(复旦数字电子课件)第1章数字逻辑基础

数字逻辑基础数字逻辑基础数字逻辑与数字电路的历史逻辑代数的历史1849年，爱尔兰数学家乔治·布尔(GeorgeBoole)创立布尔代数。20世纪30年代，在贝尔实验室工作的香农(ClaudeShannon)继承了布尔的工作并加以发展和应用。随着电子技术和计算机技术的发展，布尔代数在数字逻辑电路的分析和设计中得到了广泛的应用，统称为逻辑代数。2023/1/42模拟电子学基础数字逻辑与数字电路的历史逻辑代数的历史2022/12/262集成电路的历史1947年晶体管发明引起了电子学的一次革命。晶体管由巴丁(John

Bardeen)、布雷登(Wailter

Houser

Brattain)和肖克莱(William

Schokley)共同发明，该发明促成了计算机、通信等方面的飞速发展。鉴于它的重要价值，这些人共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖。1958年，德克萨斯仪器公司的基尔白(Clair

Kilby)、仙童半导体公司的诺依斯(Robert

Noyce)等人研究实现了集成电路。以后集成度越来越高，出现了超大规模集成电路，这是电子学的又一次革命，也是近代科学技术发展的新的标志。2023/1/43模拟电子学基础集成电路的历史2022/12/263模拟电子学基础集成电路的分类与数字集成电路的特点集成电路分类模拟集成电路，处理的信号是连续的（模拟信号）数字集成电路，处理的信号是离散的（数字信号）数字集成电路分类逻辑集成电路、存储器、各类ASIC数字集成电路特点信息表示形式统一、便于计算机处理可靠性高制造工艺成熟、可以大规模集成2023/1/44模拟电子学基础集成电路的分类与数字集成电路的特点集成电路分类2022/12数字集成电路的发展集成度SSI（1-10门，逻辑门电路）MSI（10-100门，计数器、移位寄存器器）LSI（100-1000门，小型存储器、8位算术逻辑单元）VLSI（1000-100万门，大型存储器、微处理器）ULSI（超过100万门，可编程逻辑器件、多功能集成电路）摩尔定律集成度每18个月翻一番2023/1/45模拟电子学基础数字集成电路的发展集成度2022/12/265模拟电子学基础本课程的内容数字逻辑的基本理论：逻辑代数无记忆的逻辑电路：组合逻辑电路有记忆的逻辑电路：触发器及时序逻辑电路（同步和异步）可编程逻辑器件和数字系统：软件实验、后续课程学习2023/1/46模拟电子学基础本课程的内容数字逻辑的基本理论：逻辑代数2022/12/26教科书与参考书教科书：陈光梦，数字逻辑基础，复旦大学出版社参考书：陈光梦等，数字逻辑基础学习指导与教学参考，复旦大学出版社阎石，数字电子技术基础，高教出版社VictorP.Nelsonetc，DigitalLogicCircuitAnalysisandDesign，清华大学出版社JohnM.Yarbrough，数字逻辑应用与设计，机械工业出版社刘宝琴，数字电路与系统，清华大学出版社唐竞新，数字电子技术基础解题指南，清华大学出版社曾繁泰等，VHDL程序设计，清华大学出版社2023/1/47模拟电子学基础教科书与参考书教科书：陈光梦，数字逻辑基础，复旦大学出版社2与教师的联系虚拟校园：电子邮件：gmchen@电话：656437892023/1/48模拟电子学基础与教师的联系虚拟校园：http://vcampus.fud第1章

逻辑代数基础第1章

逻辑代数基础本章要求掌握逻辑代数的基本公式和基本定理掌握逻辑函数的化简方法2023/1/410模拟电子学基础本章要求掌握逻辑代数的基本公式和基本定理2022/12/261.1逻辑代数概述二值逻辑：逻辑关系中的条件和结论只取对立的两个值，例如是和非、对和错、真和假等等。在逻辑代数中，通常用“1”代表“真”，用“0”代表“假”。二值逻辑的“1”与“0”是逻辑概念，仅代表真与假，没有数量大小。在数字逻辑中，有时也用“1”与“0”表示二进制数。这仅仅是一种代码，实际的运算规律还是依照逻辑运算进行。2023/1/411模拟电子学基础1.1逻辑代数概述二值逻辑：逻辑关系中的条件和结论只常用二－十进制代码十进制码二进制码（8421码）余三码余三循环码移位码5211码5421码000000011001000000000000001000101000110000010001000120010010101110001101000010300110110010100111010100114010001110100011110111010050101100011001111110001000601101001110111110100110017011110101111111001100101081000101111101100011011011910011100101010000111111002023/1/412模拟电子学基础常用二－十进制代码十进制码二进制码余三码余三移位码5211码逻辑函数用一个数学表达式来描述一个逻辑关系问题逻辑条件→输入变量（自变量）逻辑结论→输出变量（因变量）2023/1/413模拟电子学基础逻辑函数用一个数学表达式来描述一个逻辑关系问题2022/12逻辑函数的表示方法真值表逻辑函数逻辑图卡诺图硬件描述语言（HDL）以上5种表示方法可以相互转换，各有特定用途2023/1/414模拟电子学基础逻辑函数的表示方法真值表2022/12/2614模拟电子学基真值表ABY000010100111ABY2023/1/415模拟电子学基础真值表ABY000010100111A逻辑函数：基本逻辑运算与Y=A·B

