數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng) 第一章 基礎(chǔ)知識

1、1 1.1 概述 1.2 常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換 1.3 帶符號二進制數(shù)的表示方法 1.4 常用編碼 1.5 Proteus軟件簡介 第一章 基礎(chǔ)知識 本章介紹數(shù)字信號和數(shù)字電路的基本特點，常用數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)本章介紹數(shù)字信號和數(shù)字電路的基本特點，常用數(shù)制及其相互轉(zhuǎn) 換，數(shù)據(jù)在機器中的表示方法，常用編碼技術(shù)。換，數(shù)據(jù)在機器中的表示方法，常用編碼技術(shù)。Proteus軟件的基本用軟件的基本用 法，法，ISIS在虛擬仿真平臺中的基本應(yīng)用。在虛擬仿真平臺中的基本應(yīng)用。 2 1.1 概述概述 1.1 1.1 概述 1.1.1 1.1.1 數(shù)字信號與模擬信號數(shù)字信號與模擬信號 n 模擬信號：模擬信號：反映模擬量的

2、信號，其特點是反映模擬量的信號，其特點是時間上和幅值上均連續(xù)時間上和幅值上均連續(xù) 的信號，在任意時段有無窮多個取值。的信號，在任意時段有無窮多個取值。 n 數(shù)字信號：數(shù)字信號：反映數(shù)字量的信號，其特點是反映數(shù)字量的信號，其特點是在時間上和數(shù)值上都是在時間上和數(shù)值上都是 斷續(xù)變化，取值也是不連續(xù)的，只能取有限個值。斷續(xù)變化，取值也是不連續(xù)的，只能取有限個值。 圖圖1-1 正弦電壓信號的波形圖正弦電壓信號的波形圖 圖圖1-2 二值數(shù)字電壓的信號的波形圖二值數(shù)字電壓的信號的波形圖 1. 1. 模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號 n 模擬量和數(shù)字量模擬量和數(shù)字量 3 1.1 1.1 概述 兩者比較兩

3、者比較 模擬電路模擬電路 數(shù)字電路數(shù)字電路 處理信號處理信號連續(xù)信號連續(xù)信號離散信號離散信號 作用作用 實現(xiàn)模擬信號的放大、實現(xiàn)模擬信號的放大、 變換、產(chǎn)生變換、產(chǎn)生 實現(xiàn)輸入輸出的數(shù)字量實現(xiàn)輸入輸出的數(shù)字量 之間一定的邏輯關(guān)系之間一定的邏輯關(guān)系 主要器件主要器件 晶體管晶體管-工作在工作在 線性區(qū)線性區(qū)（即放大區(qū)）（即放大區(qū)） 晶體管晶體管-工作在工作在非線性區(qū)非線性區(qū) （即截止區(qū)和飽和區(qū)）（即截止區(qū)和飽和區(qū)） 構(gòu)成電路構(gòu)成電路放大和正弦振蕩電路放大和正弦振蕩電路開關(guān)電路開關(guān)電路 2. 2. 模擬電路與數(shù)字電路模擬電路與數(shù)字電路 1.1.1 1.1.1 數(shù)字信號與模擬信號數(shù)字信號與模擬信號

4、4 1.1 1.1 概述 1.1.1 1.1.1 數(shù)字信號與模擬信號數(shù)字信號與模擬信號 數(shù)字電路的主要特點： 1.1.數(shù)字電路數(shù)字電路只有只有“與與”、“或或”、“非非”三種三種基本電路，基本電路， 電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。 2.2.數(shù)字電路數(shù)字電路易于實現(xiàn)集成化易于實現(xiàn)集成化，數(shù)字集成電路具有體積小、，數(shù)字集成電路具有體積小、 功耗低、可靠性高的特點。功耗低、可靠性高的特點。 3.3.數(shù)字電路數(shù)字電路只需要用只需要用0 0和和1 1兩種狀態(tài)兩種狀態(tài)來表示信息，便于信息來表示信息，便于信息 的存儲、傳輸和處理。的存儲、傳輸和處理。 4.4.數(shù)字電路能夠?qū)斎氲臄?shù)字信號進

