电路的课件第一章概要

主讲肖连军E-mail：[e-mail]数字逻辑(第二版)课程性质：“数字电路与逻辑设计”是计算机各专业必修的一门重要技术基础课。该课程在介绍有关数字系统基本知识、基本理论、及常用数字集成电路的基础上，重点讨论数字逻辑电路分析与设计的基本方法。从计算机的层次结构上讲，“数字逻辑电路”是深入了解计算机“内核”的一门最关键的基础课程。教学目标：本课程的教学目标是使学生了解组组成数字计算机和其它数字系统的各种数字电路，能熟练地运用基本知识和理论对各类电路进行分析，并能根据客观提出的设计要求用合适的集成电路芯片完成各种逻辑部件的设计。通过本课程的学习，要求学生掌握对数字系统硬件进行分析、设计和开发的基本技能。课程性质与教学目标教学时数：60学时教材：《数字逻辑》面向21世纪系列教材欧阳星明主编华中科技大学出版社参考书：《数字逻辑学习与解题指南》欧阳星明主编华中科技大学出版社《数字逻辑与数字系统（第三版）》白中英主编北京科学出版社2002教学内容：●基本知识、基本理论、基本器件；●基于小规模集成电路的逻辑电路分析与设计；●中规模通用集成电路及应用；●大规模可编程逻辑器件及应用。教学安排一.掌握课程特点1.本课程是一门既抽象又具体的课程。在逻辑问题的提取和描述方面是抽象的,而在逻辑问题的实现上是具体的。因此，学习中既要务虚，又要务实。2.逻辑设计方法十分灵活。数字系统中，逻辑电路的分析与设计具有很大的灵活性。许多问题的处理没有固定的方法和步骤，很大大程度上取决于操作者的逻辑思维推理能力、知识广度和深度、以及解决实际问题的能力。换而言之，逻辑电路的分析与设计具有较大的弹性和可塑性。3.理论知识与实际应用结合十分紧密。该课程各部分知识与实际应用直接相关，学习中必须将理论知识与实际问题联系起来。真正培养解决实际问题的能力。如何学好数字逻辑？二.重视课堂学习1.认真听课。听课时要紧跟教师授课思路，认真领会每一个知识要点，抓住书本上没有的内容，琢磨重点与难点。2.做好笔记。适当地记录某些关键内容，尤其是那些重点、难点、疑点，以便课后复习、思考。3.主动思考。听课时围绕教师所述内容及提出的问题，主动思考问题，寻找自己的见解。三.培养自学能力1.认真阅读教材内容。通过阅读教材，理解各知识要点，吃透难点，建立各部分知识之间的相互联系。2.善于总结、归纳。注意及时总结所学知识，归纳出各部分的重点和难点，力求深入透彻地了解。3.加强课后练习。通过做练习，不仅可以巩固所学知识，而且能暴露学习中存在的问题，迫使自己做更深入的了解。4.积极参与学习讨论。通过学习讨论，营造一个各抒己见、取长补短、互教互学、共同提高的学习环境，使之真正达到集思广益的效果。5.广泛阅读，拓宽知识面。通过阅读相关的参考书籍，不仅能加深对所学知识的理解，而且能拓宽知识面。有利于从更广度和深度加强对课程意义的理解。四.注重理论联系实际1.将书本知识与工程实际统一。学习中注意书本知识与工程应用存在的差别，将理论与实际统一。2.将理论知识与实际应用结合。学习的目的是应用。因此，应从社会需求出发，将所学知识用于解决实际问题。第一章基本知识第一章基本知识本章知识要点：★数字系统的基本概念；★常用计数制及其转换；★带符号二进制数的代码表示；★常用的几种编码。1.1概述1.1.1数字系统什么是数字系统?数字系统是一个能对数字信号进行加工、传递和存储的实体，它由实现各种功能的数字逻辑电路相互连接而成。例如，数字计算机。第一章基本知识一、数字信号若信号的变化在时间上和数值上都是离散的，或者说断续的，则称为离散信号。离散信号的变化可以用不同的数字反映，所以又称为数字信号，简称为数字量。例如，学生成绩记录，工厂产品统计,电路开关的状态等。数字系统中处理的是数字信号，当数字系统要与模拟信号发生联系时，必须经过模/数(A/D)转换和数/模(D/A)转换电路，对信号类型进行变换。例如,某控制系统框图如下图所示。二、数字逻辑电路用来处理数字信号的电子线路称为数字电路。