数字电路与逻辑设计 于俊清 微课版 教案 第1、2章 数字电路与逻辑设计基础、逻辑代数基础

数字电路与逻辑设计基础本章的主要知识点包括数制及其转换、二进制的算术运算、BCD码和可靠性编码等。参考学时2学时（总学时32课时，课时为48课时可分配4学时）。教学目标（能力要求）系统梳理半导体与微电子技术发展的历史，激发学生专业热情，结合我国计算机发展面临的卡脖子现状，鼓励学生积极投身信息成业自主可控；学生可解释数字系统的概念、类型及研究方法；学生能阐述数制的基本特点，可在不同数制之间进行数字的转换；学生能理解带符号二进制数的代码表示，能将真值和原码、反码、补码的进行转换；学生能熟记几种常用的编码（8421码、2421码、5421码、余三码），说明有权码和无权码的区别，能阐述不同编码的特点和特性；学生能阐述奇偶校验码和格雷码的工作原理与主要特征，并能利用相关原理进行二进制和格雷码的转换，能根据信息码生成校验码，并能根据信息码和校验码辨别数据是否可靠。教学重点BCD码奇偶校验码格雷码教学难点理解不同BCD码的编码方案及相关特征理解可靠性编码方案、验证的原理以及使用方法。教学主要内容课程概述（15分钟）科技革命促生互联网时代半导体与微电子技术发展历程课程性质、内容与学习方法芯片与数字电路（20分钟）数字信号和模拟信号数字逻辑电路的特点数字逻辑电路的分类数字逻辑电路的研究方法数制及其转换（5分钟）进位计数值的概念和基本要素二进制和十进制的相互转换二进制和八进制数的相互转换二进制和十六进制数的相互转换二进制数的算术运算（5分钟）无符号二进制数的算术运算带符号二进制数的机器码表示带符号二进制数的算术运算BCD码（20分钟）有权码和无权码的区别8421码的编码规律及和十进制数的转换2421码的编码规律及和十进制数的转换5421码的编码规律及和十进制数的转换余三码的编码规律及和十进制数的转换奇偶校验码（15分钟）奇校验和偶校验的概念奇校验和偶校验校验位的生成方法和校验方法奇校验和偶校验的特点格雷码（10分钟）格雷码的特点和用途格雷码和二进制数的相互转换教学过程与方法课程概述（15分钟）科技革命促生互联网时代以习总书记的讲话作为整个课程的导入，说明科技发展是强国必有之路，穿插不同国家崛起的历史，结合第一次工业革命、第二次工业革命，推出目前进入的互联网时代，结合中美贸易战事件，引导学生积极投身国产IT生态的建设。PPT课件中提供了较为详实的内容，教师可以根据自己的需要控制时间选取部分进行讲述，以上这些故事素材可以在网上百度了解。半导体与微电子技术发展历程从电子管到半导体，到晶体管，进一步延申到分立元件电路，再到集成电路，讲述科技发展的神速，说明微电子技术是实现这些科技的物质基础，而数字电路与逻辑设计课程士气理论基础，强调课程的重要性。。课程性质、内容与学习方法介绍课程的性质、学习方法、教学内容以及课程考核方法。教师可以根据自己的课时、考核方法进行介绍。芯片与数字电路（20分钟）数字信号和模拟信号给出模拟信号和数字信号的概念，引出数字系统的概念，并给出模拟信号和数字信号的转换过程。数字逻辑电路的特点介绍数字逻辑电路的特点。数字逻辑电路的分类结合实例介绍数字逻辑电路的分类及各自的特点。数字逻辑电路的研究方法介绍数字逻辑电路的任务及研究方法，强调课程所学为传统的设计方法，本课程关注的重点是对电路本身的理解，现代的设计方法将在后续的课程进行。数制及其转换（5分钟）这一部分内容学生大多在计算机基础、c语言等课程学习过，这里不再详细介绍，只是简单带领学生复习一下其中的重点内容。