《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)教程_第1章.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)教程_第1章.ppt（178頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)趨R文網(wǎng)上搜索。

1、第1章 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述,1.1 數(shù)字電路概述 1.2 數(shù)制和碼制 1.3 邏輯代數(shù)基礎(chǔ) 本章小結(jié),1.1 數(shù)字電路概述,1.1.1 數(shù)字信號(hào)和數(shù)字電路 電子技術(shù)中的工作信號(hào)可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩大類。模擬信號(hào)是指時(shí)間上和數(shù)值上都是連續(xù)變化的信號(hào)，如電視的圖像信號(hào)和伴音信號(hào)、生產(chǎn)過(guò)程中由傳感器檢測(cè)的由某種物理量(如溫度、壓力)轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)等。傳輸、處理模擬信號(hào)的電路稱為模擬電路。數(shù)字信號(hào)是指時(shí)間和數(shù)值上都是斷續(xù)變化的離散信號(hào)，它們的變化發(fā)生在離散的瞬間，如電子表的秒信號(hào)、由計(jì)算機(jī)鍵盤輸入到計(jì)算機(jī)的信號(hào)等。它們的值也僅在有限個(gè)量化值間階躍變化，而數(shù)字電路就是傳送、處理這些數(shù)字信號(hào)的。這

2、類信號(hào)在兩種穩(wěn)定狀態(tài)(如電位的高、低或脈沖的有、無(wú))之間作階躍式變化，可以分別表示“0”和“1”兩種信號(hào)，如脈沖就是其典型的信號(hào)。,下一頁(yè),返回,1.1 數(shù)字電路概述,脈沖就是短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的電壓或電流，或者說(shuō)間斷性的電壓或電流叫做脈沖電壓或脈沖電流。很明顯，前面提及的模擬信號(hào)直流和正弦交流信號(hào)不是脈沖信號(hào)。廣義來(lái)講，按非正弦規(guī)律變化的電壓或電流稱為脈沖電壓或電流。 數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)。正因?yàn)槿绱?，有時(shí)把數(shù)字電路也叫做脈沖電路。但一般情況下，脈沖電路著重研究脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、變換、放大和測(cè)量等。數(shù)字電路著重研究構(gòu)成數(shù)字電路各單元之間的邏輯關(guān)系。 脈沖參數(shù)指為了表征脈沖信號(hào)的特性，常用來(lái)描述的一些參

3、數(shù)。現(xiàn)在以矩形脈沖電壓為例介紹脈沖參數(shù)。矩形脈沖電壓如圖1-1所示。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.1 數(shù)字電路概述,圖中:脈沖幅度Um脈沖電壓變化的最大值; 脈沖寬度tp脈沖前沿0.5Um至脈沖后沿0.5Um的一段時(shí)間，又稱脈沖的持續(xù)時(shí)間; 脈沖周期T周期性脈沖信號(hào)前后兩次出現(xiàn)的時(shí)間間隔; 重復(fù)頻率f (1/T)單位時(shí)間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù); 上升時(shí)間tr由0.1Um上升到0.9Um所需要的時(shí)間; 下降時(shí)間tf由0.9Um下降到0.1 Um所需要的時(shí)間。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.1 數(shù)字電路概述,1.1.2 數(shù)字電路的特點(diǎn)與分類 數(shù)字電路的工作信號(hào)一般都是數(shù)字信號(hào)。在電路中，它往往表現(xiàn)為突變的電壓

4、或電流，并且只有兩種可能的狀態(tài)。所以，數(shù)字電路中的半導(dǎo)體器件應(yīng)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。利用器件導(dǎo)通和截止這兩種不同的工作狀態(tài)代表不同的數(shù)字信息，來(lái)完成信號(hào)的傳輸、傳遞和處理任務(wù)。 通常用0和1表示數(shù)字信號(hào)最為簡(jiǎn)單，常用的數(shù)字信號(hào)是用電壓的高、低，脈沖的有、無(wú)，分別代表兩個(gè)離散數(shù)值1和0。所以，數(shù)字電路在結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、研究?jī)?nèi)容和分析方法等方面都與模擬電路不同，它具有以下特點(diǎn):,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.1 數(shù)字電路概述,(1)數(shù)字電路在穩(wěn)態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體器件(如三極管)處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在飽和區(qū)和截止區(qū)。這和二進(jìn)制信號(hào)的要求是相對(duì)應(yīng)的，因?yàn)轱柡?、截止兩種狀態(tài)的外部表現(xiàn)為電流的有、無(wú)，電壓的高、低，這種有

