數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì) 于俊清 微課版 教案 第1、2章 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、邏輯代數(shù)基礎(chǔ)

數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)基礎(chǔ)本章的主要知識(shí)點(diǎn)包括數(shù)制及其轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制的算術(shù)運(yùn)算、BCD碼和可靠性編碼等。參考學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)（總學(xué)時(shí)32課時(shí)，課時(shí)為48課時(shí)可分配4學(xué)時(shí)）。教學(xué)目標(biāo)（能力要求）系統(tǒng)梳理半導(dǎo)體與微電子技術(shù)發(fā)展的歷史，激發(fā)學(xué)生專(zhuān)業(yè)熱情，結(jié)合我國(guó)計(jì)算機(jī)發(fā)展面臨的卡脖子現(xiàn)狀，鼓勵(lì)學(xué)生積極投身信息成業(yè)自主可控；學(xué)生可解釋數(shù)字系統(tǒng)的概念、類(lèi)型及研究方法；學(xué)生能闡述數(shù)制的基本特點(diǎn)，可在不同數(shù)制之間進(jìn)行數(shù)字的轉(zhuǎn)換；學(xué)生能理解帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的代碼表示，能將真值和原碼、反碼、補(bǔ)碼的進(jìn)行轉(zhuǎn)換；學(xué)生能熟記幾種常用的編碼（8421碼、2421碼、5421碼、余三碼），說(shuō)明有權(quán)碼和無(wú)權(quán)碼的區(qū)別，能闡述不同編碼的特點(diǎn)和特性；學(xué)生能闡述奇偶校驗(yàn)碼和格雷碼的工作原理與主要特征，并能利用相關(guān)原理進(jìn)行二進(jìn)制和格雷碼的轉(zhuǎn)換，能根據(jù)信息碼生成校驗(yàn)碼，并能根據(jù)信息碼和校驗(yàn)碼辨別數(shù)據(jù)是否可靠。教學(xué)重點(diǎn)BCD碼奇偶校驗(yàn)碼格雷碼教學(xué)難點(diǎn)理解不同BCD碼的編碼方案及相關(guān)特征理解可靠性編碼方案、驗(yàn)證的原理以及使用方法。教學(xué)主要內(nèi)容課程概述（15分鐘）科技革命促生互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代半導(dǎo)體與微電子技術(shù)發(fā)展歷程課程性質(zhì)、內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法芯片與數(shù)字電路（20分鐘）數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)數(shù)字邏輯電路的特點(diǎn)數(shù)字邏輯電路的分類(lèi)數(shù)字邏輯電路的研究方法數(shù)制及其轉(zhuǎn)換（5分鐘）進(jìn)位計(jì)數(shù)值的概念和基本要素二進(jìn)制和十進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換二進(jìn)制和八進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換二進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算（5分鐘）無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的機(jī)器碼表示帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算BCD碼（20分鐘）有權(quán)碼和無(wú)權(quán)碼的區(qū)別8421碼的編碼規(guī)律及和十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換2421碼的編碼規(guī)律及和十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換5421碼的編碼規(guī)律及和十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換余三碼的編碼規(guī)律及和十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換奇偶校驗(yàn)碼（15分鐘）奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)的概念奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)校驗(yàn)位的生成方法和校驗(yàn)方法奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)的特點(diǎn)格雷碼（10分鐘）格雷碼的特點(diǎn)和用途格雷碼和二進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換教學(xué)過(guò)程與方法課程概述（15分鐘）科技革命促生互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代以習(xí)總書(shū)記的講話作為整個(gè)課程的導(dǎo)入，說(shuō)明科技發(fā)展是強(qiáng)國(guó)必有之路，穿插不同國(guó)家崛起的歷史，結(jié)合第一次工業(yè)革命、第二次工業(yè)革命，推出目前進(jìn)入的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，結(jié)合中美貿(mào)易戰(zhàn)事件，引導(dǎo)學(xué)生積極投身國(guó)產(chǎn)IT生態(tài)的建設(shè)。