數(shù)字電路與邏輯設計.ppt

數(shù)字電路與邏輯設計 DigitalCircuitsandLogicDesign 課程介紹 學習本課程的目的 作用和本課程的地位 基本要求 總學時安排 教學方法與成績評定 教材及參考書 課程內容簡介 面臨的困難及一些對策 學習本課程的目的 作用和本課程的地位 計算機科學與技術專業(yè)必修的一門重要專業(yè)基礎課和主干課程 本課程主要目的是使學生了解從對數(shù)字系統(tǒng)提出的要求開始 直到用集成電路實現(xiàn)所需邏輯功能為止的完整過程 為數(shù)字計算機和其它數(shù)字系統(tǒng)的硬件設計奠定堅實的基礎 它是一門理論與實踐結合密切的硬件基礎課程 先修課程 計算機導論 和 基礎電路與電子學 后繼課程 計算機組成原理 匯編語言程序設計 微機與接口技術 計算機系統(tǒng)結構 數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡 EDA技術 等等 基本要求 1 掌握數(shù)字電路的基本概念 基本理論和基本知識 2 熟悉邏輯電路工作原理 特性和功能 3 掌握用布爾代數(shù) 狀態(tài)理論對數(shù)字邏輯電路進行分析和設計 尤其中 大規(guī)模集成電路的分析和設計 重點在于組合邏輯電路和同步時序邏輯電路的應用 4 掌握計算機系統(tǒng)中的基本部件的分析和設計方法 并能熟悉選擇使用邏輯元部件 5 實驗環(huán)節(jié) 熟練掌握實驗步驟 實驗內容 培養(yǎng)調試和動手實踐的能力 培養(yǎng)學生具有正確運用數(shù)字集成電路的能力 總學時安排 理論總學時54 周學時4 第1周至第14周完成教學內容 學分3學分 實驗獨立設課 總學時36 第10周至第18周完成 學分2學分 教學方法與成績評定 擬采用的教學方法 講課為主 習題課為輔 自學為輔 課堂上結合傳統(tǒng)板書和多媒體手段進行教學 答疑 兩種方式 1 課外指定地點和時間 2 網(wǎng)上答疑 huying 考核方式 實行綜合考核方式 即半期考考試成績占30 期末考試成績占50 平時作業(yè) 提問情況和口試成績占20 最終評定學生的成績 教材及參考書 教材 數(shù)字邏輯 歐陽星明華中科技大學出版社主要參考書 數(shù)字邏輯學習與解題指南 歐陽星明華中科大出版社 數(shù)字邏輯 蔣大宗電子工業(yè)出版社 數(shù)字邏輯電路 皇甫正賢南京大學出版社 數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 王永軍等電子工業(yè)出版社 數(shù)字邏輯與數(shù)字集成電路 王爾乾清華大學出版社 數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 白中英等科學出版社 DigitalDesign Principles Practices JohnF Wakerly高教出版社 LogicandComputerDesignFundamentals M MorrisMano CharlesR Kime電子工業(yè)出版社 DigitalLogic ApplicationsAndDesign JohnM Yarbrough機械工業(yè)出版社 FundamentalsofDegitalLogicwithVHDLDesign StephenBrown ZvonkoVranesic機械工業(yè)出版社 課程內容簡介 第一部分開關理論基礎 8學時 第二部分邏輯門電路 2學時 第三部分組合邏輯電路 12學時 第四部分觸發(fā)器 6學時 第五部分時序邏輯電路 20學時 第六部分編程邏輯 6學時 數(shù)字電路與邏輯設計 教學大綱 doc 面臨的困難及一些對策 學時少 講課內容多 與實驗分開不同步 教材采用的版本和章節(jié)的處理對學生的要求對老師的要求 前言 一 數(shù)字系統(tǒng)二 為什么要使用數(shù)字系統(tǒng) 三 數(shù)字系統(tǒng)的由來四 數(shù)字邏輯電路的分類及研究方法 一 數(shù)字系統(tǒng) DIGITALSYSTEMS 1 數(shù)字系統(tǒng)的含義一個能對數(shù)字信號進行加工 傳遞和存儲的實體 它由實現(xiàn)各種功能的數(shù)字邏輯電路相互連接而成 例如 