计算机系统组成电子教案(第1章)

1、东南大学计算机学院东南大学计算机学院主讲教师：主讲教师： 徐造林徐造林计算机系统组成计算机系统组成前前 言言n计算机系统组成课程要求和目标计算机系统组成课程要求和目标u掌握数字逻辑电路的基本分析方法和设计方法，为掌握数字逻辑电路的基本分析方法和设计方法，为“组成原组成原理理”的学习打基础。的学习打基础。u理解单处理器计算机系统中各部件的内部理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理工作原理、组成结组成结构构以及以及相互连接方式相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。，具有完整的计算机系统的整机概念。u理解解计算机系统理解解计算机系统层次化层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的结构概念，熟

2、悉硬件与软件之间的界面，掌握界面，掌握指令集指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。体系结构的基本知识和基本实现方法。u能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行硬件系统中的理论和实际问题进行计算计算、分析分析，并能对一些，并能对一些基本部件进行基本部件进行简单设计简单设计。64学时学时3 计算机系统组成计算机系统组成教材：教材：1、王永军、李景华主编、王永军、李景华主编数字逻辑与数字系统设计数字逻辑与数字系统设计 高等教育出版社高等教育出版社 2006 2、任国林主编、任国林主编计算机组成原理计算机组

3、成原理 电子工业出版社电子工业出版社 2010 计算机系统组成计算机系统组成参考书参考书 计算机组成原理计算机组成原理 ，唐溯飞，高教出版社出版，唐溯飞，高教出版社出版， 计算机组成原理：学习指导与习题解答计算机组成原理：学习指导与习题解答。44CPU及整机设计及整机设计SOC芯片设计芯片设计课程内容组织课程内容组织第第2章章 计算机系统概论计算机系统概论 计算机的模型、硬件组成，计算机的工作过程、性能指标计算机的模型、硬件组成，计算机的工作过程、性能指标计算机软件计算机软件(指令指令串及串及数据数据) CUALU存储器存储器系统总线系统总线I/O设备设备1I/O接口接口1I/O设备设备2I/

4、O接口接口2I/O设备设备nI/O接口接口n计算机硬件计算机硬件第第1章章 数字逻辑基础数字逻辑基础 数字逻辑电路的基本分析方法和设计方法数字逻辑电路的基本分析方法和设计方法第第6章章 指令系统指令系统 指令功能与指令格式，操作数存放及寻址方式，指令功能与指令格式，操作数存放及寻址方式，CISC/RISC第第5章章 存储系统存储系统 层次结构，层次结构，RAM组成，主存、组成，主存、Cache、虚拟存储的组成原理、虚拟存储的组成原理第第3章章 数据的表示数据的表示 数据的编码及计算机内的表示数据的编码及计算机内的表示第第4章章 运算器与运算方法运算器与运算方法 定点及浮点运算方法，定点及浮点运

5、算方法，ALU结构与组成结构与组成第第8章章 总线总线 概述，操作步骤，仲裁概述，操作步骤，仲裁/定时方式，互连结构定时方式，互连结构第第7章章 中央处理器中央处理器(CPU) CPU的功能与结构、工作流程，指令执行过程，数据通路组的功能与结构、工作流程，指令执行过程，数据通路组织，织，CU的结构及组成，微程序控制器技术，指令流水技术的结构及组成，微程序控制器技术，指令流水技术计算机软件计算机软件(指令指令串及串及数据数据)CUALU存储器存储器系统总线系统总线I/O设备设备1I/O接口接口1I/O设备设备2I/O接口接口2I/O设备设备nI/O接口接口n第第9章章 输入输入/输出输出(I/O

6、)系统系统 I/O组成，组成，I/O设备，设备，I/O接口，接口，I/O方式方式(4种种)8第第1章章 数字逻辑基础数字逻辑基础11 逻辑代数基本知识逻辑代数基本知识数字量与模拟量数字量与模拟量电子电路中的信号电子电路中的信号模拟信号模拟信号数字信号数字信号随时间连续变化的信号随时间连续变化的信号时间和幅度都是离散的时间和幅度都是离散的9 模拟量模拟量 数字量数字量取值：取值： 连续连续 离散离散随时间变化：随时间变化： 连续变化连续变化 不连续变化不连续变化tuuttutu101）数字信号数字信号：指用二进制表示的信号，即信息用指用二进制表示的信号，即信息用0，1来表示。来表示。 0 1 0

7、 1 0 1 0 10 0 10V5V例：例：1001 使用数字信号，并能对数字量进行算术运算和逻使用数字信号，并能对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路。辑运算的电路。数字电路的定义数字电路的定义：2）逻辑运算功能逻辑运算功能：对不同的输入条件，电路能作出相对不同的输入条件，电路能作出相应的逻辑推理和判断，从而得到正确的结果。应的逻辑推理和判断，从而得到正确的结果。11用字母表示变量，一个命题只能有两种逻辑值：用字母表示变量，一个命题只能有两种逻辑值：逻辑真逻辑真用用“1”表示表示条件具备，事件发生。条件具备，事件发生。逻辑假逻辑假用用“0”表示表示条件不具备，事件不发生。条件不具备，事件不发

