數(shù)字電路與邏輯設(shè)計01(2012)資料

1、數(shù)字電路與邏輯設(shè)計數(shù)字電路與邏輯設(shè)計孫彩堂孫彩堂主講教師：孫彩堂主講教師：孫彩堂儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院電氣工程系電氣工程系地質(zhì)宮地質(zhì)宮318318EMail： 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計數(shù)字電路與邏輯設(shè)計數(shù)字電路數(shù)字電路： 能進行數(shù)字運算、邏輯推理的電路。 將人類的知識系統(tǒng)進行編碼，并用邏輯函數(shù)表述事物之間的關(guān)系、客觀定律的內(nèi)容，再用數(shù)字電路數(shù)字電路表示和再現(xiàn)這些邏輯關(guān)系、邏輯運動，就能得到當(dāng)今以計算機為代表的信息技術(shù)和人工智能。 本門課程的目標(biāo)就是得到完成上述過程所需的基本知識系統(tǒng)和實踐技能，即邏輯設(shè)計。課課 程程 簡簡 介介“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”是我院的重要

2、是我院的重要專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)基礎(chǔ)課程程之一，其之一，其教學(xué)內(nèi)容處于計算機層次結(jié)構(gòu)中的最底層教學(xué)內(nèi)容處于計算機層次結(jié)構(gòu)中的最底層（硬件），是構(gòu)成計算機和其它數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)。（硬件），是構(gòu)成計算機和其它數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本課程的教學(xué)目標(biāo)是：使學(xué)生在了解邏輯設(shè)計本課程的教學(xué)目標(biāo)是：使學(xué)生在了解邏輯設(shè)計基本基本知識、基本理論知識、基本理論的基礎(chǔ)上，掌握數(shù)字邏輯的基礎(chǔ)上，掌握數(shù)字邏輯分析與設(shè)計分析與設(shè)計的的基本方法；了解微電子技術(shù)的發(fā)展對數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法基本方法；了解微電子技術(shù)的發(fā)展對數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法產(chǎn)生的重要影響，并能產(chǎn)生的重要影響，并能跟蹤新的技術(shù)和方法跟蹤新的技術(shù)和方法，不斷吸收，不斷吸收新的知識；真

3、正掌握對數(shù)字系統(tǒng)硬件進行新的知識；真正掌握對數(shù)字系統(tǒng)硬件進行分析、設(shè)計和分析、設(shè)計和開發(fā)開發(fā)的基本技能，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才奠定扎實寬厚的學(xué)的基本技能，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才奠定扎實寬厚的學(xué)科基礎(chǔ)。科基礎(chǔ)。n課程在本專業(yè)所處的位置、與其他課程的課程在本專業(yè)所處的位置、與其他課程的關(guān)系。關(guān)系。n學(xué)習(xí)方式、方法學(xué)習(xí)方式、方法n考核（加權(quán)計算方式考核（加權(quán)計算方式)期末考試：60分，實驗課成績10分，平時考勤、提問、作業(yè)20分，期中測試20分。參考教材：參考教材：1 1、自編教材，數(shù)字電路與邏輯設(shè)計、自編教材，數(shù)字電路與邏輯設(shè)計2 2、數(shù)字邏輯基礎(chǔ)與、數(shù)字邏輯基礎(chǔ)與VHDLVHDL設(shè)計（第三版）設(shè)計（第三版）

4、，加拿大，加拿大，Stephen Brown,Zvonko Stephen Brown,Zvonko Vranesic. Vranesic. 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社3 3、閻石主編，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第、閻石主編，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第5 5版），高等教育出版社版），高等教育出版社早期電路早期電路元器件元器件當(dāng)前電路當(dāng)前電路元器件元器件集成電路集成電路第第1 1章：數(shù)制與編碼章：數(shù)制與編碼1-1 1-1 數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換1-2 1-2 帶符號二進制數(shù)的表示帶符號二進制數(shù)的表示1-3 1-3 常用編碼常用編碼吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院：數(shù)字電路與邏輯設(shè)計吉林大學(xué)儀器科學(xué)與

