数电机逻课件以往1554

1、计算机结构与逻辑设计计算机结构与逻辑设计n 强化班强化班04级级（第十五次课）学习总结本课程的目的与任务本课程的目的与任务n掌握数字电路及系统的分析、设计方法掌握数字电路及系统的分析、设计方法n掌握计算机硬件结构的基本原理和用数掌握计算机硬件结构的基本原理和用数字电路实现的方法字电路实现的方法本课程的结构本课程的结构n绪论绪论总述总述n1 1 3 3章章基本理论与基本方法基本理论与基本方法n4 4 7 7章章计算机各部分的功能与设计计算机各部分的功能与设计n8 8章章新技术、新理念新技术、新理念本课程的学习方法本课程的学习方法n抓抓基本概念基本概念n 基本方法基本方法n 基本思路基本思路n 基

2、本应用基本应用n 基本技能基本技能绪论绪论n基本概念基本概念n 1）数字信号的定义及其优点）数字信号的定义及其优点n 2）计算机的结构及其运行特点）计算机的结构及其运行特点n 3）纯硬件数字系统与计算机的异同）纯硬件数字系统与计算机的异同n基本思路基本思路n 1）信号携带信息的方式与其处理方）信号携带信息的方式与其处理方法法n 2）诺依曼思想）诺依曼思想计算机中的数制和码制计算机中的数制和码制n基本概念基本概念n 1）数制（基数，权，表达式）数制（基数，权，表达式）n 2）二进制的优点）二进制的优点n 3）数与码的区别，计算机中信息的表）数与码的区别，计算机中信息的表达达n 4）机器数的表示方

3、法（原码、补码、）机器数的表示方法（原码、补码、反码及其运算法则）反码及其运算法则）计算机中的数制和码制计算机中的数制和码制n基本方法基本方法n 1）数的按权展开以及叠代公式（二进制）数的按权展开以及叠代公式（二进制）n N = rn-1 rn-2 ri r1 r0 . r-1 r-2 r-m n = ri 2i n-1 -mn （设为（设为8 8位整数位整数, , 6位小数位小数） N = (r72+ r6) 2+ r5 ) 2+ r4) 2+ r3 ) 2+ r2) 2+ r1) 2+ r0 N =0.5(r-1+0.5(r-2+0.5(r-3+0.5(r-4+ 0.5(r-5 + 0.5

4、r-6)2)原码、（真）补码、原码、（真）补码、R-1补码补码 原码原码符号位符号位+尾数尾数 补码补码符号位符号位+（Rn- -尾数）尾数） R-1补码补码符号位符号位+（Rn- -1- -尾数）尾数）n3 3）原码、补码、反码的运算）原码、补码、反码的运算n 溢出的处理溢出的处理n4 4）定点数与浮点数的表示方法）定点数与浮点数的表示方法计算机中的数制和码制计算机中的数制和码制n基本思路基本思路n1）数制）数制以权为核心，一切进位、运以权为核心，一切进位、运算、转换都围绕权字展开。算、转换都围绕权字展开。n2）计算机中的一切信息均用）计算机中的一切信息均用0和和1表示。表示。n3）码不是数

5、，数是客观存在的物理量的）码不是数，数是客观存在的物理量的标度，码是计算机中用来表示数的方式，标度，码是计算机中用来表示数的方式，同一个数可以有各式各样的码来表示，同一个数可以有各式各样的码来表示，通常有长度的概念。通常有长度的概念。n4 4）原码）原码由数自然转换而来，人所熟由数自然转换而来，人所熟悉，计算机中不采用。悉，计算机中不采用。n 补码补码计算机中采用，数字输入进计算机中采用，数字输入进入计算机系统操作之前，必先转换成补入计算机系统操作之前，必先转换成补码。码。n 反码反码由于反码（负数）尾数的二由于反码（负数）尾数的二进制码元与原码恰好相反，而相应的补进制码元与原码恰好相反，而相

6、应的补码为反码码为反码+1+1，所以通常用反码作为原码，所以通常用反码作为原码与补码之间转换的媒介。计算机中也可与补码之间转换的媒介。计算机中也可使用反码系统。使用反码系统。n5 5）补码与相反数的区别）补码与相反数的区别n 负数负数-91 -91 n 原码原码 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1n 求补（尾数变反加求补（尾数变反加1 1）得其补码为）得其补码为n 补码补码 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 仍是负数仍是负数n 负数负数-91-91的相反数的相反数+91+91n 原码原码 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1