數(shù)字計算機就是一種最具代表性的數(shù)字系統(tǒng) 2 數(shù)字信號 模擬量 連續(xù)量 在時間上和數(shù)值上均作連續(xù)變化的物理量 例如溫度 壓力 電壓 電流 水位等 模擬信號 連續(xù)信號 在時間上和數(shù)值上均作連續(xù)變化的物理信號 模擬電路 直接對模擬量進行處理的電子線路 模擬電路 模擬信號的產(chǎn)生 放大 處理的運用電路 模擬量 連續(xù)量 模擬信號 連續(xù)信號 模擬電路 analog 模擬量 數(shù)字量 物理量 數(shù)字量 離散量 在時間上和數(shù)值上作斷續(xù)變化的物理量 例如 開關的狀態(tài) 數(shù)字信號 離散信號 信號的變化在時間上和數(shù)值上都是離散的 或者說斷續(xù)的 稱為數(shù)字信號 數(shù)字信號是表示數(shù)字量的信號 指在兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間作階躍式變化的信號 輸入數(shù)字信號有兩種 電位型和脈沖型 前者用高低不同的電位信號表示數(shù)字 1 和 0 后者用有無脈沖表示數(shù)字 1 和 0 脈沖是一個突然的變化過程電壓或電流信號 有矩形脈沖 尖脈沖 矩形波 鋸齒波 數(shù)字電路 直接對數(shù)字量進行處理的電子線路 數(shù)字量 離散量 數(shù)字信號 離散信號 數(shù)字電路 在模擬電子技術中 電子線路主要處理的是模擬信號 在數(shù)字電子技術中 電子線路主要處理的是數(shù)字信號 利用晶體管的放大功能 利用晶體管的截止和飽和功能 3 數(shù)字 邏輯 電路 用數(shù)字信號去實現(xiàn)運算 控制 測量的科學 研究輸入和輸出之間的邏輯關系 用來處理數(shù)字信號的電子線路 研究數(shù)值的邏輯加工和運算的電路 由于數(shù)字電路的各種功能是通過邏輯運算和邏輯判斷來實現(xiàn) 所以數(shù)字電路又稱為數(shù)字邏輯電路 或者邏輯電路 簡稱數(shù)字邏輯 數(shù)字系統(tǒng)習慣上被稱為數(shù)字邏輯系統(tǒng)或數(shù)字邏輯電路 最具代表性的設備就是數(shù)字電子計算機 數(shù)字電路 數(shù)字邏輯電路 邏輯電路 數(shù)字邏輯 二 為什么要使用數(shù)字系統(tǒng) 與模擬電路相比 數(shù)字邏輯電路具有如下特點 1 電路的基本工作信號是二值信號 2 對電路的研究主要關心輸出和輸入之間的邏輯關系 3 電路結構簡單 功耗低 便于集成制造和系列化生產(chǎn) 產(chǎn)品價格低廉 使用方便 通用性好 4 數(shù)字系統(tǒng)工作速度快 精度高 功能強 可靠性好 抗干擾性強 保密性好 通用性強等 5 不僅能完成數(shù)值運算 還可以進行邏輯運算和判斷 這在控制系統(tǒng)中是不可缺少 數(shù)字電路相對于模擬電路的這一系列的優(yōu)點 使它在計算機自動控制 數(shù)字通信及儀器儀表等各個領域中得到廣泛的應用 三 數(shù)字系統(tǒng)的由來 具有二值性的量的信號 即不是 有 就是 無 不是 是 就是 非 不是 真 就是 偽 不是 高 就是 低 開關理論 一個開關只能有兩種狀態(tài) 不是 通 就是 斷 1847年英國數(shù)學家喬治 布爾 George Boole 提出的布爾代數(shù) BooleanAlgebra 1938年克勞德 香農(nóng) C E Shannon 將布爾代數(shù)的有關理論應用于開關電路 數(shù)字邏輯元件的飛躍發(fā)展 40年代的真空電子管50年代的晶體管60年代的小規(guī)模集成電路SSI small scaleintegration 中規(guī)模集成電路MSI medium scaleintegration 70年代的大規(guī)模集成電路LSI large scaleintegration 以至超大規(guī)模集成電路VLSI verylarge scaleintegration 80年代的巨大規(guī)模集成電路 四 數(shù)字邏輯電路的分類及研究方法 數(shù)字集成電路 digitalintegratedcircuits 是數(shù)字系統(tǒng)功能實現(xiàn)的物質基礎 它的基本邏輯單元是邏輯門電路 所謂邏輯門 logicgates 