《數(shù)字電子技術(shù)》課件第一章

第一章數(shù)制與編碼1.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制1.2數(shù)制轉(zhuǎn)換1.3編碼數(shù)字設(shè)備及計(jì)算機(jī)存在兩種不同類型的運(yùn)算：邏輯運(yùn)算和算術(shù)運(yùn)算。邏輯運(yùn)算實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)某種控制功能，而算術(shù)運(yùn)算是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工。算術(shù)運(yùn)算的對(duì)象是數(shù)據(jù)，因此對(duì)數(shù)的基本特征和性質(zhì)應(yīng)有所了解。同時(shí)，數(shù)字設(shè)備中采用二進(jìn)制數(shù)，因而，在數(shù)字設(shè)備中表示的數(shù)、字母、符號(hào)等等都要以特定的二進(jìn)制碼來(lái)表示——這就是二進(jìn)制編碼。所以本章將對(duì)數(shù)制的一些基本知識(shí)進(jìn)行介紹，同時(shí)還將介紹一些常用的編碼。

1.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制

目前計(jì)數(shù)通常采用進(jìn)位計(jì)數(shù)法。進(jìn)位計(jì)數(shù)法是將數(shù)劃分為不同的數(shù)位，按位進(jìn)行累計(jì)，累計(jì)到一定數(shù)量之后，又從零開(kāi)始，同時(shí)向高位進(jìn)位。由于位數(shù)不同，因此同樣的數(shù)碼在不同的數(shù)位中所表示的數(shù)值是不同的，低位數(shù)值小，高位數(shù)值大。進(jìn)位計(jì)數(shù)法使用較少的數(shù)碼就能表示較大的數(shù)。每個(gè)數(shù)位規(guī)定使用的數(shù)碼符號(hào)的總數(shù)，稱為進(jìn)位基數(shù)，又稱進(jìn)位模數(shù)，用R表示。若每位數(shù)碼用ai表示，n

為整數(shù)的位數(shù)，m為小數(shù)的位數(shù)，則進(jìn)位計(jì)數(shù)制表示數(shù)的式子為

N=an－1an－2…ai…a1a0a－1a－2…a－m

當(dāng)某位的數(shù)碼為1時(shí)所表征的數(shù)值，稱為該數(shù)位的權(quán)值。權(quán)值隨數(shù)位的增加呈指數(shù)規(guī)律增加，最低位的權(quán)值為1，第i位的權(quán)值為Ri。這樣，第i

位數(shù)碼ai所表示的絕對(duì)值就是數(shù)碼ai乘上該位數(shù)的權(quán)值，即ai×Ri。故上式可寫(xiě)成下述按權(quán)展開(kāi)式

N=an－1Rn－1+…+aiRi+…+a0R0+a－1R－1+…+a－mR－m

該式對(duì)任何進(jìn)位制均是適用的。1.1.1十進(jìn)制

十進(jìn)制是人們最熟悉的一種數(shù)制，它的進(jìn)位規(guī)則是“逢十進(jìn)一”。每位數(shù)碼用下列十個(gè)符號(hào)之一表示，即0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。

例如一個(gè)多位十進(jìn)制數(shù)為

N=(1989.524)D

下標(biāo)D表示十進(jìn)制數(shù)。

根據(jù)位權(quán)的概念寫(xiě)出按權(quán)展開(kāi)式：

N=1×103+9×102+8×101+9×100+5×10－1+2×10－2+4×10－31.1.2二進(jìn)制

二進(jìn)制是目前數(shù)字設(shè)備、計(jì)算機(jī)采用的數(shù)制。它的進(jìn)位規(guī)則是“逢二進(jìn)一”，每位數(shù)碼只有下列兩個(gè)符號(hào)：0，1。而表示兩種狀態(tài)的電路是很容易實(shí)現(xiàn)的，例如，三極管的導(dǎo)通與截止，節(jié)點(diǎn)電位的高與低，繼電器的閉合與斷開(kāi)等。一個(gè)多位二進(jìn)制數(shù)表示如下：

