核心是中央处理器（CPU），它负责执行计算机指令，完成数据处理和运算任务。CPU的发展经历了多个阶段，从单核到多核，从低速度到高速度，其性能的提升推动了整个计算机系统的发展。随着计算机技术的进步，计算机系统逐渐向高性能、低功耗、高可靠性方向发展，以满足各种应用场景的需求。

(3)操作系统是计算机系统的重要组成部分，它负责管理和控制计算机硬件资源，为用户提供一个良好的工作环境。操作系统的功能包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理等。随着计算机网络的普及，操作系统还需要具备网络管理功能，以支持用户在网络环境下的各种操作。现代操作系统还强调用户界面友好性，提供图形化界面，使计算机操作更加直观和便捷。

第二章计算机组成原理

(1)计算机组成原理是计算机科学领域的基础学科，它主要研究计算机硬件系统的结构、功能和实现原理。计算机硬件系统由中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等组成。在计算机组成原理的学习中，CPU作为核心部件，其性能对整个计算机系统有着至关重要的影响。例如，Intel的Corei7处理器采用了四核、八线程的设计，单核频率高达3.8GHz，多核频率高达3.6GHz，这使得它在处理多任务和高性能计算方面具有显著优势。在内存方面，DDR4内存的传输速率高达3200MHz，比DDR3内存提高了大约40%，这使得内存的读写速度得到了大幅提升。

(2)在计算机组成原理中，指令集架构（ISA）是计算机硬件与软件之间沟通的桥梁。ISA分为复杂指令集架构（CISC）和精简指令集架构（RISC）。CISC架构设计复杂，指令种类繁多，如Intel的x86架构；而RISC架构指令简单，执行速度更快，如ARM架构。以ARM为例，其RISC架构使得处理器在低功耗的同时，保持高性能。以智能手机为例，ARM架构的应用非常广泛，如苹果的A系列处理器、高通的骁龙系列处理器等，这些处理器都采用了RISC架构，实现了在低功耗下的高性能。

(3)存储器是计算机系统中用来存放数据和指令的设备，它分为内存和辅助存储器。内存分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。RAM用于临时存放数据，其读写速度较快，但断电后数据会丢失；ROM用于存放程序和系统信息，其读写速度较慢，但断电后数据不会丢失。以RAM为例，DDR4内存的容量可以达到64GB，而SSD（固态硬盘）的容量可以高达4TB，这些存储设备的应用使得计算机系统能够处理更大规模的数据。此外，缓存技术也是存储器的重要组成部分，如L1、L2、L3缓存，它们用于提高CPU访问数据的速度。以Intel的CPU为例，其L1缓存容量为64KB，L2缓存容量为256KB，L3缓存容量为8MB，这种多级缓存设计有助于提高CPU的数据访问速度。

第三章逻辑设计基础

(1)逻辑设计基础是计算机科学与技术领域的关键组成部分，它涉及数字电路的设计与实现。逻辑门是构成数字电路的基本单元，包括与门、或门、非门、异或门等。这些逻辑门通过组合可以构建更复杂的逻辑电路，如加法器、乘法器等。例如，在CPU中，逻辑门用于执行算术和逻辑运算，这些运算对于处理器的性能至关重要。逻辑设计不仅要求电路具有正确的功能，还需要考虑电路的速度、功耗和面积等因素。

(2)逻辑设计基础还包括组合逻辑和时序逻辑的设计。组合逻辑电路的输出仅取决于当前输入，而时序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入，还取决于电路的状态。在时序逻辑中，触发器是基本单元，如D触发器、JK触发器等。这些触发器可以用于构建计数器、寄存器等时序电路。在数字系统设计中，时序逻辑电路用于实现时钟信号的产生、数据同步等功能。例如，在微处理器中，时钟信号控制着指令的执行和数据的传输。

(3)逻辑设计基础还涉及到数字系统的测试和验证。测试是确保电路设计正确性的关键步骤，包括功能测试、时序测试和故障模拟等。在设计过程中，使用仿真工具对电路进行仿真测试，可以提前发现潜在的问题。例如，在FPGA（现场可编程门阵列）设计中，可以通过仿真验证电路的功能和性能。此外，逻辑设计基础还包括了数字系统的优化，如优化电路的面积、降低功耗和提高速度等。这些优化措施对于提高数字系统的性能和降低成本具有重要意义。