计算机硬件基础逻辑门电路-92页PPT文档

补充内容：2数字电路与模拟电路电子电路中信号的分类：一类是模拟信号，指在时间上和数值上都是连续变化的信号，例如音频电压信号等。工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路。另一类是数字信号，指在时间上和数值上都是离散的信号，例如各种脉冲信号。工作在数字信号下的电路称为数字电路。数字电路的特点：数字信号是非连续变化的，通常只有两种状态，用符号“0”和“1”来表示。数字电路的基本单元比较简单，对元件的精度要求不高，只要能区分出“0”和“1”两种状态就可以了，所以容易集成化。数字电路不仅可以对信号进行算术运算，而且还能进行逻辑推演和逻辑判断，在数字计算机、数字控制、数据采集和处理、数字通讯等领域中获得了广泛的应用。数字电路的主要研究对象是电路的输入和输出之间的逻辑关系，数字电路也称逻辑电路。它的一套分析方法也和模拟电路不同，采用的是逻辑代数、真值表、卡诺图、特性方程、状态转换图、时序波形图等。3补充内容：计算机硬件基础半导体器件的开关特性x.1基本逻辑运算和基本门电路x.2组合逻辑电路x.3时序逻辑电路x.4数制及其转换x.04x.0数制与编码常用的进位计数制一不同数制间的转换二二进制运算规则三5一、常用的进位计数制任何数制都涉及3个基本术语：数码：该数制表示数值时使用的不同的数字符号。基（数）或底：该数制使用的数码的个数。一般用R表示。权：该数制根据各位数码所处位置的不同而赋予的一个固定的单位值。对于每一个数位i，该位上的权为Ri。二进制：R=2,基本符号为0和1八进制：R=8,基本符号为0,1,2,3,4,5,6,7十六进制：R=16,基本符号为0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F十进制：R=10,基本符号为0,1,2,3,4,5,6,7,8,96二、不同数制间的转换R进制数转换成十进制数：按权展开法十进制数转换成R进制数：整数部分的转换：除基取余法（先低后高）小数部分的转换：乘基取整法（先高后低）二、八、十六进制数的相互转换八进制数转换成二进制数十六进制数转换成二进制数二进制数转换成八进制数二进制数转换成十六进制数7三、二进制运算规则算术运算加法：1101+1001=？减法：1101-0111=？乘法：1101×1001=？除法：1110101÷1001=？逻辑运算与运算：1100∧1010=？或运算：1100∧1010=？非运算：~（1011）=？异或运算：1100⊕1010=？8x.1半导体器件的开关特性二极管的开关特性一三极管的开关特性二MOS管的开关特性三90VrVr’ivBADVr’RF+-AKVr’RFB+-(a)近似等效0Vr’ivBA+-+AKVr’B-Vr’D(b)简化等效0ivDBA+-AKB-+(c)进一步简化等效图2－1二极管开关特性和等效电路一、二极管的开关特性10二、三极管的开关特性Vi(a)NPN硅三极管共发射极电路EIcIECIBBRBRcVccVCE=VOVBE(b)截止状态等效电路ECBRBRcVccVCE=VccIB＝0截止“关态”ECBRBRcVccVCE=VCES≈0.3VIBIBS饱和“开态”IcIEViVi(c)饱和状态等效电路图2－2三极管开关等效电路11(a)MOS管电路Vi＝VGSSDGRDVCCVO=VDS(b)截止状态等效电路SDGRDVDS≈VDD截止“关”态SDGRcVCCVDS=VDD·rDS/（RD+rDS)饱和“开”态rDSViVi(c)饱和状态等效电路图2－3MOS管开关等效电路VCC三、MOS管的开关特性12x.2基本逻辑运算和基本门电路逻辑变量和逻辑表达式一逻辑门二逻辑函数的化简三逻辑代数的基本定律四13逻辑常量：逻辑常量只有两个，即0和1，用来表示两个对立的逻辑状态。