數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)：第1章 基礎(chǔ)知識(shí)

1、1.1 概述 1.2 常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換 1.3 帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的表示方法1.4 常用編碼 1.5 Proteus軟件簡(jiǎn)介 第一章 基礎(chǔ)知識(shí) 本章介紹數(shù)字信號(hào)和數(shù)字電路的基本特點(diǎn)，常用數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)在機(jī)器中的表示方法，常用編碼技術(shù)。Proteus軟件的基本用法，ISIS在虛擬仿真平臺(tái)中的基本應(yīng)用。21.1 概述1.1 概述1.1.1 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)模擬信號(hào)：反映模擬量的信號(hào)，其特點(diǎn)是時(shí)間上和幅值上均連續(xù)的信號(hào)，在任意時(shí)段有無(wú)窮多個(gè)取值。數(shù)字信號(hào)：反映數(shù)字量的信號(hào)，其特點(diǎn)是在時(shí)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(gè)值。 圖1-1 正弦電壓信號(hào)的波形圖 圖1-2 二值數(shù)

2、字電壓的信號(hào)的波形圖1. 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)模擬量和數(shù)字量31.1 概述兩者比較 模擬電路 數(shù)字電路 處理信號(hào)連續(xù)信號(hào)離散信號(hào)作用實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的放大、變換、產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)輸入輸出的數(shù)字量之間一定的邏輯關(guān)系主要器件晶體管-工作在線性區(qū)（即放大區(qū)）晶體管-工作在非線性區(qū)（即截止區(qū)和飽和區(qū)）構(gòu)成電路放大和正弦振蕩電路開關(guān)電路2. 模擬電路與數(shù)字電路1.1.1 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)41.1 概述1.1.1 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)數(shù)字電路的主要特點(diǎn)：數(shù)字電路只有“與”、“或”、“非”三種基本電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電路易于實(shí)現(xiàn)集成化，數(shù)字集成電路具有體積小、功耗低、可靠性高的特點(diǎn)。數(shù)字電路只需要用0和1兩

3、種狀態(tài)來(lái)表示信息，便于信息的存儲(chǔ)、傳輸和處理。數(shù)字電路能夠?qū)斎氲臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。能按照人們?cè)O(shè)計(jì)好的規(guī)則，進(jìn)行邏輯推理和邏輯判斷，得出相應(yīng)的輸出結(jié)果，即數(shù)字電路具有邏輯思維功能，它是計(jì)算機(jī)以及智能控制電路中的基礎(chǔ)。51.1 概述1.1.2 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1. 數(shù)字系統(tǒng) 數(shù)字系統(tǒng)是指能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、加工和傳輸?shù)膶?shí)體，它是由實(shí)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(shí)序完成邏輯操作功能的系統(tǒng)。 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 控制電路：根據(jù)輸入要求和控制對(duì)象的狀態(tài)發(fā)出控制信號(hào)給受控電路；受控電路：根據(jù)控制信號(hào)產(chǎn)生輸出，同時(shí)反饋狀態(tài)信息到控制電路；兩者都是由組合邏

4、輯邏輯和時(shí)序邏輯電路構(gòu)成。 61.1 概述(3) 數(shù)字系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 分析：對(duì)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(hào)之間的關(guān)系、明確系統(tǒng)各個(gè)組成部件的邏輯功能及其整個(gè)系統(tǒng)的功能。 設(shè)計(jì)：針對(duì)特定的需求，采用一定的設(shè)計(jì)方法和手段，構(gòu)造一個(gè)符合設(shè)計(jì)需要的系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為系統(tǒng)級(jí)和模塊級(jí)。71.1 概述數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為系統(tǒng)級(jí)和模塊級(jí)。系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)是對(duì)數(shù)字系統(tǒng)整體功能的描述，又稱為行為級(jí)描述，通常不關(guān)心具體的實(shí)現(xiàn)方式。系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，將整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)分解為若干個(gè)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(jí)設(shè)計(jì)通常采用硬件描述語(yǔ)言（Hardware Description La