5、和無(wú)、高和低相對(duì)應(yīng)的兩種狀態(tài)分別用1和0兩個(gè)數(shù)碼來(lái)表示。 (2)數(shù)字電路的基本單元電路比較簡(jiǎn)單，對(duì)元器件的精度要求不高，允許有較大的誤差。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)的1和0沒(méi)有任何數(shù)量的含義，而只是狀態(tài)的含義，所以電路工作時(shí)只要能可靠地區(qū)分1和0兩種狀態(tài)即可。因此，數(shù)字電路便于集成化、系列化生產(chǎn)。它具有使用方便、可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.1 數(shù)字電路概述,(3)在數(shù)字電路中，重點(diǎn)研究的是輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，以反映電路的邏輯功能。數(shù)字電路研究可以分為兩種:一種是對(duì)已有電路分析其邏輯功能，叫做邏輯分析;另一種是按邏輯功能要求設(shè)計(jì)出滿足邏輯功能的電數(shù)字信號(hào)，稱為邏輯設(shè)計(jì)。

6、 (4)數(shù)字電路的工作狀態(tài)、研究?jī)?nèi)容與模擬電路不同，所以分析方法也不相同。在數(shù)字電路中，常常是使用真值表、邏輯表達(dá)式、波形圖、卡諾圖、特性方程、狀態(tài)方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、時(shí)序圖以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖等來(lái)表示電路功能。 (5)數(shù)字電路能夠?qū)?shù)字信號(hào)進(jìn)行各種邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算，所以在各種數(shù)控裝置、智能儀表以及計(jì)算機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.1 數(shù)字電路概述,數(shù)字電路按其組成結(jié)構(gòu)的不同可分為分立元件電路和集成電路兩大類。其中，集成電路按集成度大小可分為小規(guī)模集成電路(SSI，集成度為110門/片)、中規(guī)模集成電路(MSI，集成度為10 100門/片)、大規(guī)模集成電路(LSI，集成度為1001

7、000門/片)和超大規(guī)模集成電路(VLSI，集成度大于1 000門/片)。 按電路所用元器件的不同，數(shù)字電路可分為雙極型電路和單極型電路。其中，雙極型電路又有TTL, DTL, ECL, IIL和HTL等多種，單極型電路有JFET,NMOS、PMOS和CMOS 4種。 按電路邏輯功能的不同特點(diǎn)，數(shù)字電路可分為組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩大類。,上一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,上一節(jié)介紹了數(shù)字信號(hào)的兩種取值，實(shí)際生活中的數(shù)字表示大多采用進(jìn)位計(jì)數(shù)制。,下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,1.2.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制與常用計(jì)數(shù)制 用數(shù)字量表示物理量大小時(shí)，僅用一位數(shù)碼往往不夠用，經(jīng)常需要用進(jìn)位計(jì)數(shù)的方法組

8、成多位數(shù)碼表示。把多位數(shù)碼中每一位的構(gòu)成方法以及從低位到高位的進(jìn)位規(guī)則稱為計(jì)數(shù)制。在生產(chǎn)實(shí)踐中除了人們最熟悉的十進(jìn)制以外，還大量使用各種不同的進(jìn)位計(jì)數(shù)制，如八進(jìn)制、十六進(jìn)制等。在數(shù)字設(shè)備中，機(jī)器只認(rèn)識(shí)二進(jìn)制代碼，由于二進(jìn)制代碼書(shū)寫(xiě)長(zhǎng)，所以在數(shù)字設(shè)備中又常采用八進(jìn)制代碼或十六進(jìn)制代碼。 無(wú)論使用哪種進(jìn)位計(jì)數(shù)制，數(shù)值的表示都包含兩個(gè)基本要素:基數(shù)和位權(quán)。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,一種進(jìn)位計(jì)數(shù)制允許使用的基本數(shù)字符號(hào)的個(gè)數(shù)，稱為這種進(jìn)位計(jì)數(shù)制的基數(shù)。一般而言，J進(jìn)制數(shù)的基數(shù)為J，可供使用的基本數(shù)字符號(hào)有J個(gè)，它們分別是0(J-1)，每個(gè)數(shù)位計(jì)滿J就向其高位進(jìn)1，即“逢J進(jìn)1”。 進(jìn)

