计算机硬件技术基础.doc

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1、1.2.5计算机硬件技术基础计算机技术包含软件技术与硬件技术两大部分，随着移动设备与智能终端的普及，硬件技术与嵌入式系统的应用越來越受到人们的重视。在计算机教育中，除掌握必要的软件及英应用外，还需要对计算机硬件的相关技术有更多的了解与认识。课程《计算机硬件技术基础》包含以下一些内容。1.控制电路的模块化计算机硬件在本质上是个复杂的电路系统，山于硬件控制的多样性，出于灵活性和规模效应考虑，电路设计需耍模块化。图1-18^示了一个常规的电路去掉电源、地与电阻后模块化的过程。（1）图1-18（a）是个常规的控制电路，开关K1与K2并联，控制灯亮或暗，该电路强调电路的冋

2、路特性，用于分析电路中的电压与电流值等。（2）图1-18（b）将电源与地分开表示，强调电流的流通或关断等特性，弱化电源与地对电路的影响，用于分析控制对象（开关）对受控对象（灯）的作用。（3）图1-18（c）与（a）、（b）功能一致,表面看起来电路变得更复杂了,这是模块化过程中的关键一步，强调控制与受控的独立性，使用控制点电压值的窩或低対应控制效果，引入高电平与低电平概念，为二进制控制打下基础。具体分析一下电路功能，先将虚框部分隐藏起來，余下3个互不相连的子电路（电源与地的相连除外）。>分析K1子电路，当开关K1闭合时，A点接地，电压值为零，称A为低电平；当K1断

3、开时，A点与地隔开，而与电源VCC通过电阻相连，在孤立情况下，A点的电压值为VCC,称A为高电平。>分析K2子电路，开关K2对应B点电平，K2闭合则B低电平，否则B高电平。>分析灯子电路（从VCC到C点），当C点为低电平时（即C点与地相通），则灯上电流通过，灯亮，当C点为高电平时（即C点不与地相通），则灯两端电压值相等，没有电流通过，灯暗。>当3个子电路通过虚框将A、B、C相连（短路）吋，若开关K1或K2闭合，则A点或B点低电平，山A、B、C短路连接，C点为低电平，故灯亮。反Z,若K1与K2均断开，则A点与B点均为高电平，C也为高电平，灯暗。整个电路的功能等价并

4、联电路。（4）在图1-18（c）的基础上，将3个子电路与虚框部分抽象岀来，得到图1-18（d）,强调控制与受控对象的独立性与地位，淡化控制与受控对象的具体电路，消除电源、地、电阻等対电路功能没有直接关联的电路器件，同时突出中间控制器的核心作用。（21）电路回路结构（<1）模块化电路电路的模块化设计具有优点：（1）便于电路设计者从高层分析电路目标与功能，并设计顶层电路模块，即电路设计者可以采用自顶向下方式设计电路，便于从总体上把握设计，避免过早陷于电路细节。(2)模块的控制状态通过电压值传递，便于扩充电路规模与电路功能，即易于“做大”电路，如能否让开关K1参与控制

5、多个灯，而不仅仅只用于一个冋路中。(3)关键控制点的电平只有高低两种状态，电路回路也只有流通或关断两种状态，便于分析电路功能，也为二进制的引入与控制打开大门。1.数字电路概要(1)继电器原理。如图1-19所示，A、B、C、D分别表示电磁铁、衔铁、弹簧和触点，左图表示控制电路断开吋，A无电流通过，山弹簧C作用，衔铁B弹•起，触点D连接至上方。右图表示控制电路通电时，电磁铁A通电，吸住衔铁B,触点D连接至下方，使电机通电运转。2燮雪控制电路工作电路图1-2继电器工作原理(1)开关特性。继电器的电磁铁A受控制电路的开关控制，继电器带多路常开或常闭触点，可在不同电路冋路

6、中做开关使用，即继电器可山一个受控开关得到多个控制开关，称继电器具有开关特性，具有开关特性的器件述有电子管、晶体管、CMOS管等，开关特性是计算机器件中的最主要特性。(2)开关电路。如图1・20所示，其中图(a)为原始的并联连接的电路，图(b)将K1与K2等效为一个虚拟开关，当K1与K2均断开时，虚拟开关Kv断开，否则Kv闭合，图(c)使用虚拟开关代替原并联开关，灯的亮或暗収决于虚拟开关的状态，控制器即是设计符合要求的虚拟开关，电路核心就是从开关到开关。(a)开关并联开关等效(b)等效的虚拟开关(c)使用等效开关图1・20等效的开关电路(1)门电路。将开关的闭合

7、与断开转换为电平的高与低，再进一步转换为二进制的0与I,从开关到开关的开关电路等效为从二进制到二进制的门电路，开关Z间有串联、并联、旁路等多种连接方式，门电路也有与门、或门、非门等基本方式，如图1-21所示。(a)与门，A、B均为1则C=1(b)或门,A、B均为0则C=0(c)非门,A为0则B为1图1-21最基本的门电路（5）纽•合电路。多个门电路相互连接组成的电路网络，输入端控制状态发生变化，输出端的电平也随之改变。通过门电路可以设计二进制加法器、乘法器、门禁、电梯控制等计算或控制功能。（6）时序电路。在组合电路的基础上增加时钟控制，使电路带有时间特性，可以计

8、数与计吋，使控制更加有序