或Y=A+B非Y=AA+BA·B2023/1/416模拟电子学基础逻辑函数：基本逻辑运算与Y=A·BAA“与”运算ABY=A·B000010100111ABY2023/1/417模拟电子学基础“与”运算ABY=A·B000010100111A“或”运算ABY=A＋B000011101111ABY2023/1/418模拟电子学基础“或”运算ABY=A＋B000011101111ABY“非”运算AY0110Y=AY2023/1/419模拟电子学基础“非”运算AY0110Y=A反函数两个逻辑函数互为反函数，是指两个逻辑函数对于输入变量的任意取值，其输出逻辑值都相反。下面真值表中F

和G

互为反函数。ABF(A,B)G(A,B)00010101100111102023/1/420模拟电子学基础反函数两个逻辑函数互为反函数，是指两个逻辑函数对于输入变量的复合逻辑运算与非或非异或同或Y=A⊙B

2023/1/421模拟电子学基础复合逻辑运算与非Y=A⊙B2022/12/2621模拟复合逻辑运算的真值表ABA⊙B0011010110101010101100012023/1/422模拟电子学基础复合逻辑运算的真值表ABA⊙B001101011010101逻辑图：基本逻辑单元2023/1/423模拟电子学基础逻辑图：基本逻辑单元2022/12/2623模拟电子学基础逻辑图符号标注规定（GB4728.12-1996）所有逻辑符号都由方框（或方框的组合）和标注在方框内的总限定符号组成

&总限定符号&1=1=外部逻辑状态逻辑约定小圈表示逻辑非也可采用极性指示符内部逻辑状态2023/1/424模拟电子学基础逻辑图符号标注规定（GB4728.12-1996）所有逻辑符组合形式的逻辑图2023/1/425模拟电子学基础组合形式的逻辑图2022/12/2625模拟电子学基础国外逻辑图符号对照与门或门非门美、日常用符号国标符号GB4728.12-19962023/1/426模拟电子学基础国外逻辑图符号对照与门或门非门美、日常用符号国标符号GB47异或门或非门与非门同或门美、日常用符号国标符号GB4728.12-19962023/1/427模拟电子学基础异或门或非门与非门同或门美、日常用符号国标符号GB4728.1.2逻辑代数的基本定理一、变量与常量的运算(0-1律)

A·1=A A+

0=A A·0

=0 A+1

=

1二、等幂律 A·A=A A+A=A三、互补律 A·=0 A+=1

四、自反律 =A

2023/1/428模拟电子学基础1.2逻辑代数的基本定理一、变量与常量的运算(0-1律)五、交换律

AB=BA A+B=B+A六、结合律

A(BC)=(AB)C A+(B+C)=(A+B)+C七、分配律

A(B+C)=AB+AC A+BC=(A+B)(A+C)八、反演律（DeMorgan定理） 2023/1/429模拟电子学基础五、交换律 2022/12/2629模拟电子学基础代入定理在任何一个逻辑等式中，若将其中一个逻辑变量全部用另一个逻辑函数代替，则等式仍然成立。

例：若

Y=AC+BC，

C=P+Q

则Y=A(P+Q)+B(P+Q)2023/1/430模拟电子学基础代入定理在任何一个逻辑等式中，若将其中一个逻辑变量全部用另一反演定理对于任何一个逻辑函数式，将其中的:所有逻辑符号“+”、“·”交换;所有逻辑常量“1”、“0”交换;所有逻辑变量取反;不改变原来的运算顺序。得到的逻辑函数是原来逻辑函数的反函数。例：2023/1/431模拟电子学基础反演定理对于任何一个逻辑函数式，将其中的:2022/12/2对偶定理对偶关系：逻辑符号“+”和“·”逻辑常量“1”和“0”对偶式：