9、位計(jì)數(shù)制中每位數(shù)字符號(hào)所表示的數(shù)值等于該數(shù)字符號(hào)值乘以一個(gè)與數(shù)字符號(hào)所處位置有關(guān)的常數(shù)，這個(gè)常數(shù)就稱為位權(quán)，簡(jiǎn)稱權(quán)。位權(quán)的大小是以基數(shù)為底、數(shù)字符號(hào)所處位置的序號(hào)為指數(shù)的整數(shù)次冪。各數(shù)字符號(hào)所處位置的序號(hào)計(jì)法為:以小數(shù)點(diǎn)為基準(zhǔn)，整數(shù)部分自右向左依次為0, 1, 2,，小數(shù)部分自左向右依次為-1、-2,。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,任何進(jìn)制數(shù)的值都可以表示為該進(jìn)制數(shù)中各位數(shù)字符號(hào)值與相應(yīng)權(quán)乘積的累加和形式，該形式稱為按權(quán)展開(kāi)的多項(xiàng)式之和。一個(gè)J進(jìn)制數(shù)(N為按權(quán)展開(kāi)的多項(xiàng)式的普遍形式可表示為: 式中，K為任意進(jìn)制數(shù)中第i位的系數(shù)，可以為0 (J-1)數(shù)碼中的任何一個(gè);i是數(shù)字符號(hào)所

10、處位置的序號(hào);m和n為整數(shù)，m為小數(shù)部分位數(shù)(取負(fù)整數(shù))，n為整數(shù)部分位數(shù)(取正整數(shù));.J為進(jìn)位基數(shù)，Ji為第i位的權(quán)值。例如，十進(jìn)制數(shù)(123.75 )10表示為:,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,1.十進(jìn)制(Decimal ) 十進(jìn)制是日常生活中最常用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制。在十進(jìn)制數(shù)中，每一位有0 9共10個(gè)數(shù)碼，所以計(jì)數(shù)的基數(shù)是10。超過(guò)9的數(shù)必須用多位數(shù)表示，其中低位和相鄰高位之間的關(guān)系是“逢十進(jìn)一”，故稱為十進(jìn)制。根據(jù)式 任何一個(gè)十進(jìn)制數(shù)均可展開(kāi)并計(jì)算其數(shù)值的大小。例如:,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,2.二進(jìn)制(Binary) 目前在數(shù)字電路中應(yīng)用最多的是二進(jìn)制。在

11、二進(jìn)制數(shù)中每一位數(shù)有0和1兩個(gè)可能，所以計(jì)數(shù)基數(shù)為2。低位和相鄰高位間的進(jìn)位關(guān)系是“逢二進(jìn)一”，故稱為二進(jìn)制。例如: 上式中使用下腳注的2和10表示括號(hào)里的數(shù)是二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)，有時(shí)也用B ( Binary)和D ( Decimal)代替2和10這兩個(gè)腳注。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制表示，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 1)技術(shù)容易實(shí)現(xiàn) 因?yàn)榻M成計(jì)算機(jī)的電子器件本身具有可靠穩(wěn)定的“開(kāi)”和“關(guān)”兩種狀態(tài)，用于表示二進(jìn)制數(shù)位上的0, 1時(shí)，易于存放、傳送和處理。 2)運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單 兩個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)的和、積運(yùn)算組合各僅有3種:0+0=0, 0+1=1+0=1,1+1=0(

12、向高位進(jìn)1)及00=0,01=1,0=0, 11 =1。而兩個(gè)一位十進(jìn)制數(shù)和、積運(yùn)算組合各有55種之多。二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單，有利于簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并提高運(yùn)算速度。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,3)與邏輯量吻合 邏輯量1, 0表示一個(gè)事物的正、反兩個(gè)方面，如是/非、真/假、對(duì)/錯(cuò)等。雖然邏輯量并不具有數(shù)值概念，但形式上正好與進(jìn)制代碼相吻合，為計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算提供了條件。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,3.十六進(jìn)制(Hexadecimal ) 十六進(jìn)制數(shù)的每一位有16個(gè)不同的數(shù)碼，分別用09、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)表

