数字电路与逻辑设计.ppt

数字电路与逻辑设计 DigitalCircuitsandLogicDesign 课程介绍 学习本课程的目的 作用和本课程的地位 基本要求 总学时安排 教学方法与成绩评定 教材及参考书 课程内容简介 面临的困难及一些对策 学习本课程的目的 作用和本课程的地位 计算机科学与技术专业必修的一门重要专业基础课和主干课程 本课程主要目的是使学生了解从对数字系统提出的要求开始 直到用集成电路实现所需逻辑功能为止的完整过程 为数字计算机和其它数字系统的硬件设计奠定坚实的基础 它是一门理论与实践结合密切的硬件基础课程 先修课程 计算机导论 和 基础电路与电子学 后继课程 计算机组成原理 汇编语言程序设计 微机与接口技术 计算机系统结构 数据通信与计算机网络 EDA技术 等等 基本要求 1 掌握数字电路的基本概念 基本理论和基本知识 2 熟悉逻辑电路工作原理 特性和功能 3 掌握用布尔代数 状态理论对数字逻辑电路进行分析和设计 尤其中 大规模集成电路的分析和设计 重点在于组合逻辑电路和同步时序逻辑电路的应用 4 掌握计算机系统中的基本部件的分析和设计方法 并能熟悉选择使用逻辑元部件 5 实验环节 熟练掌握实验步骤 实验内容 培养调试和动手实践的能力 培养学生具有正确运用数字集成电路的能力 总学时安排 理论总学时54 周学时4 第1周至第14周完成教学内容 学分3学分 实验独立设课 总学时36 第10周至第18周完成 学分2学分 教学方法与成绩评定 拟采用的教学方法 讲课为主 习题课为辅 自学为辅 课堂上结合传统板书和多媒体手段进行教学 答疑 两种方式 1 课外指定地点和时间 2 网上答疑 huying 考核方式 实行综合考核方式 即半期考考试成绩占30 期末考试成绩占50 平时作业 提问情况和口试成绩占20 最终评定学生的成绩 教材及参考书 教材 数字逻辑 欧阳星明华中科技大学出版社主要参考书 数字逻辑学习与解题指南 欧阳星明华中科大出版社 数字逻辑 蒋大宗电子工业出版社 数字逻辑电路 皇甫正贤南京大学出版社 数字逻辑与数字系统 王永军等电子工业出版社 数字逻辑与数字集成电路 王尔乾清华大学出版社 数字逻辑与数字系统 白中英等科学出版社 DigitalDesign Principles Practices JohnF Wakerly高教出版社 LogicandComputerDesignFundamentals M MorrisMano CharlesR Kime电子工业出版社 DigitalLogic ApplicationsAndDesign JohnM Yarbrough机械工业出版社 FundamentalsofDegitalLogicwithVHDLDesign StephenBrown ZvonkoVranesic机械工业出版社 课程内容简介 第一部分开关理论基础 8学时 第二部分逻辑门电路 2学时 第三部分组合逻辑电路 12学时 第四部分触发器 6学时 第五部分时序逻辑电路 20学时 第六部分编程逻辑 6学时 数字电路与逻辑设计 教学大纲 doc 面临的困难及一些对策 学时少 讲课内容多 与实验分开不同步 教材采用的版本和章节的处理对学生的要求对老师的要求 前言 一 数字系统二 为什么要使用数字系统 三 数字系统的由来四 数字逻辑电路的分类及研究方法 一 数字系统 DIGITALSYSTEMS 1 数字系统的含义一个能对数字信号进行加工 传递和存储的实体 它由实现各种功能的数字逻辑电路相互连接而成 例如 数字计算机就是一种最具代表性的数字系统 2 数字信号 模拟量 连续量 在时间上和数值上均作连续变化的物理量 例如温度 压力 电压 电流 水位等 模拟信号 连续信号 在时间上和数值上均作连续变化的物理信号 模拟电路 直接对模拟量进行处理的电子线路 模拟电路 模拟信号的产生 放大 处理的运用电路 模拟量 连续量 模拟信号 连续信号 模拟电路 analog 模拟量 数字量 物理量 数字量 离散量 在时间上和数值上作断续变化的物理量 例如 开关的状态 数字信号 离散信号 信号的变化在时间上和数值上都是离散的 或者说断续的 称为数字信号 数字信号是表示数字量的信号 指在两个稳定状态之间作阶跃式变化的信号 输入数字信号有两种 电位型和脉冲型 前者用高低不同的电位信号表示数字 1 和 0 后者用有无脉冲表示数字 1 和 0 脉冲是一个突然的变化过程电压或电流信号 有矩形脉冲 尖脉冲 矩形波 