所有逻辑符号“+”“·”交换所有逻辑常量“1”“0”交换若两个函数相等，则由他们的对偶式形成的两个函数也相等。例：若

则2023/1/432模拟电子学基础对偶定理对偶关系：逻辑符号“+”和“·”2022/12/注意点反演定理：描述原函数和反函数的关系（两个函数之间的关系）对偶定理：描述原函数构成的逻辑等式和对偶函数构成的逻辑等式的关系（两个命题之间的关系）在一般情况下，一个逻辑函数的反函数和对偶函数是不同的2023/1/433模拟电子学基础注意点反演定理：描述原函数和反函数的关系（两个函数之间的关系常用逻辑恒等式2023/1/434模拟电子学基础常用逻辑恒等式2022/12/2634模拟电子学基础2023/1/435模拟电子学基础2022/12/2635模拟电子学基础1.3逻辑函数的化简与形式转换目标函数形式（原因：实际电路的需要）与－或形式或－与形式与非－与非形式或非－或非形式与或非形式混合形式2023/1/436模拟电子学基础1.3逻辑函数的化简与形式转换目标函数形式（原因：实际电目标函数的要求：逻辑电路的数量最少（面积约束）逻辑电路的级数最少（速度约束）输入端的数量最少（混合约束）电路稳定可靠（避免竞争－冒险）具体问题具体分析，没有一成不变的规定2023/1/437模拟电子学基础目标函数的要求：2022/12/2637模拟电子学基础代数法化简逻辑函数公式法化简可以适用于任何场合，但是通常没有一定的规律可循，需要敏锐的观察力和一定的技巧。最常用的化简手段是吸收律、冗余律和反演律。2023/1/438模拟电子学基础代数法化简逻辑函数公式法化简可以适用于任何场合，但是通常没有代数法化简的例子2023/1/439模拟电子学基础代数法化简的例子2022/12/2639模拟电子学基础2023/1/440模拟电子学基础2022/12/2640模拟电子学基础2023/1/441模拟电子学基础2022/12/2641模拟电子学基础2023/1/442模拟电子学基础2022/12/2642模拟电子学基础逻辑函数形式转换的例子2023/1/443模拟电子学基础逻辑函数形式转换的例子2022/12/2643模拟电子学基础2023/1/444模拟电子学基础2022/12/2644模拟电子学基础2023/1/445模拟电子学基础2022/12/2645模拟电子学基础2023/1/446模拟电子学基础2022/12/2646模拟电子学基础逻辑函数的卡诺图表示和卡诺图化简法特点：图形化简法标准的表达方式规律的化简过程变量数目有限制（最多5～6个）2023/1/447模拟电子学基础逻辑函数的卡诺图表示和卡诺图化简法特点：2022/12/26最小项在n个逻辑变量的逻辑函数中，若m为包含n个因子的乘积项（逻辑与），且其中每个逻辑变量都以原变量或反变量的形式出现一次并仅仅出现一次，则称m为这n个变量的最小项。例：记为m2记为m5记为m72023/1/448模拟电子学基础最小项在n个逻辑变量的逻辑函数中，若m为包含n个因子的乘积项最大项在n个逻辑变量的逻辑函数中，若M为包含n个因子的和项（逻辑或），且其中每个逻辑变量都以原变量或反变量的形式出现一次并仅仅出现一次，则称M为这n个变量的最大项。例： 记为M2

记为M5

记为M72023/1/449模拟电子学基础最大项在n个逻辑变量的逻辑函数中，若M为包含n个因子的和项（最小项与最大项的比较以3变量函数为例2023/1/450模拟电子学基础最小项与最大项的比较以3变量函数为例2022/12/2650最小项和最大项的性质对于一个具有n个变量的逻辑问题，在输入变量的任意一种取值情况下，总有：一、必有且仅有一个最小项的逻辑值为1；必有且仅有一个最大项的逻辑值为0。二、任意2个不同的最小项之积为0；任意两个不同的最大项之和为1。2023/1/451模拟电子学基础最小项和最大项的性质对于一个具有n个变量的逻辑问题，在输三、全体最小项之和为1；全体最大项之积为0。四、下标相同的最大项和最小项互补。2023/1/452模拟电子学基础三、全体最小项之和为1；全体最大项之积为0。2022/12/逻辑函数的两种标准表达式最小项之和形式，简称为积之和(SOP)形式最大项之积形式，简称为和之积(POS)形式

2023/1/453模拟电子学基础逻辑函数的两种标准表达式最小项之和形式，简称为积之和(SOP标准表达式的关系性质1、一个逻辑函数的两种标准逻辑表达式之间，存在以下关系：若则性质2、一个逻辑函数与其反函数的逻辑表达式之间，存在以下关系：若则2023/1/454模拟电子学基础标准表达式的关系性质1、一个逻辑函数的两种标准逻辑表达式之间将逻辑函数化成标准形式要求按积之和形式展开函数，可以将非最小项的积项乘以形如的项，其中A

是那个非最小项的积项中缺少的输入变量，然后展开，最后合并相同的最小项。要求按和之积形式展开函数，可以将非最大项的和项加上形如的项，其中A是那个非最大项的和项中缺少的输入变量，然后展开，最后合并相同的最大项。2023/1/455模拟电子学基础将逻辑函数化成标准形式要求按积之和形式展开函数，可以将非最小卡诺图每个方格代表一个最小项或者最大项。变量排列按照相邻规则进行，即在卡诺图中相邻的方格在逻辑上也相邻。（相邻的意义：两个最小项或最大项之间只有一个变量发生变化）2023/1/456模拟电子学基础卡诺图每个方格代表一个最小项或者最大项。2022/12/2卡诺图的填法最小项填1最大项填02023/1/457模拟电子学基础卡诺图的填法最小项填12022/12/2657模拟电子学基卡诺图化简法根据相邻的方格在逻辑上也相邻的原理，只要相邻的方格满足以下条件：一、逻辑值相同；二、小方格数为

2n

个。就可以将相邻的方格合并为一个卡诺圈。卡诺圈越大，可以消去的变量越多，最后得到的逻辑函数越简单。若卡诺圈包含的小方格数为

2n

个，而这个逻辑函数具有m个变量，则这个卡诺圈对应的项中包含的变量数目为m–n个。2023/1/458模拟电子学基础卡诺图化简法根据相邻的方格在逻辑上也相邻的原理，只要相邻的方卡诺图的圈法（SOP）圈“1”包含2n个方格尽可能大不遗漏2023/1/459模拟电子学基础卡诺图的圈法（SOP）圈“1”2022/12/2659模拟电卡诺图的圈法（POS）圈“0”包含2n个方格尽可能大不遗漏2023/1/460模拟电子学基础卡诺图的圈法（POS）圈“0”2022/12/2660模拟电卡诺图化简法的要点将逻辑函数化为标准形式（或真值表）填卡诺图圈卡诺圈（满足2n个方格要求、尽可能大、不遗漏）根据卡诺圈写出化简后的逻辑函数若有必要，运用反演律对所得结果进行变换2023/1/461模拟电子学基础卡诺图化简法的要点将逻辑函数化为标准形式（或真值表）2022卡诺图化简的例（一）2023/1/462模拟电子学基础卡诺图化简的例（一）2022/12/2662模拟电子学基础卡诺图化简的例（二）2023/1/463模拟电子学基础卡诺图化简的例（二）2022/12/2663模拟电子学基础卡诺图化简法的一些术语蕴涵：逻辑函数的“与或”表达式中的各项质蕴涵：不能再与其他蕴涵合并的蕴涵必要质蕴涵：包含一个或多个唯一的最小项的质蕴涵覆盖：包含了逻辑函数中所有最小项的一些蕴涵之“或”非冗余覆盖：其中每一个蕴涵都是必不可少的覆盖最小覆盖：包含蕴涵个数最少，每个蕴涵中包含的最小项又较少的非冗余覆盖2023/1/464模拟电子学基础卡诺图化简法的一些术语蕴涵：逻辑函数的“与或”表达式中的各项最小覆盖的不惟一性