PPT課件中提供了較為詳實(shí)的內(nèi)容，教師可以根據(jù)自己的需要控制時(shí)間選取部分進(jìn)行講述，以上這些故事素材可以在網(wǎng)上百度了解。半導(dǎo)體與微電子技術(shù)發(fā)展歷程從電子管到半導(dǎo)體，到晶體管，進(jìn)一步延申到分立元件電路，再到集成電路，講述科技發(fā)展的神速，說(shuō)明微電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些科技的物質(zhì)基礎(chǔ)，而數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)課程士氣理論基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)課程的重要性。。課程性質(zhì)、內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法介紹課程的性質(zhì)、學(xué)習(xí)方法、教學(xué)內(nèi)容以及課程考核方法。教師可以根據(jù)自己的課時(shí)、考核方法進(jìn)行介紹。芯片與數(shù)字電路（20分鐘）數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)給出模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的概念，引出數(shù)字系統(tǒng)的概念，并給出模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。數(shù)字邏輯電路的特點(diǎn)介紹數(shù)字邏輯電路的特點(diǎn)。數(shù)字邏輯電路的分類(lèi)結(jié)合實(shí)例介紹數(shù)字邏輯電路的分類(lèi)及各自的特點(diǎn)。數(shù)字邏輯電路的研究方法介紹數(shù)字邏輯電路的任務(wù)及研究方法，強(qiáng)調(diào)課程所學(xué)為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，本課程關(guān)注的重點(diǎn)是對(duì)電路本身的理解，現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法將在后續(xù)的課程進(jìn)行。數(shù)制及其轉(zhuǎn)換（5分鐘）這一部分內(nèi)容學(xué)生大多在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、c語(yǔ)言等課程學(xué)習(xí)過(guò)，這里不再詳細(xì)介紹，只是簡(jiǎn)單帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)一下其中的重點(diǎn)內(nèi)容。進(jìn)位計(jì)數(shù)值的概念和基本要素介紹R進(jìn)制的概念和基本要素，引申到二進(jìn)制、十進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制。二進(jìn)制和十進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)二進(jìn)制和十進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換方法。二進(jìn)制和八進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)二進(jìn)制和八進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換方法。二進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)二進(jìn)制和十六進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換方法。二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算（5分鐘）這一部分內(nèi)容學(xué)生大多在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、c語(yǔ)言等課程學(xué)習(xí)過(guò)，這里不再詳細(xì)介紹，只是簡(jiǎn)單帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)一下其中的重點(diǎn)內(nèi)容。無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)無(wú)符號(hào)二進(jìn)制的算數(shù)運(yùn)算。帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的機(jī)器碼表示帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的機(jī)器碼表示。帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)帶符號(hào)二進(jìn)制的算數(shù)運(yùn)算。BCD碼（20分鐘）有權(quán)碼和無(wú)權(quán)碼的區(qū)別給出這個(gè)表格，讓學(xué)生進(jìn)行觀察，自主找出各種BCD碼的特點(diǎn)。強(qiáng)調(diào)有權(quán)碼和無(wú)權(quán)碼的區(qū)別，強(qiáng)調(diào)每一種BCD碼均有6組無(wú)效碼。8421碼的編碼規(guī)律及和十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換結(jié)合學(xué)生的總結(jié)，介紹8421碼的特點(diǎn)，以及和十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換方法。