數(shù)字邏輯實驗、知識點總結(jié).doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站刪除數(shù)字邏輯實驗報告、總結(jié)專業(yè)班級：計算機科學(xué)與技術(shù)3班 學(xué)號：41112115 姓名：華蔥一、 實驗?zāi)康? 熟悉電子集成實驗箱的基本結(jié)構(gòu)和基本操作2 通過實驗進一步熟悉各種常用SSI塊和MSI塊的結(jié)構(gòu)、各管腳功能、工作原理連接方法3 通過實驗進一步理解MSI塊的各輸入使能、輸出使能的作用（存在的必要性）4 通過實驗明確數(shù)字邏輯這門課程在計算機專業(yè)眾多課程中所處的位置，進一步明確學(xué)習(xí)計算機軟硬件學(xué)習(xí)的主線思路以及它們之間的關(guān)系學(xué)會正確學(xué)習(xí)硬件知識的方法。二、 實驗器材1 集成電路實驗箱2 導(dǎo)線若干3 14插腳、16插腳拓展板4 各種必要的SSI塊和MSI塊三、 各次實驗過程、內(nèi)容簡述（一） 第一次實驗：利用SSI塊中的門電路設(shè)計一個二進制一位半加器1. 實驗原理：根據(jù)兩個一位二進制數(shù)x、y相加的和與進位的真值表，可得：和sum=x異或y，進位Cout=xy。相應(yīng)電路：=1xy&SumCout2. 實驗內(nèi)容：a) 按電路圖連接事物，檢查連接無誤后開啟電源b) 進行測試，令=,，看輸出位sum和Cout的變化情況。c) 如果輸出位的變化情況與真值表所述的真值相應(yīng)，則達到實驗?zāi)康摹＃ǘ?第二次實驗：全加器、74LS138譯碼器、74LS148編碼器、74LS85比較器的測試、使用，思考各個輸入、輸出使能端的作用1. 實驗原理：a) 全加器i. 實驗原理：在半加器的基礎(chǔ)上除了要考慮當(dāng)前兩個二進制為相加結(jié)果，還要考慮低位（前一位）對這一位的進位問題。由于進位與當(dāng)前位的運算關(guān)系仍然是和的關(guān)系，所以新引入的低位進位端Cin應(yīng)當(dāng)與當(dāng)前和sum再取異或，而得到真正的和Sum；而進位位Cout的產(chǎn)生有三種情況：=,也就是說當(dāng)x、y、Cin中當(dāng)且僅當(dāng)其中的兩個數(shù)為1，另一個數(shù)為0的時候Cout=1，因此：Cout=xy+xCin+yCin得電路圖（也可以列出關(guān)于Cin的真值表，利用卡諾圖求解Cin的函數(shù)表達式）：=1=11 & & &xyCinSumCoutii. 實驗內(nèi)容：進行測試，窮舉的8中指派作為測試，重點測試=,這三種情況。iii. 如果輸出位的變化情況與真值表所述的真值相應(yīng)，則達到實驗?zāi)康?。b) 74LS138譯碼器i. 實驗原理：譯碼器是一個能夠?qū)⒁淮蛄刑枺ㄎ覀€人理解為地址）所對應(yīng)的有序編號（按照某種認(rèn)為約定）進行表達的電子邏輯器件，74LS138譯碼器是譯碼器的一種，它能夠?qū)⒁粋€與十進制整數(shù)值等值的二進制序列翻譯為相應(yīng)的十進制值，將信號輸出在相應(yīng)的數(shù)據(jù)線上。原理：每一個一位（07）十進制值Yi都對應(yīng)一個三位二進制序列的表達，也就對應(yīng)一個極小項mi，即Yi=mi，則可根據(jù)mi對應(yīng)的三個輸入變量組合設(shè)計門電路（例如Y5=m5=ABC）。將這8個十進制值都做這樣的門電路設(shè)計，在進行相應(yīng)的封裝、集成，就形成了這種3-8譯碼器，其外部邏輯狀態(tài)如圖所示： Y0G1 Y1G2A Y2G2B Y3 Y4A Y5B Y6C Y7。74LS138_ii. 實驗內(nèi)容：按要求連接電路，將使能端按=連接使譯碼器使能，將三個輸入端按=A,B,C組成的極小項| mi 0i7測試譯碼器，觀察各個輸出端Yi是否正確輸出，如果能，則達到實驗?zāi)康?。iii. 思考：G1,G2A,G2B作用。1. G1的作用：G1在3-8譯碼器中起開啟/封鎖各與門的作用，它的存在決定了該3-8譯碼器芯片是否工作，因此如果需要拓展譯碼輸入的位數(shù)由3位到多位，則需要利用該使能端。