5、行數(shù)字電路能夠?qū)斎氲臄?shù)字信號進行各種算術(shù)運算和邏各種算術(shù)運算和邏 輯運算輯運算。能按照人們設(shè)計好的規(guī)則，進行邏輯推理和邏。能按照人們設(shè)計好的規(guī)則，進行邏輯推理和邏 輯判斷，得出相應(yīng)的輸出結(jié)果，即數(shù)字電路具有邏輯思輯判斷，得出相應(yīng)的輸出結(jié)果，即數(shù)字電路具有邏輯思 維功能，它是計算機以及智能控制電路中的基礎(chǔ)。維功能，它是計算機以及智能控制電路中的基礎(chǔ)。 5 1.1 1.1 概述 1.1.2 1.1.2 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 1. 1. 數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng) 數(shù)字字系統(tǒng)數(shù)字字系統(tǒng)是指能對數(shù)字信號進行是指能對數(shù)字信號進行輸入、存儲、加工和傳輸輸入、存儲、加工和傳輸?shù)牡?實體，它是由實現(xiàn)各

6、種功能的數(shù)字邏輯電路相互連接而成，是具實體，它是由實現(xiàn)各種功能的數(shù)字邏輯電路相互連接而成，是具 有按一定的時序完成邏輯操作功能的系統(tǒng)。有按一定的時序完成邏輯操作功能的系統(tǒng)。 圖圖1-3 1-3 數(shù)值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型數(shù)值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 2.2. 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) n控制電路：控制電路：根據(jù)輸入要求和控制對象的狀態(tài)發(fā)出控制信號給受控電路；根據(jù)輸入要求和控制對象的狀態(tài)發(fā)出控制信號給受控電路； n受控電路：受控電路：根據(jù)控制信號產(chǎn)生輸出，同時反饋狀態(tài)信息到控制電路；根據(jù)控制信號產(chǎn)生輸出，同時反饋狀態(tài)信息到控制電路； n兩者都是由組合邏輯邏輯和時序邏輯電路構(gòu)成。兩者都是由組合邏輯邏輯和時序

7、邏輯電路構(gòu)成。 6 1.1 1.1 概述 (3) (3) 數(shù)字系統(tǒng)的分析與設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的分析與設(shè)計 n分析：分析：對已知的數(shù)字系統(tǒng)分析其工作原理，確定輸入與輸出信號之間的對已知的數(shù)字系統(tǒng)分析其工作原理，確定輸入與輸出信號之間的 關(guān)系、明確系統(tǒng)各個組成部件的邏輯功能及其整個系統(tǒng)的功能。關(guān)系、明確系統(tǒng)各個組成部件的邏輯功能及其整個系統(tǒng)的功能。 n設(shè)計：設(shè)計：針對特定的需求，采用一定的設(shè)計方法和手段，構(gòu)造一個符合設(shè)針對特定的需求，采用一定的設(shè)計方法和手段，構(gòu)造一個符合設(shè) 計需要的系統(tǒng)。計需要的系統(tǒng)。 n數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計可以分為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計可以分為系統(tǒng)級系統(tǒng)級和和模塊級模塊級。 7 1.1 1.1 概

8、述 n數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計可以分為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計可以分為系統(tǒng)級系統(tǒng)級和和模塊級模塊級。 n系統(tǒng)級設(shè)計系統(tǒng)級設(shè)計是對數(shù)字系統(tǒng)整體功能的描述，又稱為是對數(shù)字系統(tǒng)整體功能的描述，又稱為行為級描述行為級描述，通常不關(guān)心，通常不關(guān)心 具體的實現(xiàn)方式。系統(tǒng)級設(shè)計，將整個數(shù)字系統(tǒng)分解為若干個相互關(guān)聯(lián)的功具體的實現(xiàn)方式。系統(tǒng)級設(shè)計，將整個數(shù)字系統(tǒng)分解為若干個相互關(guān)聯(lián)的功 能模塊，并描述各模塊的外部屬性。系統(tǒng)級設(shè)計通常采用硬件描述語言（能模塊，并描述各模塊的外部屬性。系統(tǒng)級設(shè)計通常采用硬件描述語言（ Hardware Description LanguageHardware Description Language，

