简单逻辑电路

第十二章电路及其应用C简单逻辑电路·1·第十二章C简单逻辑电路【教学目标】⑴知道最基本的逻辑电路“与”门、“或”门和“非”门的功能。⑵知道逻辑电路的简单应用。【课时】1课时【重点难点】重点：知道最基本的逻辑电路“与”门、“或”门和“非”门的功能。难点：理解各种门电路的逻辑关系。【教学过程】情景引入：第一台电子计算机是在第二次世界大战后不久制成的，那时，随着火炮的发展，弹道计算日益复杂，原有的一些计算机已不能满足使用要求，迫切需要有一种新的快速的计算工具。１９４６年，世界上第一台电子数字积分计算机--埃尼克（ＥＮＩＡＣ）在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院诞生。ＥＮＩＡＣ犹如一个庞然大物，重达３０吨、占地１７０平方米、内装１８０００个电子管，但它运算速度却比当时最好的机电式计算机快１０００倍。然而埃尼阿克还不完善，实际上它没有存储器，只有用电子管做的寄存器，仅仅能寄存10个数码。当需要换算别的题目时，得重新焊接连线，很费时间。１９５４年，美国贝尔实验室研制成功第一台使用晶体管线路的计算机，取名“催迪克”（TRADIC），装有800个晶体管。１９５８年，美国ＩＢＭ公司制成全部使用晶体管的计算机，第二代计算机诞生了。第二代计算机的运算速度比第一代计算机提高了近百倍。从第一台电子计算机诞生至今，虽仅约50多年的历史，可已经历了四代的变革，第一代是电子管计算机，第二代是晶体管计算机，第三代是集成电路计算机，第四代是大规模集成电路计算机。目前正在向第五代--会思考的机器过渡，从而向人们展现人类将制造出会思考的机器的美好前景。一、模拟信号和数字信号『演示实验：CoolEdit采集音频信号』模拟信号：电压信号随时间连续变化的电信号。（如：音频信号）处理模拟信号的电路叫做模拟电路．．．．。数字信号：电压信号不连续变化的电信号。（如：计算机处理的电信号）处理数字信号的电路叫做数字．．电路．．。数字电路的基本单元是逻辑电路，逻辑电路中最基本的电路叫做“门”电路。工作时：高电势（5V）（电路通为1状态）；低电势（0V）（电路断为0状态）二、最基本的逻辑电路1．“与”门Z＝A·B第十二章电路及其应用C简单逻辑电路·2·2．“或”门Z＝A＋B3．“非”门。三、组合逻辑电路1．“与非”门2．“或非”门第十二章电路及其应用C简单逻辑电路·3·【附录】ENIAC——世界上第一台电子计算机第一台电子计算机叫ENIAC（电子数字积分计算机的简称，英文全称为ElectronicNumericalIntegratorAndComputer），它于1946年2月15日在美国宣告诞生。研制电子计算机的想法产生于第二次世界大战进行期间。当时激战正酣，各国的武器装备跟现在比差远了，占主要地位的战略武器就是飞机和大炮，哪有什么“飞毛腿”导弹、“爱国者”防空导弹、“战斧式”巡航导弹，因此研制和开发新型大炮和导弹就显得十分必要和迫切。为此美国陆军军械部在马里兰州的阿伯丁设立了“弹道研究实验室”。美国军方要求该实验室每天为陆军炮弹部队提供6张火力表以便对导弹的研制进行技术鉴定。千万别小瞧了这区区6张火力表，它们所需的工作量大得惊人！事实上每张火力表都要计算几百条弹道，而每条弹道的数学模型你知道是什么吗？一组非常复杂的非线性方程组。这些方程组是没有办法求出准确解的，因此只能用数值方法近似地进行计算。但即使用数值方法近似求解也不是一件容易的事！按当时的计算工具，实验室即使雇用200多名计算员加班加点工作也大约需要二个多月的时间才能算完一张火力表。在“时间就是胜利”的战争年代，这么慢的速度怎么能行呢？恐怕还没等先进的武器研制出来，败局已定。为了改变这种不利的状况，当时任职宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利（JohnMauchly）于1942年提出了试制第一台电子计算机的初始设想——“高速电子管计算装置的使用”，期望用电子管代替继电器以提高机器的计算速度。美国军方得知这一设想，马上拨款大力支持，成立了一个以莫希利、埃克特（Eckert）为首的研制小组开始研制工作、预算经费为15万美元，这在当时是一笔巨款。要不是为了战争，谁能舍得出这么大的钱！虽说战争万恶，但未始不偶尔促进科技的发展。