N=（1101.01)B下標(biāo)B表示為二進(jìn)制。其按權(quán)展開(kāi)式為

N=1×23+1×22+0×21+1×20+0×2－1+1×2－2

為便于理解和熟悉二進(jìn)制，下面列出十進(jìn)制數(shù)和二進(jìn)制數(shù)的關(guān)系式：

(1101.01)B=1×23+1×22+1×20+1×2－2

=8+4+1+0.25

=(13.25)D二進(jìn)制書(shū)寫(xiě)起來(lái)太長(zhǎng)，故在數(shù)字設(shè)備和計(jì)算機(jī)中，

常采用八進(jìn)制或十六進(jìn)制，可有效地縮短字長(zhǎng)。因8=23，16=24，故一位八進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于三位二進(jìn)制數(shù)，一位十六進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于四位二進(jìn)制數(shù)，這樣就分別將字長(zhǎng)縮短為原來(lái)的1/3和1/4。1.1.3八進(jìn)制和十六進(jìn)制

八進(jìn)制的進(jìn)位規(guī)則是“逢八進(jìn)一”，每位數(shù)碼用下列八個(gè)符號(hào)之一表示：0，1，2，3，4，5，6，7。

一個(gè)多位八進(jìn)制數(shù)表示如下：

N=（37.4)O

下標(biāo)O表示為八進(jìn)制。其按權(quán)展開(kāi)式為

N=3×81+7×80+4×8－1=24+7+0.5=(31.5)O為便于比較，表1-1列出不同數(shù)制的對(duì)照關(guān)系。

由表可以十分方便寫(xiě)出二進(jìn)制與八進(jìn)制、十六進(jìn)制的關(guān)系：

10101100.1001=(254.44)O=(AC.9)H

由于二進(jìn)制機(jī)器實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分容易，而十進(jìn)制為人們熟悉，八進(jìn)制和十六進(jìn)制可壓縮字長(zhǎng)，因此，這幾種數(shù)

制都會(huì)用到，這樣必然會(huì)遇到不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。1.2數(shù)制轉(zhuǎn)換

1.2.1其它進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換

1.其它進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)

其它進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)用加權(quán)法，即將其它進(jìn)制數(shù)寫(xiě)成按權(quán)展開(kāi)式，然后各項(xiàng)相加，則得相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。［例1］N=(1011.011)B=(?)D

按權(quán)展開(kāi)

N=1×23+0×22+1×21+1×20+0×2－1+1×2－2+1×2－3

=8+2+1+0.25+0.125

=(11.375)D

今后數(shù)碼為0的那些項(xiàng)可以不寫(xiě)。［例2］

N=(153.07)O=(?)D

N=1×82+5×81+3×80+7×8－2

=64+40+3+0.109375

=(107.109375)D

［例3］

N=（E93.A)H

N=14×162+9×161+3×160+10×16－1

=3584+144+3+0.625

=(3731.625)D

2.十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為其它進(jìn)制數(shù)

十進(jìn)制數(shù)分為整數(shù)和小數(shù)兩部分，它們的轉(zhuǎn)換方法

不同。

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)除以將轉(zhuǎn)換為新進(jìn)位制的基數(shù)，取其余數(shù)，其步驟如下：

（1）將待轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)除以新進(jìn)位制基數(shù)R，其余數(shù)作為新進(jìn)位制數(shù)的最低位（LSB）；

（2）將前步所得之商再除以新進(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），將每次所得之商除以新進(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，直到最后相除之商為0，這時(shí)的余數(shù)即為新進(jìn)位制數(shù)的最高位(MSB)。［例4］(241)D=(？)B=(？)O=(？)H即當(dāng)?shù)玫蕉M(jìn)制數(shù)后，可直接通過(guò)二進(jìn)制數(shù)寫(xiě)出八進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)。

純小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換，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)位制的有關(guān)數(shù)位。步驟如下：

（1）將待轉(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；

（2）將前步所得小數(shù)部分再乘以新進(jìn)位制基數(shù)R，取其積的整數(shù)部分作為新進(jìn)位制小數(shù)的次高位；

（3）重復(fù)前一步，直到小數(shù)部分變成0時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。或者小數(shù)部分雖未變成0，但新進(jìn)位制小數(shù)的位數(shù)已達(dá)到預(yù)定的要求（如位數(shù)的要求或者精度的要求）時(shí)，轉(zhuǎn)換也可結(jié)束。［例5］(0.875)D=(?)B即(0.875)D=(0.111)B［例6］(0.39)D=(?)B即此例中不能用有限位數(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的小數(shù)究竟取多少位合適呢？實(shí)際中常用指定轉(zhuǎn)換位數(shù)，如指定轉(zhuǎn)換為八位，則（0.39)D=(0.01100011)B；也可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度確定位數(shù)。如此例要求轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于0.1%，即引入一個(gè)小于1/210=1/1024的舍入誤差，則轉(zhuǎn)換到第十位時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。

