1、Digital Circuits and Logic DesignDigital Circuits and Logic Design * *學(xué)習本課程的目的、作用和本課程的地位學(xué)習本課程的目的、作用和本課程的地位 * *基本要求基本要求 * *總學(xué)時安排總學(xué)時安排 * *教學(xué)方法與成績評定教學(xué)方法與成績評定 * *教材及參考書教材及參考書 * *課程內(nèi)容簡介課程內(nèi)容簡介 * *面臨的困難及一些對策面臨的困難及一些對策l計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)必修的一門重要計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)必修的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課和主干專業(yè)基礎(chǔ)課和主干課程。課程。l本課程主要本課程主要目的目的是使學(xué)生了解從對數(shù)字系統(tǒng)提出的要求開

2、是使學(xué)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，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(shè)計奠定堅實的基礎(chǔ)。為數(shù)字計算機和其它數(shù)字系統(tǒng)的硬件設(shè)計奠定堅實的基礎(chǔ)。l它是一門理論與實踐結(jié)合密切的它是一門理論與實踐結(jié)合密切的硬件基礎(chǔ)課程硬件基礎(chǔ)課程。l先修課程：先修課程： 計算機導(dǎo)論和基礎(chǔ)電路與電子學(xué)計算機導(dǎo)論和基礎(chǔ)電路與電子學(xué)l后繼課程：后繼課程： 計算機組成原理、匯編語言程序設(shè)計算機組成原理、匯編語言程序設(shè)計、微機與接口技術(shù)、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)計、微機與接口技術(shù)、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)、據(jù)通信與計算機網(wǎng)

3、絡(luò)、EDAEDA技術(shù)等等。技術(shù)等等。l1 1掌握數(shù)字電路的基本概念、基本理論和基本知識；掌握數(shù)字電路的基本概念、基本理論和基本知識；l2 2熟悉邏輯電路工作原理、特性和功能；熟悉邏輯電路工作原理、特性和功能；l3 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(shè)計；尤其中、大規(guī)模集成電路的分析和設(shè)計；重析和設(shè)計；尤其中、大規(guī)模集成電路的分析和設(shè)計；重點在于組合邏輯電路和同步時序邏輯電路的應(yīng)用。點在于組合邏輯電路和同步時序邏輯電路的應(yīng)用。l4 4掌握計算機系統(tǒng)中的基本部件的分析和設(shè)計方法，掌握計算機系統(tǒng)中的基本部件的分析和設(shè)計方法，并能熟悉選擇使用

4、邏輯元部件；并能熟悉選擇使用邏輯元部件；l5 5（實驗環(huán)節(jié)）熟練掌握實驗步驟、實驗內(nèi)容，培養(yǎng)（實驗環(huán)節(jié)）熟練掌握實驗步驟、實驗內(nèi)容，培養(yǎng)調(diào)試和動手實踐的能力，培養(yǎng)學(xué)生具有正確運用數(shù)字集調(diào)試和動手實踐的能力，培養(yǎng)學(xué)生具有正確運用數(shù)字集成電路的能力。成電路的能力。l理論理論總學(xué)時總學(xué)時4848，周學(xué)時，周學(xué)時4 4，第，第4 4周至第周至第1 17 7周周完成教學(xué)內(nèi)容，學(xué)分完成教學(xué)內(nèi)容，學(xué)分3 3學(xué)分。學(xué)分。l實驗實驗獨立設(shè)課，總學(xué)時獨立設(shè)課，總學(xué)時4848，學(xué)期結(jié)束前完，學(xué)期結(jié)束前完成基本實驗部分，學(xué)分成基本實驗部分，學(xué)分2 2學(xué)分。學(xué)分。l擬采用的教學(xué)方法：擬采用的教學(xué)方法：講課為主，習題課為

5、輔，自學(xué)為講課為主，習題課為輔，自學(xué)為輔輔。課堂上結(jié)合傳統(tǒng)板書和多媒體手段（課件）進行。課堂上結(jié)合傳統(tǒng)板書和多媒體手段（課件）進行教學(xué)。教學(xué)。l答疑答疑：兩種方式，：兩種方式，1 1）課外指定地點和時間；）課外指定地點和時間；l 2 2）網(wǎng)上答疑，）網(wǎng)上答疑，l理論考核理論考核方式：實行綜合考核方式，即半期考考試成方式：實行綜合考核方式，即半期考考試成績占績占30%30%，期末考試成績占期末考試成績占50%50%，平時作業(yè)、提問情況平時作業(yè)、提問情況和口試成績占和口試成績占20%20%，最終評定學(xué)生的成績。最終評定學(xué)生的成績。l 20%+30%+50%l教材：教材： 數(shù)字邏輯歐陽星明數(shù)字邏輯歐