由于数字电路的各种功能是通过逻辑运算和逻辑判断来实现的，所以数字电路又称为数字逻辑电路或者逻辑电路。数字逻辑电路具有如下特点：1电路的基本工作信号是二值信号。它表现为电路中电压的“高”或“低”、开关的“接通”或“断开”、晶体管的“导通”或“截止”等两种稳定的物理状态。2电路中的半导体器件一般都工作在开、关状态，对电路进行研究时，主要关心输出和输入之间的逻辑关系。3电路结构简单、功耗低、便于集成制造和系列化生产。产品价格低廉、使用方便、通用性好。4由数字逻辑电路构成的数字系统工作速度快、精度高、功能强、可靠性好。由于数字逻辑电路具有上述特点，所以，数字逻辑电路的应用十分广泛。随着半导体技术和工艺的发展，出现了数字集成电路，集成电路发展十分迅速。数字集成电路按照集成度的高低可分为小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）和超大规模（VLSI）几种类型。三、数字计算机及其发展1.数字计算机数字计算机是一种能够自动、高速、精确地完成数值计算、数据加工和控制、管理等功能的数字系统。其结构框图如图所示。2.计算机的发展数字计算机从1946年问世以来，其发展速度是惊人的。根据组成计算机的主要元器件的不同，至今已经历了四代。具体见下表。计算机的发展趋势：速度↑、功能↑、可靠性↑、体积↓、价格↓、功耗↓。伴随着微电子技术的飞速发展，进一步加速了计算机的发展与普及，目前广泛使用的微型计算机就是建立在超大规模集成电路基础之上的。以个人计算机为例，PC机CPU芯片80Χ86的集成规模如下表所示。在80586CPU中，密集程度如何呢？大约用500个晶体管串接起来才能绕人的头发丝一周！全球最大计算机芯片生产商英特尔公司，已制造出一种比市面上现有最高速处理器快十倍的处理器，这种处理器芯片上的晶体管，厚度只有零点零三微米，相当于只有三个原子的大小。市面现有芯片所使用的最小晶体管，尺寸为零点一八微米，英特尔新芯片的晶体管则小很多。这些晶体管一个接着一个排列，要超过十万个才能达到一张普通纸张的厚度。1.1.2数字逻辑电路的类型和研究方法一、数字逻辑电路的类型根据一个电路有无记忆功能，可将数字逻辑电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两种类型。组合逻辑电路：如果一个逻辑电路在任何时刻的稳定输出仅取决于该时刻的输入，而与电路过去的输入无关，则称为组合逻辑(CombinationalLogic)电路。由于这类电路的输出与过去的输入信号无关，所以不需要有记忆功能。例如，一个“多数表决器”，表决的结果仅取决于参予表决的成员当时的态度是“赞成”还是“反对”，因此属于组合电路。时序逻辑电路：如果一个逻辑电路在任何时刻的稳定输出不仅取决于该时刻的输入，而且与过去的输入相关，则称为时序逻辑(SequentialLogic)电路。由于这类电路的输出与过去的输入相关，所以要有记忆功能，要用电路中记忆元件的状态来反映过去的输入信号。例如，一个统计串行输入脉冲信号个数的计数器，它的输出结果不仅与当时的输入脉冲相关，还与前面收到的脉冲个数相关，因此，计数器是一个时序逻辑电路。时序逻辑电路按照是否有统一的时钟信号进行同步，又可进一步分为同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路对数字系统中逻辑电路的研究有两个主要任务：一是分析，二是设计。对一个现成的数字逻辑电路，研究它的工作性能和逻辑功能称为分析；根据提出的逻辑功能，在给定条件下构造出实现预定功能的逻辑电路称为逻辑设计，或者逻辑综合。逻辑电路分析与设计的方法随着集成电路的迅速发展在不断发生变化，最成熟的方法是传统的方法。1．逻辑电路分析和设计的传统方法传统方法：传统方法是建立在小规模集成电路基础之上的，它以技术经济指标作为评价一个设计方案优劣的主要性能指标，设计时追求的是如何使一个电路达到最简。