计算机原理课件.ppt

1、开关理论基础 1.1 二进制系统 1.2 数码与数制 1.3 逻辑函数及其描述工具 1.4 布尔代数1.1 二进制系统 1.1.1 连续量和离散量连续量和离散量 1、连续量、连续量通常称作模拟量：连续性。如大多数物理量，如温度、压力、流量、液面等。通常称作模拟量：连续性。如大多数物理量，如温度、压力、流量、液面等。1.1 二进制系统 1.1.1 连续量和离散量连续量和离散量 2、离散量、离散量又称数字量：离散性，按时间点采样。具有精度高、传输高效、易存储、又称数字量：离散性，按时间点采样。具有精度高、传输高效、易存储、易处理等优点。易处理等优点。1.1 二进制系统 1.1.2 开关量开关量 1

2、.开关量的定义开关量的定义二状态系统（二进制系统）的两个数字状态二状态系统（二进制系统）的两个数字状态1和和0称为开关量，亦称比特。称为开关量，亦称比特。数字电路的逻辑电平范围数字电路的逻辑电平范围 1.1 二进制系统 1.1.2 开关量开关量 2.码的定义码的定义数字状态数字状态1和和0的组合称为码。的组合称为码。010111001，1101，1011101010用于表示数字用于表示数字1和和0的电平称为逻辑电平。的电平称为逻辑电平。1.1 二进制系统 1.1.3 数字波形数字波形 1、理想的脉冲波形、理想的脉冲波形 1.1 二进制系统 1.1.3 数字波形数字波形 2、非理想的脉冲波形、非

3、理想的脉冲波形 上升沿上升沿 50%到到 下降沿下降沿 50%的时间称为脉冲宽度。的时间称为脉冲宽度。脉冲周期脉冲周期T脉冲频率脉冲频率f=1/T脉冲频宽比（脉冲频宽比（Duty Cycle 占空系数）占空系数）D=(tW/T)X100%1.1 二进制系统 1.1.3 数字波形数字波形【例【例1】周期数字波形的区段如图所示，测量值用】周期数字波形的区段如图所示，测量值用s表示，求脉冲周期表示，求脉冲周期、脉冲频率、脉冲频宽比。脉冲频率、脉冲频宽比。1.2 数制与码制 1.2.1 进位计数制进位计数制1、十进制计数制、十进制计数制 计数规律：计数规律：逢十进一。逢十进一。任意一个十进制数任意一个

4、十进制数(S)10，可以表示为，可以表示为(S)10=kn10n-1+kn-110n-2+.+k1100+k010-1+k-110-2+.+k-m10-m-1 其中，其中，ki：09十个十个数码数码中的任意一个中的任意一个 m、n：正整数：正整数 10：十进制的基数：十进制的基数【例【例2 2】(20019)102103+0102+0101+1100+910-11.2 数制与码制 1.2.1 进位计数制进位计数制2、二进制计数制、二进制计数制 计数规律：计数规律：逢二进一。逢二进一。1.2 数制与码制 1.2.1 进位计数制进位计数制3、八进制计数制、八进制计数制 计数规律：计数规律：逢八进一

5、。逢八进一。任意一个八进制数可以表示成任意一个八进制数可以表示成(S)8=kn8n-1+kn-18n-2+.+k180+k08-1+k-18-2+.+k-m8-m-1 其中，其中，ki：可取：可取0，1，2，7八个数之一八个数之一 m、n：正整数：正整数 8：八进制的基数：八进制的基数【例【例4 4】(67731)8=681+780+78-1+38-2+18-31.2 数制与码制 1.2.1 进位计数制进位计数制4、十六进制计数制、十六进制计数制 计数规律：计数规律：逢十六进一。逢十六进一。任意一个十六进制数可以表示成任意一个十六进制数可以表示成(S)16=kn10n-1+kn-110n-2+