如果是一個(gè)有整數(shù)又有小數(shù)的數(shù)，則整數(shù)小數(shù)應(yīng)分開(kāi)轉(zhuǎn)換，再相加得轉(zhuǎn)換結(jié)果。［例7］（52.375)D=(?)B

整數(shù)為52，按整數(shù)轉(zhuǎn)換方法——基數(shù)除法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。即(52.375)D=(110100.011)B1.2.2二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換

由于二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)之間正好滿足23和24關(guān)系，因此它們之間的轉(zhuǎn)換十分方便。

二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)時(shí)，將二進(jìn)制數(shù)由低位向高位每三位或每四位一組，若最高位一組不足位，則整數(shù)在有效位左邊加0，小數(shù)在有效位的右邊加0，然后按每組二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)。［例8］(111010101.110)B=(?)O=(?)H

(111010101.110)B=111/010/101.110=(725.6)O

=0001/1101/0101.1100

=(1D5.C)H

八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)為二進(jìn)制數(shù)是上述的逆過(guò)程，分別將每位八進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)用二進(jìn)制代碼寫(xiě)出來(lái)，然后寫(xiě)成相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。［例9］(563)O=(?)B,(563)H=(?)B

(563)O=101/110/011=(101110011)B

(563)H=0101/0110/0011=(10101100011)B

當(dāng)要求將八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換時(shí)，可通過(guò)二進(jìn)制來(lái)完成。［例10］(8FC)H=(？)O

(8FC)H=1000/1111/1100=(100011111100)B

=100/011/111/100

=(4374)O

1.3編碼

在數(shù)字設(shè)備中，任何數(shù)據(jù)和信息都是用代碼來(lái)表示的。在二進(jìn)制中只有兩個(gè)符號(hào)，如有n位二進(jìn)制，它可有2n種不同的組合，即可以代表2n種不同的信息。指定某一組合去代表某個(gè)給定的信息，這一過(guò)程就是編碼，而將表示給定信息的這組符號(hào)叫做碼或代碼。實(shí)際上，前面討論數(shù)制時(shí)，我們用一組符號(hào)來(lái)表示數(shù)，這就是編碼過(guò)程。由于指定可以是任意的，故存在多種多樣的編碼方案。本節(jié)將討論幾種常用的編碼。1.3.1二—十進(jìn)制（BCD）碼

由于二進(jìn)制機(jī)器容易實(shí)現(xiàn)，所以數(shù)字調(diào)和中廣泛采用二進(jìn)制。但是，人們對(duì)十進(jìn)制熟悉，對(duì)二進(jìn)制不習(xí)慣。兼顧兩者，我們用一組二進(jìn)制數(shù)符來(lái)表示十進(jìn)制數(shù)，這就是用二進(jìn)制碼表示的十進(jìn)制數(shù)，簡(jiǎn)稱BCD碼（BinaryCodedDecimal的縮寫(xiě)）。它具有二進(jìn)制數(shù)的形式，卻又具有十

進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)。它可以作為人與數(shù)字系統(tǒng)聯(lián)系的一種中間表示。

一位十進(jìn)制數(shù)有0~9十個(gè)數(shù)符，必須用四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，而四位二進(jìn)制數(shù)有十六種組態(tài)，指定其中的任意10個(gè)組態(tài)來(lái)表示十進(jìn)制的十個(gè)數(shù)，其編碼方案是很多的，即

而目前使用的編碼還未到十種。BCD編碼大致分為有權(quán)BCD碼和無(wú)權(quán)BCD碼。從十六種組合中取出10種組合，

組成BCD碼，余下的6種組合對(duì)應(yīng)的代碼為非法碼，不允許出現(xiàn)，否則將產(chǎn)生錯(cuò)誤。

1.有權(quán)BCD碼

在有權(quán)BCD碼中，每一個(gè)十進(jìn)制數(shù)符均用一個(gè)四位二進(jìn)制碼來(lái)表示，這四位二進(jìn)制碼中的每一位均有固定權(quán)，即表示固定的數(shù)值。常見(jiàn)的有權(quán)BCD碼如表1-2前三列所示。表中所列權(quán)值就是該編碼方式相應(yīng)各位的權(quán)，如8421BCD碼，它們的權(quán)值由高到低各位權(quán)值為8、4、2、1。代碼為1001，其值為8+1=9。而同一代碼1001，對(duì)應(yīng)其它代碼所表示的數(shù)就不同。5421碼為6；2421碼為3，其原因是權(quán)值不同。有權(quán)碼的按權(quán)展開(kāi)式為