8、生。逻辑问题逻辑问题逻辑变量逻辑变量逻辑运算逻辑运算逻辑函数逻辑函数化简化简逻辑电路逻辑电路1.1.1 逻辑函数及其表示方法逻辑函数及其表示方法逻辑运算：逻辑运算：12逻辑变量逻辑变量A=1灯亮灯亮0灯灭灯灭 0、1仅仅是被定义的两种逻辑值，代表两种不同仅仅是被定义的两种逻辑值，代表两种不同的状态，无任何数量的概念。的状态，无任何数量的概念。例：命题：信号灯是亮着的。例：命题：信号灯是亮着的。什么时事物可定义为一个逻辑变量？什么时事物可定义为一个逻辑变量？该事物只有两种完全对立的可能性该事物只有两种完全对立的可能性13普通代数普通代数逻辑代数逻辑代数变量取值变量取值 +范围内的范围内的任意值，

9、有数量的任意值，有数量的概念。概念。0，1无数量的概念无数量的概念基本运算基本运算 +、 、 、 、平方、开方平方、开方与（与（）、或）、或（+）、非）、非相同点相同点均用字母表示变量，研究变量之间的均用字母表示变量，研究变量之间的关系。关系。141.逻辑与逻辑与YAB。 。 。 。逻辑表达式：逻辑表达式： Y=A B或或 Y=A B&YA B逻辑符号真真 值值 表表A B Y0 0 00 1 01 0 01 1 1只有决定事物结果只有决定事物结果的全部条件同时具的全部条件同时具备时，结果才发生备时，结果才发生一、逻辑运算一、逻辑运算：152. 逻辑或逻辑或Y。AB逻辑表达式：逻辑表达式： Y

10、=A + B或或 Y=A V B1YA B逻辑符号A B Y0 0 00 1 11 0 11 1 1真 值 表在决定事物结果的在决定事物结果的诸条件中只要有任诸条件中只要有任何一个满足，结果何一个满足，结果就会发生就会发生16AY0110真 值 表逻辑表达式：逻辑表达式： Y = A 3. 逻辑非逻辑非RAY1AY逻辑符号只要条件具备了，结只要条件具备了，结果便不会发生。而此果便不会发生。而此条件不具备时，结果条件不具备时，结果一定发生一定发生17或门或门与门与门非门非门(a)常用符号(b)美、日常用符号(c)国标符号ABYABYAYAYABYABYAY1ABY&ABY1184.与非与非逻辑表

11、达式：逻辑表达式： Y=A BA B Y0 0 10 1 11 0 11 1 0真 值 表YAB&逻辑符号195. 或非或非A B Y0 0 10 1 01 0 01 1 0真 值 表逻辑表达式：逻辑表达式： Y=A + BYAB1逻辑符号206. 与或非与或非逻辑表达式：逻辑表达式：Y = AB+CD7. 异或异或逻辑表达式：逻辑表达式：Y = A B =AB+ABYABYAB=1逻辑符号ABCDY& 1逻辑符号218. 同或同或逻辑表达式：逻辑表达式： Y =A B =AB+ABA B Y0 0 10 1 01 0 01 1 1真 值 表优先级：非、与、或Y=A+BC D+E+E GYAB

12、 YAB=122异或门(a)常用符号(b)美、日常用符号(c)国标符号与非门或非门异或非门ABYABYABY&ABYABYABY1ABYABYABY=1ABYABYABY=23&ENENABYABENYABENY&ENENABYABENYABENY9. 三态门（三态门（TS）24AB&EN=1YAB&EN=0Y25真值表真值表ENABY1Y2 000 1 001 1 010 1 011 0 100 1 101 1 110 1 111 0高阻态高阻态高阻态高阻态低电平使能低电平使能高电平使能高电平使能26应用：应用：线与线与&ENEN1ABY&ENEN2CD条件：条件： EN1+ EN2 =12

13、71）多路数据分时传送）多路数据分时传送D1D2DmY1Y2YmA1A2An.译码器总 线282）多路开关）多路开关ACA/B数据输出B293）数据双向传送）数据双向传送DOENIDIOD/D总线30（1）01律：律： 0+A=A1 A=A 1+A=10 A=0（3）互补律：）互补律： A+A=1A A=0（2）重叠律：）重叠律： A+A=AA A=A（4）交换律：）交换律：A+B=B+AA B=B A二、逻辑代数的基本公式和常用公式二、逻辑代数的基本公式和常用公式基本公式：基本公式：31（7）反演律：）反演律：A+B=A BA B=A+B（6）分配律：）分配律：A (B+C)=A B+A C

14、 A+B C=(A+B) (A+C)（5）结合律：）结合律：A+(B+C)=(A+B)+C A (B C)=(A B) C（8）还原律：）还原律： A = A32吸收定理吸收定理: 1. A+A B=A证明：证明：左式左式= A（1+B）=A2. A+AB=A+B证明：证明：由分配律由分配律 A+BC=(A+B)(A+C)得得 ： A+AB=(A+A)(A+B)=A+B利用运算规则利用运算规则可以对逻辑式可以对逻辑式进行化简。进行化简。常用公式常用公式333. AB+AB=A证明证明: 左式左式=A(B+B)=A4. A(A+B)=A证明证明: A(A+B) = AA + AB = A + A