6、.+k1100+k010-1+k-110-2+.+k-m10-m-1 其中，其中，ki：可取：可取0，1，2，9，A，B，C，D，E，F等十六个等十六个数码数码、字母之一、字母之一 m、n：正整数：正整数 16：十六进制的基数：十六进制的基数【例【例5 5】(8AE6)16=8163+A162+E161+3160 1.2 数制与码制 1.2.2 进位计数制的相互转换进位计数制的相互转换为什么要转换为什么要转换？人们习惯的是十进制数，计算机采用的是二进制数，人们书人们习惯的是十进制数，计算机采用的是二进制数，人们书写时又多采用八进制数或十六进制数，因此，必然产生各种写时又多采用八进制数或十六进制

7、数，因此，必然产生各种进位计数制间的相互转换问题。进位计数制间的相互转换问题。1.2 数制与码制 1.2.2 进位计数制的相互转换进位计数制的相互转换1、十进制、十进制二进制、八进制、十六进制二进制、八进制、十六进制 规律：规律：1、整数、小数分开做；、整数、小数分开做；2、一个十进制整数转化成二进制数时，按除、一个十进制整数转化成二进制数时，按除2取余方法进行；取余方法进行；3、一个十进制小数转化成二进制数时，按乘、一个十进制小数转化成二进制数时，按乘2取整方法进行；取整方法进行；4、一个十进制整数转化成八进制数时，按除、一个十进制整数转化成八进制数时，按除8取余方法进行；取余方法进行；5、

8、一个十进制小数转化成八进制数时，按乘、一个十进制小数转化成八进制数时，按乘8取整方法进行；取整方法进行；6、一个十进制整数转化成十六进制数时，按除、一个十进制整数转化成十六进制数时，按除16取余方法进行；取余方法进行；7、一个十进制小数转化成十六进制数时，按乘、一个十进制小数转化成十六进制数时，按乘16取整方法进行。取整方法进行。2、十进制、十进制二进制、八进制、十六进制二进制、八进制、十六进制 规律：规律：按权展开做加法。按权展开做加法。1.2 数制与码制 1.2.2 进位计数制的相互转换进位计数制的相互转换3、二进制、二进制八进制、十六进制八进制、十六进制 规律：规律：一位八进制数表示的数

9、值恰好相当于三位二进制数能表示的数值。一位八进制数表示的数值恰好相当于三位二进制数能表示的数值。一位十六进制数表示的数值恰好相当于四位二进制数能表示的数值。一位十六进制数表示的数值恰好相当于四位二进制数能表示的数值。因此彼此之间的转换极为方便：只要从小数点开始，分别向左右展开。因此彼此之间的转换极为方便：只要从小数点开始，分别向左右展开。1.2 数制与码制 1.2.3 二进制编码二进制编码1、三个术语、三个术语 数字系统中的信息有两类：数字系统中的信息有两类：数码：数码：代表一个确切的数字，如二进制数，八进制数等。代表一个确切的数字，如二进制数，八进制数等。代码：代码：特定的二进制数码组，是不

10、同信号的代号，不一定有数的意义。特定的二进制数码组，是不同信号的代号，不一定有数的意义。编码：编码：n位二进制数可以组合成位二进制数可以组合成2n个不同的信息，给每个信息规定一个具体码组，个不同的信息，给每个信息规定一个具体码组，这种过程叫编码。这种过程叫编码。数字系统中常用的编码有两类，一类是二进制编码，另一类是二数字系统中常用的编码有两类，一类是二进制编码，另一类是二十进制编码。十进制编码。1.2 数制与码制 1.2.3 二进制编码二进制编码2、二进制码、二进制码 自然码：自然码：有权码，每位代码都有固定权值，结构形式与二进制数完全相同。有权码，每位代码都有固定权值，结构形式与二进制数完全

11、相同。循环码：循环码：无权码，每位代码无固定权值，任何相邻的两个码组中，仅有一位代码不无权码，每位代码无固定权值，任何相邻的两个码组中，仅有一位代码不同同（码距为（码距为1）。）。循环码又叫单位距离码循环码又叫单位距离码。十进制数十进制数自然二自然二进制码进制码循环二循环二进制码进制码十进制数十进制数自然二自然二进制码进制码循环二循环二进制码进制码00000000081000110010001000191001110120010001110101011113001100101110111110401000110121100101050101011113110110116011001011411