如：若需要設(shè)計一個4線-16線譯碼器，則可用最高位N3控制G1，因為如果N3為0則表明輸入實際上是3位二進制，譯碼只許一塊3-8譯碼器，但如果N3為1則表明輸入為4位二進制，則需要開啟第二塊74LS138工作，因此可以通過N3的值驅(qū)動第二塊74LS138，所以N3可以接到第二塊74LS138的G1端。2. G2A的作用：如1所述，當(dāng)N3的值為1（N3 N2N1N0所對應(yīng)的十進制大于7了），則第二塊74LS138需要啟用，但由于Yi的i 7因此第一塊74LS138不再有譯碼輸出，因此第一塊74LS138需要被封鎖，這如果用第一塊74LS138的G1來控制，這將會破壞譯碼器器件使能輸入的一致性（標(biāo)準(zhǔn)性）影響將來進一步的級聯(lián)拓展（這將在3中具體說明）。G2A的存在就解決了這個問題，N3可以通過G2A來控制第一塊74LS138的工作狀態(tài)，而不影響整個4線-16線譯碼器的使能。3. G2B的作用：考慮到整個4線-16線譯碼器的使能控制以及譯碼器器件輸入使能的一致性，即人們希望設(shè)計出來的4線-16線譯碼器能夠像74LS138一樣具有三個使能端，第一個高有效，第二、三兩個低有效，這樣可以方便進一步的級聯(lián)擴展，則有必要存在一個低有效使能端作為整個4-16譯碼器的第一個低有效使能端，而3-8譯碼器的G1和G2A已被占用，不能承擔(dān)此項工作，這就是G2B存在的意義。 Y0G1 Y1G2A Y2G2B Y3 Y4A Y5B Y6C Y7。74LS138 Y0G1 Y1G2A Y2G2B Y3 Y4A Y5B Y6C Y7。74LS138+5VN0N1N2N3/EN/DEC0/DEC1/DEC11/DEC10/DEC9/DEC8/DEC7/DEC6/DEC5/DEC4/DEC3/DEC2/DEC15/DEC14/DEC13/DEC12第一塊第二塊4. 其實根據(jù)我個人的理解，G1,G2A,G2B存在的意義并不是為方便級聯(lián)拓展，因為級聯(lián)的含義是前一個譯碼器的輸出作為后一個譯碼器的輸入，它解決的是n線-(8n-1)線(n為3的倍數(shù))譯碼器設(shè)計，而4-16譯碼器（具體電路如圖所示）的結(jié)構(gòu)并不是兩個74LS138級聯(lián)，而是并聯(lián)。（注：由于我對譯碼器的級聯(lián)比較熟悉，而對譯碼器的并聯(lián)較為生疏，因此我在此只做譯碼器并聯(lián)的復(fù)習(xí)，級聯(lián)的問題省略）c) 74LS148編碼器74LS148。EI I7 I6 I5 A2I4 A1I3 A0I2 I1 GSI0 EO。i.實驗原理：當(dāng)譯碼器的輸出端數(shù)量小于輸入端數(shù)量的時候，譯碼器就成為了編碼器。按照我的理解，我認(rèn)為編碼器的工作于譯碼器的工作互逆，如前所述，譯碼器是將一個十進制整數(shù)對應(yīng)的二進制翻譯到對應(yīng)以這個十進制為下標(biāo)的數(shù)據(jù)線上，而編碼器的工作機制則相反，它能夠通過判斷哪根數(shù)據(jù)線上有數(shù)據(jù)信號，則將其還原為數(shù)據(jù)線下標(biāo)十進制值對應(yīng)的二進制代碼，并將其結(jié)果輸出。如果將一個74LS138的8個輸入端分別接到一個74LS148對應(yīng)的8個輸入端，構(gòu)成一個組合電路，并讓它正常工作，那么輸入的三位二進制數(shù)將先被翻譯成相應(yīng)數(shù)據(jù)線上的內(nèi)容，再輸入到編碼器里面又編碼回對應(yīng)的三位二進制數(shù)，即輸入什么將輸出什么，相當(dāng)于什么都沒有做，因此我認(rèn)為編碼器工作原理與譯碼器工作原理互逆。其外部邏輯狀態(tài)為：ii.實驗內(nèi)容：在每一個Ii（0i7）對應(yīng)的管腳上先后分別輸入信號，觀察A2A1A0的輸出信號變化，如果輸出對應(yīng)的二進制值與i相等則達到實驗?zāi)康摹ii.思考：編碼器為什么要有優(yōu)先權(quán)？兩個輸出使能GS和EO的存在有什么意義？ 