逻辑变量：逻辑变量一般用字母、数字及其组合来表示，其取值只有两个，即0和1。在“正逻辑”的数字电路设计中，用低电平信号（如0.5V）表示逻辑0；用高电平信号（如3V）表示逻辑1。逻辑运算：对逻辑常量和变量的操作。有与、或、非三种基本逻辑运算。逻辑门（logicgates）：对逻辑常量和变量完成基本的逻辑运算的电路。一、逻辑变量和逻辑表达式14逻辑函数：用于表达逻辑变量之间关系的代数式。使用与、或、非3种基本逻辑运算，可以构造出任何逻辑函数。逻辑代数：逻辑代数是研究逻辑函数运算和化简的一种数学系统，也是用来描述、分析、简化数字电路的数学工具。又称布尔代数。在数字电路中，表示逻辑变量之间的逻辑关系的方法一般有3种：逻辑代数式、真值表、电路图。真值表：将所有输入变量的所有可能的取值组合，及其在此情况下输出变量应有的取值罗列出来，所形成的一张表。它最全面、最直观地表达了逻辑关系。一、逻辑变量和逻辑表达式15二、逻辑门常见的逻辑门及表示方式16二、逻辑门常见的逻辑门及表示方式17基本的逻辑运算与运算（AND)或运算（OR）非运算（NOT）二、逻辑门三种基本的逻辑运算：所有逻辑运算都是按位操作的18与运算（AND）逻辑表达式：F＝A·B＝AB逻辑门电路符号：运算规则：有0就出0真值表：BFAABF00001010011119或运算（OR）逻辑表达式：F＝A＋B逻辑门电路符号：运算规则：有1就出1真值表：BFAABF00001110111120非运算（NOT）逻辑表达式：F＝A逻辑门电路符号：运算规则：取反真值表：AF0110FA21二、逻辑门门电路举例：双极型逻辑门（双极型逻辑门）3.9kΩD1D2ABL+5V0V图2－4二极管“与”门电路L0VGND3.9kΩD1D2AB图2－5二极管“或”门电路10kΩRBA5V0.3VT1kΩRCLVCC图2－6三极管“非”门电路+5VVCC22二、逻辑门单极型逻辑门（MOS型逻辑门）FT1T2VDDT4T3ABVDDFT1T2T4T3ABViVoB2D2D1S2B1S1G1G2T1T2VDD图2－7CMOS非门图2－8CMOS与非门图2－9CMOS或非门23单极型逻辑门与双极型逻辑门的比较：就逻辑功能来说，并无区别；MOS器件的优势：制造工艺简单集成度高体积小功耗低抗干扰能力强MOS型门电路在各种数字电路中得到广泛应用。24除了3种基本的逻辑门电路外，还有4种常用的逻辑门，它们均可以由与,或,非门组合而成。与非门（NAND）或非门（NOR）异或门（XOR）同或门（XNOR）二、逻辑门25与非门（NAND）逻辑表达式：F＝A·B＝AB逻辑门电路符号：运算规则：有0就出1真值表：BFAABF00101110111026或非门（NOR）逻辑表达式：运算规则：有1就出0真值表：BFAABF001010100110F＝A＋B逻辑门电路符号：27异或门（XOR）逻辑表达式：运算规则：相异得1真值表：BFAABF000011101110逻辑门电路符号：F＝A⊕B＝AB＋AB28同或门（XNOR）逻辑表达式：运算规则：相同得1真值表：BFAABF001010100111F＝A⊙B＝AB＋AB逻辑门电路符号：29二、逻辑门单极型逻辑门（MOS型逻辑门）FT1T2VDDT4T3ABVDDFT1T2T4T3ABViVoB2D2D1S2B1S1G1G2T1T2VDD图2－7CMOS非门图2－8CMOS与非门图2－9CMOS或非门30逻辑符号对照:国家标准曾用标准美国标准31三、逻辑代数的基本定律32交换律：A+B=B+AA·B=B·A结合律：A+(B+C)=(A+B)+CA·(B·C)=(A·B)·C分配律：A+B·C=(A+B)·(A+C)A·(B+C)=A·B+A·C33吸收律：A+A·B=AA·(A+B)=A第二吸收律：A+A·B=A+BA·(A+B)=A·B反演律：A+B=A·BA·B=A+B34包含律：A·B+A·C+B·C=A·B+A·C(A+B)·(A+C)·(B+C)=(A+B)·(A+C)重叠律：A+A=AA·A=A互补律：A+A=1A·A=0350-1律：0+A=A1·A=A0·A=01+A=136四、逻辑函数的化简化简：将一个逻辑函数变换成一个形式更简单、与之等效的逻辑函数。