15、B =A(1+B)=A5.摩根定理摩根定理:BABABABA34逻辑函数逻辑函数以逻辑变量为输入，运算结果为输出。以逻辑变量为输入，运算结果为输出。 输出随输入的变化而变化。输出随输入的变化而变化。 逻辑函数只能取逻辑函数只能取0、1两种值。两种值。例：为控制安装在楼梯上的电灯，常在楼上、楼下各例：为控制安装在楼梯上的电灯，常在楼上、楼下各 装一个单刀双掷开关。楼下开灯后可在楼上关掉，装一个单刀双掷开关。楼下开灯后可在楼上关掉， 反之亦然。实现这一要求的电路如图：反之亦然。实现这一要求的电路如图：三、逻辑函数及表示方法三、逻辑函数及表示方法逻辑函数：逻辑函数：35Y。AB。设：设：A为楼上的开

16、关，为楼上的开关，B为楼下的开关，为楼下的开关，A、B为输入为输入 变量；变量；Y表示灯，为输出变量。表示灯，为输出变量。 A=1、B=1时，开关向上；时，开关向上； A=0、B=0时，开关向下；时，开关向下； Y=1灯亮灯亮 Y=0灯灭灯灭361、逻辑真值表、逻辑真值表（同或同或）ABY001010100111特点：直观，一目了然，五变量以上不实用。特点：直观，一目了然，五变量以上不实用。n个变量可以个变量可以有有2n个组合，一个组合，一般按二进制的般按二进制的顺序，输出与顺序，输出与输入状态一一输入状态一一对应，列出所对应，列出所有可能的状态。有可能的状态。逻辑函数的表示方法：逻辑函数的表

17、示方法：372、 逻辑函数式逻辑函数式ABBAY把逻辑函数的输入、输出关系写成把逻辑函数的输入、输出关系写成与与、或或、非非等逻辑运算的组合式，即等逻辑运算的组合式，即逻辑代数式逻辑代数式，又称为又称为逻辑函数式逻辑函数式，通常采用，通常采用“与或与或”的形式。的形式。特点：简洁方便，便于用逻辑图实现函数。特点：简洁方便，便于用逻辑图实现函数。 没有真值表直观。没有真值表直观。383、卡诺图、卡诺图（后面介绍）（后面介绍）4、逻辑图、逻辑图以电路图的形式来描述输出函数与输入变以电路图的形式来描述输出函数与输入变量取值组合之间的关系。量取值组合之间的关系。1）已知逻辑函数表达式，画出逻辑图）已知

18、逻辑函数表达式，画出逻辑图用图形符号代替逻辑式中的运算符号，就用图形符号代替逻辑式中的运算符号，就可以画出逻辑图。可以画出逻辑图。39例例1：ABBAY1&ABABAY例例2.Y=AB+BC+AC&1YAABBCC40例例3. 已知逻辑函数为已知逻辑函数为 画出对应的逻辑图。画出对应的逻辑图。CCBACBAY111& 1 1ABCY415、各种表示方法间的互相转换、各种表示方法间的互相转换1） 从真值表写出逻辑函数式从真值表写出逻辑函数式例例1.已知一个奇偶判别函数的真已知一个奇偶判别函数的真 值表如下，试写出它的逻辑值表如下，试写出它的逻辑 函数式。函数式。A B CY0 0 000 0 1

19、00 1 000 1 111 0 001 0 111 1 011 1 10CABCBABCAY422）从逻辑式列出真值表）从逻辑式列出真值表例：已知逻辑函数 求它对应的真值表。CBACBAYA B CY0 0 000 0 110 1 010 1 101 0 011 0 111 1 011 1 1143定义：n 变量 m 乘积项，由n(变量)个因子组成，每个因子以原变量或反变量的形式在m 中仅出现一次，称m为“最小项”。AB BA BA BB BA AA，1、最小项定义、最小项定义四、四、逻辑函数逻辑函数的标准形式的标准形式最小项最小项442、 最小项编号：最小项编号： 最小项为最小项为1的变量

20、取值的变量取值 A B C 0 0 0 0 m0 0 0 1 1 m1 0 1 0 2 m2 0 1 1 3 m3 1 0 0 4 m4 1 0 1 5 m5 1 1 0 6 m6 1 1 1 7 m7对应十进制对应十进制编号编号最小项最小项C B AC B AC B AC B AC B AC B AC B AC B A453、最小项的性质、最小项的性质1) 每一个最小项对应一组变量的取值，任何一个最每一个最小项对应一组变量的取值，任何一个最 小项，只有一种变量取值使它为小项，只有一种变量取值使它为1。 2) 全体最小项全体最小项之和恒为之和恒为1。120iiN1m3) 任意两个最小项的任意两

21、个最小项的乘积恒为乘积恒为0。 mi mi=046例：设 ABC=1000C BABCAjmm i则：4、逻辑函数的最小项之和形式、逻辑函数的最小项之和形式），（：例7 0mmABCC B ACBACBA)CBA(C)B(AY 1m7047技巧性强，要求灵活应用定理和定律。ACCBBAY与或表达式ACCBBAACCBBA与非与非CBACBA或非或非ABCC B A与或非1.1.2 逻辑函数的化简逻辑函数的化简逻辑函数表达式的分类逻辑函数表达式的分类 48一、代数法化简：一、代数法化简： CDBACDBAY . 1 1AA 1.1例消去一个变量。，将两项合并成一项，利用并项法ACDBCDBA）（

22、49CDABAACDBAY 2.2例)CDB(A)CDB(ACDBCDBAA）（）（CBCACBAY . 33例CBABACBACBA）（）（CCBAB）（502. 吸收法吸收法 利用利用A+AB=A的公式消去多余项。的公式消去多余项。 ADAD 1B)CBA(ADABD)CBA(Y . 11例）（例DCABABDCABABY . 22AB)C1 (ABABDCD(AB)C1 (AB）513.消项法 利用A+AB=A+B消去多余因子A； 利用AB+AC+BC=AB+AC消去多余项。3.消项法 利用A+AB=A+B消去多余因子A； 利用AB+AC+BC=AB+AC消去多余项。CBCAABY 1.

