东南大学信息学院-计算机结构与逻辑设计课件运算电路

东南大学信息学院-计算机结构与逻辑设计本课程介绍计算机体系结构和逻辑设计的基本原理，并以实际应用为背景展开讲解。课程内容涵盖计算机系统组成、数据表示、指令系统、存储系统、控制单元、运算电路、总线系统等。第一章绪论第一章绪论，是《计算机结构与逻辑设计》课程的开篇，它旨在为学习者提供对计算机结构与逻辑设计的整体概述。本部分将介绍课程的目标、内容以及数字系统的基本概念和抽象层次，为后续章节的学习奠定基础。1.1课程目标与内容介绍数字电路基础学习数字电路的基本概念，包括布尔代数、逻辑门电路、真值表和逻辑函数化简等。组合逻辑电路设计掌握组合逻辑电路的设计方法，包括编码器、译码器、多路选择器、算术电路等的设计。时序逻辑电路设计学习时序逻辑电路的设计方法，包括触发器、寄存器、移位寄存器、计数器和状态机等。计算机系统结构了解计算机系统的基本组成，包括CPU、内存、存储器等，并学习数字电路在计算机系统中的应用。1.2数字系统基本概念数字信号数字信号使用离散的数字值表示信息，例如0和1。它们通常用逻辑电平表示，例如高电平代表1，低电平代表0。模拟信号模拟信号使用连续变化的物理量来表示信息，例如电压或电流。模拟信号可以取任意值，而不是离散的数字值。1.3数字系统的抽象层次数字系统具有不同的抽象层次，从最底层的物理电路到最顶层的软件应用，层层递进，相互关联。不同抽象层次的关注点不同，但最终都服务于完成特定功能的目标。1行为级描述系统功能和行为2寄存器传输级描述数据流和寄存器操作3逻辑级描述逻辑门和逻辑函数4电路级描述电子元件和电路连接抽象层次的划分有利于简化设计，提高效率。例如，行为级描述更关注功能实现，而电路级则侧重于物理实现。选择合适的抽象层次是数字系统设计中的关键环节。第二章数字电路基础数字电路是构成现代计算机系统和电子设备的基础。本章将介绍数字电路的基本概念和原理，为后续章节学习计算机体系结构和逻辑设计奠定基础。2.1布尔代数与逻辑运算布尔代数基础布尔代数是数字电路设计的基础，它提供了一种数学工具来描述和分析数字电路的逻辑行为。逻辑运算逻辑运算基于布尔代数，包括与、或、非等基本运算，它们用于构建更复杂的逻辑表达式。逻辑表达式逻辑表达式使用布尔变量和逻辑运算符来表示数字电路的逻辑关系，可以用来分析电路的功能。真值表真值表列出了所有可能的输入组合及其对应的输出值，用于描述逻辑函数的行为。2.2逻辑门电路逻辑门电路是数字电路的基本单元，它们实现基本的逻辑运算，例如与、或、非等。逻辑门电路可以通过不同的物理器件实现，例如晶体管、电阻、二极管等。常见的逻辑门电路包括与门、或门、非门、异或门、与非门、或非门等。2.3真值表与逻辑表达式真值表用于列出逻辑函数的所有可能的输入组合及其对应的输出值。逻辑表达式是使用逻辑运算符表示逻辑函数的代数表达式。输入输出A=0,B=0F=0A=0,B=1F=1A=1,B=0F=1A=1,B=1F=02.4逻辑函数化简1卡诺图化简卡诺图是一种直观的图形工具，它可以有效地化简逻辑函数，并确定最简逻辑表达式。2代数化简基于布尔代数定律和运算规则，通过等价变换将复杂逻辑表达式化简成更简洁的形式。3Quine-McCluskey算法一种系统化的化简方法，适用于大规模逻辑函数的化简，特别是当卡诺图难以绘制或无法直观表达时。第三章组合逻辑电路设计组合逻辑电路是数字电路中的一种重要类型。它们输出仅取决于当前输入，不依赖于电路的先前状态。组合逻辑电路广泛应用于计算机系统中，如算术逻辑单元、地址译码器和数据选择器等。3.1组合逻辑电路基础基本概念组合逻辑电路中输出仅取决于当前输入，没有记忆功能。设计流程分析需求、设计逻辑表达式、化简逻辑表达式、选择逻辑门实现。设计实例编码器、译码器、加法器、比较器等均是组合逻辑电路。3.2设计步骤与算法功能描述明确电路的功能和输入输出关系。例如，一个加法器需要将两个输入值相加，输出它们的和。逻辑表达式根据功能描述，用布尔表达式描述电路的逻辑关系，例如，使用与或非运算来表示加法的逻辑。逻辑化简利用布尔代数的定律和性质对逻辑表达式进行化简，以降低电路的复杂度和成本。