6、陽星明 華中科技大學(xué)出版社華中科技大學(xué)出版社l主要參考書：主要參考書：l數(shù)字邏輯學(xué)習與解題指南歐陽星明數(shù)字邏輯學(xué)習與解題指南歐陽星明 華中科大出版社華中科大出版社l數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 閻石主編閻石主編 高等教育出版社高等教育出版社l數(shù)字邏輯電路皇甫正賢數(shù)字邏輯電路皇甫正賢 南京大學(xué)出版社南京大學(xué)出版社l數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 王永軍等王永軍等 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社l數(shù)字邏輯與數(shù)字集成電路王爾乾數(shù)字邏輯與數(shù)字集成電路王爾乾 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社l數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 白中英等白中英等 科學(xué)出版社科學(xué)出版社lDigital DesignD

7、igital DesignPrinciples & PracticesPrinciples & Practices John John F.WakerlyF.Wakerly 高教出版社高教出版社lLogic and Computer Design FundamentalsLogic and Computer Design Fundamentals M.Morris M.Morris ManoMano, Charles , Charles R.KimeR.Kime 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社lDigital LogicDigital LogicApplicationsAppli

8、cationsAnd DesignAnd DesignJohn John M.Yarbrough M.Yarbrough 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社lFundamentals of Fundamentals of DegitalDegital Logic with VHDL Design Logic with VHDL DesignStephen Stephen BrownBrown，ZvonkoZvonko VranesicVranesic機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社l第一部分第一部分 開關(guān)理論基礎(chǔ)（開關(guān)理論基礎(chǔ)（8 8學(xué)時）學(xué)時）l第二部分第二部分 邏輯門電路（邏輯門電路（2 2學(xué)時）學(xué)

9、時）l第三部分第三部分 組合邏輯電路組合邏輯電路 （1 10 0學(xué)時）學(xué)時）l第四部分第四部分 觸發(fā)器觸發(fā)器 （6 6學(xué)時）學(xué)時）l第五部分第五部分 時序邏輯電路（時序邏輯電路（1818學(xué)時）學(xué)時）l第六部分第六部分 編程邏輯（編程邏輯（4 4學(xué)時）學(xué)時）l數(shù)字電路與邏輯設(shè)計教學(xué)大綱數(shù)字電路與邏輯設(shè)計教學(xué)大綱. .docdoc模塊模塊1模塊模塊2l學(xué)時少、講課內(nèi)容多學(xué)時少、講課內(nèi)容多l(xiāng)教材采用的版本和章節(jié)的處理教材采用的版本和章節(jié)的處理l盡可能與實驗同步，實驗對理論的補充盡可能與實驗同步，實驗對理論的補充l對學(xué)生的要求（聽課、筆記、作業(yè)、預(yù)習、復(fù)習等）對學(xué)生的要求（聽課、筆記、作業(yè)、預(yù)習、復(fù)習

10、等）l對老師的要求（準時下課、作業(yè)、答疑、客觀評定）對老師的要求（準時下課、作業(yè)、答疑、客觀評定）l一數(shù)字系統(tǒng)一數(shù)字系統(tǒng)l二數(shù)字系二數(shù)字系統(tǒng)統(tǒng)的特點的特點l三數(shù)字系統(tǒng)的由來三數(shù)字系統(tǒng)的由來l四數(shù)字邏輯電路的分類及研究方法四數(shù)字邏輯電路的分類及研究方法l一數(shù)字系統(tǒng)一數(shù)字系統(tǒng)( (DIGITAL SYSTEMS)DIGITAL SYSTEMS)l1 1數(shù)字系統(tǒng)的含義數(shù)字系統(tǒng)的含義l一個能對數(shù)字信號進行加工、傳遞和存儲的實一個能對數(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，接而成。例如，數(shù)字計算機就是一種最具代表數(shù)字計

11、算機就是一種最具代表性的數(shù)字系統(tǒng)。性的數(shù)字系統(tǒng)。l2 2數(shù)字信號數(shù)字信號l模擬量（連續(xù)量）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。理量。例如溫度、壓力、電壓、電流、水位等。l模擬信號（連續(xù)信號）模擬信號（連續(xù)信號）：在時間上和數(shù)值上均作連續(xù)變化在時間上和數(shù)值上均作連續(xù)變化的物理信號。的物理信號。l模擬電路：模擬電路：直接對模擬量進行處理的電子線路。直接對模擬量進行處理的電子線路。l（模擬電路：模擬信號的產(chǎn)生、放大、處理的運用電路。）（模擬電路：模擬信號的產(chǎn)生、放大、處理的運用電路。）l模擬量模擬量( (連續(xù)量連

12、續(xù)量) )模擬信號模擬信號( (連續(xù)信號連續(xù)信號) )模擬電路模擬電路( (analog)analog)模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量物理量物理量l數(shù)字量（離散量）：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。在時間上和數(shù)值上作斷續(xù)變化的物理量。例如，開關(guān)的狀態(tài)。例如，開關(guān)的狀態(tài)。l數(shù)字信號（離散信號）：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。離散的、或者說斷續(xù)的，稱為數(shù)字信號。l數(shù)字電路：數(shù)字電路：直接對數(shù)字量進行處理的電子線路。直接對數(shù)字量進行處理的電子線路。l數(shù)字量數(shù)字量( (離散量離散量) )數(shù)字信號數(shù)字