23、例C)BA(ABCABABCABCBACCBBAACCBBAACY . 2例52CBBDABCDBCABDDABCY . 3例例CBBDDBCABDABC）（CBBDDBCABDCBDBCBDCBDBCABD)1()(CDBDBCBDCBDBC531、什么是卡诺图、什么是卡诺图?卡诺图是一种方块卡诺图是一种方块图图方块数方块数 = 2= 2n n (n(n为输入变量个数为输入变量个数) )变量取值按循环码排列变量取值按循环码排列按最小项原则构成的最小项方块图目的：为了获得目的：为了获得“逻辑相邻逻辑相邻”二、逻辑函数的二、逻辑函数的卡诺图法卡诺图法化简化简 542、 卡诺图的画法卡诺图的画法m

24、3m2m1m001 0 1ABABm BAmBAm B Am3120两变量卡诺图m6m7m5m4m2m3m1m0BCA01 00 01 11 10三变量卡诺图C B Am C B AmC B Am C B AmC B Am C B Am C B Am C B Am7654321055m0m1m3m2m4m5m7m6m12m13m15m14m8m9m11m1000011110 00 01 11 10ABCDm4、 m5相邻01000101m4、 m6相邻0100011010000000m8、 m0相邻四变量卡诺图563、 用卡诺图表示逻辑函数用卡诺图表示逻辑函数1) 由真值表直接画卡诺图。由真值

25、表直接画卡诺图。2) 由逻辑函数画卡诺图。由逻辑函数画卡诺图。CBAABCCBACB AY01011010BCA01 00 01 11 1057），（）（例5 4mC BABABACBAY 2.00110000BCA01 00 01 11 10581、化简依据、化简依据: 1. 相邻性。相邻性。因子。相邻项合并可减少一个 BBAAB2. 2、化简步骤：、化简步骤： 1. 将函数化为最小项之和的形式。将函数化为最小项之和的形式。 2. 画出表示该逻辑函数的卡诺图。画出表示该逻辑函数的卡诺图。 3. 合并最小项合并最小项对对“1”块画圈块画圈。 4. 写出最简与或表达式。写出最简与或表达式。三、三

26、、 用卡诺图用卡诺图化简逻辑函数化简逻辑函数593、合并最小项的规则、合并最小项的规则两个相邻最小项合并消去一对因子四个相邻最小项合并消去两对因子八个相邻最小项合并消去三个因子2n相邻最小项，消去相邻最小项，消去n对因子，结果仅包含公共因子对因子，结果仅包含公共因子111111BCA01 00 01 11 10BCB AC BAB6011111111BCA01 00 01 11 10ACC1ACCF11111111111100011110 00 01 11 10ABCDAD614、选取化简后乘积项的原则、选取化简后乘积项的原则1）合并时只能按）合并时只能按 2n 将小方块圈起来，这样才能消将小

27、方块圈起来，这样才能消 去去N个变量。个变量。111BCA01 00 01 11 10111BCA01 00 01 11 106211111100011110 00 01 11 10ABCD2）圈越大越好。圈越大，合并时消去的变量越多，）圈越大越好。圈越大，合并时消去的变量越多， 乘积项越简单。乘积项越简单。ABCBAYBCBAY631111111100011110 00 01 11 10ABCD3）每个圈至少包含）每个圈至少包含一个新的最小项一个新的最小项。若一个圈中所。若一个圈中所有的小方块均被别的圈包围了，则该圈为多余圈。有的小方块均被别的圈包围了，则该圈为多余圈。蓝圈是多余的64111

28、11111100011110 00 01 11 10ABCD11111111100011110 00 01 11 10ABCDDCBADBCCBACB AD BY1DCBADCCBD BY24） “1”块允许被一个以上的圈包围。块允许被一个以上的圈包围。65111111BCA01 00 01 11 10CBACBAY1111111BCA01 00 01 11 10CAABCBY25）最小项与或表达式可以有不同的圈法，得到的结果）最小项与或表达式可以有不同的圈法，得到的结果 除输入变量不一样外，项数相同。除输入变量不一样外，项数相同。66定义：定义：在实际系统中存在另一种情况，即逻辑函数只 对应

29、一部分最小项有确定值，而对应余下的最 小项无确定值，这些最小项称“约束项约束项”，又叫“无关项无关项”，相应的函数叫“具有约束条件具有约束条件的逻辑函数的逻辑函数”。三、三、 具有无关项的逻辑函数及其化简具有无关项的逻辑函数及其化简1、约束项、任意项和逻辑函数中的无关项、约束项、任意项和逻辑函数中的无关项67例：有三个逻辑变量A、B、C，它们分别表示一台电 动机的正转、反转和停止的命令。 设 A =1 电动机正转； B =1 电动机反转； C =1 电动机停止； Y =1 电动机在执行某一操作。68约束条件：0ABCCABCBABCACBA07 6 5 3 , 0d），（A B C Y0 0