5、nguage，HDL）實(shí)現(xiàn)，以程序設(shè)計(jì)的方式描述系統(tǒng)各模塊的行為。模塊級(jí)設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分解各功能模塊，描述其行為和功能。模塊級(jí)設(shè)計(jì)既可以用HDL編程實(shí)現(xiàn)，也可以用標(biāo)準(zhǔn)邏輯組件實(shí)現(xiàn)。 module f_adder(ain,bin,cin,sout,cout);/一位全加器頂層設(shè)計(jì)描述 input ain,bin,cin;/定義輸入變量 output sout,cout;/定義輸出變量 assign cout,sout=ain+bin+cin;endmodule81.2 常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1.2 常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1.2.1 十進(jìn)制1.2.2 二進(jìn)制1.2.3 二進(jìn)制與十進(jìn)制之間的相

6、互轉(zhuǎn)換1.2.4 八進(jìn)制和十六進(jìn)制及其與二進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換1.2.5 八進(jìn)制在數(shù)制轉(zhuǎn)換中的橋梁作用1.2.6 不同數(shù)制數(shù)據(jù)的后綴表示 B表示二進(jìn)制，例如：11010101B。D表示十進(jìn)制(默認(rèn)缺省)，例如：213D或213。O表示八進(jìn)制，由于字母O與數(shù)字0容易混淆，所以也用Q作為后綴表示八進(jìn)制數(shù), 例如：325O或325Q。H表示十六進(jìn)制, 例如，0D5H，9R進(jìn)制數(shù)的表示任意一個(gè)十進(jìn)制數(shù)D都可以表示為D=(Ai10i)式中，Ai是第i 位的系數(shù)，09任意進(jìn)制（R進(jìn)制）按十進(jìn)制展開的一般形式D=(AiRi)式中，R為計(jì)數(shù)的基數(shù) Ai為第i 位的系數(shù)，0R-1 Ri為第i 位的權(quán)R進(jìn)制數(shù)的表示任何

7、一種進(jìn)制的數(shù)具有的特點(diǎn)：基數(shù)與能選用數(shù)碼的個(gè)數(shù)相等；能選用的最大數(shù)碼比基數(shù)小1；每個(gè)數(shù)位能表示的最大數(shù)值是最大數(shù)碼乘以該位的權(quán)101.3 帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的表示方法1.3 帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的表示方法1.3.1 原碼1.3.2 反碼1.3.3 補(bǔ)碼1.3.4 二進(jìn)制數(shù)的加、減法運(yùn)算 111.3.1 原碼字長(zhǎng)為n位的原碼表示的定義：機(jī)器碼(機(jī)器數(shù))：計(jì)算機(jī)使用的連同符號(hào)一起數(shù)碼化的數(shù)；機(jī)器碼的最高位表示符號(hào)位0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)真值：正數(shù)的原碼是其本身；負(fù)數(shù)的原碼是用一個(gè)值減去這個(gè)負(fù)數(shù)，即加上它的絕對(duì)值編碼規(guī)律：正數(shù)和負(fù)數(shù)的絕對(duì)值表示的數(shù)正數(shù)符號(hào)位用0表示，負(fù)數(shù)符號(hào)位用1表示；數(shù)位部分和真值的數(shù)位部

8、分相同定點(diǎn)整數(shù)：當(dāng)0X2n-1時(shí)，X原=X;當(dāng) -2n-1X0時(shí)，X原=2n-1-X定點(diǎn)小數(shù)：當(dāng)0X1時(shí)，X原=X;當(dāng) -1X0時(shí)，X原=1-X1.3.1 原碼12例 已知X=1101，Y=-1011，字長(zhǎng)n=5，求X和Y的原碼X原=01101Y原=11011例 已知X=0.1001，Y=-0.1001，字長(zhǎng)n=5，求X和Y的原碼X原=0.1001Y原=1.1001原碼 - 舉例原碼直觀，但符號(hào)位要單獨(dú)處理，不能參與運(yùn)算131.3.2 反碼字長(zhǎng)為n位，反碼的定義：定點(diǎn)整數(shù)：當(dāng)0X2n-1時(shí)，X反=X; 當(dāng) -2n-1X0時(shí)，X反=(2n-1)+X定點(diǎn)小數(shù)：當(dāng)0X1時(shí)，X反=X; 當(dāng) -1X0時(shí)