锯齿波 数字电路 直接对数字量进行处理的电子线路 数字量 离散量 数字信号 离散信号 数字电路 在模拟电子技术中 电子线路主要处理的是模拟信号 在数字电子技术中 电子线路主要处理的是数字信号 利用晶体管的放大功能 利用晶体管的截止和饱和功能 3 数字 逻辑 电路 用数字信号去实现运算 控制 测量的科学 研究输入和输出之间的逻辑关系 用来处理数字信号的电子线路 研究数值的逻辑加工和运算的电路 由于数字电路的各种功能是通过逻辑运算和逻辑判断来实现 所以数字电路又称为数字逻辑电路 或者逻辑电路 简称数字逻辑 数字系统习惯上被称为数字逻辑系统或数字逻辑电路 最具代表性的设备就是数字电子计算机 数字电路 数字逻辑电路 逻辑电路 数字逻辑 二 为什么要使用数字系统 与模拟电路相比 数字逻辑电路具有如下特点 1 电路的基本工作信号是二值信号 2 对电路的研究主要关心输出和输入之间的逻辑关系 3 电路结构简单 功耗低 便于集成制造和系列化生产 产品价格低廉 使用方便 通用性好 4 数字系统工作速度快 精度高 功能强 可靠性好 抗干扰性强 保密性好 通用性强等 5 不仅能完成数值运算 还可以进行逻辑运算和判断 这在控制系统中是不可缺少 数字电路相对于模拟电路的这一系列的优点 使它在计算机自动控制 数字通信及仪器仪表等各个领域中得到广泛的应用 三 数字系统的由来 具有二值性的量的信号 即不是 有 就是 无 不是 是 就是 非 不是 真 就是 伪 不是 高 就是 低 开关理论 一个开关只能有两种状态 不是 通 就是 断 1847年英国数学家乔治 布尔 George Boole 提出的布尔代数 BooleanAlgebra 1938年克劳德 香农 C E Shannon 将布尔代数的有关理论应用于开关电路 数字逻辑元件的飞跃发展 40年代的真空电子管50年代的晶体管60年代的小规模集成电路SSI small scaleintegration 中规模集成电路MSI medium scaleintegration 70年代的大规模集成电路LSI large scaleintegration 以至超大规模集成电路VLSI verylarge scaleintegration 80年代的巨大规模集成电路 四 数字逻辑电路的分类及研究方法 数字集成电路 digitalintegratedcircuits 是数字系统功能实现的物质基础 它的基本逻辑单元是逻辑门电路 所谓逻辑门 logicgates 指数字逻辑电路以能完成独立逻辑功能的一组电子元件和器件所组成的线路为基本单元 这种基本单元称之 1 分类 1 按电路组成的结构来分 分立元件电路和集成电路分立元件电路是将元件和器件用导线连接起来的电路 集成电路 integratedcircuits 是将元件 器件和导线均用半导体工艺集成制作在同一块硅片上构成的电路 2 按集成度的大小来分 所谓集成度大小是指同一块集成芯片上制作的逻辑门电路和元器件数量的多少 一块集成电路芯片所容纳的逻辑门数量反映了芯片的集成度 集成度越高 单片芯片所实现的逻辑功能就越强 数字系统的层次结构 3 按构成电路的半导体器件来分 双极型电路和单极型电路双极型数字集成电路是指以双极型晶体管 二极管 三极管 为基本器件的集成电路称之 属于这一类的有TTL ECL I2L等 单极型数字集成电路是指以MOS单极型晶体管为基本器件的集成电路称之 属于这一类的有NMOS PMOS CMOS 4 按电路有无记忆功能来分 组合逻辑电路和时序逻辑电路组合逻辑电路 CombinationalLogic 如果一个逻辑电路在任何时刻的稳定输出仅取决于该时刻的输入 而与电路过去的输入无关的逻辑电路 则称之 如 全加器 译码器 数据选择器等 时序逻辑电路 SequentialLogic 如果一个逻辑电路在任何时刻的稳定输出不仅取决于该时刻的输入 而且与过去的输入相关的逻辑电路 则称之 如 计数器 寄存器 移位寄存器等 常用的记忆元件是触发器 flip flop 时序逻辑电路按照是否有统一的时钟信号进行划分 可分为同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路 2 研究方法 分析和设计 分析 analysis 对一个现成的数字逻辑电路 研究它的工作性能和逻辑功能称之 已知逻辑电路 求逻辑功能 逻辑设计 逻辑综合 logicdesign 根据提出的逻辑功能 在给定条件下构造出实现预定功能的逻辑电路称之 