进位计数值的概念和基本要素介绍R进制的概念和基本要素，引申到二进制、十进制、八进制和十六进制。二进制和十进制的相互转换带领学生复习二进制和十进制的相互转换方法。二进制和八进制数的相互转换带领学生复习二进制和八进制的相互转换方法。二进制和十六进制数的相互转换带领学生复习二进制和十六进制的相互转换方法。二进制数的算术运算（5分钟）这一部分内容学生大多在计算机基础、c语言等课程学习过，这里不再详细介绍，只是简单带领学生复习一下其中的重点内容。无符号二进制数的算术运算带领学生复习无符号二进制的算数运算。带符号二进制数的机器码表示带领学生复习带符号二进制数的机器码表示。带符号二进制数的算术运算带领学生复习带符号二进制的算数运算。BCD码（20分钟）有权码和无权码的区别给出这个表格，让学生进行观察，自主找出各种BCD码的特点。强调有权码和无权码的区别，强调每一种BCD码均有6组无效码。8421码的编码规律及和十进制数的转换结合学生的总结，介绍8421码的特点，以及和十进制数之间的转换方法。2421码的编码规律及和十进制数的转换结合学生的总结，介绍2421码的特点，以及和十进制数之间的转换方法。因为2421码不具备单值性，学生不容易记忆5-9的2421码，强调2421码是一种对9的自补代码，可方便的根据0-4的2421码求出5-9的2421码。。5421码的编码规律及和十进制数的转换结合学生的总结，介绍5421码的特点，以及和十进制数之间的转换方法。余三码的编码规律及和十进制数的转换结合学生的总结，介绍余三码的特点，以及和十进制数之间的转换方法。奇偶校验码（15分钟）奇校验和偶校验的概念介绍奇偶校验码的概念、原理和应用。奇校验和偶校验校验位的生成方法和校验方法引导学生利用异或运算的性质，根据信息位求出校验位。结合校验位的产生方法，引导学生推导出校验方法。奇校验和偶校验的特点引导学生推导出奇偶校验码的特点。格雷码（10分钟）格雷码的特点和用途引导学生观察表格，找出格雷码的特点，即相邻数字只有1位不同，并说明格雷码的用途。格雷码和二进制数的相互转换给出二进制转换格雷码的方法，引导学生自己推出格雷码转换二进制的方法。第二章逻辑代数基础本章的主要知识点包括逻辑代数的基本概念、定理、常用公式及三个规则、逻辑函数表达式形式与变化、逻辑函数化简等。参考学时6学时（总学时32学时，课时为48课时可分配6学时）。教学目标（能力要求）学生能说明逻辑代数的基本概念，阐述逻辑代数的基本特点；学生熟练掌握逻辑代数的几种基本运算、复合运算以及他们的优先顺序；学生能阐述正逻辑和负逻辑的定义和二者之间的关系；学生能熟记逻辑代数的基本定理、常用公式和重要规则，并能熟练运用；学生能阐述逻辑函数相等的判断方法；学生能阐述逻辑函数几种基本形式的特点，并能利用逻辑代数的基本定理、常用公式和重要规则进行相互转换；学生能阐述最小项和最大项的概念和性质，并能将任意逻辑函数表达式转换为标准形式；学生能阐述最简与或式和最简或与式的特点，并能利用逻辑代数的基本定理、常用公式和重要规则进行逻辑函数的化简；学生能阐述卡诺图的结构，具备将一般函数转换为卡诺图的形式的能力，并能借助于卡诺图化简函数的最简与或式和最简或与式。学生了解列表化简法的原理的化简步骤。