一个逻辑函数，其最小覆盖总是由必要质蕴涵和部分质蕴涵组成，所以它的最小覆盖可能不是惟一的，即它的最简逻辑表达式可能不是惟一的。

绿色：必要质蕴涵红色和白色：质蕴涵最小覆盖：绿色＋红色或：绿色＋白色2023/1/465模拟电子学基础最小覆盖的不惟一性一个逻辑函数，其最小覆盖总是由必要利用卡诺图运算来进行逻辑化简逻辑函数→卡诺图逻辑函数的运算→卡诺图的运算卡诺图的运算→对应的方格进行运算证明（以“与”运算为例）：证明的最后一步运用了最小项的性质2思考题:试证明“或”、“非”运算亦符合上述规则2023/1/466模拟电子学基础利用卡诺图运算来进行逻辑化简逻辑函数→卡诺图证明的最利用卡诺图运算来进行逻辑化简的例常规化简运算化简2023/1/467模拟电子学基础利用卡诺图运算来进行逻辑化简的例常规化简2022/12/26常规化简结果为3、4输入端，共16输入端运算化简结果为2输入端，共14输入端2023/1/468模拟电子学基础常规化简2022/12/2668模拟电子学基础卡诺图运算的一些有关规律

0重心：0号方格（即全部变量为0的方格）1重心：2n号方格（即全部变量为1的方格）包含0重心但不包含1重心的质蕴涵，其表达式全部用反变量标注包含1重心但不包含0重心的质蕴涵，其表达式全部用原变量标注既不包含0重心也不包含1重心的质蕴涵，其表达式中一定既有原变量又有反变量目标函数是与非形式并要求全部用原变量表达时，围绕1重心进行。其中卡诺圈圈1，阻塞圈圈0目标函数是或非形式并要求全部用原变量表达时，围绕0重心进行，其中卡诺圈圈0，阻塞圈圈12023/1/469模拟电子学基础卡诺图运算的一些有关规律0重心：0号方格（即全部变量为0的不完全确定的逻辑函数的化简不完全确定的逻辑函数：由n个逻辑变量构成的逻辑函数中，有效的逻辑状态数小于2n个。那些无效的状态或者是不可能出现，或者无意义。这些无效的状态被称为任意项，或称为无关项、约束项、禁止项，等等

2023/1/470模拟电子学基础不完全确定的逻辑函数的化简不完全确定的逻辑函数：2022/1任意项的处理任意项的值既可为1也可为0带有任意项的逻辑函数在化简时既可以将任意项圈入卡诺圈，也可以不圈入卡诺圈适当地将一些任意项圈入卡诺圈，可以使化简的结果得到极大的简化黄色：不考虑任意项红色：考虑任意项2023/1/471模拟电子学基础任意项的处理任意项的值既可为1也可为0黄色：不考虑任意项202023/1/472模拟电子学基础2022/12/2672模拟电子学基础注意点任意项的表现形式除了直接用最小项形式表示外，还经常用逻辑表达式表示，称为约束方程对于用约束方程给出的逻辑问题，一般要将约束条件改写成用最小项表示的任意项形式，才能用卡诺图进行化简例如：A=1、B=1这种输入状态不可能出现，可记为AB=0。在卡诺图中就是对应AB=11的最小项为任意项2023/1/473模拟电子学基础注意点任意项的表现形式除了直接用最小项形式表示外，还经常用逻使用异或函数的卡诺图化简异或运算的性质:

2023/1/474模拟电子学基础使用异或函数的卡诺图化简异或运算的性质:2022/12/2异或（同或）函数的卡诺图“棋盘格”特征异或函数的棋盘格特征：0号方格等于0同或函数的棋盘格特征：0号方格等于1同或函数异或函数2023/1/475模拟电子学基础异或（同或）函数的卡诺图“棋盘格”特征同或函数异或函数20利用异或函数化简的例子（一）2023/1/476模拟电子学基础利用异或函数化简的例子（一）2022/12/2676模拟电子利用异或函数化简的例子（二）先补成异或形式（蓝色格子）再利用运算法2023/1/477模拟电子学基础利用异或函数化简的例子（二）先补成异或形式（蓝色格子）202多输出逻辑函数的化简考虑公共蕴涵的使用公共蕴涵也是越大越好有时在寻找公共蕴涵过程中会有多种可能的方案出现，这时要根据实际情况作一定的取舍，部分地要依赖于人为的经验2023/1/478模拟电子学基础多输出逻辑函数的化简考虑公共蕴涵的使用2022/12/26寻找公共蕴涵的过程单独化简。观察在多个输出函数中的公共最小项。如果多输出函数比较复杂，这个过程也可以借助表格进行。将相邻的公共最小项合并成公共蕴涵（画公共卡诺圈），同时，将在单独化简的卡诺图中包含公共蕴涵的质蕴涵（卡诺圈）划去。检查覆盖情况：在卡诺图中观察是否存在未被圈入的最小项。如果没有任何其他最小项未被圈入（完成覆盖），则可以认为化简完成。否则要重新划分卡诺圈，将未被包含的最小项圈入。2023/1/479模拟电子学基础寻找公共蕴涵的过程单独化简。2022/12/2679模拟电子第一章概要逻辑代数是借助符号、利用数学方法研究逻辑推理和逻辑计算的一个数学分支。二值逻辑的逻辑变量只包含0和1，它们表示两个对立的逻辑状态。基本的逻辑运算有“与”、“或”、“非”三种，可以由此得到各种复合逻辑运算。逻辑代数运算借用了普通代数的某些运算符号，但是运算规律和其中的含义与代数运算迥然不同。为了进行逻辑运算，必须熟练掌握1.2.1节的基本公式。另外，掌握1.2.2节的辅助公式和1.2.3节的基本定理，对于提高逻辑运算的速度和证明逻辑等式是极为有用的。2023/1/480模拟电子学基础第一章概要逻辑代数是借助符号、利用数学方法研究逻辑推理和逻辑逻辑函数有真值表、逻辑表达式、逻辑图和卡诺图四种表达形式，它们各具特点并且可以相互转换，可以根据使用的需要合理选用。逻辑函数的化简是本章的重点。有代数法和图形法两种基本化简方法：公式法化简可以适用于任何场合，但是通常没有一定的规律可循，需要敏锐的观察力和一定的技巧。卡诺图化简法可以按照一定的步骤进行，但是只适用于变量数目较少的场合。在卡诺图化简过程中也有一些技巧性的手段，比较重要的有卡诺图运算法和影射变量卡诺图化简法。2023/1/481模拟电子学基础逻辑函数有真值表、逻辑表达式、逻辑图和卡诺图四种表达形式，它由于实际的逻辑系统为了获得最好的性能，可以由各种不同类型的逻辑电路构成，所以逻辑化简的目标形式可以是多种多样的，我们在本章讨论了几种常见的形式。可以通过一定的方法得到需要的逻辑函数形式：包括在卡诺图化简后利用反演定理转换以及直接进行卡诺图运算化简等。随着计算机辅助设计软件的发展，利用计算机软件进行逻辑化简已经越来越成熟。计算机化简的基本手段是表格法和代数法。2023/1/482模拟电子学基础由于实际的逻辑系统为了获得最好的性能，可以由各种不同类型的逻第1章结束第1章结束数字逻辑基础数字逻辑基础数字逻辑与数字电路的历史逻辑代数的历史1849年，爱尔兰数学家乔治·布尔(GeorgeBoole)创立布尔代数。20世纪30年代，在贝尔实验室工作的香农(ClaudeShannon)继承了布尔的工作并加以发展和应用。随着电子技术和计算机技术的发展，布尔代数在数字逻辑电路的分析和设计中得到了广泛的应用，统称为逻辑代数。2023/1/485模拟电子学基础数字逻辑与数字电路的历史逻辑代数的历史2022/12/262集成电路的历史1947年晶体管发明引起了电子学的一次革命。晶体管由巴丁(John

Bardeen)、布雷登(Wailter

Houser

Brattain)和肖克莱(William

Schokley)共同发明，该发明促成了计算机、通信等方面的飞速发展。鉴于它的重要价值，这些人共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖。1958年，德克萨斯仪器公司的基尔白(Clair

Kilby)、仙童半导体公司的诺依斯(Robert

Noyce)等人研究实现了集成电路。以后集成度越来越高，出现了超大规模集成电路，这是电子学的又一次革命，也是近代科学技术发展的新的标志。2023/1/486模拟电子学基础集成电路的历史2022/12/263模拟电子学基础集成电路的分类与数字集成电路的特点集成电路分类模拟集成电路，处理的信号是连续的（模拟信号）数字集成电路，处理的信号是离散的（数字信号）数字集成电路分类逻辑集成电路、存储器、各类ASIC数字集成电路特点信息表示形式统一、便于计算机处理可靠性高制造工艺成熟、可以大规模集成2023/1/487模拟电子学基础集成电路的分类与数字集成电路的特点集成电路分类2022/12数字集成电路的发展集成度SSI（1-10门，逻辑门电路）MSI（10-100门，计数器、移位寄存器器）LSI（100-1000门，小型存储器、8位算术逻辑单元）VLSI（1000-100万门，大型存储器、微处理器）ULSI（超过100万门，可编程逻辑器件、多功能集成电路）摩尔定律集成度每18个月翻一番2023/1/488模拟电子学基础数字集成电路的发展集成度2022/12/265模拟电子学基础本课程的内容数字逻辑的基本理论：逻辑代数无记忆的逻辑电路：组合逻辑电路有记忆的逻辑电路：触发器及时序逻辑电路（同步和异步）可编程逻辑器件和数字系统：软件实验、后续课程学习2023/1/489模拟电子学基础本课程的内容数字逻辑的基本理论：逻辑代数2022/12/26教科书与参考书教科书：陈光梦，数字逻辑基础，复旦大学出版社参考书：陈光梦等，数字逻辑基础学习指导与教学参考，复旦大学出版社阎石，数字电子技术基础，高教出版社VictorP.Nelsonetc，DigitalLogicCircuitAnalysisandDesign，清华大学出版社JohnM.Yarbrough，数字逻辑应用与设计，机械工业出版社刘宝琴，数字电路与系统，清华大学出版社唐竞新，数字电子技术基础解题指南，清华大学出版社曾繁泰等，VHDL程序设计，清华大学出版社2023/1/490模拟电子学基础教科书与参考书教科书：陈光梦，数字逻辑基础，复旦大学出版社2与教师的联系虚拟校园：电子邮件：gmchen@电话：656437892023/1/491模拟电子学基础与教师的联系虚拟校园：http://vcampus.fud第1章