在设计逻辑电路时，每个逻辑表达式是和一个逻辑电路相对应，因此必须将逻辑表达式进行化简，以减少实现它的电路所用元器件。化简方法：代数化简法，卡诺图化简法代数化简法:直接利用逻辑代数的基本公式和规则进行化简。要求熟练地掌握逻辑函数的公式，且技巧性很强，并经过多次训练才能进行快速化简。化简的结果是否最简不易判断。卡诺图化简法：是一种借助于卡诺图的几何化简法，肯定能得到最简结果。但仅适用于变量较少的情况。37四、逻辑函数的化简--代数化简法38(5)配项法有些函数很难直接用上述方法来化简，不妨利用互补律公式，先将某些项乘以（A+A），展开后再消去更多的项；也可以先适当加上一些多余项或无关项，然后再简化。配项的原则：①增加的新项不会影响原始函数的逻辑关系；②新增加的项要有利于其他项的合并.一般来说，化简时要注意以下几点：尽可能先使用并项法、吸收法、消去法、取消法等简单方法进行化简，当这些方法不凑效时，再考虑使用配项法。如果原始函数不是“与或”式，需先将其转换成“与或”式，然后再化简。化简后得到的最简表达式不一定是唯一的，但它们中的“与”项个数及“与”项中的因子数都应该是最少的。四、逻辑函数的化简39x.3组合逻辑电路组合逻辑电路设计方法一二进制加法器二译码器三算术逻辑运算单元ALU四数据选择器五40一、组合逻辑电路设计方法组合逻辑电路的特点：逻辑电路的输出状态仅和当时的输入状态有关，而与过去的输入状态无关。即当输入信号变化时，输出信号也跟着变化。常用的组合逻辑电路：加法器、算术逻辑单元、译码器、数据选择器等。在计算机CPU设计中，组合逻辑电路通常被用来产生控制信号，输入可能是指令的操作码和状态信号，而其输出则是寄存器、存储器等等的写入控制信号和数据选择信号。组合逻辑电路的设计步骤如下：分析该逻辑电路的逻辑要求；根据逻辑要求确定输入变量和输出变量；将输入输出关系表示成真值表；根据真值表写出输出函数的逻辑表达式，并化简；画出逻辑电路。41二、二进制加法器加法器:计算机基本运算部件之一。所有的算术运算加、减、乘、除都可以分解成加法和移位操作。加法器分类：半加器：不考虑低位进位输入，两个二进制数码相加的电路。Hi＝Xi⊕YiCi+1＝XiYi全加器：考虑低位进位输入的加法器•输入变量：3个，即加数Xi、被加数Yi和低位来的进位Ci；•输出变量：2个，即本位的和Si、向高位的进位Ci＋1。全加器真值表XiYiCiFiCi＋10000010100111001011101110010100110010111XiYiHiCi＋10001101100101001半加器真值表42二、二进制加法器由真值表可得全加器输出Fi和进位输出Ci＋1的表达式为：化简可得：Fi=Xi⊕Yi⊕CiCi＋1=XiYi+（Xi＋Yi）Ci=XiYi+（Xi⊕Yi）CiFi=XiYiCi+XiYiCi+XiYiCi+XiYiCiCi＋1=XiYiCi+XiYiCi+XiYiCi+XiYiCi43一位全加器逻辑电路一位全加器逻辑框图FiCiYiXiCi+1FAFiCiYiXiCi+1Fi=Xi⊕Yi⊕CiCi＋1=XiYi+（Xi＋Yi）Ci=XiYi+（Xi⊕Yi）Ci44四位二进制加法器由4个全加器串连构成行波进位加法器C1FA0F0C0Y0X0C2FA1F1Y1X1C3FA2F2Y2X2FA3F3Y3X3C4特点：位间进位是串行传送（称为行波进位），即本位全加和Fi必须等低位进位Ci来到后才能得到。缺点：加法时间与位数有关，速度较慢。45四位二进制并行进位加法器在4个全加器基础上进行改造，以便并行产生进位，构成并行进位加法器。FA3F3C3Y3X3C