指數(shù)字邏輯電路以能完成獨立邏輯功能的一組電子元件和器件所組成的線路為基本單元 這種基本單元稱之 1 分類 1 按電路組成的結構來分 分立元件電路和集成電路分立元件電路是將元件和器件用導線連接起來的電路 集成電路 integratedcircuits 是將元件 器件和導線均用半導體工藝集成制作在同一塊硅片上構成的電路 2 按集成度的大小來分 所謂集成度大小是指同一塊集成芯片上制作的邏輯門電路和元器件數(shù)量的多少 一塊集成電路芯片所容納的邏輯門數(shù)量反映了芯片的集成度 集成度越高 單片芯片所實現(xiàn)的邏輯功能就越強 數(shù)字系統(tǒng)的層次結構 3 按構成電路的半導體器件來分 雙極型電路和單極型電路雙極型數(shù)字集成電路是指以雙極型晶體管 二極管 三極管 為基本器件的集成電路稱之 屬于這一類的有TTL ECL I2L等 單極型數(shù)字集成電路是指以MOS單極型晶體管為基本器件的集成電路稱之 屬于這一類的有NMOS PMOS CMOS 4 按電路有無記憶功能來分 組合邏輯電路和時序邏輯電路組合邏輯電路 CombinationalLogic 如果一個邏輯電路在任何時刻的穩(wěn)定輸出僅取決于該時刻的輸入 而與電路過去的輸入無關的邏輯電路 則稱之 如 全加器 譯碼器 數(shù)據(jù)選擇器等 時序邏輯電路 SequentialLogic 如果一個邏輯電路在任何時刻的穩(wěn)定輸出不僅取決于該時刻的輸入 而且與過去的輸入相關的邏輯電路 則稱之 如 計數(shù)器 寄存器 移位寄存器等 常用的記憶元件是觸發(fā)器 flip flop 時序邏輯電路按照是否有統(tǒng)一的時鐘信號進行劃分 可分為同步時序邏輯電路和異步時序邏輯電路 2 研究方法 分析和設計 分析 analysis 對一個現(xiàn)成的數(shù)字邏輯電路 研究它的工作性能和邏輯功能稱之 已知邏輯電路 求邏輯功能 邏輯設計 邏輯綜合 logicdesign 根據(jù)提出的邏輯功能 在給定條件下構造出實現(xiàn)預定功能的邏輯電路稱之 已知邏輯功能 求邏輯電路 用邏輯代數(shù)作為基本理論的傳統(tǒng)方法仍不失為邏輯電路分析和設計的基本方法 建立在小規(guī)模集成電路上傳統(tǒng)方法 以技術經(jīng)濟指標作為評價一個設計方案優(yōu)劣的主要性能指標 設計追求的是如何使一個電路達到最簡 但一個最簡的方案并不等于一個最佳的方案 最佳方案應滿足全面的性能指標和實際應用要求 設計的答案不是唯一的 要求充分了解各種器件的邏輯結構和外部特性 做到合理選擇器件 充分利用每一個已選器件的功能 用靈活多變的方法完成各類電路或功能模塊的設計 可編程邏輯器件 EDA 各類可編程邏輯器件 PLD 的出現(xiàn) 給邏輯設計帶來了一種全新的方法 人們不再用常規(guī)硬件連接的方法去構造電路 而是借助豐富的計算機軟件對器件進行編程燒錄來實現(xiàn)各種邏輯功能 60年代末期出現(xiàn)標準通片 70年代中后期出現(xiàn)現(xiàn)場片 PROM PLA PAL GAL 80年代初期出現(xiàn)半用戶片 門陣列片 80年代中期出現(xiàn)現(xiàn)場可更改門陣列片 FPGA 90年代初期又出現(xiàn)在系統(tǒng)編程 ISP 的用戶片 第一章數(shù)制與碼制 1 1數(shù)制 numbersystems 1 1 1進位計數(shù)制1 1 2數(shù)制的轉換1 2碼制 CODES 1 2 1帶符號二進制數(shù)的代碼表示 1 2 2帶小數(shù)點的數(shù)的編碼1 2 3十進制數(shù)的代碼表示 BCD碼 1 2 4可靠性編碼1 2 5字符編碼 1 1數(shù)制 numbersystems 1 1 1進位計數(shù)制數(shù)制是人們對數(shù)量計數(shù)的一種統(tǒng)計規(guī)律 一種進位計數(shù)制包含著基數(shù)和位權兩個基本因素 基數(shù) baseorradix 指計數(shù)制中所用到的數(shù)字符合的個數(shù) R包含0 1 2 R 1 進位規(guī)律是逢R進一 稱為R進位計數(shù)制 簡稱R進制 位權 指在一種進位計數(shù)制表示的數(shù)中 用來表明不同數(shù)位上數(shù)值大小的一個固定常數(shù) 不同數(shù)位有不同的位權 