5、電氣工程學(xué)院：數(shù)字電路與邏輯設(shè)計數(shù)制數(shù)制：進位計數(shù)制，即用進位的方式來計數(shù)。：進位計數(shù)制，即用進位的方式來計數(shù)。編碼編碼：為了表示文字符號信息，以一定的規(guī)則：為了表示文字符號信息，以一定的規(guī)則編制代碼，用以表示數(shù)值、字母或符號等的過程。編制代碼，用以表示數(shù)值、字母或符號等的過程。人們與數(shù)據(jù)打交道的時候習(xí)慣于采用人們與數(shù)據(jù)打交道的時候習(xí)慣于采用十進制十進制，而計算機和其它數(shù)字系統(tǒng)中使用的是而計算機和其它數(shù)字系統(tǒng)中使用的是二進制二進制。1-1 數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換數(shù)字電路與邏輯設(shè)計：第數(shù)字電路與邏輯設(shè)計：第1章章 數(shù)制與編碼數(shù)制與編碼 廣義地說，一種進位計數(shù)制包含著廣義地說，一種進位計

6、數(shù)制包含著基數(shù)基數(shù)和和位權(quán)位權(quán)兩兩個基本的因素：個基本的因素：基數(shù)基數(shù): : 指計數(shù)制中所用到的計數(shù)符號的個數(shù)及其指計數(shù)制中所用到的計數(shù)符號的個數(shù)及其進位規(guī)則。在基數(shù)為進位規(guī)則。在基數(shù)為R R 計數(shù)制中，包含計數(shù)制中，包含0 0、1 1、R-R-1 1共共R R個數(shù)字符號，進位規(guī)律是個數(shù)字符號，進位規(guī)律是 “ “逢逢R R進一進一”。稱為。稱為R R進位計數(shù)制，簡稱進位計數(shù)制，簡稱R R進制。進制。 位權(quán)位權(quán): : 是指在一種進位計數(shù)制表示的數(shù)中，用來是指在一種進位計數(shù)制表示的數(shù)中，用來表明不同數(shù)位上數(shù)值大小的一個固定常數(shù)。不同數(shù)位表明不同數(shù)位上數(shù)值大小的一個固定常數(shù)。不同數(shù)位有不同的位權(quán)，某

7、一個數(shù)位的數(shù)值等于這一位的數(shù)字有不同的位權(quán)，某一個數(shù)位的數(shù)值等于這一位的數(shù)字符號乘上與該位對應(yīng)的位權(quán)。符號乘上與該位對應(yīng)的位權(quán)。R R進制數(shù)的位權(quán)是進制數(shù)的位權(quán)是R R的整的整數(shù)次冪數(shù)次冪。1-1-1 進位計數(shù)制進位計數(shù)制R R進制數(shù)的表示方法進制數(shù)的表示方法(1) 并列表示法并列表示法(N)R = ( Kn-1Kn-2K1K0 . K-1K-2K-m )R (2) 多項式表示法多項式表示法 (按權(quán)展開按權(quán)展開)1-1-1 進位計數(shù)制進位計數(shù)制十進制十進制十進制中采用十進制中采用0 0、1 1、9 9共十個基本數(shù)共十個基本數(shù)字符號，進位規(guī)律是字符號，進位規(guī)律是“逢十進一逢十進一”。當(dāng)用若。當(dāng)用

8、若干個數(shù)字符號并在一起表示一個數(shù)時，處在干個數(shù)字符號并在一起表示一個數(shù)時，處在不同位置的數(shù)字符號，其值的含意不同。不同位置的數(shù)字符號，其值的含意不同。 二進制二進制 基數(shù)基數(shù)R=2的進位計數(shù)制稱為二進制。二的進位計數(shù)制稱為二進制。二進制數(shù)中只有進制數(shù)中只有0和和1兩個基本計數(shù)符號，進位兩個基本計數(shù)符號，進位規(guī)律是規(guī)律是“逢二進一逢二進一”。二進制數(shù)的位權(quán)是。二進制數(shù)的位權(quán)是2的的整數(shù)次冪。整數(shù)次冪。 二進制數(shù)的算術(shù)運算規(guī)則：二進制數(shù)的算術(shù)運算規(guī)則： 加、減、乘、除加、減、乘、除n 二進制的優(yōu)點二進制的優(yōu)點: 運算簡單、物理實現(xiàn)容易、存儲和傳送方便、可靠運算簡單、物理實現(xiàn)容易、存儲和傳送方便、可