12、10100170111010015111110001.2 数制与码制 1.2.3 二进制编码二进制编码3、二、二-十进制码十进制码 BCD码：用二进制代码对十进制数进行编码，它既具有二进制码的形式码：用二进制代码对十进制数进行编码，它既具有二进制码的形式(四位二进制码四位二进制码)，又有十，又有十进制数的特点进制数的特点(每四位二进制码是一位十进制数每四位二进制码是一位十进制数)。1.2 数制与码制 1.2.3 二进制编码二进制编码3、二、二-十进制码十进制码 8421码：码：编码值与编码值与ASCII码字符码字符0到到9的的低的的低4位码相同，易于实现人机联系。位码相同，易于实现人机联系。余

13、余3码：码：是在是在8421码的基础上，把每个代码都加码的基础上，把每个代码都加0011码而形成的。它的主要码而形成的。它的主要优点是执行十进制数相加时，能正确地产生进位信号，而且还给减法运算带优点是执行十进制数相加时，能正确地产生进位信号，而且还给减法运算带来了方便。来了方便。格雷码：格雷码：循环码中的一种，任何两个相邻的代码只有一个二进制位的状态不循环码中的一种，任何两个相邻的代码只有一个二进制位的状态不同，有利于抗干扰。同，有利于抗干扰。1.3 逻辑函数 及其描述工具 1.3.1 逻辑函数的基本概念逻辑函数的基本概念1、数字电路的特点数字电路的特点数字电路是一种数字电路是一种开关电路开关

14、电路。输入量和输出量之间的关系是一种因果关系，它可以输入量和输出量之间的关系是一种因果关系，它可以用用逻辑函数逻辑函数来描述。来描述。数字电路又称为数字电路又称为逻辑电路逻辑电路。1.3 逻辑函数 及其描述工具 1.3.1 逻辑函数的基本概念逻辑函数的基本概念2、逻辑函数的定义、逻辑函数的定义 Ff(A1，A2，An)其中：其中：A1，A2，.，An为输入逻辑变量，取值是为输入逻辑变量，取值是0或或l；F为输出逻辑变量，取值是为输出逻辑变量，取值是0或或l；F称为称为A1，A2，.，An的输出的输出逻辑函数逻辑函数。逻辑变量和逻辑函数的取值只可能是或，没有其他中间值。逻辑变量和逻辑函数的取值只

15、可能是或，没有其他中间值。1.3 逻辑函数及其描述工具 1.3.2 逻辑函数的描述工具逻辑函数的描述工具 常用描述工具列举：常用描述工具列举：布尔代数法布尔代数法 按一定逻辑规律进行运算的代数。与普通代数不同，布尔按一定逻辑规律进行运算的代数。与普通代数不同，布尔代数中的变量是二元值的逻辑变量。代数中的变量是二元值的逻辑变量。真值表法真值表法 采用一种表格来表示逻辑函数的运算关系，其中输入部分列采用一种表格来表示逻辑函数的运算关系，其中输入部分列出输入逻辑变量的所有可能组合，输出部分给出相应的输出逻辑变量值。出输入逻辑变量的所有可能组合，输出部分给出相应的输出逻辑变量值。逻辑图法逻辑图法 采用

16、规定的图形符号，来构成逻辑函数运算关系的网络图形。采用规定的图形符号，来构成逻辑函数运算关系的网络图形。卡诺图法卡诺图法 卡诺图是一种几何图形，可以用来表示和简化逻辑函数表达卡诺图是一种几何图形，可以用来表示和简化逻辑函数表达式。式。波形图法波形图法 一种表示输入输出变量动态变化的图形，反映了函数值随时一种表示输入输出变量动态变化的图形，反映了函数值随时间变化的规律。间变化的规律。硬件设计语言法硬件设计语言法是采用计算机高级语言来描述逻辑函数并进行逻辑设计的一种方法，是采用计算机高级语言来描述逻辑函数并进行逻辑设计的一种方法，它应用于可编程逻辑器件中。它应用于可编程逻辑器件中。1.3 逻辑函数