13、信號( (離散信號離散信號) )數(shù)字電路數(shù)字電路l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。作階躍式變化的信號。l輸入輸入數(shù)字信號數(shù)字信號有兩種：有兩種：電位型和脈沖型。電位型和脈沖型。l前者用前者用高低不同的電位信號高低不同的電位信號表示數(shù)字表示數(shù)字“1”“1”和和“0”“0”l后者用后者用有無脈沖有無脈沖表示數(shù)字表示數(shù)字“1”“1”和和“0”“0”。脈沖脈沖是一個突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、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。矩形波、鋸齒波。l在模擬電子技術(shù)中

14、，電子線路主要處理的是在模擬電子技術(shù)中，電子線路主要處理的是模模擬信號擬信號。l在數(shù)字電子技術(shù)中，電子線路主要處理的是在數(shù)字電子技術(shù)中，電子線路主要處理的是數(shù)數(shù)字信號字信號。利用晶體管的放大功能利用晶體管的放大功能利用晶體管的截止和飽和功能利用晶體管的截止和飽和功能模模/數(shù)（數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路數(shù)數(shù)/模（模（D/A）轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路模擬信號模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號l3 3數(shù)字（邏輯）電路數(shù)字（邏輯）電路l用數(shù)字信號去實現(xiàn)運算、控制、測量的科學(xué)；用數(shù)字信號去實現(xiàn)運算、控制、測量的科學(xué)；l研究輸入和輸出之間的邏輯關(guān)系。研究輸入和輸出之間的邏輯關(guān)系。l用來處理數(shù)字信號的電子線路。用來處理數(shù)字

15、信號的電子線路。l研究數(shù)值的邏輯加工和運算的電路。研究數(shù)值的邏輯加工和運算的電路。l由于數(shù)字電路的各種功能是通過由于數(shù)字電路的各種功能是通過邏輯運算和邏輯判斷邏輯運算和邏輯判斷來來實現(xiàn)，所以實現(xiàn)，所以數(shù)字電路又稱為數(shù)字邏輯電路數(shù)字電路又稱為數(shù)字邏輯電路，或者，或者邏輯電路邏輯電路，簡稱簡稱數(shù)字邏輯數(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)。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。字邏輯電路。l最具代表性的設(shè)備就是最具代表性的設(shè)備就是數(shù)字電子計算機數(shù)字電子計算機。l數(shù)字電路數(shù)字邏輯電路邏輯電路數(shù)字邏輯數(shù)字電路數(shù)字邏輯電路邏輯電路數(shù)字邏輯l與模擬電路相比，數(shù)字邏輯電路具有如下與模擬電路

16、相比，數(shù)字邏輯電路具有如下特點特點：l1 1）電路的基本工作信號是二值信號。）電路的基本工作信號是二值信號。l2 2）對電路的研究主要關(guān)心輸出和輸入之間的邏輯關(guān)系。）對電路的研究主要關(guān)心輸出和輸入之間的邏輯關(guān)系。l3 3）電路結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、便于集成制造和系列化生產(chǎn)。）電路結(jié)構(gòu)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。產(chǎn)品價格低廉、使用方便、通用性好。l4 4）數(shù)字系統(tǒng)工作速度快、精度高、功能強、可靠性好、）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。抗干擾性強、保密性好、通用性強等。l5 5）不僅能完成數(shù)值運算，還可以進行

17、）不僅能完成數(shù)值運算，還可以進行邏輯運算和判斷邏輯運算和判斷。這在控制系統(tǒng)中是不可缺少。這在控制系統(tǒng)中是不可缺少。l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(lǐng)域中得到廣泛機自動控制、數(shù)字通信及儀器儀表等各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。的應(yīng)用。l具有二值性的量的信號具有二值性的量的信號，即不是，即不是“有有”就是就是“無無”，不，不是是“是是”就是就是“非非”，不是，不是“真真”就是就是“偽偽”，不是，不是“高高”就是就是“低低”。l開關(guān)理論開關(guān)理論。一個開關(guān)只能有兩種狀態(tài)，不是。一個開關(guān)只能有兩種狀態(tài)，不

18、是“通通”就是就是“斷斷”。l18471847年英國數(shù)學(xué)家喬治年英國數(shù)學(xué)家喬治布爾（布爾（George.BooleGeorge.Boole）提出的提出的布爾代數(shù)布爾代數(shù)( (Boolean Algebra)Boolean Algebra)。l19381938年克勞德年克勞德香農(nóng)（香農(nóng)（C.E.ShannonC.E.Shannon）將布爾代數(shù)的有關(guān)將布爾代數(shù)的有關(guān)理論應(yīng)用于開關(guān)電路。理論應(yīng)用于開關(guān)電路。數(shù)字邏輯元件的飛躍發(fā)展數(shù)字邏輯元件的飛躍發(fā)展l4040年代的真空電子管年代的真空電子管l5050年代的晶體管年代的晶體管l6060年代的小規(guī)模集成電路年代的小規(guī)模集成電路SSI(small-sca

19、le integration)SSI(small-scale integration)中規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路MSIMSI（medium -scale integration)medium -scale integration)l7070年代的大規(guī)模集成電路年代的大規(guī)模集成電路LSILSI( (large-scale integration)large-scale integration)以至超大規(guī)模集成電路以至超大規(guī)模集成電路VLSI(very large-scale VLSI(very large-scale integration)integration)l8080年代的巨大規(guī)模集成