电路实现将化简后的逻辑表达式转换为具体的逻辑门电路实现，例如，使用与门、或门、非门等。仿真验证使用电路仿真软件模拟电路的行为，验证电路是否符合预期功能。3.3编码器和译码器1编码器将十进制数转换成二进制数，例如，一个4位编码器可以将十进制数0到9转换成4位二进制代码。2译码器将二进制代码转换成十进制数，例如，一个4位译码器可以将4位二进制代码转换成10个十进制数的其中一个。3应用编码器和译码器广泛应用于计算机系统，尤其是在内存地址译码，外设接口，显示器控制等方面。3.4多路选择器多路选择器是一种组合逻辑电路，它根据选择信号的值从多个输入信号中选择一个输出信号。多路选择器可以实现逻辑函数，也可以用于数据选择、地址选择、信号切换等应用。多路选择器的工作原理是通过选择信号控制多个输入信号的开关，将选定的输入信号传递到输出端。选择信号的位数决定了输入信号的数量，例如，一个2位选择信号可以控制4个输入信号。3.5算术电路加法器加法器是算术电路中最重要的组成部分，用于实现二进制数的加法运算。减法器减法器可以利用加法器实现，通过对被减数取反并加1来完成减法运算。乘法器乘法器可以使用加法器和移位寄存器来实现，通过重复加法和移位操作来完成乘法运算。除法器除法器是比较复杂的算术电路，通常使用迭代的方式，通过减法和移位操作来实现。第四章时序逻辑电路设计时序逻辑电路是计算机系统的重要组成部分，用于存储和处理信息。时序逻辑电路在数字系统中起着至关重要的作用，广泛应用于存储器、计数器、状态机等。4.1时序逻辑电路基础定义时序逻辑电路是具有记忆功能的电路。它们在当前输出不仅取决于当前输入，还取决于电路的历史状态。例如，计数器、寄存器和状态机都是时序逻辑电路。特点时序逻辑电路使用触发器来存储信息。触发器是具有一个或多个输入和一个输出的存储元件。触发器的状态可以由输入信号控制，并在触发器内部存储。4.2触发器与时序逻辑元件触发器触发器是时序逻辑电路的基本单元，它可以存储一个比特的信息。时序逻辑元件时序逻辑元件包括触发器、寄存器、计数器等，它们用于存储和处理数据。逻辑门逻辑门是组合逻辑电路的基本单元，它们用于实现逻辑运算。4.3寄存器与移位寄存器寄存器是存储数据的一种基本单元。它通常由一系列触发器构成，每个触发器存储一位数据。移位寄存器是一种特殊的寄存器，能够将数据按位移位。移位寄存器可以用于实现各种功能，例如串行数据传输、数据编码和解码、计数等。根据移位方向，移位寄存器可以分为左移寄存器和右移寄存器。4.4计数器电路1计数器的功能计数器电路用于计数，例如，计数脉冲数或计时。2计数器类型常见的计数器类型包括同步计数器和异步计数器。3计数器设计计数器设计主要考虑计数范围、计数速度和计数方式等因素。计数器广泛应用于数字系统中，例如，控制系统、计时系统和数据处理系统等。4.5状态机设计状态机概述状态机是描述系统行为的模型，它根据当前状态和输入信号来决定下一状态和输出。状态机类型常见的类型包括摩尔型状态机和米利型状态机，它们在输出信号的产生方式上有所不同。状态机设计步骤状态机设计通常包括状态图绘制、状态表建立、逻辑实现等步骤。状态机应用状态机广泛应用于数字系统的设计，例如自动售货机、交通灯控制等。第五章同步时序逻辑电路分析与设计同步时序电路在数字系统设计中至关重要。本章将深入探讨其设计与分析方法，并介绍故障分析和检测技术。5.1同步时序逻辑电路设计方法1状态机设计状态机是描述时序电路行为的一种方法，通过有限个状态和状态之间的转移来表示电路的运作流程。状态机设计主要包括状态图的绘制和状态表的构建。2时序逻辑电路分析分析同步时序逻辑电路的目的是理解电路的行为和功能，主要方法包括状态图的分析和状态方程的推导。3时序逻辑电路优化优化同步时序逻辑电路的目标是提高电路的性能和效率，主要方法包括状态编码优化、时序优化和电路结构优化。5.2时序电路的故障分析11.逻辑故障逻辑故障是指电路中的逻辑功能错误，例如门电路输出错误或触发器状态错误。22.时序故障时序故障是指电路的时序关系错误，例如时钟信号延时或信号到达时间不一致。33.信号完整性问题信号完整性问题是指信号在传输过程中出现噪声、干扰或信号衰减，导致信号失真。44.