數(shù)字系統(tǒng)基礎(chǔ)

數(shù)字系統(tǒng)基礎(chǔ)第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三第3章數(shù)字系統(tǒng)的概念數(shù)字系統(tǒng)基礎(chǔ)二進制數(shù)制系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的構(gòu)成第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三1.1什么是數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)是僅僅用數(shù)字來“處理”信息以實現(xiàn)計算和操作的電子網(wǎng)絡(luò)。但是，數(shù)字系統(tǒng)中所用的數(shù)字是來自于特別的數(shù)制系統(tǒng)，該數(shù)制系統(tǒng)只有兩個可能的值：該值要么是0，要么是1。此特征定義了二進制或基-2的數(shù)制系統(tǒng)，數(shù)字本身(0和1)稱為(bits)比特，簡稱為“二進制數(shù)字”。雖然這似乎十分簡單，但是由于只使用0和1來完成所有的計算和操作，所有數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計實際上是相當復(fù)雜的。第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三將現(xiàn)實世界的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字網(wǎng)絡(luò)可以理解的二進制“語言”。2.僅用數(shù)字0和1完成所要求的計算和操作。3.將處理的結(jié)果以我們可以理解的方式返回給現(xiàn)實世界。特別地，數(shù)字系統(tǒng)必須完成如下任務(wù)：第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字系統(tǒng)總可以分解成用來表征和設(shè)計系統(tǒng)的小單元(或模塊)第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三原語單元用于產(chǎn)生用于產(chǎn)生較復(fù)雜的單元更復(fù)雜的單元第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字系統(tǒng)有幾種等效的描述方法。數(shù)字系統(tǒng)可以用不同的方式來看待,而采用的方式是否適合且方便則由手頭上的問題來決定。1.2.1層次層次概念對于設(shè)計復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)是很有用的，它使得我們可以從簡單的單元入手，然后逐步構(gòu)成龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)。1.2數(shù)字系統(tǒng)的概況第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字系統(tǒng)可以用十分明確定義的層次級別的集合來描述邏輯網(wǎng)絡(luò)數(shù)字邏輯網(wǎng)絡(luò)是以二進制數(shù)制的行為為基礎(chǔ)的。由于二進制變量實際上可以用來表示任何數(shù)據(jù)集，因此用二進制來描述任何數(shù)字網(wǎng)絡(luò)是可能的。例如，可以用二進制數(shù)來表示音頻的音跡(比如在CD中)、物理計算中的科學(xué)數(shù)字、基因代碼、星系信息或用于古埃及廢墟中考古發(fā)掘發(fā)現(xiàn)的分類，等等?？梢杂枚M制來描述的場合是無窮無盡的。雖然這在開始時聽起來有一點抽象，但我們將很快學(xué)會如何用二進制數(shù)來描述邏輯網(wǎng)絡(luò)，以代替用代數(shù)類型描述的方法。第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三電子電路硬件這一術(shù)語表示的是數(shù)字系統(tǒng)的物理構(gòu)成。數(shù)字系統(tǒng)的物理實現(xiàn)是用電子器件來完成的。而電子器件用實現(xiàn)邏輯運算的方式控制著電路中電流的流向。這是數(shù)字網(wǎng)絡(luò)在日常生活中人們最熟悉的形式。比如，當提及計算機系統(tǒng)時，我們通常想象到的是一塊電子器件。實際的數(shù)字系統(tǒng)是用數(shù)字邏輯設(shè)計的，其硬件是用電子器件來實現(xiàn)的。這些概念的融合起來加以理解是很重要的，因為它表明了理論如何用于構(gòu)造實際的系統(tǒng)。第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三1.2.2個人計算機個人計算機是一個極好的數(shù)字系統(tǒng)。計算機作為一個完整的系統(tǒng)，它通常由以下單元或部分組成：?系統(tǒng)主機包括CPU(中央處理單元)芯片存儲程序和數(shù)據(jù)的系統(tǒng)存儲器，通信的輸入輸出電路。?鍵盤

?顯示器個人計算機的組成部分第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三1.3二進制數(shù)一個二進制位只允許我們描述兩種可能的值,所以單個二進制變量本身的應(yīng)用是很有限的。但是，我們可以用一組二進制位來描述較為復(fù)雜的情形。設(shè)有四個獨立的二進制位(bit)，這四位數(shù)分別標識為a3，a2，a1，a0。每個數(shù)據(jù)位ai有兩個可能的值，0和1，其中i=0,1,2,3。這樣我們就可以構(gòu)造出一段4bit的數(shù)據(jù)data：data=a3a2a1a0，

