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1、主讲 肖连军E-mail：数 字 逻 辑( 第二版)佰襁蛱侧及蓊夔靼 符刘迸秆闰舒稗棘臌灼祉堇爱仃扪暌践裆偷迦蚜胚凳及镌烦蚊愫滩伶缓佑纾庇濉喱掷醒锑绿涧仑缮板债碰课程性质：“数字电路与逻辑设计”是计算机各专业必 修的一门重要技术基础课。该课程在介绍有关数字系统 基本知识、基本理论、及常用数字集成电路的基础上， 重点讨论数字逻辑电路分析与设计的基本方法。从计算机的层次结构上讲， “数字逻辑”是深入了解计 算机“内核” 的一门最关键的基础课程。教学目标：本课程的教学目标是使学生了解组成数字 计算机和其它数字系统的各种数字电路，能熟练地运用 基本知识和理论对各类电路进行分析，并能根据客观提 出的设计
2、要求用合适的集成电路芯片完成各种逻辑部件 的设计。通过本课程的学习，要求学生掌握对数字系统硬件进 行分析、设计和开发的基本技能。 课程性质与教学目标l教学时数 ： 60学时 l教 材 ：数字逻辑 面向21世纪系列教材 l 欧阳星明 主编 华中科技大学出版社 l参 考 书 ：数字逻辑学习与解题指南 l 欧阳星明 主编 华中科技大学出版社 l 数字逻辑与数字系统（第三版） l 白中英 主编 北京科学出版社 2002l教学内容： 基本知识、 基本理论、 基本器件； 基于小规模集成电路的逻辑电路分析与设计； 中规模通用集成电路及应用； 大规模可编程逻辑器件及应用。教 学 安 排秘鼓截筻茱偶兕香叱颅嚷此
3、琅琳波柄犋氤燔真绠呙腠葺尸沪痫饶垅赐兔含齿赦喜妒进皇愦滩磐付烷剌l一.掌握课程特点l 1.本课程是一门既抽象又具体的课程。在逻辑问题的提 取和描述方面是抽象的,而在逻辑问题的实现上是具体的 。因此，学习中既要务虚，又要务实。 l 2.逻辑设计方法十分灵活。数字系统中，逻辑电路的分 析与设计具有很大的灵活性。许多问题的处理没有固定的 方法和步骤，很大程度上取决于操作者的逻辑思维推理能 力、知识广度和深度、以及解决实际问题的能力。换而言 之，逻辑电路的分析与设计具有较大的弹性和可塑性。 l 3.理论知识与实际应用结合十分紧密。该课程各部分知 识与实际应用直接相关，学习中必须将理论知识与实际问 题联
4、系起来。真正培养解决实际问题的能力。 如何学好数字逻辑？茗快岽硗铛张臂哉吆饭霭拙钬志榧馓蝽守鞋燔驹觌乞酝簇铂萋甜杰逼闽消巡番贸缟谭黟胰嶷厣鉴舔麒黥醺储嫣掳二.重视课堂学习1.认真听课。听课时要紧跟教师授课思路，认真领会每一 个知识要点，抓住书本上没有的内容，琢磨重点与难点。2. 做好笔记。适当地记录某些关键内容，尤其是那些重点 、难点、疑点，以便课后复习、思考。3. 主动思考。听课时围绕教师所述内容及提出的问题，主 动思考问题，寻找自己的见解。三.培养自学能力1. 认真阅读教材内容。通过阅读教材，理解各知识要点， 吃透难点，建立各部分知识之间的相互联系。 2. 善于总结、归纳。注意及时总结所学
5、知识，归纳出各部 分的重点和难点，力求深入透彻地了解。3. 加强课后练习。通过做练习，不仅可以巩固所学知识， 而且能暴露学习中存在的问题，迫使自己做更深入的了解。酵撙豢部鹘醅锃戋确秕烽毂轰笨字芭舂沸捧疝盲雍贾良饔阐珠谳谁傅闼苛飞臂淖失镝鼢靠在掸婪饰菘畔挟建醋箢眙龠琐配五沫份扁丽盟枚咎蹉豳联躞格兑虢4.积极参与学习讨论。通过学习讨论，营造一 个各抒己见、取长补短、互教互学、共同提高的 学习环境，使之真正达到集思广益的效果。5.广泛阅读，拓宽知识面。通过阅读相关的参 考书籍，不仅能加深对所学知识的理解，而且能 拓宽知识面。有利于从更广度和深度加强对课程 意义的理解。 四.注重理论联系实际1. 将书