让研制工作十分幸运的是，当时任弹道研究所顾问、正在参加美国第一颗原子弹研制工作的数学家冯·诺依曼（v·nweumann，美籍匈牙利人）带着原子弹研制过程中遇到的大量计算问题，在研制过程中期加入了研制小组。他对计算机的许多关键性问题的解决作出了重要贡献，从而保证了计算机的顺利问世。虽然ENIAC体积庞大，耗电惊人，运算速度不过几千次（现在的超级计算机的速度最快每秒运算达万亿次！），但它比当时已有的计算装置要快1000倍，而且还有按事先编好的程序自动执行算术运算、逻辑运算和存储数据的功能。ENIAC宣告了一个新时代的开始。从此科学计算的大门也被打开了。人们当然不会满足于此的！自第一台计算机问世以后，越来越多的高性能计算机被研制出来。计算机已从第一代发展到了第四代，目前正在向第五代、第六代智能化计算机发展。像最初制造出来的ENIAC一样，许多高性能的计算机总是在为尖端和常规武器、特别是核武器的研制服务。和人类发明的所有工具一样，计算机的产生也是由于实际需要方得以问世的。从18世纪以来，科学技术水平有了长足的进步。制造电子计算机所必需的逻辑电路知识和电子管技术已经在19世纪末和20世纪初出现并得以完善。因此可以说制造计算机的基础科学知识已经完备。但为什么世界上第一台电子计算机要退至40年代中期才得以问世呢？这里面主要是实际需要是否迫切和资金是否到位的问题。实际需要当然一直都存在，谁不想拥有一种最先进的计算工具呢？但光是需求并不能决定一切。凡研制一种新工具，总是需要先期投入大量资金（研制ENIAC时，一开始就投资15万美元，但最后的总投资高达48万美元，这在40年代可是一笔巨款！）。能为一种未问世的工具大胆出钱的总是少数。最后还是战争使计算机的诞生成为现实。事实上各种各样的社会需求中，战争期间的需第十二章电路及其应用C简单逻辑电路·4·求始终是最迫切的，因为事关生死存亡。政府和军方总是出手大方，将最新的科技成果应用到诸如战略和常规武器的研制工作上，以确保己方在军事上处于领先地位。电子计算机正是在二次世界大战弥漫的硝烟中开始研制的。如前面所述，当时为了给美国军械试验提供准确而及时的弹道火力表，迫切需要有一种高速的计算工具。因此在美国军方的大力支持下，世界上第一台电子计算机ENIAC于1943年开始研制。参加研制工作的是以宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫西利和埃克特为首的研制小组。在研制中期，著名数学家冯·诺依曼加入行列。历时两年多，ENIAC研制成功。1945年春天，ENIAC首次试运行成功。1946年2月10日，美国陆军军械部和宾夕法尼亚大学莫尔学院联合向世界宣布ENIAC的诞生，从此揭开了电子计算机发展和应用的序幕。现在人们常打交道的绝大多数都是个人计算机，它体积小，重量轻，性能高。虽然现在也有不少的巨型和大型计算机，但它们都“藏在深闺人未识”，安置在专门为它建造的建筑物里，一般人是不太容易一睹其“芳容”的。所以在许多人的心目中，可能会想当然地认为最初的计算机也有这么“苗条”。那可大错特错了！以前的计算机可是不折不扣的庞然大物！就拿ENIAC来说吧，它采用电子管作为基本电子元件。用了多少个呢？足足有18800个电子管，而每个电子管大约有一个普通家用25瓦灯泡那么大！这样ENIAC就有了8英尺高（约2．44米）、3英尺宽（约0．9米）、100英尺长（约48米）的身躯，体积有研立方米，重达30吨，耗电140千瓦。ENIAC这个庞然大物能做什么呢？它每秒能进行5000次加法运算（据测算，人最快的运算速度每秒仅5次加法运算），每秒千次乘法运算。它还能进行平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。以现在的眼光来看，这当然很微不足道。但这在当时可是很了不起的成就！原来需要20多分钟时间才能计算出来的一条弹道，现在只要短短的30秒！这可一下子缓解了当时极为严重的计算速度大大落后于实际要求的局面。由于当时冯·诺依曼正参与原子弹的研制工作，他是带着原子弹研制过程中遇到的大量计算问题加入到计算机的研制工作中来的。因此可以说，ENIAC为世界上第一颗原子弹的诞生也出了不少力。但即使在当时看来，ENIAC也是有不少缺点的：除了体积大，耗电多以外，由于机器运行产生的高热量使电子管很容易损坏。一旦有一个电子管损坏，整台机器就不能正常运转，于是就得先从这1．8万多个电子管中找出那个损坏的，再换上新的，别提有多么麻烦了。