20、電路年代的巨大規(guī)模集成電路l數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路( (digital integrated circuits)digital integrated circuits)是數(shù)字系統(tǒng)功能實現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。它的基本邏是數(shù)字系統(tǒng)功能實現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。它的基本邏輯單元是輯單元是邏輯門邏輯門電路。電路。l所謂所謂邏輯門邏輯門( (logic gates)logic gates)指數(shù)字邏輯電路以指數(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。組成的線路為基本單元，這種基本單元稱之。l1 1）按電路組成的結(jié)構(gòu)來分：）按電路組

21、成的結(jié)構(gòu)來分：l 分立元件電路和集成電路分立元件電路和集成電路l分立元件電路分立元件電路是將元件和器件用導(dǎo)線連接起來是將元件和器件用導(dǎo)線連接起來的電路；的電路；l集成電路集成電路( (integrated circuits)integrated circuits)是將元件、是將元件、器件和導(dǎo)線均用半導(dǎo)體工藝集成制作在同一塊器件和導(dǎo)線均用半導(dǎo)體工藝集成制作在同一塊硅片上構(gòu)成的電路。硅片上構(gòu)成的電路。2 2）按集成度的大小來分：）按集成度的大小來分：l所謂所謂集成度大小集成度大小是指同一塊集成芯片上制作的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。邏輯門電路和元器件數(shù)量的多少。l一塊集

22、成電路芯片所容納的邏輯門數(shù)量反映了一塊集成電路芯片所容納的邏輯門數(shù)量反映了芯片的芯片的集成度集成度，集成度越高，單片芯片所實現(xiàn)，集成度越高，單片芯片所實現(xiàn)的邏輯功能就越強。的邏輯功能就越強。類別類別集成度集成度電路規(guī)模與范圍電路規(guī)模與范圍SSISSI1-101-10門門/ /片或片或10-10010-100元件元件/ /片片通常為通常為邏輯單元電路邏輯單元電路。如：各種邏。如：各種邏輯門電路、集成觸發(fā)器；輯門電路、集成觸發(fā)器；MSIMSI10-10010-100門門/ /片或片或100-1000100-1000元件元件/ /片片通常為通常為邏輯功能部件邏輯功能部件。如：譯碼器、。如：譯碼器、編

23、碼器、數(shù)據(jù)選擇器、計數(shù)器、寄編碼器、數(shù)據(jù)選擇器、計數(shù)器、寄存器、移位寄存器；存器、移位寄存器；LSILSI100-1000100-1000門門/ /片或片或1000-100001000-10000元件元件/ /片片通?？蓸?gòu)造一個通?？蓸?gòu)造一個小的數(shù)字邏輯系統(tǒng)小的數(shù)字邏輯系統(tǒng)。如：微處理器、中央控制器、存儲如：微處理器、中央控制器、存儲器、串并行接口電路；器、串并行接口電路；VLSIVLSI10001000門門/ /片或片或1000010000元件元件/ /片以片以上上通常可構(gòu)造一個通?？蓸?gòu)造一個完整的數(shù)字系統(tǒng)完整的數(shù)字系統(tǒng)。如：在一硅片上集成一個完整的微如：在一硅片上集成一個完整的微處理機。處

24、理機。數(shù)字系統(tǒng)的層次數(shù)字系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3 3）按構(gòu)成電路的半導(dǎo)體器件來分）按構(gòu)成電路的半導(dǎo)體器件來分: :l 雙極型電路和單極型電路雙極型電路和單極型電路l雙極型數(shù)字集成電路雙極型數(shù)字集成電路是指以雙極型晶體管（二極管、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。屬于這一類的三極管）為基本器件的集成電路稱之。屬于這一類的有有TTLTTL、ECLECL、I I2 2L L等；等；l單極型數(shù)字集成電路單極型數(shù)字集成電路是指以是指以MOSMOS單極型晶體管為基本器單極型晶體管為基本器件的集成電路稱之。屬于這一類的有件的集成電路稱之。屬于這一類的有NMOSNMOS、PMOSPMO

25、S、CMOSCMOS。l4 4）按電路有無記憶功能來分：）按電路有無記憶功能來分：l 組合邏輯電路和時序邏輯電路組合邏輯電路和時序邏輯電路l組合邏輯電路組合邏輯電路（Combinational LogicCombinational Logic）：如果一個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，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(guān)的邏輯電路，則稱之。如：而與電路過去的輸入無關(guān)的邏輯電路，則稱之。如：全加全加器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器等。等。l時序邏輯電路時序邏輯電路（Sequential LogicSequential Lo

26、gic）：）：如果一個邏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，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(guān)的邏輯電路，則稱之。如：而且與過去的輸入相關(guān)的邏輯電路，則稱之。如：計數(shù)器、計數(shù)器、寄存器、移位寄存器寄存器、移位寄存器等。等。l常用的記憶元件是常用的記憶元件是觸發(fā)器觸發(fā)器( (flip-flop)flip-flop)。l時序邏輯電路按照是否有統(tǒng)一的時鐘信號進行時序邏輯電路按照是否有統(tǒng)一的時鐘信號進行劃分，可分為劃分，可分為同步時序邏輯電路和異步時序邏同步時序邏輯電路和異步時序邏輯電路輯電路。l分析分析( (analysis)analysi

