计算系统基础数字逻辑电路演示文稿

计算系统基础数字逻辑电路演示文稿目前一页\总数七十八页\编于十三点（优选）计算系统基础数字逻辑电路目前二页\总数七十八页\编于十三点ENIAC–细节十进制18,000个真空管30吨15,000平方英尺140kW5,000次加法/秒目前三页\总数七十八页\编于十三点晶体管取代真空管更小更便宜，由硅制造而成散热更少1947年Bell实验室发明WilliamShockley等人1956年度的诺贝尔物理学奖目前四页\总数七十八页\编于十三点集成电路采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构所有元件在结构上已组成一个整体——整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步目前五页\总数七十八页\编于十三点微电子技术建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术大规模集成电路每一单晶硅片上可以集成制作一千个以上的元器件超大规模集成电路元器件集成度在一万至十万以上目前六页\总数七十八页\编于十三点摩尔定律英特尔（Intel）创始人之一GordonMoore集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍性能提升一倍当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上揭示了信息技术进步的速度目前七页\总数七十八页\编于十三点使用开关的简单电路操纵开关控制电路的合与开，从而使电灯亮或灭目前八页\总数七十八页\编于十三点MOS晶体管MOS（Metal-OxideSemiconductor，金属氧化物半导体）晶体管两种类型：P型和N型逻辑上起到开关的作用目前九页\总数七十八页\编于十三点N型MOS晶体管三个终端如果栅极被加以3.3伏电压，从源极到漏极的连接就相当于一段电线，即：在源极和漏极之间存在一个闭合回路，即导通如果栅极被加以0伏电压，在源极和漏极之间的连接就被断开，在源极和漏极之间存在一个断路，即截止目前十页\总数七十八页\编于十三点P型MOS晶体管工作原理与N型晶体管恰恰相反当给栅极提供的电压为0伏时，P型晶体管像一段电线，构成闭合回路当所提供的电压为3.3伏时，就出现断路目前十一页\总数七十八页\编于十三点门电路只使用MOS晶体管，就可以构建最基本的门电路与门、或门、非门实现与、或、非逻辑运算的晶体管电路目前十二页\总数七十八页\编于十三点反相器(非门)栅极连在一起，作为输入端；漏极连在一起，作为输出端；PMOS管的源极接电源正极；NMOS管的源极接地目前十三页\总数七十八页\编于十三点目前十四页\总数七十八页\编于十三点非门符号表示ANSI/IEEEStd91-1984IEEEStandardGraphicSymbolsforLogicFunctions形状特征型符号IEC60617-12InternationalElectrotechnicalCommission，国际电工委员会，GraphicalSymbolsforDiagrams-Part12:BinaryLogicElements矩形国标符号

1目前十五页\总数七十八页\编于十三点或非

门顶部串联,底部并联.CAB目前十六页\总数七十八页\编于十三点或非

门P型N型P型N型A=0B=0C=1P型N型P型N型A=0B=1C=0P型N型P型N型A=1B=1C=0目前十七页\总数七十八页\编于十三点或非门符号表示ANSI/IEEEStd91-1984形状特征型符号IEC60617-12矩形国标符号1目前十八页\总数七十八页\编于十三点或门=在或非门输出端增加一个反相器目前十九页\总数七十八页\编于十三点或门符号表示ANSI/IEEEStd91-1984形状特征型符号IEC60617-12矩形国标符号1目前二十页\总数七十八页\编于十三点非与门顶部并联,底部串联.CAB目前二十一页\总数七十八页\编于十三点与门在非与门后增加反相器.目前二十二页\总数七十八页\编于十三点与非门/与门符号表示ANSI/IEEEStd91-1984形状特征型符号IEC60617-12矩形国标符号&&目前二十三页\总数七十八页\编于十三点德摩根定律A