9、靠。因為二進制中只有因為二進制中只有0和和1兩個數(shù)字符號，可以用電子兩個數(shù)字符號，可以用電子器件的兩種不同狀態(tài)來表示一位二進制數(shù)。例如，用器件的兩種不同狀態(tài)來表示一位二進制數(shù)。例如，用電平的高和低表示電平的高和低表示1和和0等。所以，在數(shù)字系統(tǒng)中普遍等。所以，在數(shù)字系統(tǒng)中普遍采用二進制采用二進制。 n 二進制的缺點二進制的缺點： 數(shù)的位數(shù)太長且字符單調(diào)，使得書寫、記憶和數(shù)的位數(shù)太長且字符單調(diào)，使得書寫、記憶和閱讀不方便。閱讀不方便。 十六進制十六進制基數(shù)基數(shù)R=16的進位計數(shù)制稱為十六進制。的進位計數(shù)制稱為十六進制。十六進制數(shù)中的基本計數(shù)符號有：十六進制數(shù)中的基本計數(shù)符號有： 0,1,2,3,

10、4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F。進位規(guī)律是進位規(guī)律是“逢十六進一逢十六進一”。位權(quán)是十六的整數(shù)次冪。位權(quán)是十六的整數(shù)次冪。 十六進制數(shù)用途：十六進制數(shù)用途： 表示和記錄二進制數(shù)。表示和記錄二進制數(shù)。IV八進制八進制略。略。1-1-2 數(shù)制轉(zhuǎn)換數(shù)制轉(zhuǎn)換n 二進制與十進制二進制與十進制： 十進制轉(zhuǎn)換為二進制：整數(shù)部分除十進制轉(zhuǎn)換為二進制：整數(shù)部分除2取余，逆序讀取余，逆序讀出；小數(shù)部分乘出；小數(shù)部分乘2取整，順序讀出；取整，順序讀出；二進制轉(zhuǎn)換為十進制：按權(quán)展開式求和二進制轉(zhuǎn)換為十進制：按權(quán)展開式求和n二進制與十六進制二進制與十六進制二進制轉(zhuǎn)換為十六進制：從小數(shù)點向兩側(cè)，二進制轉(zhuǎn)換

11、為十六進制：從小數(shù)點向兩側(cè)，4位一位一組，不足的補組，不足的補0十六進制轉(zhuǎn)換為二進制：每位十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制轉(zhuǎn)換為二進制：每位十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為4位二進制數(shù)位二進制數(shù)n 二進制與八進制二進制與八進制 類似于二進制與十六進制之間的轉(zhuǎn)換。類似于二進制與十六進制之間的轉(zhuǎn)換。1-2 帶符號二進制數(shù)的表示帶符號二進制數(shù)的表示數(shù)字電路與邏輯設(shè)計：第數(shù)字電路與邏輯設(shè)計：第1章章 數(shù)制與編碼數(shù)制與編碼為了標(biāo)記一個數(shù)的正負(fù)，人們通常在一個數(shù)為了標(biāo)記一個數(shù)的正負(fù)，人們通常在一個數(shù)的前面用的前面用“+ +”號表示正數(shù)，用號表示正數(shù)，用“- -”號表示負(fù)數(shù)。號表示負(fù)數(shù)。如如： （+1011+1011）2 2，（，

12、（-1011-1011）2 2把二進制數(shù)的把二進制數(shù)的符號位和數(shù)值位一起符號位和數(shù)值位一起編碼編碼可以可以得到得到機器碼。機器碼。n n位機器碼的格式如下位機器碼的格式如下符號位符號位數(shù)值位數(shù)值位n nn-1n-11 1n-2n-2n A的的原碼：原碼：A為正數(shù)：符號位為為正數(shù)：符號位為0，數(shù)值位為，數(shù)值位為|A| (用自然二進制數(shù)表示用自然二進制數(shù)表示)A為負(fù)數(shù)：符號位為為負(fù)數(shù)：符號位為1，數(shù)值位為，數(shù)值位為|A| (用自然二進制數(shù)表示用自然二進制數(shù)表示)n A的的反碼：反碼：A為正數(shù)：其反碼與原碼相同。為正數(shù)：其反碼與原碼相同。A為負(fù)數(shù)：為負(fù)數(shù)： 在在A的原碼的基礎(chǔ)上，符號位不變，數(shù)值位的

13、原碼的基礎(chǔ)上，符號位不變，數(shù)值位按位取反。按位取反。n A的的補碼：補碼：A為正數(shù)：其補碼與原碼相同。為正數(shù)：其補碼與原碼相同。A為負(fù)數(shù)：在其反碼基礎(chǔ)上，符號位不變，數(shù)值位加為負(fù)數(shù)：在其反碼基礎(chǔ)上，符號位不變，數(shù)值位加1。 特例：特例：“100” -2n-1三種機器碼三種機器碼: 原碼、反碼、補碼原碼、反碼、補碼n-1個1-2-1 1-2-1 原碼原碼n求取方便，簡單易讀；求取方便，簡單易讀；n加減運算不方便。加減運算不方便。1-2-2 反碼反碼加、減運算規(guī)則如下：加、減運算規(guī)則如下： X1 + X2反反=X1反反 +X2反反X1 X2反反=X1反反 +-X2反反 運算運算時，符號位和數(shù)值位一

