数字逻辑与组成原理

1. 数字逻辑与组成原理 主讲：关桂霞 http://guanguixia.ie.cnu.edu.cn

2. 一、课程名称及性质 课程名称： 数字逻辑与组成原理。是由《数字逻辑》和《计算机组成原理》二门课程合并而成的。 课程性质：属于计算机专业的硬件课程。

3. 二、课程的教学目标 1. 使学生从数字 逻辑电路的基本概念入 手对数字电路基本部件的组成和特点有一个基本了解。 2. 对计算机硬件系统的基本组成与基本工作原理有一个系统地了解。

4. 三、对学习方法的建议 • 认真听课、仔细阅读教材。参阅课件有利于分清教学内容的主次关系，把握关键知识点。 • 认真完成实验的要求及内容 ，有意识增强自己从实践中学习知识、增长才干的能力。 • 认真完成作业，巩固基本概念，争取期末好成绩。

5. 四、教学内容 教学内容以计算机硬件知识为主，按计算机组成，把课程分为如下七个单元： 第一单元：数字电路基础 第二单元：逻辑门电路 第三单元：组合逻辑电路 第四单元：时序逻辑电路 第五单元：运算器部件 第六单元：控制器部件 第七单元：存储器部件

6. 欢迎进入第一章的学习！

7. 第1章 数字电路基础 • 数字电路概述 • 半导体器件的开关特性 • 数制及其转换 • 计算机中常用的编码

8. 1.1 数字电路概述 数字信号：在时间上和数值上不连续的（即离散的）信号。 模拟信号：在时间上和数值上连续的信号。 u u t t 模拟信号波形 数字信号波形 对模拟信号进行传输、处理的电子线路称为模拟电路。 对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数字电路。

9. 温度 时间 模拟量：是指在时间上和数值上均作连续变化的物理量。例如：温度、压力、语音等。

10. 电压（V） 电压幅值的高、低两种状态分别表示数字的“1”和“0”，数字信号是阶跃式变化的。

11. 研究模拟信号时，我们注重电路输入、输出信号间的大小、相位关系。相应的电子电路就是模拟电路，包括交直流放大器、滤波器、信号发生器等。研究模拟信号时，我们注重电路输入、输出信号间的大小、相位关系。相应的电子电路就是模拟电路，包括交直流放大器、滤波器、信号发生器等。 研究数字电路时注重电路输出、输入间的逻辑关系，因此不能采用模拟电路的分析方法。主要的分析工具是逻辑代数，电路的功能用真值表、逻辑表达式或波形图表示。

12. 逻辑门电路 触发器 组合逻辑电路 时序逻辑电路（寄存器、计数器等） 2.数字电路研究的问题 基本电路元件： 基本数字电路： 数字电子技术是一门研究用数字电信号来实现运算、控制和测量的技术。

13. 3.数字电路的优点 • 数字系统具有较高的可靠性、稳定性和精确性。 • 集成度高、成本低。 • 数字信息便于计算机处理和控制。便于保存。

14. 1.2 半导体器件的开关特性 半导体二极管 半导体三极管 它们主要工作在开关状态。

15. 二极管的结构 二极管的电路符号 1、半导体二极管的开关特性 二极管由PN结加上两端的引出线构成。P端的引出线称为阳极（正极）；N端的引出线称为阴极（负极）。

16. 正向导通 开关闭合 反向截止 开关断开 二极管的开关特性 二极管的单向导电性 等效电路

17. 三极管的结构 三极管的电路符号 2、半导体三极管的开关特性

18. 三极管的开关特性 +5V 三极管由两个PN结构成。三个引出线分别为： 发射极 e 基极 b 集电极 c 三极管开关电路

19. 三极管的开关特性 三极管有三种工作状态： 截止状态 放大状态 饱和状态 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在截止和饱和这两种稳定的状态。

20. 三极管的开关特性 （+5V） （+5V） 输出低电平 输出高电平 Vi为低电平时电路为截止状态 Vi为高电平时电路为导通状态

21. 3、MOS管的开关特性 MOS管：金属-氧化物-半导体场效应管。其开关特性与三极管相同。在性能上具有功耗低、体积小、易于集成的优点。

22. MOS管的开关特性 • MOS管的三个电极分别称为： • 源极 S • 栅极 G • 漏极 D ＭＯＳ管开关电路

23. 截止状态的等效电路 导通状态的等效电路 MOS管的开关特性

24. 1.3 数制及其转换 数制是人们对数量计数的一种统计规律，也就是按进位方式实现计数的一种规则。 对于任何一个数，可以用不同的进位制来表示。　

25. 1、进位计数制 • 常见的进位计数制有很多（10、2、16、60 … …） • 但无论哪种进位计数制，数值的表示都包含两个要素：基数和位权。

26. （1）基 数：进位制的基数，就是在该进位制中可能用到的数码个数。 （2） 位 权（位的权数）：在某一进位制的数中，每一位的大小都对应着该位上的数码乘上一个固定的数，这个固定的数就是这一位的权数。权数是一个幂。