OR

B=NOT（NOTAANDNOTB）AB001110011001100101110001目前二十四页\总数七十八页\编于十三点德摩根定律AandB=not((notA)or(notB))目前二十五页\总数七十八页\编于十三点两个以上输入的门有N个输入的与门仅当所有的输入变量都为1时，输出才为1；只要有一个输入为0结果就为0有N个输入的或门只要任意一个输入变量为1输出就为1；也就是说，仅当所有的输入变量都为0时输出才为0目前二十六页\总数七十八页\编于十三点3个输入的与门&&&&&ABCDACBDABCD目前二十七页\总数七十八页\编于十三点组合逻辑电路逻辑结构两种基本类型能够存储信息，不能存储信息不能存储信息的逻辑结构，“判定元件”，组合逻辑结构它们的输出仅由当前输入值的组合决定，不由任何过去存储在其中的信息所决定，因为信息不能被存储在组合逻辑电路中组合逻辑结构主要用于处理信息，如译码器，多路选择器，全加法器目前二十八页\总数七十八页\编于十三点译码器通常，译码器有n个输入，2n个输出只有一个输出为1，其他全为0输出为逻辑1的是对应于要被检测的输入组合被检测的输入组合的输出为1，所有其他的输出则为0目前二十九页\总数七十八页\编于十三点译码器n=2在输入A和B的四种可能的组合中，在任意时刻，只有一个输出为1目前三十页\总数七十八页\编于十三点译码器n=2ABC1C2C3C4001000010100100010110001C1C2C3C4目前三十一页\总数七十八页\编于十三点多路选择器多路选择器的功能就是选择一个输入连接到输出由选择信号决定由哪个输入连接到输出一般说来，一个多路选择器由n条选择线和2n个输入组成目前三十二页\总数七十八页\编于十三点多路选择器n=1目前三十三页\总数七十八页\编于十三点多路选择器n=24-1选择器:取决于S的值（00,01,10,11），输出为A,B,C或D的值目前三十四页\总数七十八页\编于十三点多路选择器n=1目前三十五页\总数七十八页\编于十三点全加法电路两个n位操作数的某一列进行二进制加法真值表目前三十六页\总数七十八页\编于十三点全加法电路目前三十七页\总数七十八页\编于十三点两个4位二进制数的加法电路图7.13的电路图7.13的电路图7.13的电路图7.13的电路0A0B0S0C1S1C2A1B1S2C3A2B2A3B3S3C4目前三十八页\总数七十八页\编于十三点可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列（ProgrammableLogicArray，PLA）可以实现任意逻辑函数的通用组件由一组与门（被称为与阵列），以及其后的一组或门（被称为或阵列）组成对于有n个输入的逻辑函数，PLA将包括2n个与门，每个与门有n个输入通过对与门的输出与或门的输入连接进行编程，来实现希望实现的逻辑函数目前三十九页\总数七十八页\编于十三点逻辑完备性逻辑完备性（logicalcompleteness）任意逻辑函数都可以通过一个PLA来实现，而PLA只由与门、或门和非门组成对于任意逻辑函数，只要提供足够多的与门、或门、非门，就可以实现门集合{与、或、非}在逻辑上是完备的不需要使用任何其他种类的门就可以实现任何一个真值表的电路目前四十页\总数七十八页\编于十三点可编程逻辑阵列n=3如果用A、B、C分别表示ai，bi和carryi，用X表示Si，用Y表示Ci+1，如何连接，就可以得到全加法器电路？目前四十一页\总数七十八页\编于十三点可编程逻辑阵列使用PLA实现逻辑函数，不需要任何其他种类的门就可以实现，但是门的数目可能很大目前四十二页\总数七十八页\编于十三点PLAPLA实现描述为：ABSC00000100100111010010011110101111SC目前四十三页\总数七十八页\编于十三点PLAPLA实现描述为：ABSC00000100100111010010011110101111只需要2个与门和一个或门！目前四十四页\总数七十八页\编于十三点逻辑函数表示逻辑函数可以被表示为真值表逻辑表达式逻辑电路目前四十五页\总数七十八页\编于十三点基本存储元件译码器、多路选择器和全加法器：不能存储信息的逻辑结构能够存储信息的逻辑结构R-S锁存器门控D锁存器寄存器目前四十六页\总数七十八页\编于十三点R-S锁存器工作原理：R：“reset”or“clear”S：“set”“静止状态”，S=R=1目前四十七页\总数七十八页\编于十三点S=0，R=1存储1011100S=1，R=1，a的值不变——存储1111100目前四十八页\总数七十八页\编于十三点S=1，R=0存储0——清空100011S=1，R=1，a的值不变——存储0110011目前四十九页\总数七十八页\编于十三点R-S锁存器R=S=1静止状态S=0,R=1设置为1R=0,S=1设置为0R=S=0取决于组成门的晶体管的电子特性而不是取决于被操作的逻辑值目前五十页\总数七十八页\编于十三点门控D锁存器对R-S锁存器何时设置、何时清空进行控制两个输入:D(data)和WE(writeenable)WE=1,输出=DS=NOT(D),R=DWE=0,存储D的值S=R=1目前五十一页\总数七十八页\编于十三点寄存器将多位数据存储于一个独立单元的结构使用一组门控D锁存器，WE共享WE=1,n位D的值被写入寄存器目前五十二页\总数七十八页\编于十三点存储器内存由一定数量（通常很多）的单元组成，每一个单元可被唯一识别，每一个单元都有存储一个数值的能力把和每一个单元联系在一起的唯一的标识符看作是它的地址把存储在每一个单元中的信息的位数看作为它的寻址能力“4GB”，4G表示约40亿个存储单元，每个单元包含一个字节的信息（B，byte，字节，表示8个比特）目前五十三页\总数七十八页\编于十三点存储器•••k=2n单元m