27、s)對一個現(xiàn)成的數(shù)字邏輯電路，研究對一個現(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。（它的工作性能和邏輯功能稱之。（已知邏輯電路，已知邏輯電路，求邏輯功能求邏輯功能）l邏輯設(shè)計（邏輯綜合）邏輯設(shè)計（邏輯綜合）( (logic design)logic design)：根據(jù)提出根據(jù)提出的邏輯功能，在給定條件下構(gòu)造出實現(xiàn)預(yù)定功能的的邏輯功能，在給定條件下構(gòu)造出實現(xiàn)預(yù)定功能的邏輯電路稱之。（邏輯電路稱之。（已知邏輯功能，求邏輯電路已知邏輯功能，求邏輯電路）l用邏輯代數(shù)作為基本理論的傳統(tǒng)方法仍不失為邏輯用邏輯代數(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(shè)計的基本方法。電路分析和設(shè)計的基本方

28、法。l建立在小規(guī)模集成電路上傳統(tǒng)方法，以技術(shù)經(jīng)濟建立在小規(guī)模集成電路上傳統(tǒng)方法，以技術(shù)經(jīng)濟指標作為評價一個設(shè)計方案優(yōu)劣的主要性能指標，指標作為評價一個設(shè)計方案優(yōu)劣的主要性能指標，設(shè)計追求的是如何使一個電路達到最簡。設(shè)計追求的是如何使一個電路達到最簡。l但一個最簡的方案并不等于一個最佳的方案，最但一個最簡的方案并不等于一個最佳的方案，最佳方案應(yīng)滿足全面的性能指標和實際應(yīng)用要求。佳方案應(yīng)滿足全面的性能指標和實際應(yīng)用要求。（設(shè)計的答案不是唯一的）（設(shè)計的答案不是唯一的）l要求充分了解各種器件的邏輯結(jié)構(gòu)和外部特性，要求充分了解各種器件的邏輯結(jié)構(gòu)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做到

29、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功能，用靈活多變的方法完成各類電路或功能模塊的設(shè)計。塊的設(shè)計。l各類可編程邏輯器件（各類可編程邏輯器件（PLDPLD）的出現(xiàn)，給邏輯設(shè)計的出現(xiàn)，給邏輯設(shè)計帶來了一種全新的方法。人們不再用常規(guī)硬件連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(gòu)造電路，而是借助豐富的計算機軟接的方法去構(gòu)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。件對器件進行編程燒錄來實現(xiàn)各種邏輯功能。l6060年代末期出現(xiàn)標準通片；年代末期出現(xiàn)標準通片；l7070年代中后期出現(xiàn)現(xiàn)場片（年代中后期出現(xiàn)現(xiàn)場片（PROM,

30、PLA,PAL,GALPROM,PLA,PAL,GAL）；）；l8080年代初期出現(xiàn)半用戶片（門陣列片）；年代初期出現(xiàn)半用戶片（門陣列片）；l8080年代中期出現(xiàn)現(xiàn)場可更改門陣列片（年代中期出現(xiàn)現(xiàn)場可更改門陣列片（FPGAFPGA）l9090年代初期又出現(xiàn)在系統(tǒng)編程年代初期又出現(xiàn)在系統(tǒng)編程( (ISP)ISP)的用戶片；的用戶片；1 11 1 數(shù)制數(shù)制( (number systems)number systems)l1 11 11 1 進位計數(shù)制進位計數(shù)制l1 11 12 2 數(shù)制的轉(zhuǎn)換數(shù)制的轉(zhuǎn)換1 12 2 碼制碼制( (CODES)CODES)l1 12 21 1 帶符號二進制數(shù)的代碼表

31、示帶符號二進制數(shù)的代碼表示l* *1 12 22 2 帶小數(shù)點的數(shù)的編碼帶小數(shù)點的數(shù)的編碼l1 12 23 3 十進制數(shù)的代碼表示十進制數(shù)的代碼表示( (BCDBCD碼碼) )l1 12 24 4 可靠性編碼可靠性編碼l1 12 25 5 字符編碼字符編碼1 11 1 數(shù)制數(shù)制( (number systems)number systems)l1 11 11 1 進位計數(shù)制進位計數(shù)制l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)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(quán)兩個基本因素。制包含著基數(shù)和位權(quán)兩個基本因素。l基數(shù)基數(shù)( (base or radix)base

32、 or radix)：指計數(shù)制中所用到的數(shù)字符合的指計數(shù)制中所用到的數(shù)字符合的個數(shù)。個數(shù)。R R包含包含0 0、1 1、2 2、R R1 1，進位規(guī)律進位規(guī)律是逢是逢R R進一，稱進一，稱為為R R進位計數(shù)制，簡稱進位計數(shù)制，簡稱R R進制。進制。l位權(quán)位權(quán)：指在一種進位計數(shù)制表示的數(shù)中，用來表明不同：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(quán)。權(quán)。l一個一個R R進制數(shù)進制數(shù)N N可以有可以有兩種表示方法兩種表示方法：并列表示法（位置：并列表示法（位置計數(shù)法）和多項式表示法（按權(quán)展開法）。計數(shù)法