7、1 0 1 1n 补码补码 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 原码求补码为不带符号的求补，在某些接口中存在。原码求补码为不带符号的求补，在某些接口中存在。求相反数为连同符号的求补，在运算过程中存在。求相反数为连同符号的求补，在运算过程中存在。计算机中的数制和码制计算机中的数制和码制n基本应用基本应用n 1）设计求补电路，求反电路）设计求补电路，求反电路n 2）设计二进制与）设计二进制与BCD码之间的的转码之间的的转换电路换电路计算机中的数制和码制计算机中的数制和码制n基本技能基本技能n1）十进制）十进制二进制二进制八进制八进制十十六进制六进制NBCD码码其他其他B

8、CD码码n之间的互换。之间的互换。n2）原码）原码反码反码补码之间的互换补码之间的互换第二章第二章 逻辑函数与门网络逻辑函数与门网络 n基本概念基本概念n1）布尔代数）布尔代数逻辑命题与逻辑描述逻辑命题与逻辑描述n2）逻辑函数）逻辑函数各种描述方法及其相互各种描述方法及其相互关系关系n3）组合逻辑）组合逻辑定义与电路特点定义与电路特点第二章第二章 逻辑函数与门网络逻辑函数与门网络n基本方法基本方法n 逻辑简化技术逻辑简化技术n 卡诺图简化技术卡诺图简化技术n 标准化实现技术标准化实现技术n MSI器件的扩展方法器件的扩展方法n 下一事件模拟方法下一事件模拟方法n PLD图形表示方法图形表示方法

9、n 组合逻辑电路的分析与设计方法组合逻辑电路的分析与设计方法n 混合逻辑描述方法混合逻辑描述方法第二章第二章 逻辑函数与门网络逻辑函数与门网络n基本思路基本思路n 组合电路的设计组合电路的设计n 最小化的思想最小化的思想相邻项合并、最相邻项合并、最n 小闭覆盖小闭覆盖n 标准化标准化化成最基本的单元（最化成最基本的单元（最n 小项）然后再组合小项）然后再组合n 器件延迟器件延迟竞争竞争险象险象消除消除与避免与避免n 大规模集成的必要与方法大规模集成的必要与方法第二章第二章 逻辑函数与门网络逻辑函数与门网络n与（非）门网络与（非）门网络（译码器）（译码器）+或门或门=与、与、或网络或网络（数据选

10、择器）（数据选择器）多个组合多个组合与、或与、或阵列阵列（PLD）n与阵列与阵列+或阵列或阵列=译码译码+编码编码=地址地址+存储器存储器nPROMPLAPAL第二章第二章 逻辑函数与门网络逻辑函数与门网络n基本应用基本应用n 构成运算电路、处理电路构成运算电路、处理电路编码器、编码器、译码器、码制变换器、数据选择器、比译码器、码制变换器、数据选择器、比较器、加法器、减法器、求补电路、求较器、加法器、减法器、求补电路、求反电路、乘法电路、奇偶校验电路反电路、乘法电路、奇偶校验电路n 设计各种接口电路设计各种接口电路n CPLD的编程阵列的编程阵列 第二章第二章 逻辑函数与门网络逻辑函数与门网络

11、n基本技能基本技能n 将逻辑命题转化为逻辑描述将逻辑命题转化为逻辑描述n 分析组合逻辑电路分析组合逻辑电路n 设计组合逻辑电路（最小化、标准化）设计组合逻辑电路（最小化、标准化）n 各种描述方法之间的转换各种描述方法之间的转换n 各种各种MSI组合逻辑器件的运用组合逻辑器件的运用n VHDL描述组合逻辑电路描述组合逻辑电路第三章第三章 时序逻辑电路时序逻辑电路 n基本概念基本概念n1）存储、触发与控制）存储、触发与控制n2）时序电路的状态与行为）时序电路的状态与行为n3）数据信号的传送）数据信号的传送第三章第三章 时序逻辑电路时序逻辑电路n基本方法基本方法n 时序电路（含触发器）的描述方法时序