位地址空间:单元数量

(通常2n)寻址能力:每个单元的位数

(通常，字节可寻址)目前五十四页\总数七十八页\编于十三点地址空间唯一可识别的单元总数存储单元的识别：二进制地址使用n位地址，能够唯一识别出2n个单元“4GB”：包含约40亿个唯一可识别的存储单元，232，4294967296210，1024，1K220，1M230，1G目前五十五页\总数七十八页\编于十三点寻址能力存储在每个单元中的位数“4GB”，每个单元包含1个字节（8位）大多数的存储器，字节可寻址大多数计算机获得的原始操作数据，是键盘上键入的某个字符（8位ASCII码）字节可寻址——每个ASCII码在存储器中占用一个单元目前五十六页\总数七十八页\编于十三点一个42的存储器2根地址线:A[1:0]2根数据线:D[1:0]

一根控制线:WE门控D锁存器目前五十七页\总数七十八页\编于十三点22

x2地址译码器字选择线字WE地址WE输入位输出位目前五十八页\总数七十八页\编于十三点写/存储D[1]WEA[1:0]D[0]Q[1]Q[0]110000011001010&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&11目前五十九页\总数七十八页\编于十三点读D[1]WEA[1:0]D[0]Q[1]Q[0]0100000100010&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&111010目前六十页\总数七十八页\编于十三点SRAMSRAM（StaticRandomAccessMemory，静态随机访问存储器）结构相对简单“静态”：只要给它供电，其内部数据就不会丢失，可以一直保存“随机访问”：可以以任意顺序访问，而不必关心前一次访问的是哪一个单元目前六十一页\总数七十八页\编于十三点时序逻辑电路目前六十二页\总数七十八页\编于十三点时序逻辑电路不只根据现在的输入，而且基于之前发生的事（非常重要）做判定可用来实现一种非常重要的被称为有限状态机的机制有限状态机可被用作电子系统、机械系统、航空系统等的控制器目前六十三页\总数七十八页\编于十三点时序逻辑电路简图输出既取决于当前的输入，也取决于存储在存储元件中的值，而存储在存储元件中的值则反映了之前发生的历史情况组合逻辑电路存储元件输出输入目前六十四页\总数七十八页\编于十三点电话应答机可以根据响铃的次数（如3次），决定是否开启录音机录音电话应答机的输出（是否开启录音机）不仅仅取决于当前的输入（是否响铃），还取决于这次输入（响铃）之前的一系列输入（已经响过2次铃）——时序逻辑结构目前六十五页\总数七十八页\编于十三点状态的概念一个系统的状态，是在某一特定时刻，系统内所有相关部分的一个瞬态图电话应答机的4个状态：A．不开启录音机，还未响铃；B．不开启录音机，但已响铃1次；C．不开启录音机，但已响铃2次；D．开启录音机。这4种情况分别被标记为A、B、C和D，每一种情况都被称为应答机的一种状态目前六十六页\总数七十八页\编于十三点计算“int”字符串出现次数该问题可以使用状态描述如下：0、计数器不变，还未遇到“i”；1、计数器不变，但已遇到“i”；2、计数器不变，但已遇到“in”；3、计数器加1。共有四种可能的状态目前六十七页\总数七十八页\编于十三点有限状态机存储元件容量是有限的，所以状态的数目必须是有限的通常，使用有限状态机来描述系统的行为有限状态机由5个元素组成：有限数目的状态；有限数目的外部输入；有限数目的外部输出；明确定义的所有状态转换；明确定义的每个外部输入值的决定因素。目前六十八页\总数七十八页\编于十三点状态图有限状态机可以通过被方便的表示出来一组圆（每一个圆对应于一个状态），和一些状态之间的一组连接弧线（每条连接弧线被画为一个箭头）每一条弧线确定一个状态的转换每条弧线的箭头说明系统从哪一个状态来，要到哪一个状态去把来的状态称为当前状态，要去的状态称为下一个状态目前六十九页\总数七十八页\编于十三点计算“int”字符串出现次数由4个状态组成，有10个状态转换外部输入是读到的字符下一个状态是由当前状态和当前的外部输入的组合决定的系统的输出为计数器的值：当系统的状态是0、1和2时，计数器不变；当系统的状态是3时，计数器加10n123ti除i之外除n、i之外i除t、i之外除i之外ii目前七十页\总数七十八页\编于十三点下一个状态是由当前状态和当前的外部输入的组合决定的。系统的输出值仅由系统的当前状态决定，或者由当前状态和当前的外部输入的组合决定。目前七十一页\总数七十八页\编于十三点电话应答机外部的输入是响铃，0表示在规定的时间内不再响铃从每一个状态出去的弧线可能有多条，分别表示不同的输入到达的状态输出与每个状态相关，应答机的输出为是否录音，在状态A、B和C，不录音，在状态D，录音A响铃BCD