經(jīng)過測試，同時在編碼器的多個輸入管腳Ii上送入信號，輸出信號的值總是與下標(biāo)i最大的Ii數(shù)據(jù)線對應(yīng)的值相等，即其輸入到其他下標(biāo)較小的管腳中的信號沒有被編碼。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因就在于編碼器的編碼存在優(yōu)先權(quán)。反過來想，如果編碼器沒有優(yōu)先權(quán)，那么當(dāng)多個數(shù)據(jù)輸入到編碼器中，則編碼器無法判斷輸入的數(shù)據(jù)究竟哪一個該編碼，進而導(dǎo)致輸出錯誤。因此，編碼需要考慮優(yōu)先權(quán)。應(yīng)用：醫(yī)院里的病房都分一般病房和重癥監(jiān)護室，由于重癥監(jiān)護室的病人更需要時時關(guān)注，那么當(dāng)同時有兩個求助信號從病房送到護士站的時候，如果其中一個信號來自一般病房，另一個來自重癥監(jiān)護室，在護士站受到的信號應(yīng)是來自重癥監(jiān)護室的求助信號，而那個一般病房的信號將由于優(yōu)先權(quán)低于重癥監(jiān)護室的信號而被“忽略”。另外，編碼器還可用作數(shù)據(jù)尋址，將一個數(shù)據(jù)信號翻譯為其對應(yīng)的地址，在計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線上，掛有若干的外部設(shè)備，當(dāng)外部設(shè)備需要進行某種工作時，都要向CPU發(fā)送請求，這個請求將對應(yīng)一個地址，使得CPU在該地址取相應(yīng)的指令來授權(quán)該外部設(shè)備工作，當(dāng)同一時刻有多個外部設(shè)備向CPU發(fā)送請求時，由于編碼器具有優(yōu)先權(quán)選擇性，CPU將選擇對應(yīng)編碼優(yōu)先權(quán)最高的外部設(shè)備做授權(quán)工作。這樣就不會由于若干的外部設(shè)備共享一根數(shù)據(jù)總線，發(fā)送求的時候產(chǎn)生混亂。輸出使能EO的作用：與譯碼器類似，EO用作級聯(lián)擴展，當(dāng)?shù)谝粔K74LS148的輸入全部無效時，也就是需要編碼的信號Ii中i大于7，也就是在下一塊74LS148的某個輸入管腳，此時第一塊74LS148的EO為有效輸出，而第二塊需要開啟工作，因此應(yīng)把第一塊74LS148的EO接到第二塊74LS148的EI上，與74LS138類似，它能解決 (8n-1)線-n線(n為3的倍數(shù))的編碼器設(shè)計問題。輸出使能GS的作用：此問題仍然與譯碼器類似，GS不是供74LS148級聯(lián)的而是供它并聯(lián)，解決(8n-1)線-n線(n不是3的倍數(shù))編碼器的設(shè)計問題，比如設(shè)計一個16線-4線編碼器。下面就16線-4線編碼器的設(shè)計談一談我的收獲：16線輸入的編碼器與74LS148的區(qū)別在于它需要編碼的信號不一定在I0I7中，還有可能在I8I15中。就此需要分類討論，當(dāng)需要編碼的信息落在I0I7范圍內(nèi)，也就是編碼后的四位二進制結(jié)果最高位A3為0，那么第一塊74LS148一定要使能，而74LS148沒必要開啟。當(dāng)需要編碼的信息落在I8I15也就是編碼后的四位二進制結(jié)果最高位A3為1，而編碼結(jié)果的后三位由第一塊74LS148的輸出端A2A1A0輸出。綜上所述，編碼結(jié)果的最高位為0時，也就是Ii的i小于7時，第二塊74LS148不工作，而編碼結(jié)果的最高位A3為1時，也就是Ii的i大于7時，輸入信號從第二塊74LS148的相應(yīng)管腳輸入，第一塊74LS148的所有輸入均無效，其EO有效輸出，因此第二塊74LS148必須要工作，而能夠標(biāo)志這種輸入范圍和是否工作關(guān)系的信號就是GS信號，恰好可以讓第一塊74LS148的EO使能第二塊74LS148（接到其EI上）因此GS就正是我們要找的編碼結(jié)果的最高位A3。具體電路如圖所示：d).74LS85比較器的測試74LS185。ALTBIN ALTBOUTAEQBIN AEQBOUTAGTBIN AGTBOUTA0B0A1B1A2B2A3B3。