30、0 0 0 1 10 1 0 10 1 1 1 0 0 11 0 1 1 1 0 1 1 1 真值表：69 无关项的取值可 1 可 0 ，任意选择。 禁止无关项在输入端出现。 11 1BCA01 00 01 11 10 11 1BCA01 00 01 11 10CBAYC BACBAC B AY2、 无关项在化简逻辑函数中的应用无关项在化简逻辑函数中的应用70例1：化简具有约束条件的逻辑函数DCBABCDADCBAY约束条件：0DCBADABCABCDDCBA DCABDCBACDBA0)15 ,14 ,12 ,10 ,9 , 5 , 3(d710 100 1 0 01 0 00011110

31、00 01 11 10ABCDDADA15) 14, 12, 10, 9, 5, , 3( 8) 7, , 1()D,C,B,A(Ydm721、 2、 3、 734、 5、 6、 74数字电路数字电路 组合逻辑电路组合逻辑电路时序逻辑电路时序逻辑电路组合电路：组合电路：t时刻输出仅与时刻输出仅与t时刻输入有关，与时刻输入有关，与t以前的以前的 状态无关。状态无关。时序电路：时序电路： t时刻输出时刻输出Y不仅与不仅与t时刻输入时刻输入X有关，还与有关，还与 电路过去的状态电路过去的状态Qn有关。有关。1.2 组合逻辑电路组合逻辑电路 概述概述75组合电路范畴：组合电路范畴： 加法器、译码器、编

32、码器、数据选择器、加法器、译码器、编码器、数据选择器、数据分配器、只读存储器等。数据分配器、只读存储器等。时序电路范畴：时序电路范畴： 计数器、寄存器、动态存储器等。计数器、寄存器、动态存储器等。组合电路是时序电路的一部分组合电路是时序电路的一部分76组合电路的特点：组合电路的特点：1. 功能特点：功能特点：无记忆作用，输出只取决于当前输入，无记忆作用，输出只取决于当前输入， 与电路过去的状态无关。与电路过去的状态无关。 2. 组成特点：组成特点：能用基本门构成，即任何组合逻辑电路能用基本门构成，即任何组合逻辑电路 都能用三种基本门实现。都能用三种基本门实现。3. 结构特点：结构特点：电路的输

33、入与输出之间无反馈。电路的输入与输出之间无反馈。组合电路讨论的基本问题组合电路讨论的基本问题分析分析设计设计77 1、分析目的、分析目的了解逻辑电路的逻辑功能，找出电路输入与输了解逻辑电路的逻辑功能，找出电路输入与输出之间的关系。出之间的关系。常用的方法：逐级推导法。逐级推导法。 1.2.1 组合逻辑电路的分析方法和设计方法组合逻辑电路的分析方法和设计方法一、组合逻辑电路的分析一、组合逻辑电路的分析78例例1. 图示电路中，图示电路中，0、1、9表示表示10个电个电 键，平时各电键均键，平时各电键均 接零电位，当按下某接零电位，当按下某 电键时，该电键与电键时，该电键与5伏电源相连。试分析伏电

34、源相连。试分析 此电路的功能。此电路的功能。2、 举例举例79+B4B3B2B1987654321080解：解：1）写出各输出端表达式）写出各输出端表达式B4 = 9 + 8B3 = 7 + 6 + 5 + 4B2 = 7 + 6 + 3 + 2B1 = 2）列出真值表）列出真值表1 3 5 7 9 9135781键盘号B4 B3 B2 B1 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001输出0123456789功能： 将相应电键输入转换成8421码的键盘编码器。821、设计任务、设计任务用基本逻辑门设计出能完成实际问题或命题要求用基本逻辑门

35、设计出能完成实际问题或命题要求的电路。的电路。2、设计步骤、设计步骤实际逻实际逻辑问题辑问题定义输入定义输入/输出变量输出变量真值表真值表化化 简简最简表达式最简表达式逻辑图逻辑图选定器选定器件类型件类型二、二、 组合逻辑电路的设计组合逻辑电路的设计833、举例、举例例例1. 设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。设计一个监视交通信号灯工作状态的逻辑电路。每一组信号灯由红、黄、绿三盏灯组成。正常工作情每一组信号灯由红、黄、绿三盏灯组成。正常工作情况下，任何时刻总有一盏灯点亮，而且只允许有一盏况下，任何时刻总有一盏灯点亮，而且只允许有一盏灯点亮。而当出现其他五种点亮状态时，电路发生故灯点亮。

36、而当出现其他五种点亮状态时，电路发生故障，这时要求发出故障信号，以提醒维护人员前去维障，这时要求发出故障信号，以提醒维护人员前去维修。修。84红 黄 绿R A G 正常工作状态故 障 状 态设：输入为红、黄、绿三盏灯，分别用设：输入为红、黄、绿三盏灯，分别用R、A、G表示，表示，并规定灯亮时为并规定灯亮时为“1”，不亮时为，不亮时为“0”，取故障信号为输，取故障信号为输出出 变量，用变量，用Z表示，并规定正常工作状态下表示，并规定正常工作状态下 Z=0，发生故，发生故障时障时Z=1。85R A GZ0 0 010 0 100 1 000 1 111 0 001 0 111 1 011 1 11