33、）和多項式表示法（按權(quán)展開法）。l1 1十進制（十進制（DecimalDecimal）(base 10)(base 10)l 它采用它采用0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 9共十個基本數(shù)字符號，進位規(guī)共十個基本數(shù)字符號，進位規(guī)律是律是“逢十進一逢十進一”；十進制的位權(quán)是；十進制的位權(quán)是1010的整數(shù)次冪。的整數(shù)次冪。l2 2二進制（二進制（BinaryBinary）(base 2)(base 2)l基數(shù)基數(shù)R R2 2的進位計數(shù)制；它采用的進位計數(shù)制；它采用0 0、1 1兩個基本數(shù)字符號，進位規(guī)律是兩個基本數(shù)字符號，進位規(guī)律是“逢二進一逢二進一”；二進

34、制的位權(quán)是；二進制的位權(quán)是2 2的整數(shù)次冪。的整數(shù)次冪。l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。（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。（Addition Addition RulesRules，Subtraction RulesSubtraction Rules， Multiplication Rules Multiplication Rules，Division Division RulesRules）l優(yōu)點：缺點：優(yōu)點：缺點：l3 3八進制（八進制（OctalOctal）(base 8)(base 8)l它采用它采用0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、

35、6 6、7 7共八個基本數(shù)字符號，進位規(guī)律是共八個基本數(shù)字符號，進位規(guī)律是“逢逢八進一八進一”；八進制的位權(quán)是；八進制的位權(quán)是8 8的整數(shù)次冪。的整數(shù)次冪。l4 4十六進制（十六進制（HexadecimalHexadecimal）(base 16)(base 16)l它采用它采用0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 9、A A、B B、C C、D D、E E、F F共十六個基共十六個基本數(shù)字符號，進位規(guī)律是本數(shù)字符號，進位規(guī)律是“逢十六進一逢十六進一”；十六進制的位權(quán)是；十六進制的位權(quán)是1616的整數(shù)的整數(shù)次冪。次冪。l1 1二進制數(shù)與十進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換二

36、進制數(shù)與十進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換l（1 1）二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)）二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)( (Conversion from Binary Conversion from Binary to Decimal)to Decimal)l將二進制數(shù)表示成將二進制數(shù)表示成按權(quán)展開式按權(quán)展開式，并按十進制運算法則進行運算。，并按十進制運算法則進行運算。l（2 2）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)( (Conversion from Decimal Conversion from Decimal to Binary)to Binary)l整數(shù)轉(zhuǎn)換采用整數(shù)轉(zhuǎn)換采用除除2 2取余取余的方法；的方法；

37、 小數(shù)轉(zhuǎn)換采用小數(shù)轉(zhuǎn)換采用乘乘2 2取整取整的方法。的方法。l2 2二進制數(shù)與八進制數(shù)、十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換二進制數(shù)與八進制數(shù)、十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換l（1 1）二進制數(shù)與八進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換二進制數(shù)與八進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換l（2 2）二進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換二進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換l3 3八進制、十六進制與十進制之間的轉(zhuǎn)換八進制、十六進制與十進制之間的轉(zhuǎn)換l方法有兩種方法有兩種1 1）通過二進制數(shù)作橋梁；）通過二進制數(shù)作橋梁；2 2）直接用按權(quán)展開）直接用按權(quán)展開法或整數(shù)乘除法。法或整數(shù)乘除法。l為了表示字符等一類被處理的信息，需要用一定位為了表示字符等一類被處理的信息，需要用一定位數(shù)的

38、二進制數(shù)進行描述，這種特定的多位二進制數(shù)數(shù)的二進制數(shù)進行描述，這種特定的多位二進制數(shù)叫做叫做代碼代碼。l“代碼代碼”和和“數(shù)碼數(shù)碼”的含義不盡相同，的含義不盡相同，代碼是不同代碼是不同信息的代號，不一定有數(shù)的含義。信息的代號，不一定有數(shù)的含義。l一般說來一個碼字是由若干信息位組成的，每位有一般說來一個碼字是由若干信息位組成的，每位有0 0和和1 1兩種代碼。兩種代碼。n n位代碼可以組合成位代碼可以組合成2 2n n個不同的碼字，個不同的碼字，即它們可以代表即它們可以代表2 2n n種不同信息。種不同信息。數(shù)碼信息數(shù)碼信息代碼信息代碼信息數(shù)字系統(tǒng)中的信息數(shù)字系統(tǒng)中的信息l編碼編碼給每個代碼賦以