13、示。根據(jù)式 ，任意一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)可展開(kāi)并計(jì)算其大小。 例如:,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,式中的下腳注16表示括號(hào)里的數(shù)是十六進(jìn)制數(shù)，有時(shí)也用H ( Hexadecimal)代替這個(gè)腳注。 另外，以前也常用八進(jìn)制(Octadic)作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用中數(shù)據(jù)的書(shū)寫(xiě)形式。八進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)也有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 表1-1給出了進(jìn)制數(shù)(K2,K1,K0,K-1)，當(dāng)J分別為2, 8, 10, 16時(shí)的各位權(quán)值的對(duì)照。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,1.2.2 數(shù)制轉(zhuǎn)換 1.非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù) 如前所述，任何進(jìn)制數(shù)只要求出其按權(quán)展開(kāi)的多項(xiàng)式之和，該和值便是對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。非十進(jìn)

14、制數(shù)只要利用它們按權(quán)展開(kāi)的多項(xiàng)式再逐項(xiàng)相加，所得的值便是對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。 【例1-1】求二進(jìn)制數(shù)(l0l 1.011) 2所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。 解 把二進(jìn)制數(shù)(l0l 1.011) 2按權(quán)展開(kāi)得 (1011.011)2=123 +022 +121+120 +02-1+12-2 +1x2-3 =8+2+1+0.25+0.125 =(11.375)10。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,【例1-2】求八進(jìn)制數(shù)(153.07 )8所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。 解 把八進(jìn)制數(shù)(153.07 )8按權(quán)展開(kāi)得 (153.07)8 =1x82 +5x81 +3 x80 +0 x8-1+7x8-2 =64+40

15、+3+0.109375 =(103.109 375)10。 【例1-3】求十六進(jìn)制數(shù)(E93.A)16所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。 解 把十進(jìn)制數(shù)(E93.A)16按權(quán)展開(kāi)得 (E93.A)16=14 x 162+9x161+3 x 160+10 x 16-1 =3584+144+3+0.062 5 =(3731.062 5)10。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,2.十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成其他進(jìn)制數(shù) 十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成其他進(jìn)制數(shù)相對(duì)于非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)要復(fù)雜一點(diǎn)。其中，十進(jìn)制數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分要用不同的方法加以處理。 整數(shù)轉(zhuǎn)換采用基數(shù)除法，即將待轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制數(shù)除以新進(jìn)位制的基數(shù)并取其余數(shù)，其步

16、驟如下。 (1)將待轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制數(shù)除以新進(jìn)位制的基數(shù)R，使其余數(shù)作為新進(jìn)位制數(shù)的最低位。 (2)將步驟(1)所得的商再除以新進(jìn)位制基數(shù)R，記下余數(shù)，作為新進(jìn)位制數(shù)的次低位。 (3)重復(fù)步驟(2)，將每次所得的商除以新進(jìn)位制基數(shù)，記下余數(shù)，得到新進(jìn)位制數(shù)相應(yīng)的各位，直到最后相除的商為0，這時(shí)的余數(shù)即為新進(jìn)位制數(shù)的最高位。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,【例1-4】求十進(jìn)制數(shù)(26)10所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。 因此(26)10=(11010)2。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,【例1-5】求十進(jìn)制數(shù)(357 ) 10所對(duì)應(yīng)的八進(jìn)制數(shù)。 解 因此(357 )10=(545)8。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,【例1-6】求十進(jìn)制數(shù)(367)10所對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)。 解 因此(367 )10=(16F)16。,上一頁(yè),下一頁(yè),返回,1.2 數(shù)制和碼制,純小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換則采用基數(shù)乘法，即將待轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制的純小數(shù)逐次乘以新進(jìn)位制基數(shù)R，取乘積的整數(shù)部分作為新進(jìn)位制的有效數(shù)字。 待轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制純小數(shù)乘以新進(jìn)位制基數(shù)R，取其整數(shù)部分作為新進(jìn)位制純小數(shù)的最高位K-1。 將