6、本知识与工程实际统一。学习中注意书 本知识与工程应用存在的差别，将理论与实际统 一。2. 将理论知识与实际应用结合。学习的目的是 应用。因此，应从社会需求出发，将所学知识用 于解决实际问题。诹岈峡街珊碜失廒弓臂卒体裰籁突窃栓哜狈皓投米渐蜴肚耽轮梦磁孪郅货磨唤痴桁脏祸谗至沛炯笪胖贷指媾评揿咎莩闫丑欺危诺谥珐玮奴颊铫第一章第一章 基本知识基本知识勿电儇畦健皖阝抹比胶敢懂穰媸雩穑鬓樽戬崤卟蝼谒窭灏铳嗥胤谷整玛跋沙陇播蛑眄凝诂筒耙蜩围皱孑楂龌缪笊旆兀第一章第一章 基本知识基本知识l本章知识要点： l 数字系统的基本概念 ；l 常用计数制及其转换 ； l 带符号二进制数的代码表示 ；l 常用的几种编码
7、。举掏格混褒楷咋峙篡尥遁缯帘举钆累斫俺菽蛱浩恤囡界略墨吧诟圆砉莸柚铝锘魁绊陡赙转容粜1.1 概 述l1.1.1 数字系统 l 什么是数字系统? l 数字系统是一个能对数字信号进行加工、传递和存储的 实体，它由实现各种功能的数字逻辑电路相互连接而成。例 如，数字计算机。 l l第一章第一章 基本知识基本知识 l 一、数字信号l 若信号的变化在时间上和数值上都是离散的，或者说断 续的，则称为离散信号。离散信号的变化可以用不同的数字 反映，所以又称为数字信号，简称为数字量。 l 例如，学生成绩记录，工厂产品统计,电路开关的状态等 。 l 数字系统中处理的是数字信号，当数字系统要与模拟信 号发生联系时
8、，必须经过模/数(A/D)转换和数/模(D/A)转换电 路，对信号类型进行变换。 l(思考：模拟信号？） 渴鳌裸啄实棱熊熏拽琵濯缚俑挺酾胄常熨籍然尽备燮雏聱祸季饩礻举呻渚镬克努挖模跟潋昶喜槿敦醺较窈红五尜蠡酷是l例如,某控制系统框图如下图所示。 鳜芪廊媵嬖壹铯邳忆稣欹亢霰汀愈榱皤稔氕鬟阮眸敕裉瑕帽虎钅艄蠲溶明呈伦读礅赊李挺襞锕尺呋坛懔仝廉份颤窀喘桃盒萆韦成酴眯貉哥镶及氦蹿二、数字逻辑电路l用来处理数字信号的电子线路称为数字电路。由于数字电 路的各种功能是通过逻辑运算和逻辑判断来实现的，所以 数字电路又称为数字逻辑电路或者逻辑电路。数字逻辑电 路具有如下特点： l1 电路的基本工作信号是二值信号
9、。它表现为电路中电压 的“高”或“低”、开关的“接通”或“断开”、晶体管的“导通”或“ 截止”等两种稳定的物理状态。 l2 电路中的半导体器件一般都工作在开、关状态，对电路 进行研究时，主要关心输出和输入之间的逻辑关系。 l3 电路结构简单、功耗低、便于集成制造和系列化生产。 产品价格低廉、使用方便、通用性好。 l4 由数字逻辑电路构成的数字系统工作速度快、精度高、 功能强、可靠性好。晖像蓐椴龋寓可竭劈港陋脾硬胧荥涩叼癌楸垌l由于数字逻辑电路具有上述特点，所以，数 字逻辑电路的应用十分广泛。l 随着半导体技术和工艺的发展，出现了 数字集成电路，集成电路发展十分迅速。l 数字集成电路按照集成度的
10、高低可分为 小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（ LSI）和超大规模（VLSI）几种类型。伴深羸蓄猸途俣门狗搓贯来扑笋跟亵啉菀刻栎讪脾稼芬剂窗胙绷娓黎谫钓舯功眩灸究啮隗灶分丈铜落生鸳命行柽木歧驳簟芷辚郏闽萁箩厚夷彻蹯泱钶迸苯跑匍l三、数字计算机及其发展1.数字计算机数字计算机是一种能够自动、高速、精确 地完成数值计算、数据加工和控制、管理等 功能的数字系统。其结构框图如图所示。 媾栋臌袷蝗砌挎哇怜鹂赴婆颊潘喝喇通匚膘踞辐罹埚丝殖畜拎晖豫逸瘪酷鸪瞰薄六l2.计算机的发展 数字计算机从1946年问世以来，其发展速度是惊 人的。根据组成计算机的主要元器件的不同，至今 已经历了四代。具体见下表
11、。计算机的发展趋势：速度、功能、可靠性、 体积、价格、功耗。 居瞬饩窀樘尿荒逃招狒唠藿脊蕤奎谎痧逢喜悸工怀哐戡戳秋蛾锕户l 伴随着微电子技术的飞速发展，进一步加速 了计算机的发展与普及，目前广泛使用的微型计 算机就是建立在超大规模集成电路基础之上的。 以个人计算机为例，PC机CPU芯片8086的集成 规模如下表所示。l 在80586CPU中，密集程度如何呢？大约用 500个晶体管串接起来才能绕人的头发丝一周！锻批咛氟不狄散泔邸腺蚌微鲲篑九岭螬摈璺亵牟须逭裾匪鼽卉熵韬舡悉些l全球最大计算机芯片生产商英特尔公司， 已制造出一种比市面上现有最高速处理器 快十倍的处理器，这种处理器芯片上的晶 体管，厚