12、电路（含触发器）的描述方法n （小规模器件构成的）同步时序的分（小规模器件构成的）同步时序的分析方法与设计方法析方法与设计方法n MSI时序逻辑器件功能表阅读方法时序逻辑器件功能表阅读方法n MSI时序逻辑器件的级连方法时序逻辑器件的级连方法n （MSI时序逻辑器件构成的）时序逻时序逻辑器件构成的）时序逻辑电路分析方法和设计方法辑电路分析方法和设计方法第三章第三章 时序逻辑电路时序逻辑电路第三章第三章 时序逻辑电路时序逻辑电路n基本思路基本思路n组合逻辑组合逻辑+正反馈（延时）正反馈（延时）=基本触基本触发器发器+门控电路门控电路=锁存器锁存器 +防竞态措施防竞态措施=无竞态触发器无竞态触发器

13、同步时同步时序逻辑电路序逻辑电路 n竞态产生的原因及其解决办法竞态产生的原因及其解决办法 （割断输（割断输入输出直接联系入输出直接联系主从方式，缩短开门主从方式，缩短开门时间时间边沿方式）边沿方式）第三章第三章 时序逻辑电路时序逻辑电路n真值表真值表（加上内输入和次态）（加上内输入和次态）状态状态转换真值表转换真值表状态转换卡诺图状态转换卡诺图状状态图态图n时钟的控制作用时钟的控制作用同步与异步同步与异步第三章第三章 时序逻辑电路时序逻辑电路n基本应用基本应用n 寄存器寄存器n 触发器触发器一位寄存器一位寄存器n 数据寄存器数据寄存器多位寄存器多位寄存器n 移位寄存器移位寄存器数据可移动寄存器

14、数据可移动寄存器n 计数器计数器每次加（减）寄存器每次加（减）寄存器n 存储器存储器寄存器阵列寄存器阵列n 时序机时序机第三章第三章 时序逻辑电路时序逻辑电路n基本技能基本技能n触发器画波形触发器画波形n简单时序电路画波形简单时序电路画波形n同步时序电路分析，画状态图同步时序电路分析，画状态图n阅读阅读MSI时序器件功能表，识别器件，正确使时序器件功能表，识别器件，正确使用用nVHDL描述时序电路功能描述时序电路功能nMSI混合电路的分析与设计混合电路的分析与设计第四章第四章 算术逻辑运算电路算术逻辑运算电路 n基本概念基本概念n1）基本运算电路）基本运算电路组合电路组合电路 n2）运算器（）

15、运算器（ALU）的设计方法）的设计方法算法算法及其实现方法及其实现方法n3）运算器的主要矛盾）运算器的主要矛盾n 第四章第四章 算术逻辑运算电路算术逻辑运算电路n基本方法基本方法n 基本运算电路的设计方法基本运算电路的设计方法n 组合电路的设计方法组合电路的设计方法n 根据算法确定根据算法确定n ALU 的构成方法的构成方法n 算法算法流程流程结构结构控制流控制流n 第四章第四章 算术逻辑运算电路算术逻辑运算电路n基本思路基本思路n 基本运算为组合电路基本运算为组合电路n 控制数据在寄存器中的传送控制数据在寄存器中的传送n 算术运算的实现方法算术运算的实现方法 组合电路组合电路 ROM（查表）

16、（查表） 用最基本的运算电路按算法进行用最基本的运算电路按算法进行 n 串行运算与并行运算串行运算与并行运算 第四章第四章 算术逻辑运算电路算术逻辑运算电路n基本应用基本应用n 计算机的基本组成计算机的基本组成n 某些电路中的计算环节某些电路中的计算环节n 逻辑判断电路逻辑判断电路第四章第四章 算术逻辑运算电路算术逻辑运算电路n基本技能基本技能n 设计与应用基本运算电路设计与应用基本运算电路n 根据算法确定根据算法确定ALU结构与安排命令流结构与安排命令流（用（用RTL语言绘出流程图）语言绘出流程图）n n 第五章第五章 存储器存储器n基本概念基本概念n1）主存的结构与存储机理）主存的结构与存

17、储机理n2）计算机中存储器系统的层次化设计）计算机中存储器系统的层次化设计n3）虚拟存储器）虚拟存储器第五章第五章 存储器存储器n基本方法基本方法n 存储器的字、位扩展方法存储器的字、位扩展方法n 存储器的层次化管理方法存储器的层次化管理方法 n 第五章第五章 存储器存储器n基本思路基本思路n 按地址访问存储单元按地址访问存储单元n 存储器虽然是一个存储器件，但在使存储器虽然是一个存储器件，但在使用中却相当于组合电路用中却相当于组合电路n 存储器自身的主要矛盾存储器自身的主要矛盾速度与成速度与成本（容量）本（容量）存储器层次化管理体系存储器层次化管理体系n 存储器存取速度与存储器存取速度与CP