已知逻辑功能 求逻辑电路 用逻辑代数作为基本理论的传统方法仍不失为逻辑电路分析和设计的基本方法 建立在小规模集成电路上传统方法 以技术经济指标作为评价一个设计方案优劣的主要性能指标 设计追求的是如何使一个电路达到最简 但一个最简的方案并不等于一个最佳的方案 最佳方案应满足全面的性能指标和实际应用要求 设计的答案不是唯一的 要求充分了解各种器件的逻辑结构和外部特性 做到合理选择器件 充分利用每一个已选器件的功能 用灵活多变的方法完成各类电路或功能模块的设计 可编程逻辑器件 EDA 各类可编程逻辑器件 PLD 的出现 给逻辑设计带来了一种全新的方法 人们不再用常规硬件连接的方法去构造电路 而是借助丰富的计算机软件对器件进行编程烧录来实现各种逻辑功能 60年代末期出现标准通片 70年代中后期出现现场片 PROM PLA PAL GAL 80年代初期出现半用户片 门阵列片 80年代中期出现现场可更改门阵列片 FPGA 90年代初期又出现在系统编程 ISP 的用户片 第一章数制与码制 1 1数制 numbersystems 1 1 1进位计数制1 1 2数制的转换1 2码制 CODES 1 2 1带符号二进制数的代码表示 1 2 2带小数点的数的编码1 2 3十进制数的代码表示 BCD码 1 2 4可靠性编码1 2 5字符编码 1 1数制 numbersystems 1 1 1进位计数制数制是人们对数量计数的一种统计规律 一种进位计数制包含着基数和位权两个基本因素 基数 baseorradix 指计数制中所用到的数字符合的个数 R包含0 1 2 R 1 进位规律是逢R进一 称为R进位计数制 简称R进制 位权 指在一种进位计数制表示的数中 用来表明不同数位上数值大小的一个固定常数 不同数位有不同的位权 一个R进制数N可以有两种表示方法 并列表示法 位置计数法 和多项式表示法 按权展开法 1 十进制 Decimal base10 它采用0 1 2 3 4 5 6 7 8 9共十个基本数字符号 进位规律是 逢十进一 十进制的位权是10的整数次幂 2 二进制 Binary base2 基数R 2的进位计数制 它采用0 1两个基本数字符号 进位规律是 逢二进一 二进制的位权是2的整数次幂 运算规则有加法规则 减法规则 乘法规则 除法规则 AdditionRules SubtractionRules MultiplicationRules DivisionRules 优点 缺点 3 八进制 Octal base8 它采用0 1 2 3 4 5 6 7共八个基本数字符号 进位规律是 逢八进一 八进制的位权是8的整数次幂 4 十六进制 Hexadecimal base16 它采用0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F共十六个基本数字符号 进位规律是 逢十六进一 十六进制的位权是16的整数次幂 1 1 2数制的转换 按权展开法和基数乘除法 1 二进制数与十进制数之间的转换 1 二进制数转换为十进制数 ConversionfromBinarytoDecimal 将二进制数表示成按权展开式 并按十进制运算法则进行运算 2 十进制数转换为二进制数 ConversionfromDecimaltoBinary 整数转换采用除2取余的方法 小数转换采用乘2取整的方法 2 二进制数与八进制数 十六进制数之间的转换 1 二进制数与八进制数之间的转换 2 二进制数与十六进制数之间的转换3 八进制 十六进制与十进制之间的转换方法有两种1 通过二进制数作桥梁 2 直接用按权展开法或整数乘除法 1 2码制 CODES 为了表示字符等一类被处理的信息 需要用一定位数的二进制数进行描述 这种特定的多位二进制数叫做代码 代码 和 数码 的含义不尽相同 代码是不同信息的代号 不一定有数的含义 一般说来一个码字是由若干信息位组成的 每位有0和1两种代码 n位代码可以组合成2n个不同的码字 即它们可以代表2n种不同信息 数码信息 代码信息 数字系统中的信息 编码给每个代码赋以一定的含义 这个过程称之 给2n种信息中的每个信息指定一个具体的码字去代表它 这一指定过程称之 由于指定的方法不是唯一的 故对一组信息存在着多种编码方案 1 2 1带符号二进制数的代码表示 在数字系统中 符号和数值一样是用0和1来表示的 一般将数的最高位作为符号位 用0表示正 用1表示负 