14、樣參加運算。當(dāng)符時，符號位和數(shù)值位一樣參加運算。當(dāng)符號位有進位產(chǎn)生時，號位有進位產(chǎn)生時，應(yīng)將進位加到運算結(jié)果的最低應(yīng)將進位加到運算結(jié)果的最低位位，才能得到最后結(jié)果。，才能得到最后結(jié)果。如何求??？反碼的反碼？如何求??？反碼的反碼？1-2-3 補碼補碼 采用補碼進行加、減運算時，可以將加、采用補碼進行加、減運算時，可以將加、減運算均通過加法實現(xiàn)。減運算均通過加法實現(xiàn)。 運算規(guī)則如下：運算規(guī)則如下： X1 + X2 = X1補補 +X2補補解補解補X1 X2 = X1補補 +-X2補補解補解補 運算運算時，符號位和數(shù)值位一樣參加運算。時，符號位和數(shù)值位一樣參加運算。當(dāng)符號位有進位產(chǎn)生時，當(dāng)符號位有進

15、位產(chǎn)生時，應(yīng)將應(yīng)將進位丟掉進位丟掉，才才能得到最后結(jié)果能得到最后結(jié)果。判斷溢出的規(guī)則：判斷溢出的規(guī)則：符號位比較符號位比較如何求??？求補碼的簡單方法如何求?。壳笱a碼的簡單方法? ?補碼的補碼？補碼的補碼？思考題思考題1. 一個一個8bit二進制數(shù)，在無符號數(shù)，原碼，反二進制數(shù)，在無符號數(shù)，原碼，反碼，補碼四種情況下，表示的范圍各為多少？碼，補碼四種情況下，表示的范圍各為多少？2. 8bit二進制補碼中，二進制補碼中，10000000對應(yīng)的十進制對應(yīng)的十進制數(shù)為多少？數(shù)為多少？3. N位二進制數(shù)，有多少種組合？位二進制數(shù)，有多少種組合？n 數(shù)字系統(tǒng)（電路）用于處理二進制數(shù)字?jǐn)?shù)字系統(tǒng)（電路）用于處

16、理二進制數(shù)字0 0和和1 1。n 實際問題很少能直接基于二進制數(shù)字來描述。實際問題很少能直接基于二進制數(shù)字來描述。n 如何將二進制數(shù)字如何將二進制數(shù)字0 0，1 1與現(xiàn)實問題聯(lián)系起來？與現(xiàn)實問題聯(lián)系起來？（數(shù)字，字母，事件，條件（數(shù)字，字母，事件，條件）1-3 常用編碼常用編碼數(shù)字電路與邏輯設(shè)計：第數(shù)字電路與邏輯設(shè)計：第1章章 數(shù)制與編碼數(shù)制與編碼1-3-1 BCD碼碼定義：把一個二進制數(shù)按其實際大小轉(zhuǎn)換定義：把一個二進制數(shù)按其實際大小轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)，并將該十進制數(shù)值逐位用四位為十進制數(shù)，并將該十進制數(shù)值逐位用四位二進制數(shù)編碼表示，所得結(jié)果即為該二進制二進制數(shù)編碼表示，所得結(jié)果即為該二進制數(shù)的

17、數(shù)的BCDBCD碼（碼（Binary Coded DecimalBinary Coded Decimal）。）。關(guān)鍵：十進制計數(shù)符號編碼方式。關(guān)鍵：十進制計數(shù)符號編碼方式。常用常用BCDBCD碼：碼： 8421BCD8421BCD碼碼 5421BCD5421BCD碼碼 2421BCD2421BCD碼碼 余余3 3碼碼 余余3 3循環(huán)碼循環(huán)碼( (余余3 3碼的格雷碼碼的格雷碼) )幾種常見幾種常見BCD碼碼00110011 8421BCD碼碼(1) 有權(quán)碼，有權(quán)碼，0-9的的8421BCD碼與二進制數(shù)表碼與二進制數(shù)表示的示的0-9完全相同；完全相同；(2) 8421碼中不允許出現(xiàn)碼中不允許出現(xiàn)