37、2）写出函数表达式RAGGRAGARAGRGARZ1）列真值表863）化简11100101AGR01 00 01 11 10Z4）最简与或表达式AGRGRAG A RZ5）用与非与非门实现AGRGRAGARZAG RG RAG A R8788编码的任务编码的任务 把原始数据、指令或标志信号变换成把原始数据、指令或标志信号变换成 该系统所采用的数码制。该系统所采用的数码制。 编码器编码器 把指令或状态等转换为与其对应的二进制把指令或状态等转换为与其对应的二进制 信息代码的电路。信息代码的电路。1.2.2 MSI构成的标准组合模块构成的标准组合模块一、编码器一、编码器89键 盘编 码 器译 码 器

38、C PU十进制 BCDBCD 十进制901、 二进制编码器（普通编码器）二进制编码器（普通编码器）设：编码器有设：编码器有M个输入，在这个输入，在这M个输入中，只有一个个输入中，只有一个 输入为有效电平，其余输入为有效电平，其余 M1 个输入均为无效电个输入均为无效电 平。有平。有N个输出。则二者之间满足个输出。则二者之间满足M2N的关系。的关系。二进制编码器二进制编码器 将一般信号编为二进制代码的电路。例：设计一个编码器，要求把例：设计一个编码器，要求把07这这8个十进制数编成个十进制数编成 二进制代码。要求用与非门实现。（设有效信号二进制代码。要求用与非门实现。（设有效信号 为低电平）为低

39、电平）91I0I1I7Y2Y1Y0编码器约束条件：约束条件：Ii + Ij = 1解：1）确定二进制代码的位数 M = 8 = 23 N = 3 2）列出编码表有效电平为092十进十进 输输 入入 输输 出出制数制数 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 Y2 Y1 Y0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 2 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 3 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 4 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 5 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 6 1 1 1 1 1 1

40、0 1 1 1 0 7 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1933）写出对应的逻辑表达式4）画逻辑图753175310763276321765476542IIIIIIIIYIIIIIIIIYIIIIIIIIY 94。 。 。 。 。 。 。 。 。I7I0I1I2I3I4I5I6。+5V1K8&1Y2Y1Y0S95译码译码 把二进制数码把二进制数码“翻译翻译”成十进制数码或成十进制数码或“翻译翻译”成其他形式的代码或控制电平。成其他形式的代码或控制电平。译码器原理：译码器原理： N个输入端，个输入端，M个输出端。个输出端。 M 2N对于译码器输入端的某一种组合，只有一个输出端为对于译码器

41、输入端的某一种组合，只有一个输出端为有效电平，其余输出端均为相反电平。有效电平，其余输出端均为相反电平。二、译码器二、译码器96编码器编码器译码器译码器输入输入2N N输出输出 N 2N.AN-1A0A1Y1Y012NY二进制译码器二进制译码器E (使能输入使能输入)N个个代码代码输入输入M 个个译码译码输出输出971、二进制译码器、二进制译码器(变量译码器变量译码器)二进制译码器二进制译码器 输出状态表示了输入状态的输出状态表示了输入状态的原意。即：将输入的二进制代码译成十进制数原意。即：将输入的二进制代码译成十进制数或相应的控制电平。或相应的控制电平。 N线线2N 线译码器线译码器98设备

42、0设备1设备7. . .A0A2A1计算机. . . .数据总线译码器“1”“0”“0”99例例1. 设计一个三位二进制代码的译码器设计一个三位二进制代码的译码器 (3线线8线译码器线译码器)解：解：1) 分析要求分析要求输入：一组三位二进制代码。输入：一组三位二进制代码。输出：与代码相对应的输出：与代码相对应的8个信号。个信号。Y0 Y1Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7A2A1A03线8线 译码器1002) 列真值表列真值表A2 A1 A0 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 1 0 0 0 0 0 0 1 00 1 0 0 0

43、0 0 0 1 0 00 1 1 0 0 0 0 1 0 0 01 0 0 0 0 0 1 0 0 0 01 0 1 0 0 1 0 0 0 0 01 1 0 0 1 0 0 0 0 0 01 1 1 1 0 0 0 0 0 0 01013) 写表达式 AAAY AAAY AAAY AAAY AAAY AAAY AAAY AAAY012701230126012201250121012401204) 画逻辑图画逻辑图用与非门构成的译码器用与非门构成的译码器102A0A0A1A2A1A2A2A1A0Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y1Y0 E103例例2. 中规模集成译码器中规模集成译码器 74LS138

44、译码输出译码输入使能输入高位低位1）逻辑符号 Y0Y7Y6Y2Y1A0A1A2S1S3S274LS138Y3Y4Y5 S1S3S2E&1041052）功能表S1 S2+S3 A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1

45、1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 01063）逻辑表达式701270123012620122012510121012400120m AAAY m AAAYm AAAY m AAA Ym AAAY m AAA Ym AAAY m AAA Y3654107解：2N=16， N = 4 即 4个输入端，16个输出端 需2片74LS1380000 0111100011114）应用例例1.用用74LS138组成组成4线线 16线译码器。线译码器。108 Y0Y7Y6Y2Y1. . . .A0A1A2S1S3S274

46、LS138() Y8Y15Y14Y10Y9. . . .A0A1A2S1S3S274LS138()A1A0A21A30109例例2.用用74LS138组成组成5线线 32线译码器。线译码器。解：2N=32， N = 5 即 5 个输入端，32 个输出端 需 4 片74LS138A4 A3 0 0 0 1 1 0 1 1A2 A1 A0 0 0 0 1 1 1.110Y0Y7Y6Y2Y1. . . .A0A1A2S1S3S274LS138(1)A0 A1 A21 A3 A4Y0Y7Y6Y2Y1. . . .A0A1A2S1S3S274LS138(2)A0 A1 A2A3 A4Y0Y7Y6Y2Y1