2421碼的編碼規(guī)律及和十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換結(jié)合學(xué)生的總結(jié)，介紹2421碼的特點(diǎn)，以及和十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換方法。因?yàn)?421碼不具備單值性，學(xué)生不容易記憶5-9的2421碼，強(qiáng)調(diào)2421碼是一種對(duì)9的自補(bǔ)代碼，可方便的根據(jù)0-4的2421碼求出5-9的2421碼。。5421碼的編碼規(guī)律及和十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換結(jié)合學(xué)生的總結(jié)，介紹5421碼的特點(diǎn)，以及和十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換方法。余三碼的編碼規(guī)律及和十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換結(jié)合學(xué)生的總結(jié)，介紹余三碼的特點(diǎn)，以及和十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換方法。奇偶校驗(yàn)碼（15分鐘）奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)的概念介紹奇偶校驗(yàn)碼的概念、原理和應(yīng)用。奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)校驗(yàn)位的生成方法和校驗(yàn)方法引導(dǎo)學(xué)生利用異或運(yùn)算的性質(zhì)，根據(jù)信息位求出校驗(yàn)位。結(jié)合校驗(yàn)位的產(chǎn)生方法，引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出校驗(yàn)方法。奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)的特點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出奇偶校驗(yàn)碼的特點(diǎn)。格雷碼（10分鐘）格雷碼的特點(diǎn)和用途引導(dǎo)學(xué)生觀察表格，找出格雷碼的特點(diǎn)，即相鄰數(shù)字只有1位不同，并說(shuō)明格雷碼的用途。格雷碼和二進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換給出二進(jìn)制轉(zhuǎn)換格雷碼的方法，引導(dǎo)學(xué)生自己推出格雷碼轉(zhuǎn)換二進(jìn)制的方法。第二章邏輯代數(shù)基礎(chǔ)本章的主要知識(shí)點(diǎn)包括邏輯代數(shù)的基本概念、定理、常用公式及三個(gè)規(guī)則、邏輯函數(shù)表達(dá)式形式與變化、邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)等。參考學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)（總學(xué)時(shí)32學(xué)時(shí)，課時(shí)為48課時(shí)可分配6學(xué)時(shí)）。教學(xué)目標(biāo)（能力要求）學(xué)生能說(shuō)明邏輯代數(shù)的基本概念，闡述邏輯代數(shù)的基本特點(diǎn)；學(xué)生熟練掌握邏輯代數(shù)的幾種基本運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)算以及他們的優(yōu)先順序；學(xué)生能闡述正邏輯和負(fù)邏輯的定義和二者之間的關(guān)系；學(xué)生能熟記邏輯代數(shù)的基本定理、常用公式和重要規(guī)則，并能熟練運(yùn)用；學(xué)生能闡述邏輯函數(shù)相等的判斷方法；學(xué)生能闡述邏輯函數(shù)幾種基本形式的特點(diǎn)，并能利用邏輯代數(shù)的基本定理、常用公式和重要規(guī)則進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換；學(xué)生能闡述最小項(xiàng)和最大項(xiàng)的概念和性質(zhì)，并能將任意邏輯函數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)形式；學(xué)生能闡述最簡(jiǎn)與或式和最簡(jiǎn)或與式的特點(diǎn)，并能利用邏輯代數(shù)的基本定理、常用公式和重要規(guī)則進(jìn)行邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)；學(xué)生能闡述卡諾圖的結(jié)構(gòu)，具備將一般函數(shù)轉(zhuǎn)換為卡諾圖的形式的能力，并能借助于卡諾圖化簡(jiǎn)函數(shù)的最簡(jiǎn)與或式和最簡(jiǎn)或與式。學(xué)生了解列表化簡(jiǎn)法的原理的化簡(jiǎn)步驟。