39、一定的含義，這個過程稱給每個代碼賦以一定的含義，這個過程稱之。（給之。（給2 2n n種信息中的每個信息指定一個具體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。）的碼字去代表它，這一指定過程稱之。）l由于指定的方法不是唯一的，故對一組信息存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。在著多種編碼方案。l在數(shù)字系統(tǒng)中，符號和數(shù)值一樣是用在數(shù)字系統(tǒng)中，符號和數(shù)值一樣是用0 0和和1 1來表示的。來表示的。一般將數(shù)的最高位作為符號位，一般將數(shù)的最高位作為符號位，用用0 0表示正，用表示正，用1 1表表示負示負。l使用補碼和反碼的目的使用補碼和反碼的目的是為了尋找一種

40、適合于加減是為了尋找一種適合于加減法的統(tǒng)一規(guī)則。法的統(tǒng)一規(guī)則。它可以把減去一個數(shù)看成加上一個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，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。位數(shù)碼參加運算。l1 1真值和機器數(shù)真值和機器數(shù)l通常將用通常將用“”、“”表示正、負的二進制表示正、負的二進制數(shù)稱為數(shù)稱為符號數(shù)的真值符號數(shù)的真值。l將符號和數(shù)值一起編碼表示的二進制數(shù)稱為將符號和數(shù)值一起編碼表示的二進制數(shù)稱為機機器數(shù)或機器碼。器數(shù)或機器碼。l常用的機器碼有常用的機器

41、碼有原碼原碼( (signed magnitude signed magnitude codes)codes)、反碼反碼(1(1s complement code)s complement code)和和補碼補碼(2(2s complement code)s complement code) 。l2 2原碼（小數(shù)和整數(shù)，原碼（小數(shù)和整數(shù)，0 0的原碼形式有兩種）的原碼形式有兩種）l 描述：描述：符號位用符號位用0 0表示正，表示正，1 1表示負；數(shù)值位不變；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）。小數(shù)原碼的定義、整數(shù)原碼的定義（公式）。l3 3反碼（小數(shù)和整數(shù)，反碼（小數(shù)

42、和整數(shù)，0 0的反碼形式有兩種）的反碼形式有兩種）l 描述：描述：符號位用符號位用0 0表示正，表示正，1 1表示負；數(shù)值位與符號位相關(guān)，正數(shù)反表示負；數(shù)值位與符號位相關(guān)，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；位按位變反； 小數(shù)反碼的定義、整數(shù)反碼的定義（公式）。小數(shù)反碼的定義、整數(shù)反碼的定義（公式）。l4 4補碼（小數(shù)和整數(shù)，補碼（小數(shù)和整數(shù)，0 0的補碼形式只有一種的補碼形式只有一種）l 經(jīng)驗：經(jīng)驗：從右開始，找到第一個從右開始，找到第一個“1”,“1”,而后每位求反；而后每位求反； 描述：

43、描述：符號位用符號位用0 0表示正，表示正，1 1表示負；數(shù)值位與符號位相關(guān)，正數(shù)補表示負；數(shù)值位與符號位相關(guān)，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，并在最低位加的數(shù)值位按位變反，并在最低位加1 1； 小數(shù)補碼的定義、整數(shù)補碼的定義（公式）。小數(shù)補碼的定義、整數(shù)補碼的定義（公式）。l5 5三種碼之間的轉(zhuǎn)換三種碼之間的轉(zhuǎn)換l對于負數(shù)來講，符號位不變；對于負數(shù)來講，符號位不變；l原碼原碼 反碼反碼；l反碼反碼 補碼補碼，補碼補碼 反碼反碼；l原碼原碼 補碼補碼；l6 6加減運算加減運算l原碼原

44、碼的加減運算很麻煩，數(shù)值和符號分開處理；（要根的加減運算很麻煩，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。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)，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(jié)果的符號。以及運算結(jié)果的符號。l反碼反碼的加減運算，均可通過加法實現(xiàn)。運算時，符號位的加減運算，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。和數(shù)值位一樣參加運算。當符號位有進位產(chǎn)生時，應(yīng)將當符號位有進位產(chǎn)生時，應(yīng)將進位加到運算結(jié)果的最低位。進位加到運算結(jié)果的最低位。l補碼補碼的加減運算，均可通

45、過加法實現(xiàn)。運算時，符號位的加減運算，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。和數(shù)值位一樣參加運算。當符號位有進位產(chǎn)生時，則應(yīng)當符號位有進位產(chǎn)生時，則應(yīng)將進位丟掉將進位丟掉。l* *1 12 22 2 帶小數(shù)點的數(shù)的編碼（定點和浮點）帶小數(shù)點的數(shù)的編碼（定點和浮點）l定點表示法定點表示法：一個數(shù)中小數(shù)點的位置是固定不變的。（事先：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）約定，無須用符號點）；可分為整數(shù)定點和小數(shù)定點）l浮點表示法浮點表示法：小數(shù)點的位置是可以變化的。階符、階碼、數(shù)小數(shù)點的位置是可以變化的。階符、階碼、數(shù)符、尾數(shù)。符、