18、10101111六種組六種組合合(因為沒有十進制數(shù)字符號與其對應(yīng)因為沒有十進制數(shù)字符號與其對應(yīng))； (3) 十進制數(shù)字符號的十進制數(shù)字符號的8421碼與相應(yīng)碼與相應(yīng)ASCII碼的低四位相同，這一特點有利于簡化輸入輸碼的低四位相同，這一特點有利于簡化輸入輸出過程中出過程中BCD碼與字符代碼的轉(zhuǎn)換。碼與字符代碼的轉(zhuǎn)換。n8421BCD8421BCD碼與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換：按位轉(zhuǎn)換碼與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換：按位轉(zhuǎn)換n8421BCD8421BCD碼與二進制數(shù)的不同碼與二進制數(shù)的不同 5421BCD碼碼(1) 有權(quán)碼；有權(quán)碼；(2) 不不具備單值性，具備單值性，5421碼中不允許出現(xiàn)碼中不允許出現(xiàn)0101

19、0111和和11011111六種組合六種組合(為了與十為了與十進制數(shù)字符號一一對應(yīng)進制數(shù)字符號一一對應(yīng))。 n與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換：按位轉(zhuǎn)換與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換：按位轉(zhuǎn)換n與二進制數(shù)的不同與二進制數(shù)的不同 2421BCD碼碼(1) 有權(quán)碼；有權(quán)碼；(2) 不具備單值性，不具備單值性，2421碼中不允許出現(xiàn)碼中不允許出現(xiàn)01011010六種組合六種組合(為了與十進制數(shù)字符號為了與十進制數(shù)字符號一一對應(yīng)一一對應(yīng))；(3) 自補碼：自補特性，即按位取反可獲自補碼：自補特性，即按位取反可獲得該數(shù)對得該數(shù)對9的補數(shù)的的補數(shù)的2421BCD碼。碼。n與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換：按位轉(zhuǎn)換與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換：按位

20、轉(zhuǎn)換n與二進制數(shù)的不同與二進制數(shù)的不同 余余3碼碼（1）無權(quán)碼。每個字符編碼比相應(yīng)的）無權(quán)碼。每個字符編碼比相應(yīng)的8421BCD碼多碼多3。（2）不允許出現(xiàn)）不允許出現(xiàn)00000010和和11011111六六種組合。（無字符對應(yīng)）種組合。（無字符對應(yīng)）（3）自補碼：對）自補碼：對9自補自補（4）余）余3碼相加：有進位加碼相加：有進位加3，無進位減，無進位減3n與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換：按位轉(zhuǎn)換與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換：按位轉(zhuǎn)換n與二進制數(shù)的不同與二進制數(shù)的不同 余余3循環(huán)碼循環(huán)碼（1）無權(quán)碼。每個余）無權(quán)碼。每個余3碼對應(yīng)的格雷碼。碼對應(yīng)的格雷碼。（2）不允許出現(xiàn)）不允許出現(xiàn)00000001、0011

21、、1000、1001和和1011六種組合。（無字符對應(yīng)）六種組合。（無字符對應(yīng)）n與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換：通過余與十進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換：通過余3 3碼轉(zhuǎn)換碼轉(zhuǎn)換n與二進制數(shù)的不同與二進制數(shù)的不同1-3-2 字符編碼字符編碼數(shù)字系統(tǒng)中處理的信息除了數(shù)值信息之外，還有數(shù)字系統(tǒng)中處理的信息除了數(shù)值信息之外，還有字母、運算符號、標(biāo)點符號以及其他特殊符號信息字母、運算符號、標(biāo)點符號以及其他特殊符號信息, 這些符號統(tǒng)稱為字符。所有字符在數(shù)字系統(tǒng)中必須用這些符號統(tǒng)稱為字符。所有字符在數(shù)字系統(tǒng)中必須用二進制編碼表示，通常將其稱為二進制編碼表示，通常將其稱為字符編碼字符編碼。 最常用的字符編碼是美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼，簡稱最常用的字符編碼是美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼，簡稱ASCII碼碼(American Standard Code for Information Interchange)。 ASCII碼用碼用7位二進制碼表示位二進制碼表示128種字符，編碼規(guī)種字符，編碼規(guī)則如表所示。由于數(shù)字系統(tǒng)中實際是用一個字節(jié)表示則如表所示。由于數(shù)字系統(tǒng)中實際是用一個字節(jié)表示一個字符，所以使用一個字符，所以使用ASCII碼時，通常在最左邊增加碼時，通常在最左邊增加一位奇偶檢驗位。一位奇偶檢驗位。ASCII碼表碼表b6b5b4b3b2b1b01-3-3 可靠性