18、U高速处理能力高速处理能力之间的矛盾之间的矛盾 第五章第五章 存储器存储器n基本应用基本应用n 1）存储数据与指令）存储数据与指令n 2）实现组合逻辑函数）实现组合逻辑函数n 3）配合触发器实现时序逻辑）配合触发器实现时序逻辑n n 第五章第五章 存储器存储器n基本技能基本技能n 正确读写存储器（波形）正确读写存储器（波形）n 能正确扩展存储器的容量能正确扩展存储器的容量第六章第六章 终端、总线与接口终端、总线与接口 n基本概念基本概念n1）哑终端与智能终端）哑终端与智能终端n2）终端与）终端与CPU通信方式及其主要矛盾通信方式及其主要矛盾n3）D/A的基本原理的基本原理n4）量化（数字化）量

19、化（数字化A/D ）的基本原）的基本原理理n5）总线的种类与作用）总线的种类与作用n6）接口的定义与作用）接口的定义与作用第六章第六章 终端、总线与接口终端、总线与接口n基本方法基本方法n 输入的编码方法（对键盘输入的编码方法（对键盘开关信号，开关信号，对模拟信号对模拟信号A/D）n 输出的译码方法（译成开关信号，译输出的译码方法（译成开关信号，译成模拟信号）成模拟信号）n A/D与与D/A转换的原理与方法转换的原理与方法 第六章第六章 终端、总线与接口终端、总线与接口n基本思路基本思路n 输入设备输入设备编码器，输出设备编码器，输出设备译码译码器器模、数之间接口模、数之间接口A/D、D/An

20、 慢终端与快慢终端与快CPU的矛盾的矛盾解决策解决策略略接口要求接口要求第六章第六章 终端、总线与接口终端、总线与接口n基本应用基本应用n 计算机终端与计算机终端与CPU之间的接口逻辑之间的接口逻辑n 电子系统中模拟与数字之间的接口电电子系统中模拟与数字之间的接口电路与有关逻辑路与有关逻辑n 电子系统中各部件之间的接口与逻辑电子系统中各部件之间的接口与逻辑第六章第六章 终端、总线与接口终端、总线与接口n基本技能基本技能n合适选用合适选用A/D与与D/A，计算，计算A/D与与D/A的参数的参数n选择（选择（CPU与终端之间）合理的通信方与终端之间）合理的通信方式，设计其接口逻辑与电路式，设计其接

21、口逻辑与电路n计算计算A/D、D/A的有关数据与时序流程的有关数据与时序流程n安排校验码安排校验码第七章第七章 控制单元控制单元 n基本概念基本概念n1）控制什么？）控制什么？n2）如何控制？）如何控制？n3）微程序控制器与程序控制器的区别）微程序控制器与程序控制器的区别n4）纯硬件控制器与程序控制器的区别）纯硬件控制器与程序控制器的区别n5）第七章第七章 控制单元控制单元n基本方法基本方法n 组合电路控制器组合电路控制器将节拍信号与译码将节拍信号与译码器输出信号组合产生不同的命令控制数据器输出信号组合产生不同的命令控制数据的传送的传送n 微程序控制器微程序控制器将各种命令存于微存将各种命令存

22、于微存储器（储器（ROM）中，按微程序安排取出这）中，按微程序安排取出这些命令控制数据的传送些命令控制数据的传送n 纯硬件控制器（时序机）纯硬件控制器（时序机）n RTL语言语言描述寄存器中数据的传递描述寄存器中数据的传递 第七章第七章 控制单元控制单元n基本思路基本思路n 控制数据在寄存器之间的传送控制数据在寄存器之间的传送 控制目标寄存器的接受控制目标寄存器的接受处理（运算）处理（运算）属组合电力，不占时间属组合电力，不占时间n 控制过程按算法流程进行控制过程按算法流程进行设计受设计受控电路控电路安排算法流程安排算法流程设计控制设计控制器（时序机）器（时序机）联机试验联机试验n 第七章第七章 控制单元控制单元n基本应用基本应用n 计算机与数字系统的核心电路计算机与数字系统的核心电路第七章第七章 控制单元控制单元n基本技能基本技能n1）能根据算法确定控制流程（用）能根据算法确定控制流程（用RTL语语言描述）言描述）n2）能在教材提供的控制器电路上增添新）能在教材提供的控制器电路上增添新的控制指令的控制指令n3）根据