教學(xué)重點(diǎn)邏輯表達(dá)式的形式與變換代數(shù)化簡(jiǎn)法卡諾圖化簡(jiǎn)教學(xué)難點(diǎn)代數(shù)化簡(jiǎn)法卡諾圖化簡(jiǎn)法教學(xué)主要內(nèi)容邏輯代數(shù)概述（45分鐘）邏輯代數(shù)的基本概念邏輯運(yùn)算正邏輯和負(fù)邏輯邏輯代數(shù)的基本定理、常用公式和規(guī)則（60分鐘）邏輯代數(shù)的基本定理邏輯代數(shù)的常用公式邏輯代數(shù)的三大規(guī)則邏輯函數(shù)（45分鐘）邏輯函數(shù)基本概念邏輯函數(shù)表達(dá)式的基本形式邏輯函數(shù)表達(dá)式的標(biāo)準(zhǔn)形式邏輯函數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)形式代數(shù)化簡(jiǎn)法（60分鐘）代數(shù)化簡(jiǎn)法的基本原理和舉例代數(shù)化簡(jiǎn)法特點(diǎn)卡諾圖化簡(jiǎn)法（60分鐘）卡諾圖的構(gòu)成函數(shù)在卡諾圖上的表示卡諾圖合并規(guī)律卡諾圖化簡(jiǎn)舉例列表化簡(jiǎn)法（20分鐘）（總32學(xué)時(shí)時(shí)不講，可根據(jù)學(xué)時(shí)情況刪減））列表化簡(jiǎn)法的原理和應(yīng)用范圍列表化簡(jiǎn)法舉例教學(xué)過(guò)程與方法邏輯代數(shù)概述（45分鐘）邏輯代數(shù)的基本概念簡(jiǎn)單介紹邏輯代數(shù)的基本概念，強(qiáng)調(diào)邏輯代數(shù)只有三種基本運(yùn)算，變量只有兩種取值。邏輯值“0”和“1”不具有數(shù)量大小的意義，而是用來(lái)表征矛盾的雙方和判斷事件真?zhèn)蔚男问椒?hào)，無(wú)大小、正負(fù)之分。邏輯運(yùn)算介紹邏輯代數(shù)中的三種基本運(yùn)算以及三種運(yùn)算對(duì)應(yīng)的邏輯門(mén)、真值表等，進(jìn)一步介紹五種復(fù)合運(yùn)算，及其對(duì)應(yīng)的邏輯門(mén)，以及各種邏輯運(yùn)算的優(yōu)先級(jí)別。正邏輯和負(fù)邏輯通過(guò)實(shí)例介紹正邏輯和負(fù)邏輯的概念以及二者之間的關(guān)系。邏輯代數(shù)的基本定理、常用公式和規(guī)則（60分鐘）邏輯代數(shù)的基本定理簡(jiǎn)單介紹邏輯代數(shù)的基本定理，特別強(qiáng)調(diào)分配律和反演率。邏輯代數(shù)的常用公式結(jié)合邏輯代數(shù)的基本定理，引導(dǎo)學(xué)生自主證明邏輯代數(shù)常用的五組公式。在證明的過(guò)程中，只證明每一組的第一個(gè)公式，第二個(gè)公式不予證明。邏輯代數(shù)的三大規(guī)則結(jié)合邏輯代數(shù)的三個(gè)規(guī)則，并引導(dǎo)學(xué)生觀察，邏輯代數(shù)常用的五個(gè)公式每一組的第二個(gè)公式是第一個(gè)公式兩邊取對(duì)偶的形式，因此，在證明第一個(gè)公式后，可利用對(duì)偶規(guī)則直接證明第2個(gè)公式。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生觀察，每組公式的第一個(gè)公式均為與或表達(dá)式，第二個(gè)公式為或與表達(dá)式，為后面的學(xué)習(xí)埋下伏筆。此外，強(qiáng)調(diào)反演率是反演規(guī)則的最簡(jiǎn)單的形式。邏輯函數(shù)（45分鐘）邏輯函數(shù)基本概念簡(jiǎn)單介紹邏輯函數(shù)的基本概念，以及其特點(diǎn)。引入包含無(wú)關(guān)條件的邏輯問(wèn)題，為第四章的學(xué)習(xí)埋下伏筆。簡(jiǎn)單介紹邏輯函數(shù)的幾種表示方法，以及他們之間的相互轉(zhuǎn)換。舉例說(shuō)明如何判斷兩個(gè)邏輯函數(shù)相等。邏輯函數(shù)表達(dá)式的基本形式介紹邏輯韓式表達(dá)式的五種基本形式，并以實(shí)例說(shuō)明如何將一個(gè)邏輯函數(shù)轉(zhuǎn)換為5種基本形式。邏輯函數(shù)表達(dá)式的標(biāo)準(zhǔn)形式從最小項(xiàng)和最大型的概念和性質(zhì)入手，介紹邏輯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式。邏輯函數(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)形式舉例說(shuō)明如何用代數(shù)法和真值表法將一般函數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)形式。代數(shù)化簡(jiǎn)法（60分鐘）代數(shù)化簡(jiǎn)法的基本原理和實(shí)例介紹代數(shù)化簡(jiǎn)法的基本原理、常用公式，強(qiáng)調(diào)，代數(shù)化簡(jiǎn)法是建立在對(duì)邏輯代數(shù)的定理、公式和規(guī)則熟悉的基礎(chǔ)上，并不是單純幾個(gè)公式就可以走遍天下。舉例說(shuō)明代數(shù)化簡(jiǎn)法進(jìn)行與或表達(dá)式和或與表達(dá)式的化簡(jiǎn)。當(dāng)對(duì)或與形式不太熟悉時(shí)，可采用兩次對(duì)偶和兩次取反法來(lái)進(jìn)行或與表達(dá)式的化簡(jiǎn)。通過(guò)實(shí)例說(shuō)明其他幾種基本類(lèi)型表達(dá)式的化簡(jiǎn)方法。代數(shù)化簡(jiǎn)法特點(diǎn)總結(jié)代數(shù)化簡(jiǎn)法的特點(diǎn)，指出其不足之處，引出卡諾圖化簡(jiǎn)法?？ㄖZ圖化簡(jiǎn)法（60分鐘）卡諾圖的構(gòu)成介紹卡諾圖的構(gòu)成，強(qiáng)調(diào)卡諾圖時(shí)真值表的圖形化表示方法。函數(shù)在卡諾圖上的表示結(jié)合實(shí)例說(shuō)明如何快速做出函數(shù)的卡諾圖?？ㄖZ圖合并規(guī)律結(jié)合實(shí)例，分別介紹卡諾圖上最小項(xiàng)的合并規(guī)律，最后總結(jié)卡諾圖上最小項(xiàng)的合并規(guī)律，強(qiáng)調(diào)參與合并的小方格一定是的2m個(gè)小方格，他們含有m個(gè)不同變量，(n-m)個(gè)相同變量，最終消去不同變量，留下相同變量組成的與項(xiàng)，其中，變量取值為1則為原變量，取值為0則為反變量。卡諾圖化簡(jiǎn)舉例結(jié)合實(shí)例介紹各種卡諾圖化簡(jiǎn)的方法和技巧，強(qiáng)調(diào)畫(huà)卡諾圈的八字方針“能大不小，