如何达到最简呢？在组合逻辑电路设计时，通过逻辑函数化简，尽可能使电路中的逻辑门和连线数目达到最少。而在时序逻辑电路设计时，则通过状态化简和逻辑函数化简，尽可能使电路中的触发器、逻辑门和连线数目达到最少。注意!一个最简的方案并不等于一个最佳的方案！最佳方案应满足全面的性能指标和实际应用要求。所以，在用传统方法求出一个实现预定功能的最简结构之后，往往要根据实际情况进行相应调整。随着集成电路技术的飞跃发展，数字逻辑电路的分析和设计方法在不断发生变化。但用逻辑代数作为基本理论的传统方法始终逻辑电路分析和设计的基本方法。2．用中、大规模集成组件进行逻辑设计的方法由于中、大规模集成电路的不断发展，使芯片内部容纳的逻辑器件越来越多，因而，实现某种逻辑功能所需要的门和触发器数量已不再成为影响经济指标的突出问题。用中、大规模集成组件去构造满足各种功能的逻辑电路时，如何寻求经济合理的方案呢？要求设计人员必须注意：▲充分了解各种器件的逻辑结构和外部特性，做到合理选择器件；▲充分利用每一个已选器件的功能，用灵活多变的方法完成各类电路或功能模块的设计；▲尽可能减少芯片之间的相互连线。3．用可编程逻辑器件(PLD)进行逻辑设计的方法各类可编程逻辑器件(PLD)的出现，给逻辑设计带来了一种全新的方法。人们不再用常规硬线连接的方法去构造电路，而是借助丰富的计算机软件对器件进行编程烧录来实现各种逻辑功能，这给逻辑设计带来了极大的方便。4．用计算机进行辅助逻辑设计的方法面对日益复杂的集成电路芯片设计和数字系统设计，人们不得不越来越多地借助计算机进行辅助逻辑设计。目前，已有各种设计数字系统的软件在市场上出售。计算机辅助逻辑设计方法正在不断推广和应用。不少人认为计算机设计自动化已形成计算机科学中的一个独立的学科。1.2数制及其转换1.2.1进位计数制数制是人们对数量计数的一种统计规律。日常生活中广泛使用的是十进制，而数字系统中使用的是二进制。十进制中采用了0、1、…、9共十个基本数字符号，进位规律是“逢十进一”。当用若干个数字符号并在一起表示一个数时，处在不同位置的数字符号，其值的含意不同。同一个字符6从左到右所代表的值依次为600、60、6。二.R进制广义地说，一种进位计数制包含着基数和位权两个基本的因素：基数:指计数制中所用到的数字符号的个数。在基数为R计数制中，包含0、1、…、R-1共R个数字符号，进位规律是“逢R进一”。称为R进位计数制，简称R进制。位权:是指在一种进位计数制表示的数中，用来表明不同数位上数值大小的一个固定常数。不同数位有不同的位权，某一个数位的数值等于这一位的数字符号乘上与该位对应的位权。R进制数的位权是R的整数次幂。例如，十进制数的位权是10的整数次幂，其个位的位权是100，十位的位权是101……。一个R进制数N可以有两种表示方法：（1）并列表示法(又称位置计数法)，其表达式为(N)R=(Kn-1Kn-2…K1K0.K-1…K-m)R（2）多项式表示法(又称按权展开法)，其表达式为(N)R=Kn-1×Rn-1+Kn-2×Rn-2+…+K1×R1+K0×R0+K-1×R-1+…+K-m×R-m=∑Ki×Ri其中，R表示基数；n为整数部分的位数；m为小数部分的位数；Ki为R进制中的一个数字符号，其取值范围为0≤Ki≤R-1(-m≤i≤n-1)。可归纳注意，R进制的特点如下：●有0、1、┄、R-1共R个数字符号；●“逢R进一”，“10”表示R；●位权是R的整数次幂，第i位的位权Ri。一、二进制基数R=2的进位计数制称为二进制。二进制数中只有0和1两个基本数字符号，进位规律是“逢二进一”。二进制数的位权是2的整数次幂。任意一个二进制数N可以表示成(N)2=(Kn-1Kn-2…K1K0.K-1…K-m)2=Kn-1×2n-1+Kn-2×2n-2+…+K1×21+K0×20+K-1×2-1+…+K-m×2-m=∑Ki×2i其中，n为整数位数；m为小数位数；Ki为0或者1，-m≤i≤n-1。例如，一个二进