_i.實驗原理：比較兩個二進制數(shù)的方法是從最高位開始，依次比較每一位。在比較到第i位時，不僅要看兩個二進制數(shù)第i位的大小，還要看第i-1位的比較結(jié)果，由二者共同決定第i位的比較結(jié)果。74LS85的內(nèi)部邏輯狀態(tài)原理：在比較兩個數(shù)A、B的第i位Ai和Bi時，如果AiBi，則一定有Ai=1，Bi=0，將此情況記為PGi，則PGi=AiBi；同理，AiBi的情況PLi= AiBi；對于Ai=Bi的情況PEi，則應(yīng)該考慮兩種：Ai=1，Bi=1和Ai=0，Bi=0，因此PEi= AiBi（可用與或非門實現(xiàn)）。74LS85是四位比較器，每一位比較的原理都如此，比較結(jié)果再和第i-1位的比較結(jié)果進行綜合處理。具體外部邏輯狀態(tài)為：i.實驗內(nèi)容：置入任意的，分別測試=,，觀察相應(yīng)的輸出，是否正確，如果正確，則達到實驗?zāi)康摹i.思考：如果比較的位數(shù)為8位，該如何利用74LS85設(shè)計電路？當(dāng)需要比較的數(shù)據(jù)為8位時，則將這兩個數(shù)據(jù)分為兩段段，即高四位和低四位，使用兩塊74LS58，第一塊用于比較低四位，其置為，將其比較結(jié)果送至第二塊的，第二塊用于比較高四位，其輸出結(jié)果則為最終這兩個8位二進制數(shù)比較的結(jié)果。電路圖略。（三） 第三次實驗：74LS74 D觸發(fā)器、74LS163 4位二進制計數(shù)器、74LS166 8位二進制移位寄存器1).實驗原理：a).74LS74 D觸發(fā)器。i.實驗原理：D觸發(fā)器的內(nèi)部原理在理論課上老師已經(jīng)給我們講過，我就不在此闡述。在這里我只想專門談一談觸發(fā)器與鎖存器的區(qū)別以及鎖存器如何實現(xiàn)邊沿觸發(fā)。對于鎖存器而言，要求在控制（時鐘）輸入CLK有效期間內(nèi)，輸入數(shù)據(jù)D穩(wěn)定不變，但由于實際工程運用電子電路龐雜，數(shù)據(jù)難免會產(chǎn)生錯誤而導(dǎo)致傳輸不穩(wěn)定（比如空翻現(xiàn)象），如果刻意要求數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變使器件正確工作將會給實際使用帶來不便。邊沿觸發(fā)的產(chǎn)生就很好的解決了這個問題，邊沿觸發(fā)可以使器件在控制信號的有效邊沿時接收數(shù)據(jù)。就D觸發(fā)器而言，由于D鎖存器的地方就在于多了兩個信號接收門（與非門），更重要的是D觸發(fā)器比D鎖存器內(nèi)部多了三條反饋數(shù)據(jù)線。正是由于這三條反饋數(shù)據(jù)線，使得時序電路的產(chǎn)生成為了可能，讓電子元器件在控制數(shù)據(jù)上“智能”了。實驗采用74LS74芯片，其中封裝了兩個D觸發(fā)器其1/2外部邏輯狀態(tài)為：D PR Q CLKCLR Q。74LS74ii.實驗步驟：驗證次態(tài)于現(xiàn)態(tài)之間的關(guān)系，即次態(tài)方程。給CLR送入一個0信號，并給CLK端送入一個時鐘脈沖，使D觸發(fā)器清零；給D端送入一個信號，并給CLK端送入一個時鐘脈沖，使得數(shù)據(jù)送到D觸發(fā)器內(nèi)，再向CLK端送入一個時鐘脈沖，觀察輸出Q與D觸發(fā)器次態(tài)真值表是否一致，如果一致則達到實驗?zāi)康?。iii.實驗思考：D觸發(fā)器是時序電路的細(xì)胞，是時序電路的最小單位，它讓電子器件在時域上有序處理、存儲數(shù)據(jù)成為可能，其原理是時序電路原理的基礎(chǔ)。（注：由于我比較熟悉74LS163的結(jié)構(gòu)，在此就不給出其外部邏輯狀態(tài)了）b).74LS163 4位二進制計數(shù)器i.實驗原理：74LS163是一個可以清零、可以設(shè)置計數(shù)模數(shù)、計數(shù)起點、可拓展的計數(shù)器。清零可以通過其清零端實現(xiàn)，而模數(shù)可通過置數(shù)端LD配合各輸出端Qi實現(xiàn)，計數(shù)的起點由DCBA輸入端輸入，而兩個使能端則實現(xiàn)進一步拓展級聯(lián)。