9、，X反=(2-2-(n-1)+X反碼的編碼規(guī)律：反碼在計(jì)算機(jī)中常用作求補(bǔ)的中介符號(hào)位：正數(shù)用0表示，負(fù)數(shù)用1表示；數(shù)位部分：正數(shù)同真值一樣，負(fù)數(shù)將真值的各位按位取反1.3.2 反碼141.3.3 補(bǔ)碼定點(diǎn)整數(shù)：當(dāng)0X2n-1時(shí)，X補(bǔ)=X;當(dāng) -2n-1X0時(shí)，X補(bǔ)=2n+X定點(diǎn)小數(shù)：當(dāng)0X1時(shí)，X補(bǔ)=X;當(dāng) -1X0時(shí)，X補(bǔ)=2+X(1) 補(bǔ)碼表示的引出(化減法為加法)整數(shù)A、B對(duì)正整數(shù)M(模)同余M除以A、B的余數(shù)相同, AB(MOD M)具有同余關(guān)系的兩個(gè)數(shù)為互補(bǔ)關(guān)系，其中一個(gè)稱為另一個(gè)的補(bǔ)碼計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)是一定的，表示數(shù)的范圍也是一定的，屬于有模運(yùn)算(2) 補(bǔ)碼的定義(字長(zhǎng)為n)正數(shù)的補(bǔ)碼

10、是其本身；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是模加上這個(gè)負(fù)數(shù)，即減去其絕對(duì)值1.3.3 補(bǔ)碼151.3.3 補(bǔ)碼(3) 負(fù)數(shù)補(bǔ)碼的求法(以定點(diǎn)整數(shù)為例，定點(diǎn)小數(shù)同樣適用)設(shè)X=-Xn-2Xn-3X1X0，在 MOD 2n 條件下：X補(bǔ)=2n+X=2n-Xn-2Xn-3X1X0=2n-1+2n-1-Xn-2Xn-3X1X0=2n-1+(1111-Xn-2Xn-3X1X0)+1=2n-1+Xn-2 Xn-3 X1 X0 +1=1Xn-2Xn-3 X1X0+1符號(hào)位為1；其余各位取反；末位加1例 n=5，求X1=1001, Y1=-1001, X2=0.1011, Y2=-0.1011的補(bǔ)碼X1補(bǔ)=01001, Y1補(bǔ)=1

11、0111, X2補(bǔ)=0.1011, Y1補(bǔ)=1.01011.3.3 補(bǔ)碼161.3.4 二進(jìn)制數(shù)的加、減法運(yùn)算無(wú)符號(hào)數(shù)加法運(yùn)算無(wú)符號(hào)數(shù)減法運(yùn)算二進(jìn)制加法運(yùn)算規(guī)則：例 已知A=11011101，B=10110011，求A+B 1 1 0 1 11 0 1+ 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0A+B=110010000二進(jìn)制減法運(yùn)算規(guī)則：例 已知A=11100101，B=10101011，求A-B 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0A-B=001110100+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=1

12、00-0=0, 1-0=1, 1-1=0, 0-1=1(有借位)1.3.4 二進(jìn)制數(shù)的加、減法運(yùn)算17注：2個(gè)同符號(hào)數(shù)相加，絕對(duì)值之和不能超過(guò)有效數(shù)據(jù)位表示的最大值，否則溢出1.3.4 二進(jìn)制數(shù)的加、減法運(yùn)算有符號(hào)數(shù)加減運(yùn)算計(jì)算機(jī)中的減法運(yùn)算用補(bǔ)碼加法完成例 用二進(jìn)制補(bǔ)碼運(yùn)算求(+15)+(+8)、(+15)+(-8)、(-15)+(+8)、(-15)+(-8)的計(jì)算結(jié)果，設(shè)字長(zhǎng)為8位+ 15+ + 8+ 230 0 0 0 1 1 1 1+ 0 0 0 0 1 0 0 00 0 0 1 0 1 1 1- 15+ + 8- 71 1 1 1 0 0 0 1+ 0 0 0 0 1 0 0 01

13、1 1 1 1 0 0 1+ 15+ - 8+ 70 0 0 0 1 1 1 1+ 1 1 1 1 1 0 0 0(1) 0 0 0 0 0 1 1 1- 15+ - 8- 231 1 1 1 0 0 0 1+ 1 1 1 1 1 0 0 0(1) 1 1 1 0 1 0 0 1+15、+8、-15、-8的補(bǔ)碼表示(8位)分別為：00001111、00001000、11110001、11111000二進(jìn)制數(shù)的加碼和減法運(yùn)算181.4 常用編碼1.4 常用編碼1.4.1 二-十進(jìn)制編碼(BCD碼)1.4.2 格雷碼1.4.3 ASCII碼 191.4 常用編碼1.4.1 二-十進(jìn)制編碼(BCD碼