9、HDLHDL）實現(xiàn)，以程序設(shè)計的方式描述系統(tǒng)）實現(xiàn)，以程序設(shè)計的方式描述系統(tǒng) 各模塊的行為。各模塊的行為。 n模塊級設(shè)計模塊級設(shè)計是在系統(tǒng)級設(shè)計基礎(chǔ)上，進一步分解各功能模塊，描述其行為和是在系統(tǒng)級設(shè)計基礎(chǔ)上，進一步分解各功能模塊，描述其行為和 功能。模塊級設(shè)計既可以用功能。模塊級設(shè)計既可以用HDLHDL編程實現(xiàn)，也可以用標準邏輯組件實現(xiàn)。編程實現(xiàn)，也可以用標準邏輯組件實現(xiàn)。 module f_adder(ain,bin,cin,sout,cout); /一位全加器頂層設(shè)計描述一位全加器頂層設(shè)計描述 input ain,bin,cin;/定義輸入變量定義輸入變量 output sout,cout

10、;/定義輸出變量定義輸出變量 assign cout,sout=ain+bin+cin; endmodule 8 1.2 1.2 常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換 1.2 1.2 常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換 1.2.1 1.2.1 十進制十進制 1.2.2 1.2.2 二進制二進制 1.2.3 1.2.3 二進制與十進制之間的相互轉(zhuǎn)換二進制與十進制之間的相互轉(zhuǎn)換 1.2.4 1.2.4 八進制和十六進制及其與二進制之間的轉(zhuǎn)換八進制和十六進制及其與二進制之間的轉(zhuǎn)換 1.2.5 1.2.5 八進制在數(shù)制轉(zhuǎn)換中的橋梁作用八進制在數(shù)制轉(zhuǎn)換中的橋梁作用 1.2.6 1.2.6 不同數(shù)制數(shù)據(jù)的后綴表示不同數(shù)制數(shù)據(jù)的

11、后綴表示 nB B表示二進制，例如：表示二進制，例如：11010101B11010101B。 nD D表示十進制表示十進制( (默認缺省默認缺省) )，例如：，例如：213D213D或或213213。 nO O表示八進制，由于字母表示八進制，由于字母O O與數(shù)字與數(shù)字0 0容易混淆，所以也用容易混淆，所以也用Q Q作為后作為后 綴表示八進制數(shù)綴表示八進制數(shù), , 例如：例如：325O325O或或325Q325Q。 nH H表示十六進制表示十六進制, , 例如，例如，0D5H， 9 1.3 1.3 帶符號二進制數(shù)的表示方法 1.3 1.3 帶符號二進制數(shù)的表示方法帶符號二進制數(shù)的表示方法 1.3

12、.11.3.1 原碼原碼 1.3.21.3.2 反碼反碼 1.3.31.3.3 補碼補碼 1.3.41.3.4 二進制數(shù)的加、減法運算二進制數(shù)的加、減法運算 10 1.4 1.4 常用編碼 1.4 1.4 常用編碼常用編碼 1.4.11.4.1 二二- -十進制編碼十進制編碼(BCD(BCD碼碼) ) 1.4.21.4.2 格雷碼格雷碼 1.4.31.4.3 ASCII ASCII碼碼 11 1.4 1.4 常用編碼 1.4.11.4.1 二二- -十進制編碼十進制編碼(BCD(BCD碼碼) ) 二二- -十進制編碼十進制編碼是用四位二進制代碼表示一位十進制數(shù)的編是用四位二進制代碼表示一位十進

13、制數(shù)的編 碼方式，也稱為碼方式，也稱為BCD(Binary Coded Decimal)BCD(Binary Coded Decimal)碼，四位二進制代碼碼，四位二進制代碼 有十六種，取哪有十六種，取哪1010種組合表示十進制數(shù)可以有多種方式，常用的種組合表示十進制數(shù)可以有多種方式，常用的 BCDBCD編碼方式如下表所示。其中包括三種有權(quán)碼和兩種無權(quán)碼。編碼方式如下表所示。其中包括三種有權(quán)碼和兩種無權(quán)碼。 十進十進 制數(shù)制數(shù) 有權(quán)碼有權(quán)碼無權(quán)碼無權(quán)碼 842154212421余余3碼碼余余3循環(huán)碼循環(huán)碼 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0