N=a3W3+a2W2+a1W1+a0W0式中a3~a0為各位的代碼，W3~W0為各位的權(quán)值。按上式

可以由給定編碼方案，求出各位的權(quán)值；也可由給定的權(quán)值，求出其編碼方案。有權(quán)BCD碼中用得最多的是8421BCD碼，因?yàn)樗钪庇^，取四位二進(jìn)制的前十種代碼，能很容易地實(shí)現(xiàn)8421BCD到十進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換。如十進(jìn)制數(shù)586.13用8421BCD碼表示為

586.13=010110000110.00010011同樣地，要將8421BCD碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，則只要從最低位開(kāi)始，將BCD碼按四位一組，然后按8421BCD碼的權(quán)值寫(xiě)出十進(jìn)制數(shù)即可。如

(0011011110010110)8421BCD=0011/0111/1001/0110

=3796

如要將BCD碼轉(zhuǎn)為十進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)，則首先應(yīng)將BCD碼轉(zhuǎn)為十進(jìn)制數(shù)，然后再按前節(jié)所講的十進(jìn)制與其它進(jìn)制的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.無(wú)權(quán)BCD碼

余3代碼是一種無(wú)權(quán)碼，四位二進(jìn)制中每一位均無(wú)固定的權(quán)位，它與8421BCD有如下的關(guān)系：

余3BCD=8421BCD+3

如余3BCD的1100所代表的十進(jìn)制數(shù)為8+4－3=9。1.3.2可靠性代碼

代碼在產(chǎn)生和傳輸?shù)倪^(guò)程中難免發(fā)生錯(cuò)誤。為減少錯(cuò)誤的發(fā)生，或者在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)能迅速地發(fā)現(xiàn)或糾正，廣

泛采用了可靠性編碼技術(shù)。利用該技術(shù)編制出來(lái)的代碼叫

可靠性代碼，最常用的有格雷碼和奇偶校驗(yàn)碼。

1.格雷(Gray)碼

具有如下特點(diǎn)的代碼叫格雷碼：任何相鄰的兩個(gè)碼組(包括首、尾兩個(gè)碼組)中，只有一個(gè)碼元不同。

在編碼技術(shù)中，把兩個(gè)碼組中不同碼元的個(gè)數(shù)叫做這兩個(gè)碼組的距離，簡(jiǎn)稱碼距。由于格雷碼的任意相鄰的兩個(gè)碼組的距離均為1，故又稱之為單位距離碼。另外，由于首、尾兩個(gè)碼組也具有單位距離特性，因而格雷碼也叫循環(huán)碼。格雷碼屬于無(wú)權(quán)碼。下面列出二、三、四位格雷碼，從中可找出一定的

規(guī)律。其規(guī)律如下：以虛線為界，將高位0改為1，其余各位倒著往上數(shù)，順著往下寫(xiě)，即得格雷碼。按此規(guī)律可以寫(xiě)出更多位的格雷碼。

格雷碼的單位距離特性可以降低其產(chǎn)生錯(cuò)誤的概率，并且能提高其運(yùn)行速度。例如，為完成十進(jìn)制數(shù)7加1的運(yùn)算，當(dāng)采用四位自然二進(jìn)制碼時(shí)，計(jì)數(shù)器應(yīng)由0111變?yōu)?000，由于計(jì)數(shù)器中各元件特性不可能完全相同，因而

各位數(shù)碼不可能同時(shí)發(fā)生變化，可能會(huì)瞬間出現(xiàn)過(guò)程性的錯(cuò)碼。變化過(guò)程可能為0111→1111→1011→1001→1000。雖然最終結(jié)果是正確的，但在運(yùn)算過(guò)程中出現(xiàn)了錯(cuò)碼1111、1011、1001，這會(huì)造成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯錯(cuò)誤，而且使運(yùn)算速度降低。若采用格雷碼，由7變成8，0100→1100只有一位發(fā)生變化，就不會(huì)出現(xiàn)上述錯(cuò)碼，而且運(yùn)算速度會(huì)明顯提高。格雷碼也可組成BCD碼，如表1-2所示。