46、尾數(shù)。( (floating point number)floating point number)l通常使用通常使用4 4位二進制代碼對十進制數(shù)字符號進行編碼，簡稱位二進制代碼對十進制數(shù)字符號進行編碼，簡稱為為二十進制代碼二十進制代碼，或稱，或稱BCDBCD（Binary Corded DecimalBinary Corded Decimal）碼。碼。它既有它既有二進制的形式，又有十進制的特點二進制的形式，又有十進制的特點，便于傳遞、處理。，便于傳遞、處理。l十進制數(shù)中有十進制數(shù)中有0 09 9共共1010個數(shù)字符號，個數(shù)字符號，4 4位二進制代碼可以組位二進制代碼可以組成成1616種不同狀

47、態(tài)，從種不同狀態(tài)，從1616種狀態(tài)中取出種狀態(tài)中取出1010種種狀態(tài)來表示狀態(tài)來表示1010個數(shù)個數(shù)字符號的編碼方案很多，但不管哪種編碼都有字符號的編碼方案很多，但不管哪種編碼都有6 6種狀態(tài)不允種狀態(tài)不允許出現(xiàn)。許出現(xiàn)。l根據(jù)代碼中每一位是否有固定的根據(jù)代碼中每一位是否有固定的( (加加) )權(quán)權(quán)( (Weighted)Weighted)，通常將通常將BCDBCD碼分為碼分為有權(quán)碼有權(quán)碼和和無權(quán)碼無權(quán)碼兩種類型。兩種類型。l最常用的最常用的有權(quán)碼有權(quán)碼，其，其4 4位二進制碼從高位至低位二進制碼從高位至低位的權(quán)依次為位的權(quán)依次為2 23 3 、2 22 2、 2 21 1 、2 20 0，即

48、為，即為8 8、4 4、2 2、1 1。l注意：注意：4 4位二進制數(shù)中的位二進制數(shù)中的1010101011111111（10101515）不允許在不允許在84218421中出現(xiàn)中出現(xiàn)。84218421碼是一種人機聯(lián)系碼是一種人機聯(lián)系時廣泛使用的中間形式。時廣泛使用的中間形式。l84218421碼與十進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換時碼與十進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換時按位按位進行的，進行的，即十進制數(shù)的每一位與即十進制數(shù)的每一位與4 4位二進制編碼對應(yīng)。位二進制編碼對應(yīng)。2 2 2421 2421BCDBCD碼碼 (2421 (2421 code)code)l24212421碼是一種碼是一種有權(quán)碼有權(quán)碼，其，其4 4位

49、二進制碼從高位至低位的權(quán)位二進制碼從高位至低位的權(quán)依次為依次為2 2、4 4、2 2、1 1。l24212421碼碼不具備單值性不具備單值性（多種編排）。（多種編排）。24212421碼不允許出現(xiàn)碼不允許出現(xiàn)0101010110101010這這6 6種狀態(tài)種狀態(tài)。l對對9 9的自補代碼的自補代碼( (BCD Self-Complementing Codes)BCD Self-Complementing Codes)。即一即一個數(shù)的個數(shù)的24212421碼只要自身按位求反，便可得到該數(shù)對碼只要自身按位求反，便可得到該數(shù)對9 9的補的補數(shù)的數(shù)的24212421碼。碼。l這一特征的這一特征的BCDB

50、CD碼給運算帶來方便?？衫闷浯a給運算帶來方便。可利用其對對9 9的補數(shù)的補數(shù)將減法運算轉(zhuǎn)化為加法運算（將減法運算轉(zhuǎn)化為加法運算（即減去一個數(shù)加上這個即減去一個數(shù)加上這個數(shù)對數(shù)對9 9的補數(shù)）。的補數(shù)）。l24212421碼與十進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換同樣是碼與十進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換同樣是按位按位進行的。進行的。l余余3 3碼是在碼是在84218421碼的基礎(chǔ)上碼的基礎(chǔ)上加上加上00110011形成的形成的無權(quán)碼無權(quán)碼，顧，顧名思義稱為余名思義稱為余3 3碼。其中碼。其中6 6個狀態(tài)個狀態(tài)00000000、00010001、00100010、11011101、11101110、11111111是不允許出現(xiàn)

51、的。是不允許出現(xiàn)的。l它也是一種它也是一種對對9 9的自補代碼的自補代碼，因而可給運算帶來方便。，因而可給運算帶來方便。在將兩個余在將兩個余3 3碼表示的十進制數(shù)相加時，能正確產(chǎn)生進碼表示的十進制數(shù)相加時，能正確產(chǎn)生進位信號，但對位信號，但對“和和”必須修正。必須修正。l修正的方法修正的方法是：是：如果有進位，則結(jié)果加如果有進位，則結(jié)果加3 3；如果無進位，；如果無進位，則結(jié)果減則結(jié)果減3 3。 余余3 3碼與十進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換也是碼與十進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換也是按位按位進行的。進行的。 編碼編碼十進制十進制8421碼碼2421碼碼余余3碼碼5211碼碼5421碼碼權(quán)8421242152115421000000010010001101000101011001111000100101234567890000000100100011010010111100110111101111001101000101011001111000100110101011110000000001010001010111100010011100110111110000000100100011010010001001101010111100l作用在于提高系統(tǒng)的可靠性。作用在于提高系統(tǒng)的可靠性。l由于代碼在形成和傳送過程中都可能發(fā)生錯誤由于代碼在形成和傳