47、. . . .A0A1A2S1S3S274LS138(3)A0 A1 A2A4 A3Y0Y7Y6Y2Y1. . . .A0A1A2S1S3S274LS138(4)A0 A1 A2A3 A4111思考题思考题: 当设计某种用途的接口卡时,需为其分配一个至数个I/O端口地址。现使用固定端口地址译码方式，试问，图中对应的8个I/O端口地址分别为多少？112?113300H301H302H303H304H305H306H307H思考题的答案思考题的答案114例例6：设计一个广告流水灯电路。共有：设计一个广告流水灯电路。共有8个灯，要求一个灯，要求一 亮七暗，且亮灯始终循环右移。亮七暗，且亮灯始终循环右

48、移。 Y0Y7Y6Y2Y1A0A1A2S1S3S274LS138Y3Y4Y51 0 0计数器115数据选择器是一个多输入、单输出的组合电路，它的功能类似于一个多档开关。D0D112ND. . . .Y. . . .A0AN-12N位数据输入N个地址输入端（数据输出端）三、三、 数据选择器数据选择器1161、 数据选择器的工作原理数据选择器的工作原理 （双四选一数据选择器（双四选一数据选择器 74153）A0A1S111YD0D1D2D3&逻辑图逻辑图117A1A0SD1D0D2D3 74153逻辑符号（半片）逻辑符号（半片）YS 使能输入， S =1 无论D3 D0 为何值，选择 器不工作。0

49、 可以传送数据 A1A0 数据选择端，相当于地址。118D3 D0 数据输入端S A1 A0Y1 00 0 0D00 0 1 D10 1 0 D20 1 1 D3功能表功能表函数表达式函数表达式Y=m0D0+ m1D1+ m2D2 + m3D3i30iiDm119二二.典型应用典型应用1.数据传送1）多位数据并行输入转换成串行输出01 1001 1 1YtA0D0D1D2D3D4D5D6D7A1A2SY741510 1 1 0 1 1 1 0 可编序列信号发生器120一.基本F-F的组成1.两个输出端 Q、Q0Q 1QF-F处于“1”状态1Q 0QF-F处于“0”状态1.3 触触 发发 器（器

50、（Flip Flop）1.3.1 基本触发器基本触发器1212.两个输入端 S、R”端）”端）复位端（或置“复位端（或置“”端）”端）置位端（或置“置位端（或置“0 R1 S二.基本F-F的工作原理）（高电平为（高电平为 3.6V 1RS . 1n1nQQ n1nQQ 122触发器具有两个稳定状态： “1”状态，Q=1，Q=0 “0”状态，Q=0，Q=1 如果原来处于“1”状态，在一定的条件下，可以长久地维持“1”状态不变。 如果原来处于“0”状态，在一定的条件下，可以长久地维持“0”状态不变。1232. R=1，S=Qn+1=1Qn+1=03. S=1，R =Qn+1=0Qn+1=1124

51、在适当的触发脉冲作用下，F-F可以从一个稳定状态转换到另一个稳定状态。4. S = ， R =工作不正常。125三. 基本F-F的功能表126四. 工作波形举例例1. 设初始状态为“0”，试画出对应的Q及Q的 波形图。127例2. 设初始状态为“1”，试画出对应的Q及Q的 波形图。128F-F的分类基本F-F无CP输入端带CP的F-F有CP输入端CP 时钟脉冲1.3.2 时钟触发器的逻辑功能时钟触发器的逻辑功能129带带CP的的F-F分类分类触发方式触发方式同步式同步式 高电平触发高电平触发维持阻塞式维持阻塞式 上升沿触发上升沿触发边沿触发式边沿触发式 上升上升(下降下降)沿触发沿触发主从触发

52、式主从触发式主从触发主从触发逻辑功能逻辑功能RS触发器触发器D触发器触发器JK触发器触发器T触发器触发器T触发器触发器130一一. .同步同步D D触发器（触发器（D D型锁存器）型锁存器）逻辑图逻辑图逻辑符号逻辑符号1311.功能表2.特性方程Qn+1=D3.状态图132二二. .同步同步JKJK触发器触发器逻辑图逻辑图逻辑符号逻辑符号1331.功能表2.特性方程nn1nQKQJQ3.状态图134三三. .同步同步T T触发器触发器逻辑图逻辑图逻辑符号逻辑符号1351.功能表2.特性方程nn1nQTQTQ3.状态图136空翻空翻 在一个时钟脉冲作用下，在一个时钟脉冲作用下，F-FF-F的状态

53、发的状态发 生了两次或两次以上的变化。生了两次或两次以上的变化。 例1.四四. . 同步时钟同步时钟F-FF-F的空翻问题的空翻问题137例2.一个JK同步F-F，初态Qn=0CP1381.3.3 时钟触发器的触发方式时钟触发器的触发方式139140异步输入端RD、SD： SD异步置位端（预置端、强迫置异步置位端（预置端、强迫置“1”端）端） RD异步复位端（清除端、强迫置异步复位端（清除端、强迫置“0”端）端）141例: 下降沿触发的 JK 触发器，初态为0，已知 CP、J、K波形，画出Q的波形。三三. .边沿触发器边沿触发器1421时序逻辑电路与组合逻辑电路的区别时序逻辑电路与组合逻辑电路