14、) 二-十進(jìn)制編碼是用四位二進(jìn)制代碼表示一位十進(jìn)制數(shù)的編碼方式，也稱為BCD(Binary Coded Decimal)碼，四位二進(jìn)制代碼有十六種，取哪10種組合表示十進(jìn)制數(shù)可以有多種方式，常用的BCD編碼方式如下表所示。其中包括三種有權(quán)碼和兩種無(wú)權(quán)碼。 十進(jìn)制數(shù)有權(quán)碼無(wú)權(quán)碼842154212421余3碼余3循環(huán)碼00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 1 10 0 1 010 0 0 10 0 0 10 0 0 10 1 0 00 1 1 020 0 1 00 0 1 00 0 1 00 1 0 10 1 1 130 0 1 10 0 1 10 0 1 10 1 1 00 1 0

15、 140 1 0 00 1 0 00 1 0 00 1 1 10 1 0 050 1 0 11 0 0 01 0 1 11 0 0 01 1 0 060 1 1 01 0 0 11 1 0 01 0 0 11 1 0 170 1 1 11 0 1 01 1 0 11 0 1 01 1 1 181 0 0 01 0 1 11 1 1 01 0 1 11 1 1 091 0 0 11 1 0 01 1 1 11 1 0 01 0 1 0201.4 常用編碼1.4.2 格雷碼(Gray Code)格雷碼又叫循環(huán)碼，具有多種編碼形式，但都有一個(gè)共同特點(diǎn)，任意兩個(gè)相鄰的編碼僅有一位不同，而且存在一個(gè)對(duì)稱

16、軸。相鄰性循環(huán)性對(duì)稱軸上邊和下邊的編碼，除最高位是互補(bǔ)外，其余各個(gè)數(shù)位都是以對(duì)稱軸為中線鏡像對(duì)稱的。反射性十進(jìn)制數(shù)格雷碼00 0 0 010 0 0 120 0 1 130 0 1 040 1 1 050 1 1 160 1 0 170 1 0 081 1 0 091 1 0 1A1 1 1 1B1 1 1 0C1 0 1 0D1 0 1 1E1 0 0 1F1 0 0 0211.4 常用編碼1.4.3 ASCII碼ASCII碼分為兩類：一類是字符編碼，這類編碼代表的字符可以顯示打?。涣硪活惥幋a是控制字符編碼，每個(gè)都有特定的含義，起一個(gè)控制功能，如回車和換行控制字符。標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼字符集高位

17、低位0000010100111001011101110000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111NULSOHSTXETXEOTENQACKBELBSHTLFVTFFCRSOSIDLEDC1DC2DC3DC4NAKSYNETBCANEMSUBESCPSGSRSUSSP！“#$%&()*+-./0123456789:;?ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ_abcdefghijklmnopqrstuvwxyz|DEL221.4 常用編碼1.4.3 ASCII碼ASCII碼中的英文字母有大小寫之分空格

18、(20H) 數(shù)字(019) 大寫字母(ABZ) 小寫字母(abz )常用的ASCII碼控制字符(共33個(gè))：00H1FH,7FH，其中 00HNUL；0DH回車；0AH換行；07H響鈴可顯示(打印)的字符(共95個(gè))：20H7EH，其中 20H空格； 30H數(shù)字0； 41H大寫字母A； 61H小寫字母a；231.5 Proteus 軟件簡(jiǎn)介 1.5 Proteus 軟件簡(jiǎn)介 1.5.1 Proteus簡(jiǎn)介Proteus軟件是由英國(guó)Labcenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，1989年問(wèn)世。Proteus軟件的功能非常強(qiáng)大，它集電路設(shè)計(jì)、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/數(shù)混合電路的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，更是目前世界上最先進(jìn)、最完整的多種微控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。它真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上完成從原理圖設(shè)計(jì)、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼設(shè)計(jì)、調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測(cè)試與功能驗(yàn)證到形成PCB(Printed Circuit Board，印制電路板)的完整的電子設(shè)計(jì)、研發(fā)過(guò)程。經(jīng)過(guò)了20年多的使用、發(fā)展和完善，功能越來(lái)越強(qiáng)，性能越來(lái)越好。241.5 Proteus 軟件簡(jiǎn)介 1