17、及其描述工具 1.3.3 基本逻辑运算基本逻辑运算 1、与运算、与运算(逻辑乘逻辑乘)以三变量为例，布尔表达式为：以三变量为例，布尔表达式为：F=ABC 此式说明：当逻辑变量此式说明：当逻辑变量A、B、C同时为同时为1时，逻辑函数输出时，逻辑函数输出F才才为为1。其他情况下，。其他情况下，F均为均为0。工程应用中与运算用与门电路来实现。工程应用中与运算用与门电路来实现。1.3 逻辑函数及其描述工具 1.3.3 基本逻辑运算基本逻辑运算 1、与运算、与运算(逻辑乘逻辑乘)1.3 逻辑函数及其描述工具 1.3.3 基本逻辑运算基本逻辑运算 2、或运算、或运算(逻辑加逻辑加)以三变量为例，布尔表达式

18、为：F=A+B+C 此式说明：当逻辑变量A、B、C任何一个为1时，逻辑函数输出F就为1。其他情况下，F为0。工程应用中与运算用或门电路来实现。1.3 逻辑函数及其描述工具 1.3.3 基本逻辑运算基本逻辑运算 2、或运算、或运算(逻辑加逻辑加)1.3 逻辑函数及其描述工具 1.3.3 基本逻辑运算基本逻辑运算 4、与非运算、或非运算、与非运算、或非运算与非运算是先与运算后非运算的组合。以二变量为例，布尔代数表达式为：工程应用中，与非运算用逻辑与非门电路来实现。或非运算是先或运算后非运算的组合。以二变量A、B为例，布尔代数表达式为：工程应用中，或非运算用逻辑或非门电路来实现FABFAB1.3 逻

19、辑函数及其描述工具 1.3.3 基本逻辑运算基本逻辑运算 3、非运算、非运算以三变量为例，布尔表达式为：F=此式说明：输出变量是输入变量的相反状态。工程应用中与运算用非门电路来实现。A1.3 逻辑函数及其描述工具 1.3.3 基本逻辑运算基本逻辑运算 5、异或运算、同或运算、异或运算、同或运算 异或运算：异或运算：布尔代数表达式为：布尔代数表达式为：同或运算：同或运算：布尔代数表达式为：布尔代数表达式为：FABA BA BFABABABAB1.3 逻辑函数及其描述工具 1.3.3 基本逻辑运算基本逻辑运算 6、与或非运算、与或非运算 与或非运算是与或非运算是“先与后或再非先与后或再非”三种运算

20、的组合。三种运算的组合。以四变量为例，以四变量为例，布尔代数表达式为：布尔代数表达式为：FABCD1.3 逻辑函数及其描述工具 小结：基本的逻辑运算小结：基本的逻辑运算 1.3 逻辑函数及其描述工具 小结：基本的逻辑运算小结：基本的逻辑运算 1.4 布尔代数 1.4.1 布尔代数的基本定律布尔代数的基本定律注：上述基本公式只反映逻辑关系，而不是数量之间的关系，因此，初等代注：上述基本公式只反映逻辑关系，而不是数量之间的关系，因此，初等代数中的移项规则不能使用。数中的移项规则不能使用。1.4 布尔代数 1.4.2 尔代数运算的基本规则尔代数运算的基本规则 1、代入规则：、代入规则：任何一个含有变