27. 十进制数 对于任意一个十进制数Ａ，都可表示为： A = An10n-1+…+An-110n-2+… + A1100+…+A-110-1+…+A-m10-m 其中：n为整数部分的位数 m为小数部分的位数 例如：(123)10 =1102+2101+3100

28. 二进制数 对于任意一个二进制数Ｂ，都可表示为： Ｂ = Bn2n-1+…+Bn-12n-2+… + B120+…+B-12-1+…+B-m2-m 其中：n为小数点左边的位数 m为小数点右边的位数 例如：(101)2 =122+021+120

29. 十六进制数 • 由0～9及A～F表示数值。 • 逢16进位。

30. 2、不同数制之间的转换 • 在不同的情况下，应使用不同的数制。在数字系统中普遍使用的是二进制数。 • 下面介绍二进制数与十进制数、八进制数、十六进制数之间的相互转换。

31. 二进制数转换为十进制数 　　将二进制数表示成按权展开式并按十进制运算法则进行计算，所得结果即为该数对应的十进制数。

32. (101.01)2 = 1x22+1x20+1x2-2 = 4+1+0.25 = (5.25)10

33. 十进制数转换为二进制数 (1)整数转换：采用除2取余法。 (2)小数转换：采用乘2取整法。

34. 例1:将十进制整数25转换成为二进制整数 2 25 低位 12 2 ……1(K0) 2 6 ……0(K1) 2 3 ……0(K2) 1 2 ……1(K3) 高位 0 ……1(K4) 得到(25)10=(11001)2

35. 例2:将十进制小数0.25转换成二进制小数 0.25 x 2 0.50 高位 0(K-1)…… x 2 1.00 1(K-2)…… 低位 得到(0.25)10=(0.01)2

36. 注意： • 有的十进制小数不能用有限位二进制小数精确表示。因此，根据精度要求，用相应的二进制位数近似表示。 • 一般，当要求二进制数取m位小数时，可求出m+1位，然后对最低位作0舍1入处理。 • 例如，将十进制小数0.37转换成二进制小数，保留3位小数。

37. 0.37 x 2 0.74 高位 0(K-1)…… x 2 1.48 x 2 1(K-2)…… 0(K-3)…… 0.96 x 2 1.92 低位 1(K-4)…… 得到(0.37)10=(0.011)2

38. 二进制数与十六进制数的转换 　　４位二进制数对应１位十六进制数，即４位二进制数的取值0000～1111分别对应十六进制数字的 0～F。

39. 二进制数与十六进制数的转换 　　例如：将二进制数101110.011转换成十六进制数。 0010 1110 . 0110 2 E 6 即(101110011)2=(2E.6)16

40. 有下划线表示由低位进位

41. 1.4 计算机中常用的编码 • 字符数据 • 数值数据

42. 1、ASCII字符编码 　　在数字系统中，还需要把文字、符号用二进制数码表示，这些字符的编码称为字符代码。使用最多的字符有0～9、英文字母、运算符号标点符号及控制信息等，共128个。可用7位二进制数对它们进行编码。ASCII码原为美国信息交换标准代码，现已成为国际上通用的一种标准代码。

43. 例如 0～9的编码为: 高3位 低4位 字符 011 0000０ 011 0001１ 011 0010２ 011 0011３ 011 0100４ 011 0101５ 011 0110６ 011 0111７ 011 1000８ 011 1001９

44. BCD码的格式(有权码) 8421码采用４位二进制数表示一位十进制数，位权由高～低分别是： XXXX 23 22 21 20 8421 与二进制数位的位权完全一样，因此是一种最自然、最简单的BCD码

45. BCD码的格式(有权码) 例如： 将(579)10转换为对应的8421码 5 →0101 7 → 0111 9 → 1001 (579)10=(010101111001)8421码

46. 小结： • 了解数字电路的基本概念 • 半导体器件的开关特性 • 掌握各种进制的相互转换方法 • 了解计算机中各种编码的意义

47. 本章结束 放松一下！！