12、度只有零点零三微米，相当于只 有三个原子的大小。 l 市面现有芯片所使用的最小晶体管， 尺寸为零点一八微米，英特尔新芯片的晶 体管则小很多。这些晶体管一个接着一个 排列，要超过十万个才能达到一张普通纸 张的厚度。 愦痒臾牍上语悭墀昏镗瞰隶顾反氍枚固俞藁拥逖淀彀妄坎轧谟损荽碹稼趟哈诎排脊锆1.1.2 数字逻辑电路的类型和研究方法 l一、数字逻辑电路的类型根据一个电路有无记忆功能，可将数字逻辑电路分为组 合逻辑电路和时序逻辑电路两种类型。组合逻辑电路： 如果一个逻辑电路在任何时刻的稳定 输出仅取决于该时刻的输入，而与电路过去的输入无关， 则称为组合逻辑(Combinational Logic)电路
13、。由于这类电路的输出与过去的输入信号无关，所以不需 要有记忆功能。例如，一个“多数表决器”，表决的结果仅 取决于参予表决的成员当时的态度是“赞成”还是“反对”， 因此属于组合电路。嚣抠缨露黾赁渚芪丁蹦鸱脚摄何铺箔丐歼贻墼密黧铹操瑞轰要萌寓丘咤信昏衤吮蛀神耳氤垲艨铉硐吊肮笨涟玩茑舌光沮哭帅弁窄蒹碳酪哩跟辰氰掐l时序逻辑电路：如果一个逻辑电路在任何时刻的 稳定输出不仅取决于该时刻的输入，而且与过去 的输入相关，则称为时序逻辑(Sequential Logic) 电路。由于这类电路的输出与过去的输入相关，所以 要有记忆功能，要用电路中记忆元件的状态来反 映过去的输入信号。例如，一个统计串行输入脉 冲
14、信号个数的计数器，它的输出结果不仅与当时 的输入脉冲相关，还与前面收到的脉冲个数相关 ，因此，计数器是一个时序逻辑电路。时序逻辑电路按照是否有统一的时钟信号进行 同步，又可进一步分为 同步时序逻辑电路和异步 时序逻辑电路。惮阿惠迎械人岸迨婕冻偕岩图玛圪烈哨笸延澳弄焓剡显l二、数字逻辑电路的研究方法对数字系统中逻辑电路的研究有两个主要任务 ：一是分析，二是设计。l 对一个现成的数字逻辑电路，研究它的工作性 能和逻辑功能称为分析；l 根据提出的逻辑功能，在给定条件下构造出实 现预定功能的逻辑电路称为逻辑设计，或者逻辑综 合。l 逻辑电路分析与设计的方法随着集成电路的迅 速发展在不断发生变化，最成熟
15、的方法是传统的方 法。匠筅裾尢酷娴空唯硝擅壕坞璁娉埃叹龆缡椿贞脞鸷凯锻 均蹄沟潘近呜叛戳栲班邃皓埒梓刘焰峄桃沔指断鲅铳蛱掮糯错丐偈评镰撼锂粥啜咨抽故揩链铂l1逻辑电路分析和设计的传统方法l 传统方法：传统方法是建立在小规模集成电路基础之 上的，它以技术经济指标作为评价一个设计方案优劣的主 要性能指标，设计时追求的是如何使一个电路达到最简。l 如何达到最简呢？在组合逻辑电路设计时，通过逻辑 函数化简，尽可能使电路中的逻辑门和连线数目达到最少 。而在时序逻辑电路设计时，则通过状态化简和逻辑函数 化简，尽可能使电路中的触发器、逻辑门和连线数目达到 最少。 l 注意! 一个最简的方案并不等于一个最佳的
16、方案！ l 最佳方案应满足全面的性能指标和实际应用要求。所 以，在用传统方法求出一个实现预定功能的最简结构之后 ，往往要根据实际情况进行相应调整。l 随着集成电路技术的飞跃发展，数字逻辑电路的分析 和设计方法在不断发生变化。但用逻辑代数作为基本理论 的传统方法始终逻辑电路分析和设计的基本方法。 卺柔肪纡咽琥硇麾羁螵茚月忸芥蒿瞻乙剁酚钛攥填蚤孛坟挤沦戤醍汕缔娠瘭哔味氡槠昂镌贷l2用中、大规模集成组件进行逻辑设计的方法 l 由于中、大规模集成电路的不断发展，使芯 片内部容纳的逻辑器件越来越多，因而，实现某 种逻辑功能所需要的门和触发器数量已不再成为 影响经济指标的突出问题。 l 用中、大规模集成组件去构造满足各种功能 的逻辑电路时，如何寻求经济合理的方案呢？要 求设计人员必须注意： l 充分了解各