教学重点逻辑表达式的形式与变换代数化简法卡诺图化简教学难点代数化简法卡诺图化简法教学主要内容逻辑代数概述（45分钟）逻辑代数的基本概念逻辑运算正逻辑和负逻辑逻辑代数的基本定理、常用公式和规则（60分钟）逻辑代数的基本定理逻辑代数的常用公式逻辑代数的三大规则逻辑函数（45分钟）逻辑函数基本概念逻辑函数表达式的基本形式逻辑函数表达式的标准形式逻辑函数表达式转换为标准形式代数化简法（60分钟）代数化简法的基本原理和举例代数化简法特点卡诺图化简法（60分钟）卡诺图的构成函数在卡诺图上的表示卡诺图合并规律卡诺图化简举例列表化简法（20分钟）（总32学时时不讲，可根据学时情况删减））列表化简法的原理和应用范围列表化简法举例教学过程与方法逻辑代数概述（45分钟）逻辑代数的基本概念简单介绍逻辑代数的基本概念，强调逻辑代数只有三种基本运算，变量只有两种取值。逻辑值“0”和“1”不具有数量大小的意义，而是用来表征矛盾的双方和判断事件真伪的形式符号，无大小、正负之分。逻辑运算介绍逻辑代数中的三种基本运算以及三种运算对应的逻辑门、真值表等，进一步介绍五种复合运算，及其对应的逻辑门，以及各种逻辑运算的优先级别。正逻辑和负逻辑通过实例介绍正逻辑和负逻辑的概念以及二者之间的关系。逻辑代数的基本定理、常用公式和规则（60分钟）逻辑代数的基本定理简单介绍逻辑代数的基本定理，特别强调分配律和反演率。逻辑代数的常用公式结合逻辑代数的基本定理，引导学生自主证明逻辑代数常用的五组公式。在证明的过程中，只证明每一组的第一个公式，第二个公式不予证明。逻辑代数的三大规则结合逻辑代数的三个规则，并引导学生观察，逻辑代数常用的五个公式每一组的第二个公式是第一个公式两边取对偶的形式，因此，在证明第一个公式后，可利用对偶规则直接证明第2个公式。同时，引导学生观察，每组公式的第一个公式均为与或表达式，第二个公式为或与表达式，为后面的学习埋下伏笔。此外，强调反演率是反演规则的最简单的形式。逻辑函数（45分钟）逻辑函数基本概念简单介绍逻辑函数的基本概念，以及其特点。引入包含无关条件的逻辑问题，为第四章的学习埋下伏笔。简单介绍逻辑函数的几种表示方法，以及他们之间的相互转换。举例说明如何判断两个逻辑函数相等。逻辑函数表达式的基本形式介绍逻辑韩式表达式的五种基本形式，并以实例说明如何将一个逻辑函数转换为5种基本形式。逻辑函数表达式的标准形式从最小项和最大型的概念和性质入手，介绍逻辑函数的标准形式。逻辑函数表达式转换为标准形式举例说明如何用代数法和真值表法将一般函数转换为标准形式。代数化简法（60分钟）代数化简法的基本原理和实例介绍代数化简法的基本原理、常用公式，强调，代数化简法是建立在对逻辑代数的定理、公式和规则熟悉的基础上，并不是单纯几个公式就可以走遍天下。举例说明代数化简法进行与或表达式和或与表达式的化简。当对或与形式不太熟悉时，可采用两次对偶和两次取反法来进行或与表达式的化简。通过实例说明其他几种基本类型表达式的化简方法。代数化简法特点总结代数化简法的特点，指出其不足之处，引出卡诺图化简法。卡诺图化简法（60分钟）卡诺图的构成介绍卡诺图的构成，强调卡诺图时真值表的图形化表示方法。函数在卡诺图上的表示结合实例说明如何快速做出函数的卡诺图。卡诺图合并规律结合实例，分别介绍卡诺图上最小项的合并规律，最后总结卡诺图上最小项的合并规律，强调参与合并的小方格一定是的2m个小方格，他们含有m个不同变量，(n-m)个相同变量，最终消去不同变量，留下相同变量组成的与项，其中，变量取值为1则为原变量，取值为0则为反变量。卡诺图化简举例结合实例介绍各种卡诺图化简的方法和技巧，强调画卡诺圈的八字方针“能大不小，