14、00 0 1 10 0 1 10 0 1 00 0 1 0 1 10 0 0 10 0 0 10 0 0 10 0 0 10 0 0 10 0 0 10 1 0 00 1 0 00 1 1 00 1 1 0 2 20 0 1 00 0 1 00 0 1 00 0 1 00 0 1 00 0 1 00 1 0 10 1 0 10 1 1 10 1 1 1 3 30 0 1 10 0 1 10 0 1 10 0 1 10 0 1 10 0 1 10 1 1 00 1 1 00 1 0 10 1 0 1 4 40 1 0 00 1 0 00 1 0 00 1 0 00 1 0 00 1 0 00 1

15、 1 10 1 1 10 1 0 00 1 0 0 5 50 1 0 10 1 0 11 0 0 01 0 0 01 0 1 11 0 1 11 0 0 01 0 0 01 1 0 01 1 0 0 6 60 1 1 00 1 1 01 0 0 11 0 0 11 1 0 01 1 0 01 0 0 11 0 0 11 1 0 11 1 0 1 7 70 1 1 10 1 1 11 0 1 01 0 1 01 1 0 11 1 0 11 0 1 01 0 1 01 1 1 11 1 1 1 8 81 0 0 01 0 0 01 0 1 11 0 1 11 1 1 01 1 1 01 0 1 1

16、1 0 1 11 1 1 01 1 1 0 9 91 0 0 11 0 0 11 1 0 01 1 0 01 1 1 11 1 1 11 1 0 01 1 0 01 0 1 01 0 1 0 12 1.4 1.4 常用編碼 1.4.21.4.2 格雷碼格雷碼(Gray Code)(Gray Code) n格雷碼又叫循環(huán)碼，格雷碼又叫循環(huán)碼，具有多種編碼具有多種編碼 形式，形式，但都有一個共同特點，任意但都有一個共同特點，任意 兩個相鄰的編碼僅有一位不同，而兩個相鄰的編碼僅有一位不同，而 且存在一個對稱軸。且存在一個對稱軸。 n 相鄰性相鄰性 n 循環(huán)性循環(huán)性 n對稱軸上邊和下邊的編碼，除最高對

17、稱軸上邊和下邊的編碼，除最高 位是互補外，其余各個數(shù)位都是以位是互補外，其余各個數(shù)位都是以 對稱軸為中線鏡像對稱軸為中線鏡像對稱對稱的。的。 n 反射性反射性 十進制數(shù)十進制數(shù)格雷碼格雷碼 0 00 0 0 00 0 0 0 1 10 0 0 10 0 0 1 2 20 0 1 10 0 1 1 3 30 0 1 00 0 1 0 4 40 1 1 00 1 1 0 5 50 1 1 10 1 1 1 6 60 1 0 10 1 0 1 7 70 1 0 00 1 0 0 8 81 1 0 01 1 0 0 9 91 1 0 11 1 0 1 A A1 1 1 11 1 1 1 B B1 1

18、1 01 1 1 0 C C1 0 1 01 0 1 0 D D1 0 1 11 0 1 1 E E1 0 0 11 0 0 1 F F1 0 0 01 0 0 0 13 1.4 1.4 常用編碼 1.4.31.4.3 ASCII ASCII碼碼 nASCIIASCII碼分為兩類：碼分為兩類： n 一類是一類是字符編碼字符編碼，這類編碼代表的字符可以顯示打??；，這類編碼代表的字符可以顯示打??； n 另一類編碼是另一類編碼是控制字符編碼控制字符編碼，每個都有特定的含義，起一個控制功能，每個都有特定的含義，起一個控制功能， 如回車和換行控制字符。如回車和換行控制字符。 標準標準ASCII碼字符集碼

19、字符集 高位高位 低位低位 000001010011100101110111 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS HT LF VT FF CR SO SI DLE DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC PS GS RS US SP ！ “ # $ % ? A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