其中各個數(shù)據(jù)位的順序是很重要的，比如a3必須放在左邊，a0必須在右邊，正如順序的下標所示的那樣。寫成這種形式，我們就把參數(shù)data當作具有16個不同值一個對象來看待。第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三1.4數(shù)據(jù)的表示通過將二進制字定義為合適的方式，我們可以用二進制字來表示我們想要表示的任何事物。假設(shè)我們想用二進制字來描述左、右、前、后四個方向D=00=>左D=01=>右D=10=>前D=11=>后第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三給二進制數(shù)組定義特定含義的過程稱為編碼。把二進制數(shù)解釋成應(yīng)用的過程稱為解碼。編碼和解碼的過程第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三1.5單元和層次為構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)，我們將采用稱為單元(cell)的基本構(gòu)造模塊。通常，單元提供了系統(tǒng)設(shè)計中所需的一些有用的運算。系統(tǒng)的本身通過將單元按適當?shù)捻樞蜻B結(jié)來構(gòu)成以完成所有希望得到的性能。采用圖形表示數(shù)字網(wǎng)絡(luò)所使用的單元及單元連結(jié)關(guān)系，稱為邏輯圖，它們?yōu)閿?shù)字網(wǎng)絡(luò)的分析和設(shè)計提供了一個有用的觀察點。第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三假設(shè)我們希望有一個單元，如果該單元有且只有一個輸入為1，其輸出為f=1，否則f=0。此函數(shù)可描述為：f=1如果A=1或B=1或C=1；f=0其他第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三為產(chǎn)生較大的數(shù)字系統(tǒng)，我們用小的單元構(gòu)成具有較復(fù)雜功能的較大的單元。在邏輯圖中單元間的互連用表示信號流向路徑的連線來表示。該連線也稱為傳輸線或簡稱為互連。單元A單元B單元A的輸出單元B的輸入XY連接兩個單元的串行數(shù)據(jù)流路徑第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三并行數(shù)據(jù)流連接連線畫法規(guī)則第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三微處理器芯片的照片第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三通過將多個單元連結(jié)在一起形成系統(tǒng)第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三用單元作為構(gòu)造模塊的概念稱為層次設(shè)計。數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計有兩個不同的方法：?自頂向下設(shè)計。此方法首先確定大規(guī)模系統(tǒng)的技術(shù)要求，然后選擇構(gòu)造系統(tǒng)所需的單元。這些單元可能很復(fù)雜，并且通常由較小的、更基本的單元組成。?自底向上設(shè)計。正好與自頂向下設(shè)計相反。此方法用基本的單元構(gòu)成比較復(fù)雜的單元，較復(fù)雜的單元又為更為復(fù)雜的功能的實現(xiàn)提供基礎(chǔ)。第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三設(shè)計層次中的不同級別第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三1.7系統(tǒng)原語原語是可以多次使用以產(chǎn)生整個單元的基本函數(shù)。時鐘：邏輯門：存貯器：寄存器：根據(jù)邏輯運算的定義，邏輯門有多個“輸入”位并產(chǎn)生一位“輸出”。存儲單元用于捕獲并保持二進制變量的值。寄存器是可用來存儲多個字的一個存儲單元模塊。時鐘用于為數(shù)字網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的定時操作提供參考。它使我們可以同步復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的操作，使得數(shù)據(jù)的移動更易于跟蹤。它是系統(tǒng)運算速度快慢的量度。第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三一個存儲單元可存儲一個數(shù)據(jù)位的值用于存儲整個二進制字的寄存器第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三1.8量度量度是一個用于不同場合，并對不同場合作出比較的測量單位。用于比較不同的設(shè)計解決方案。時間量度：而在數(shù)字邏輯設(shè)計領(lǐng)域時間量度是相當重要的體積：體積是一個重要參數(shù)有兩個原因。首先，高密度的集成使得集成電路物理上更小，故更容易用這些芯片制造出大的系統(tǒng)。第二個原因是，體積小就更為精巧。第二十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三電功耗：所有的電子網(wǎng)絡(luò)都要消耗電能，并由此導(dǎo)致發(fā)熱。數(shù)字網(wǎng)絡(luò)每做一個決定就要消耗附加的能量。電功耗至關(guān)重要有兩個原因。1）電子設(shè)備的過度發(fā)熱，因為這將引起系統(tǒng)不穩(wěn)定并最終導(dǎo)致系統(tǒng)失效。2）便攜式系統(tǒng)如筆記本計算機是靠電源供電的，低功耗電路可使我們在對電池重新充電之前工作更長時間。第二十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期三1.10問題1.假設(shè)你想建立一個編碼方案來表示指南針的如下方向集：N,S,E,W,NE,NW,SE,SW。請用必需的比特數(shù)來定義一個稱為direction的二進制字，并建立一個編碼/解碼表格。你如果想在方向集中另外加入NNW,NNE,SSW,SSE四個方向，必須做哪些修改？2.一個繪畫商店宣稱有43種不同的素描檔板，我們可用來描述這些不同檔板的二進制字shade_of_white的位數(shù)是多少？如何處理沒有用上的二進制組合？3.比較兩個桌面計算機，一個工作的時鐘頻率為500MHz，而另一個的中心時鐘為550MHz。若從500MHz的系統(tǒng)移到550MHz的系統(tǒng)，其時鐘周期長度減少的百分比是多少？第二十七頁，共二十八