逻辑代数基础第1章

逻辑代数基础本章要求掌握逻辑代数的基本公式和基本定理掌握逻辑函数的化简方法2023/1/493模拟电子学基础本章要求掌握逻辑代数的基本公式和基本定理2022/12/261.1逻辑代数概述二值逻辑：逻辑关系中的条件和结论只取对立的两个值，例如是和非、对和错、真和假等等。在逻辑代数中，通常用“1”代表“真”，用“0”代表“假”。二值逻辑的“1”与“0”是逻辑概念，仅代表真与假，没有数量大小。在数字逻辑中，有时也用“1”与“0”表示二进制数。这仅仅是一种代码，实际的运算规律还是依照逻辑运算进行。2023/1/494模拟电子学基础1.1逻辑代数概述二值逻辑：逻辑关系中的条件和结论只常用二－十进制代码十进制码二进制码（8421码）余三码余三循环码移位码5211码5421码000000011001000000000000001000101000110000010001000120010010101110001101000010300110110010100111010100114010001110100011110111010050101100011001111110001000601101001110111110100110017011110101111111001100101081000101111101100011011011910011100101010000111111002023/1/495模拟电子学基础常用二－十进制代码十进制码二进制码余三码余三移位码5211码逻辑函数用一个数学表达式来描述一个逻辑关系问题逻辑条件→输入变量（自变量）逻辑结论→输出变量（因变量）2023/1/496模拟电子学基础逻辑函数用一个数学表达式来描述一个逻辑关系问题2022/12逻辑函数的表示方法真值表逻辑函数逻辑图卡诺图硬件描述语言（HDL）以上5种表示方法可以相互转换，各有特定用途2023/1/497模拟电子学基础逻辑函数的表示方法真值表2022/12/2614模拟电子学基真值表ABY000010100111ABY2023/1/498模拟电子学基础真值表ABY000010100111A逻辑函数：基本逻辑运算与Y=A·B

或Y=A+B非Y=AA+BA·B2023/1/499模拟电子学基础逻辑函数：基本逻辑运算与Y=A·BAA“与”运算ABY=A·B000010100111ABY2023/1/4100模拟电子学基础“与”运算ABY=A·B000010100111A“或”运算ABY=A＋B000011101111ABY2023/1/4101模拟电子学基础“或”运算ABY=A＋B000011101111ABY“非”运算AY0110Y=AY2023/1/4102模拟电子学基础“非”运算AY0110Y=A反函数两个逻辑函数互为反函数，是指两个逻辑函数对于输入变量的任意取值，其输出逻辑值都相反。下面真值表中F

和G

互为反函数。ABF(A,B)G(A,B)00010101100111102023/1/4103模拟电子学基础反函数两个逻辑函数互为反函数，是指两个逻辑函数对于输入变量的复合逻辑运算与非或非异或同或Y=A⊙B

2023/1/4104模拟电子学基础复合逻辑运算与非Y=A⊙B2022/12/2621模拟复合逻辑运算的真值表ABA⊙B0011010110101010101100012023/1/4105模拟电子学基础复合逻辑运算的真值表ABA⊙B001101011010101逻辑图：基本逻辑单元2023/1/4106模拟电子学基础逻辑图：基本逻辑单元2022/12/2623模拟电子学基础逻辑图符号标注规定（GB4728.12-1996）所有逻辑符号都由方框（或方框的组合）和标注在方框内的总限定符号组成

&总限定符号&1=1=外部逻辑状态逻辑约定小圈表示逻辑非也可采用极性指示符内部逻辑状态2023/1/4107模拟电子学基础逻辑图符号标注规定（GB4728.12-1996）所有逻辑符组合形式的逻辑图2023/1/4108模拟电子学基础组合形式的逻辑图2022/12/2625模拟电子学基础国外逻辑图符号对照与门或门非门美、日常用符号国标符号GB4728.12-19962023/1/4109模拟电子学基础国外逻辑图符号对照与门或门非门美、日常用符号国标符号GB47异或门或非门与非门同或门美、日常用符号国标符号GB4728.12-19962023/1/4110模拟电子学基础异或门或非门与非门同或门美、日常用符号国标符号GB4728.1.2逻辑代数的基本定理一、变量与常量的运算(0-1律)