使用补码和反码的目的是为了寻找一种适合于加减法的统一规则 它可以把减去一个数看成加上一个负数 并把该负数用补码或反码的形式表示出来 然后一律按加法规则进行运算 即符号位也看成一位数码参加运算 1 真值和机器数通常将用 表示正 负的二进制数称为符号数的真值 将符号和数值一起编码表示的二进制数称为机器数或机器码 常用的机器码有原码 signedmagnitudecodes 反码 1scomplementcode 和补码 2scomplementcode 2 原码 小数和整数 0的原码形式有两种 描述 符号位用0表示正 1表示负 数值位不变 小数原码的定义 整数原码的定义 公式 3 反码 小数和整数 0的反码形式有两种 描述 符号位用0表示正 1表示负 数值位与符号位相关 正数反码的数值位和原码的数值位相同 而负数反码的数值位是原码的数值位按位变反 小数反码的定义 整数反码的定义 公式 4 补码 小数和整数 0的补码形式只有一种 经验 从右开始 找到第一个 1 而后每位求反 描述 符号位用0表示正 1表示负 数值位与符号位相关 正数补码的数值位和原码 反码的数值位相同 而负数补码的数值位是原码的数值位按位变反 并在最低位加1 小数补码的定义 整数补码的定义 公式 5 三种码之间的转换对于负数来讲 符号位不变 原码反码按位求反 反码补码最低位加1 补码反码最低位减1 原码补码按位求反 最低位加1 6 加减运算原码的加减运算很麻烦 数值和符号分开处理 要根据运算及参加运算的两个数的符号来确定是加还是减 如果是减法 则还需根据两数的大小确定被减数和减数 以及运算结果的符号 反码的加减运算 均可通过加法实现 运算时 符号位和数值位一样参加运算 当符号位有进位产生时 应将进位加到运算结果的最低位 补码的加减运算 均可通过加法实现 运算时 符号位和数值位一样参加运算 当符号位有进位产生时 则应将进位丢掉 1 2 2带小数点的数的编码 定点和浮点 定点表示法 一个数中小数点的位置是固定不变的 事先约定 无须用符号点 可分为整数定点和小数定点 浮点表示法 小数点的位置是可以变化的 阶符 阶码 数符 尾数 floatingpointnumber 1 2 3十进制数的代码表示 二 十进制码即BCD码 通常使用4位二进制代码对十进制数字符号进行编码 简称为二 十进制代码 或称BCD BinaryCordedDecimal 码 它既有二进制的形式 又有十进制的特点 便于传递 处理 十进制数中有0 9共10个数字符号 4位二进制代码可以组成16种不同状态 从16种状态中取出10种状态来表示10个数字符号的编码方案很多 但不管哪种编码都有6种状态不允许出现 根据代码中每一位是否有固定的 加 权 Weighted 通常将BCD码分为有权码和无权码两种类型 1 8421BCD码 8421code 最常用的有权码 其4位二进制码从高位至低位的权依次为23 22 21 20 即为8 4 2 1 注意 4位二进制数中的1010 1111 10 15 不允许在8421中出现 8421码是一种人机联系时广泛使用的中间形式 8421码与十进制数之间的转换时按位进行的 即十进制数的每一位与4位二进制编码对应 2 2421BCD码 2421code 2421码是一种有权码 其4位二进制码从高位至低位的权依次为2 4 2 1 2421码不具备单值性 多种编排 2421码不允许出现0101 1010这6种状态 对9的自补代码 BCDSelf ComplementingCodes 即一个数的2421码只要自身按位求反 便可得到该数对9的补数的2421码 这一特征的BCD码给运算带来方便 可利用其对9的补数将减法运算转化为加法运算 即减去一个数 加上这个数对9的补数 2421码与十进制数之间的转换同样是按位进行的 3 余3码 excess 3code 余3码是在8421码的基础上加上0011形成的无权码 顾名思义称为余3码 其中6个状态0000 0001 0010 1101 1110 1111是不允许出现的 它也是一种对9的自补代码 因而可给运算带来方便 在将两个余3码表示的十进制数相加时 能正确产生进位信号 但对 和 必须修正 修正的方法是 如果有进位 则结果加3 如果无进位 则结果减3 余3码与十进制数之间的转换也是按位进行的 4 5421BCD码 有权码权为5 4 2 1 5 5211BCD码 有权码权为5 2 1 1 且是对9之自补代码 1 2 4可靠性编码 作用在于提高系统的可