一個R進制數(shù)N可以有兩種表示方法 并列表示法 位置計數(shù)法 和多項式表示法 按權展開法 1 十進制 Decimal base10 它采用0 1 2 3 4 5 6 7 8 9共十個基本數(shù)字符號 進位規(guī)律是 逢十進一 十進制的位權是10的整數(shù)次冪 2 二進制 Binary base2 基數(shù)R 2的進位計數(shù)制 它采用0 1兩個基本數(shù)字符號 進位規(guī)律是 逢二進一 二進制的位權是2的整數(shù)次冪 運算規(guī)則有加法規(guī)則 減法規(guī)則 乘法規(guī)則 除法規(guī)則 AdditionRules SubtractionRules MultiplicationRules DivisionRules 優(yōu)點 缺點 3 八進制 Octal base8 它采用0 1 2 3 4 5 6 7共八個基本數(shù)字符號 進位規(guī)律是 逢八進一 八進制的位權是8的整數(shù)次冪 4 十六進制 Hexadecimal base16 它采用0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F共十六個基本數(shù)字符號 進位規(guī)律是 逢十六進一 十六進制的位權是16的整數(shù)次冪 1 1 2數(shù)制的轉換 按權展開法和基數(shù)乘除法 1 二進制數(shù)與十進制數(shù)之間的轉換 1 二進制數(shù)轉換為十進制數(shù) ConversionfromBinarytoDecimal 將二進制數(shù)表示成按權展開式 并按十進制運算法則進行運算 2 十進制數(shù)轉換為二進制數(shù) ConversionfromDecimaltoBinary 整數(shù)轉換采用除2取余的方法 小數(shù)轉換采用乘2取整的方法 2 二進制數(shù)與八進制數(shù) 十六進制數(shù)之間的轉換 1 二進制數(shù)與八進制數(shù)之間的轉換 2 二進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的轉換3 八進制 十六進制與十進制之間的轉換方法有兩種1 通過二進制數(shù)作橋梁 2 直接用按權展開法或整數(shù)乘除法 1 2碼制 CODES 為了表示字符等一類被處理的信息 需要用一定位數(shù)的二進制數(shù)進行描述 這種特定的多位二進制數(shù)叫做代碼 代碼 和 數(shù)碼 的含義不盡相同 代碼是不同信息的代號 不一定有數(shù)的含義 一般說來一個碼字是由若干信息位組成的 每位有0和1兩種代碼 n位代碼可以組合成2n個不同的碼字 即它們可以代表2n種不同信息 數(shù)碼信息 代碼信息 數(shù)字系統(tǒng)中的信息 編碼給每個代碼賦以一定的含義 這個過程稱之 給2n種信息中的每個信息指定一個具體的碼字去代表它 這一指定過程稱之 由于指定的方法不是唯一的 故對一組信息存在著多種編碼方案 1 2 1帶符號二進制數(shù)的代碼表示 在數(shù)字系統(tǒng)中 符號和數(shù)值一樣是用0和1來表示的 一般將數(shù)的最高位作為符號位 用0表示正 用1表示負 使用補碼和反碼的目的是為了尋找一種適合于加減法的統(tǒng)一規(guī)則 它可以把減去一個數(shù)看成加上一個負數(shù) 并把該負數(shù)用補碼或反碼的形式表示出來 然后一律按加法規(guī)則進行運算 即符號位也看成一位數(shù)碼參加運算 1 真值和機器數(shù)通常將用 表示正 負的二進制數(shù)稱為符號數(shù)的真值 將符號和數(shù)值一起編碼表示的二進制數(shù)稱為機器數(shù)或機器碼 常用的機器碼有原碼 signedmagnitudecodes 反碼 1scomplementcode 和補碼 2scomplementcode 2 原碼 小數(shù)和整數(shù) 0的原碼形式有兩種 描述 符號位用0表示正 1表示負 數(shù)值位不變 小數(shù)原碼的定義 整數(shù)原碼的定義 公式 3 反碼 小數(shù)和整數(shù) 0的反碼形式有兩種 描述 符號位用0表示正 1表示負 數(shù)值位與符號位相關 正數(shù)反碼的數(shù)值位和原碼的數(shù)值位相同 