A·1=A A+

0=A A·0

=0 A+1

=

1二、等幂律 A·A=A A+A=A三、互补律 A·=0 A+=1

四、自反律 =A

2023/1/4111模拟电子学基础1.2逻辑代数的基本定理一、变量与常量的运算(0-1律)五、交换律

AB=BA A+B=B+A六、结合律

A(BC)=(AB)C A+(B+C)=(A+B)+C七、分配律

A(B+C)=AB+AC A+BC=(A+B)(A+C)八、反演律（DeMorgan定理） 2023/1/4112模拟电子学基础五、交换律 2022/12/2629模拟电子学基础代入定理在任何一个逻辑等式中，若将其中一个逻辑变量全部用另一个逻辑函数代替，则等式仍然成立。

例：若

Y=AC+BC，

C=P+Q

则Y=A(P+Q)+B(P+Q)2023/1/4113模拟电子学基础代入定理在任何一个逻辑等式中，若将其中一个逻辑变量全部用另一反演定理对于任何一个逻辑函数式，将其中的:所有逻辑符号“+”、“·”交换;所有逻辑常量“1”、“0”交换;所有逻辑变量取反;不改变原来的运算顺序。得到的逻辑函数是原来逻辑函数的反函数。例：2023/1/4114模拟电子学基础反演定理对于任何一个逻辑函数式，将其中的:2022/12/2对偶定理对偶关系：逻辑符号“+”和“·”逻辑常量“1”和“0”对偶式：

所有逻辑符号“+”“·”交换所有逻辑常量“1”“0”交换若两个函数相等，则由他们的对偶式形成的两个函数也相等。例：若

则2023/1/4115模拟电子学基础对偶定理对偶关系：逻辑符号“+”和“·”2022/12/注意点反演定理：描述原函数和反函数的关系（两个函数之间的关系）对偶定理：描述原函数构成的逻辑等式和对偶函数构成的逻辑等式的关系（两个命题之间的关系）在一般情况下，一个逻辑函数的反函数和对偶函数是不同的2023/1/4116模拟电子学基础注意点反演定理：描述原函数和反函数的关系（两个函数之间的关系常用逻辑恒等式2023/1/4117模拟电子学基础常用逻辑恒等式2022/12/2634模拟电子学基础2023/1/4118模拟电子学基础2022/12/2635模拟电子学基础1.3逻辑函数的化简与形式转换目标函数形式（原因：实际电路的需要）与－或形式或－与形式与非－与非形式或非－或非形式与或非形式混合形式2023/1/4119模拟电子学基础1.3逻辑函数的化简与形式转换目标函数形式（原因：实际电目标函数的要求：逻辑电路的数量最少（面积约束）逻辑电路的级数最少（速度约束）输入端的数量最少（混合约束）电路稳定可靠（避免竞争－冒险）具体问题具体分析，没有一成不变的规定2023/1/4120模拟电子学基础目标函数的要求：2022/12/2637模拟电子学基础代数法化简逻辑函数公式法化简可以适用于任何场合，但是通常没有一定的规律可循，需要敏锐的观察力和一定的技巧。最常用的化简手段是吸收律、冗余律和反演律。2023/1/4121模拟电子学基础代数法化简逻辑函数公式法化简可以适用于任何场合，但是通常没有代数法化简的例子2023/1/4122模拟电子学基础代数法化简的例子2022/12/2639模拟电子学基础2023/1/4123模拟电子学基础2022/12/2640模拟电子学基础2023/1/4124模拟电子学基础2022/12/2641模拟电子学基础2023/1/4125模拟电子学基础2022/12/2642模拟电子学基础逻辑函数形式转换的例子2023/1/4126模拟电子学基础逻辑函数形式转换的例子2022/12/2643模拟电子学基础2023/1/4127模拟电子学基础2022/12/2644模拟电子学基础2023/1/4128模拟电子学基础2022/12/2645模拟电子学基础2023/1/4129模拟电子学基础2022/12/2646模拟电子学基础逻辑函数的卡诺图表示和卡诺图化简法特点：图形化简法标准的表达方式规律的化简过程变量数目有限制（最多5～6个）2023/1/4130模拟电子学基础逻辑函数的卡诺图表示和卡诺图化简法特点：2022/12/26最小项在n个逻辑变量的逻辑函数中，若m为包含n个因子的乘积项（逻辑与），且其中每个逻辑变量都以原变量或反变量的形式出现一次并仅仅出现一次，则称m为这n个变量的最小项。例：记为m2记为m5记为m72023/1/4131模拟电子学基础最小项在n个逻辑变量的逻辑函数中，若m为包含n个因子的乘积项最大项在n个逻辑变量的逻辑函数中，若M为包含n个因子的和项（逻辑或），且其中每个逻辑变量都以原变量或反变量的形式出现一次并仅仅出现一次，则称M为这n个变量的最大项。例： 记为M2

记为M5

记为M72023/1/4132模拟电子学基础最大项在n个逻辑变量的逻辑函数中，若M为包含n个因子的和项（最小项与最大项的比较以3变量函数为例2023/1/4133模拟电子学基础最小项与最大项的比较以3变量函数为例2022/12/2650最小项和最大项的性质对于一个具有n个变量的逻辑问题，在输入变量的任意一种取值情况下，总有：一、必有且仅有一个最小项的逻辑值为1；必有且仅有一个最大项的逻辑值为0。二、任意2个不同的最小项之积为0；任意两个不同的最大项之和为1。2023/1/4134模拟电子学基础最小项和最大项的性质对于一个具有n个变量的逻辑问题，在输三、全体最小项之和为1；全体最大项之积为0。四、下标相同的最大项和最小项互补。2023/1/4135模拟电子学基础三、全体最小项之和为1；全体最大项之积为0。2022/12/逻辑函数的两种标准表达式最小项之和形式，简称为积之和(SOP)形式最大项之积形式，简称为和之积(POS)形式