20、 _ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z | DEL 14 1.4 1.4 常用編碼 1.4.31.4.3 ASCII ASCII碼碼 nASCIIASCII碼中的碼中的英文字母有大小寫之分英文字母有大小寫之分 n空格空格(20H) (20H) 數(shù)字數(shù)字(0(0 1 1 9 9) ) 大寫字母大寫字母( (A A B B Z Z) ) 小寫字母小寫字母( (a a b b z z ) ) 常用的常用的ASCIIASCII碼碼 n控制字符控制字符( (共共3333個個) )：00H1FH,7FH00H1FH,7FH，其中，其中

21、00H 00HNULNUL；0DH0DH回車；回車；0AH0AH換行；換行；07H07H響鈴響鈴 n可顯示可顯示( (打印打印) )的字符的字符( (共共9595個個) )：20H7EH20H7EH，其中，其中 n 20H 20H空格；空格； n 30H30H數(shù)字數(shù)字0 0； n 41H41H大寫字母大寫字母A A； n 61H61H小寫字母小寫字母a a； 15 1.5 Proteus 1.5 Proteus 軟件簡介 1.51.5 Proteus Proteus 軟件簡介軟件簡介 1.5.11.5.1 Proteus Proteus簡介簡介 nProteusProteus軟件是由英國軟件是

22、由英國LabcenterLabcenter Electronics Electronics公司開發(fā)的公司開發(fā)的EDAEDA 工具軟件，工具軟件，19891989年問世。年問世。 nProteusProteus軟件的功能非常強大，它集電路設(shè)計、分析、制板及軟件的功能非常強大，它集電路設(shè)計、分析、制板及 仿真等多種功能于一身，不僅是模擬電路、數(shù)字電路、模仿真等多種功能于一身，不僅是模擬電路、數(shù)字電路、模/ /數(shù)數(shù) 混合電路的設(shè)計與仿真平臺，更是目前世界上最先進、最完整混合電路的設(shè)計與仿真平臺，更是目前世界上最先進、最完整 的多種微控制器系統(tǒng)的設(shè)計與仿真平臺。的多種微控制器系統(tǒng)的設(shè)計與仿真平臺。 n

23、它真正實現(xiàn)了在計算機上完成從原理圖設(shè)計、電路分析與仿真它真正實現(xiàn)了在計算機上完成從原理圖設(shè)計、電路分析與仿真 、單片機代碼設(shè)計、調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成、單片機代碼設(shè)計、調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成 PCB(Printed Circuit BoardPCB(Printed Circuit Board，印制電路板，印制電路板) )的完整的電子設(shè)計的完整的電子設(shè)計 、研發(fā)過程。經(jīng)過了、研發(fā)過程。經(jīng)過了2020年多的使用、發(fā)展和完善，功能越來年多的使用、發(fā)展和完善，功能越來 越強，性能越來越好。越強，性能越來越好。 16 1.5 Proteus 1.5 Proteus 軟件簡介

24、1.5.11.5.1 Proteus Proteus簡介簡介 nProteusProteus軟件主要包括：軟件主要包括： n ISIS(Intelligent Schematic Input SystemISIS(Intelligent Schematic Input System，智能原理圖輸入系統(tǒng)，智能原理圖輸入系統(tǒng)) )； n ARES (Advanced Routing and Editing SoftwareARES (Advanced Routing and Editing Software，高級，高級PCBPCB布線編布線編 輯軟件輯軟件) ) n本課程主要應(yīng)用智能原理圖輸入系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)字電路的設(shè)計、本課程主要應(yīng)用智能原理圖輸入系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)字電路的設(shè)計、 分析與仿真，為今后學(xué)習(xí)計算機組成原理及單片機技術(shù)等課程分析與仿真，為今后學(xué)習(xí)計算機組成原理及單片機技術(shù)等課程 打下良好的基礎(chǔ)。打下良好的基礎(chǔ)。 17 本章小結(jié) 本章小結(jié)本章小結(jié) n 數(shù)字電路的工作信號是一種離散信號，稱為數(shù)字信號。它在時間上和數(shù)數(shù)字電