54、的区别1. 从逻辑功能上看从逻辑功能上看组合电路组合电路：t 时刻输出仅与时刻输出仅与t时刻输入有关，与时刻输入有关，与 t 以前的状态无关。以前的状态无关。 时序电路时序电路： t 时刻输出时刻输出Y不仅与不仅与t时刻输入时刻输入X有有 关，还与电路过去的状态关，还与电路过去的状态Qn有关。有关。 1.4 时序逻辑电路时序逻辑电路 1.4.1 概述概述143xix1y1yi组合电路逻辑组合电路逻辑组合逻辑电路组合逻辑电路存储电路存储电路yiy1x1xid1diqiq1外部外部输入输入外部外部输出输出F-FF-F控制输入控制输入F-FF-F状态输出状态输出144X外部输入外部输入Y外部输出外部

55、输出D触发器的控制输入触发器的控制输入Q触发器的状态输出触发器的状态输出时序电路的结构时序电路的结构：1）由组合电路和记忆元件构成。）由组合电路和记忆元件构成。2）触发器的状态与电路的输入信号共同决定了）触发器的状态与电路的输入信号共同决定了 电路的输出。电路的输出。1452.2.从电路结构上看从电路结构上看组合电路不含存储信息的触发器等元件。时序电路定含有存储信息的元件触发器。3.3.从功能描述上看从功能描述上看 组合电路组合电路 时序电路时序电路1.输出方程输出方程Y = F ( X ) 1.输出方程输出方程Y=F1(X,Qn)2.真值表真值表 2.驱动方程驱动方程D=F2(X,Qn) 3

56、.状态方程状态方程Qn+1=F3(D,Qn) 4.状态转换图状态转换图146二二. .时序电路的分类时序电路的分类 同步时序电路同步时序电路 异步时序电路异步时序电路 存储电路里所有触发器存储电路里所有触发器存储电路中各存储电路中各F-F的的 的状态变化都在同一个的状态变化都在同一个状态变化有先有后。状态变化有先有后。 控制脉冲控制脉冲CP作用下发生作用下发生 各各F-F时钟脉冲端同接时钟脉冲端同接各各F-F时钟脉冲输入端时钟脉冲输入端 一个时钟脉冲源一个时钟脉冲源CP。 不一定都有不一定都有CP，有些，有些 电路可以无电路可以无CP。工工作作状状况况结结构构147一一. .分析步骤分析步骤时

57、序电路时序电路 时钟方程时钟方程输出方程输出方程驱动方程驱动方程状态方程状态方程特性方程特性方程状态图状态图状态表状态表时序图时序图自启动检查自启动检查功能说明功能说明1.4.2 时序逻辑电路的分析方法时序逻辑电路的分析方法148二二. .分析举例分析举例 同步时序电路分析1.1.无外部输入的时序电路无外部输入的时序电路例1.试分析图示电路，并画出状态图和时序图。1）时钟方程）时钟方程 CP1 = CP2 = CP （对同步电路，（对同步电路，可省去）可省去）J1K1J2K2Q1Q2Q2Q1CP1492）驱动方程（输入方程）驱动方程（输入方程）3）状态方程）状态方程1K 1KQJ QJ2112

58、21n2n11n2n1n21n1nn1nQQQ QQQ QKQJQ JK状态方程达式可得各触发器的次态表特性方程：由1504）依次设初态，求次态，画状态转换表）依次设初态，求次态，画状态转换表0 0 1 1 0 0 0 1 3 0 1 1 0 2 1 0 0 0 1 Q Q Q Q CP 1n11n2n1n2态次态现5）状态图）状态图Q2Q1000110111516）波形图）波形图123123CPQ1Q2功能：同步三进制计数器（模M=3）， 有自启动能力。152例2. 试分析图示时序电路的逻辑功能 （带有外部输出Y）Q1J1K1Q1Q2J2K2Q2Q3J3K3Q3&1CPY1531）时钟方程（

59、略）时钟方程（略）2）驱动方程（输入方程）驱动方程（输入方程）23213312121321QK QQJQQK QJ1K QQJQ1J1K1Q1Q2J2K2Q2Q3J3K3Q3&1CPY1543）状态方程）状态方程n3n2n3n2n11n3n2n3n1n2n11n2n1n3n21n1nn1nQQQQQQ QQQQQQ QQQQ QKQJQ JK得状态方程：特性方程：由4）输出方程）输出方程Y=Q2 Q31555）状态转换表）状态转换表Y Q Q Q Q Q Q1n11n21n3n1n2n30 0 0 0 0 1 00 0 1 0 1 0 00 1 0 0 1 1 00 1 1 1 0 0 01

60、0 0 1 0 1 01 0 1 1 1 0 01 1 0 0 0 0 11 1 1 0 0 0 1 156CPQ3Q2Q1Y 00000 10010 20100 30110 41000 51010 61101 70000状态转换表的另一种形式1576）状态图）状态图Q3Q2Q1/ Y000001010011100101110111/ 1/ 0/ 0/ 0/ 0/ 0/ 0/ 11582.2.有外部输入的时序电路有外部输入的时序电路Q1Q2T1T2&YCPX1）驱动方程（输入方程）驱动方程（输入方程）n121QXTXT例1. 试分析图示电路。1593）状态方程）状态方程n2n1n2n1n2n1