2023/1/4136模拟电子学基础逻辑函数的两种标准表达式最小项之和形式，简称为积之和(SOP标准表达式的关系性质1、一个逻辑函数的两种标准逻辑表达式之间，存在以下关系：若则性质2、一个逻辑函数与其反函数的逻辑表达式之间，存在以下关系：若则2023/1/4137模拟电子学基础标准表达式的关系性质1、一个逻辑函数的两种标准逻辑表达式之间将逻辑函数化成标准形式要求按积之和形式展开函数，可以将非最小项的积项乘以形如的项，其中A

是那个非最小项的积项中缺少的输入变量，然后展开，最后合并相同的最小项。要求按和之积形式展开函数，可以将非最大项的和项加上形如的项，其中A是那个非最大项的和项中缺少的输入变量，然后展开，最后合并相同的最大项。2023/1/4138模拟电子学基础将逻辑函数化成标准形式要求按积之和形式展开函数，可以将非最小卡诺图每个方格代表一个最小项或者最大项。变量排列按照相邻规则进行，即在卡诺图中相邻的方格在逻辑上也相邻。（相邻的意义：两个最小项或最大项之间只有一个变量发生变化）2023/1/4139模拟电子学基础卡诺图每个方格代表一个最小项或者最大项。2022/12/2卡诺图的填法最小项填1最大项填02023/1/4140模拟电子学基础卡诺图的填法最小项填12022/12/2657模拟电子学基卡诺图化简法根据相邻的方格在逻辑上也相邻的原理，只要相邻的方格满足以下条件：一、逻辑值相同；二、小方格数为

2n

个。就可以将相邻的方格合并为一个卡诺圈。卡诺圈越大，可以消去的变量越多，最后得到的逻辑函数越简单。若卡诺圈包含的小方格数为

2n

个，而这个逻辑函数具有m个变量，则这个卡诺圈对应的项中包含的变量数目为m–n个。2023/1/4141模拟电子学基础卡诺图化简法根据相邻的方格在逻辑上也相邻的原理，只要相邻的方卡诺图的圈法（SOP）圈“1”包含2n个方格尽可能大不遗漏2023/1/4142模拟电子学基础卡诺图的圈法（SOP）圈“1”2022/12/2659模拟电卡诺图的圈法（POS）圈“0”包含2n个方格尽可能大不遗漏2023/1/4143模拟电子学基础卡诺图的圈法（POS）圈“0”2022/12/2660模拟电卡诺图化简法的要点将逻辑函数化为标准形式（或真值表）填卡诺图圈卡诺圈（满足2n个方格要求、尽可能大、不遗漏）根据卡诺圈写出化简后的逻辑函数若有必要，运用反演律对所得结果进行变换2023/1/4144模拟电子学基础卡诺图化简法的要点将逻辑函数化为标准形式（或真值表）2022卡诺图化简的例（一）2023/1/4145模拟电子学基础卡诺图化简的例（一）2022/12/2662模拟电子学基础卡诺图化简的例（二）2023/1/4146模拟电子学基础卡诺图化简的例（二）2022/12/2663模拟电子学基础卡诺图化简法的一些术语蕴涵：逻辑函数的“与或”表达式中的各项质蕴涵：不能再与其他蕴涵合并的蕴涵必要质蕴涵：包含一个或多个唯一的最小项的质蕴涵覆盖：包含了逻辑函数中所有最小项的一些蕴涵之“或”非冗余覆盖：其中每一个蕴涵都是必不可少的覆盖最小覆盖：包含蕴涵个数最少，每个蕴涵中包含的最小项又较少的非冗余覆盖2023/1/4147模拟电子学基础卡诺图化简法的一些术语蕴涵：逻辑函数的“与或”表达式中的各项最小覆盖的不惟一性

一个逻辑函数，其最小覆盖总是由必要质蕴涵和部分质蕴涵组成，所以它的最小覆盖可能不是惟一的，即它的最简逻辑表达式可能不是惟一的。

绿色：必要质蕴涵红色和白色：质蕴涵最小覆盖：绿色＋红色或：绿色＋白色2023/1/4148模拟电子学基础最小覆盖的不惟一性一个逻辑函数，其最小覆盖总是由必要利用卡诺图运算来进行逻辑化简逻辑函数→卡诺图逻辑函数的运算→卡诺图的运算卡诺图的运算→对应的方格进行运算证明（以“与”运算为例）：证明的最后一步运用了最小项的性质2思考题:试证明“或”、“非”运算亦符合上述规则2023/1/4149模拟电子学基础利用卡诺图运算来进行逻辑化简逻辑函数→卡诺图证明的最利用卡诺图运算来进行逻辑化简的例常规化简运算化简2023/1/4150模拟电子学基础利用卡诺图运算来进行逻辑化简的例常规化简2022/12/26常规化简结果为3、4输入端，共16输入端运算化简结果为2输入端，共14输入端2023/1/4151模拟电子学基础常规化简2022/12/2668模拟电子学基础卡诺图运算的一些有关规律

0重心：0号方格（即全部变量为0的方格）1重心：2n号方格（即全部变量为1的方格）包含0重心但不包含1重心的质蕴涵，其表达式全部用反变量标注包含1重心但不包含0重心的质蕴涵，其表达式全部用原变量标注既不包含