21、量任何一个含有变量A的等式，如果将所有出现的等式，如果将所有出现 A 的位置的位置都代入同一个逻辑函数，则恒等式成立。都代入同一个逻辑函数，则恒等式成立。例如例如 B(A十十C)BA十十BC，现将所有出现，现将所有出现A的地方都代的地方都代入函数入函数A十十D，则有，则有:B(A十十D)十十CB(A十十D)十十BCBA十十BD十十BC1.4 布尔代数 1.4.2 尔代数运算的基本规则尔代数运算的基本规则 2、反演规则、反演规则：它是使用摩根定律，来求一个逻辑函数它是使用摩根定律，来求一个逻辑函数 F 的非函数的规则：的非函数的规则：将将 F 表达式中的与表达式中的与()换成或换成或(十十)，或

22、，或(十十)换成与换成与()；将原变量换成非变量，非变量换成原变量；将原变量换成非变量，非变量换成原变量；将逻辑将逻辑1换成换成0，0换成换成l。注意：变换中必须保持先与后或的顺序，否则将会出错。注意：变换中必须保持先与后或的顺序，否则将会出错。FABCD()()FABCDFAB CD1.4 布尔代数 1.4.2 尔代数运算的基本规则尔代数运算的基本规则 3、对偶规则：、对偶规则：某个逻辑恒等式成立，则对偶式也成立，称为对偶规则。某个逻辑恒等式成立，则对偶式也成立，称为对偶规则。F 是一个逻辑表达式，把是一个逻辑表达式，把F中的与中的与()换成或换成或(十十)，或，或(十十)换换成与成与()；

23、1换成换成0，0换成换成1，所得的新的逻辑函数式叫，所得的新的逻辑函数式叫F的的对偶式，记为对偶式，记为F。注意：变换中必须保持先与后或注意：变换中必须保持先与后或 的顺序。的顺序。()()FABACFA BA C 1.4 布尔代数 1.4.3 用布尔代数简化逻辑函数用布尔代数简化逻辑函数 什么要化简为最简的与什么要化简为最简的与-或表达式？或表达式？1.逻辑问题中与逻辑问题中与-或表达式比较常见；或表达式比较常见；2.与与-或表达式容易和其他形式的表达式相互转换；或表达式容易和其他形式的表达式相互转换；3.目前采用的可编程逻辑器件多使用与目前采用的可编程逻辑器件多使用与-或阵列。或阵列。1.

24、4 布尔代数 1.4.3 用布尔代数简化逻辑函数用布尔代数简化逻辑函数 常用方法：常用方法：()()()FABACBCABACAA BCABACABCABCABABCACABCABAC1.4 布尔代数 1.4.3 用布尔代数简化逻辑函数用布尔代数简化逻辑函数 例例1：1.4 布尔代数 1.4.3 用布尔代数简化逻辑函数用布尔代数简化逻辑函数 1.4 布尔代数 例例2：1.4 布尔代数 1.5 集成门电路的外特性n标称逻辑电平 表示逻辑值1和0的理想电平值，称为 标称逻辑电平。记为U(1)=5V和U(0)=0Vn开门电平(UOH)与关门电平(UOL)逻辑值1的最小高电平称为开门电平 逻辑值0的最

25、大低电平称为关门电平1.5 集成门电路的外特性n输入高电平电流(IIH)与输入低电平电流(IIL)IIH-拉出前级门电路输出端的电流IIL-灌入前级输出端的电流n 输出高电平电流(IOH)与输出低电平电 流(IOL)IOH-输出高电平时流出该输出端的电流IOL-输出低电平时灌入该输出端的电流1.5 集成门电路的外特性n扇入系数(Nr):门电路允许的输入端数目n扇出系数(Nc):门的输出端所能连接的下一级门输入端的个数n平均传输延迟时间(ty)ty=(t1+t2)/2UiUo50%t1t2UiUott01.5 集成门电路的外特性n空载功耗 Pon-空载导通功耗 Poff-空载截止功耗 P=(Pon+Poff)/2 平均功耗n标准小规模集成门的封装与管脚 74LS0074LS3074LS86TTL与非门的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCCBAF AFE符号输出高阻0E1EAF 功能表低电平起作用三态门E符号输出高阻1E0EAF 功能表高电平起作用三态门AF