而負數(shù)反碼的數(shù)值位是原碼的數(shù)值位按位變反 小數(shù)反碼的定義 整數(shù)反碼的定義 公式 4 補碼 小數(shù)和整數(shù) 0的補碼形式只有一種 經(jīng)驗 從右開始 找到第一個 1 而后每位求反 描述 符號位用0表示正 1表示負 數(shù)值位與符號位相關 正數(shù)補碼的數(shù)值位和原碼 反碼的數(shù)值位相同 而負數(shù)補碼的數(shù)值位是原碼的數(shù)值位按位變反 并在最低位加1 小數(shù)補碼的定義 整數(shù)補碼的定義 公式 5 三種碼之間的轉換對于負數(shù)來講 符號位不變 原碼反碼按位求反 反碼補碼最低位加1 補碼反碼最低位減1 原碼補碼按位求反 最低位加1 6 加減運算原碼的加減運算很麻煩 數(shù)值和符號分開處理 要根據(jù)運算及參加運算的兩個數(shù)的符號來確定是加還是減 如果是減法 則還需根據(jù)兩數(shù)的大小確定被減數(shù)和減數(shù) 以及運算結果的符號 反碼的加減運算 均可通過加法實現(xiàn) 運算時 符號位和數(shù)值位一樣參加運算 當符號位有進位產(chǎn)生時 應將進位加到運算結果的最低位 補碼的加減運算 均可通過加法實現(xiàn) 運算時 符號位和數(shù)值位一樣參加運算 當符號位有進位產(chǎn)生時 則應將進位丟掉 1 2 2帶小數(shù)點的數(shù)的編碼 定點和浮點 定點表示法 一個數(shù)中小數(shù)點的位置是固定不變的 事先約定 無須用符號點 可分為整數(shù)定點和小數(shù)定點 浮點表示法 小數(shù)點的位置是可以變化的 階符 階碼 數(shù)符 尾數(shù) floatingpointnumber 1 2 3十進制數(shù)的代碼表示 二 十進制碼即BCD碼 通常使用4位二進制代碼對十進制數(shù)字符號進行編碼 簡稱為二 十進制代碼 或稱BCD BinaryCordedDecimal 碼 它既有二進制的形式 又有十進制的特點 便于傳遞 處理 十進制數(shù)中有0 9共10個數(shù)字符號 4位二進制代碼可以組成16種不同狀態(tài) 從16種狀態(tài)中取出10種狀態(tài)來表示10個數(shù)字符號的編碼方案很多 但不管哪種編碼都有6種狀態(tài)不允許出現(xiàn) 根據(jù)代碼中每一位是否有固定的 加 權 Weighted 通常將BCD碼分為有權碼和無權碼兩種類型 1 8421BCD碼 8421code 最常用的有權碼 其4位二進制碼從高位至低位的權依次為23 22 21 20 即為8 4 2 1 注意 4位二進制數(shù)中的1010 1111 10 15 不允許在8421中出現(xiàn) 8421碼是一種人機聯(lián)系時廣泛使用的中間形式 8421碼與十進制數(shù)之間的轉換時按位進行的 即十進制數(shù)的每一位與4位二進制編碼對應 2 2421BCD碼 2421code 2421碼是一種有權碼 其4位二進制碼從高位至低位的權依次為2 4 2 1 2421碼不具備單值性 多種編排 2421碼不允許出現(xiàn)0101 1010這6種狀態(tài) 對9的自補代碼 BCDSelf ComplementingCodes 即一個數(shù)的2421碼只要自身按位求反 便可得到該數(shù)對9的補數(shù)的2421碼 這一特征的BCD碼給運算帶來方便 可利用其對9的補數(shù)將減法運算轉化為加法運算 即減去一個數(shù) 加上這個數(shù)對9的補數(shù) 2421碼與十進制數(shù)之間的轉換同樣是按位進行的 3 余3碼 excess 3code 余3碼是在8421碼的基礎上加上0011形成的無權碼 顧名思義稱為余3碼 其中6個狀態(tài)0000 0001 0010 1101 1110 1111是不允許出現(xiàn)的 它也是一種對9的自補代碼 因而可給運算帶來方便 在將兩個余3碼表示的十進制數(shù)相加時 能正確產(chǎn)生進位信號 但對 和 必須修正 修正的方法是 如果有進位 則結果加3 如果無進位 則結果減3 余3碼與十進制數(shù)之間的轉換也是按位進行的 4 5421BCD碼 有權碼權為5 4 2 1 5 5211BCD碼 有權碼權為5 2 1 1 且是對9之自補代碼 1 2 4可靠性編碼 作用在于提高系統(tǒng)的可