ii實驗步驟：將74LS163的ENP與ENT使能端接+5V信號，使芯片使能向CLR端送入信號并向CLK端送入信號，使得芯片清零。將CLD和LD接GND，給置一個四位二進制初始信號，讓計數(shù)器從此數(shù)開始加1計數(shù)。給CLK端送入一個時鐘脈沖，觀察輸出是否為初始置數(shù)加一，如果是，則繼續(xù)送時鐘脈沖給CLK，直至進位輸出RCO有輸出信號時，將計數(shù)器清零，重新給置入一個四位二進制信號，重復(fù)上述操作，測試多次，熟練掌握74LS163工作原理。iii.思考：使能端ENP和ENT的作用。為了實現(xiàn)多位二進制數(shù)（4位以上）加1計數(shù)的功能，需要給74LS163級聯(lián)拓展，與譯碼器級聯(lián)類似，如果數(shù)據(jù)低位的輸出進位有信號，說明現(xiàn)有的74LS163已經(jīng)不夠表達當(dāng)前的輸出數(shù)據(jù)，需要借助另一塊74LS163來進行表達，此時就涉及到一個問題，即第二塊74LS163工作使能的控制，ENT使能端就可以負(fù)責(zé)此功能。因此如果需要做級聯(lián)，則第一級的74LS163進位輸出RCO接入到第二級74LS163的ENT上。因此，ENT除了控制電路處于置數(shù)方式或計數(shù)方式外，還控制最高位的ROC是否有效。當(dāng)ENT做了級聯(lián)必須的使能時，還需要另一使能端控制較高級的74LS163的工作使能，這就是ENP存在的意義。c).74LS166 并入-串出移位寄存器i.實驗原理：74LS166結(jié)構(gòu)與74LS163結(jié)構(gòu)比較相似，其SH/LD端相當(dāng)于74LS163的ENT端。當(dāng)74LS166工作起來后，唯一的輸出端Qh則會將實現(xiàn)置入芯片數(shù)據(jù)的8個二進制位按的順序?qū)⑵浒次灰瞥黾拇嫫?，也就是說并行置入的8個二進制位在移位的過程中由低位移向高位，在低位產(chǎn)生“空位”由信號SER補入。由于我對于74LS166的結(jié)構(gòu)也比較熟悉，因此就不在此給出其外部邏輯狀態(tài)了。ii.實驗內(nèi)容：實驗準(zhǔn)備工作與74LS163實驗相同。送信號到SH/LD中，并向CLK中送入一個時鐘脈沖，使芯片處于置數(shù)的工作狀態(tài)，任意置入一組8位二進制信號給，并置入SER=0再給CLK端送入一個時鐘脈沖信號，使得芯片由置數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)向移位狀態(tài)，接下來持續(xù)給CLK送入時鐘脈沖信號，觀察QH的輸出與每一位輸入的數(shù)位是否一致，并觀察當(dāng)8位輸入的數(shù)位都移出芯片后，接下來的輸出是否與事先置入的SER一致，如果都一致，則本次試驗成功，將SER置為1，重復(fù)上述操作。所有試驗到此結(jié)束。四、 實驗總結(jié)做數(shù)字邏輯實驗以及老師詳細(xì)而全面的講授惡補了我數(shù)字邏輯知識的漏洞，糾正了我以前的一些對數(shù)字邏輯知識不正確的理解，將曾經(jīng)抽象的知識變得更容易理解了，極大的提高了我數(shù)字邏輯的學(xué)習(xí)質(zhì)量以及我的學(xué)習(xí)興趣，收獲甚大！上述我對實驗內(nèi)容的報告都是我的收獲所在，尤其是譯碼器編碼器的并聯(lián)拓展、各個MSI塊的使能端作用以及運用、時序電路基本原理基本單位的強化理解（D觸發(fā)器原理），這些都是我在做實驗之前的薄弱環(huán)節(jié)，而通過做實驗，我現(xiàn)在對數(shù)字邏輯這門學(xué)科有了一個更深刻更佳正確的認(rèn)識，最后，我就“作用”和“地位”兩個角度談一談我對數(shù)字邏輯這門課的理解與認(rèn)識。五、 理解內(nèi)化計算機專業(yè)的課程學(xué)習(xí)有兩條主線：硬件和軟件。軟件課程之間沒有很明顯的關(guān)聯(lián)，但是硬件課程則是一環(huán)套一環(huán)，逐層遞進的。由模擬電子技術(shù)中的晶體