数字逻辑与数字系统第一章.ppt

数字逻辑与数字系统 湖南科技大学计算机科学与工程学院 主讲：余庆春 Email：fishhead_516126.com v 数字逻辑是计算机基础理论的一个重要 组成部分，主要研究数字电路的分析与设 计方法。本课程为计算机组成原理和微型 计算机及应用等后续课程提供必要的逻辑 基础，是计算机专业的一门核心必修专业 基础课。 v 本课程以数字电子技术为基础，涉及数 字技术中的基本原理、分析与系统设计的 方法，具有很强的工程实践性。 课程性质 1是后续各门硬件课程的基础； 2教学内容既有系统的数字逻辑基础理论，又有 较强的应用技术，并涵盖数字系统的知识； 3在介绍基本逻辑运算和基本逻辑电路的分析与 设计的基础上，侧重对集成电路芯片的逻辑功能 和使用方法的介绍。 4理论结合实际，有较多的集成逻辑芯片在数字 系统中如计算机中的应用实例。 5具有验证性、综合性和设计性的实验 课程特点 v 通过本课程的学习，获得数字技术方 面的基本理论、基本知识和基本技能，掌 握数字逻辑电路的工作原理和基本分析与 设计的方法；具有初步解决数字逻辑问题 的能力，并为学习微机原理、接口技术等 后续课程和用中、大规模集成电路设计数 字系统奠定基础。 课程目标 v 数字电路与数字系统概述 v 数字逻辑基础 v 逻辑门 v 组合逻辑电路 v 触发器 v 时序逻辑电路 v 半导体存储器 v 可编程逻辑器件及编程技术 v 脉冲波形的产生与变形 v 数模转换器和模数转换器 v 数字系统设计 教学内容 v 数字电子技术基础第五版，阎石, 清华大学 出版社 v 数字电子技术基础第一版，白彦霞，北京邮 电大学出版社 v 数字设计设计 （第三版），M. Morris Mano著，徐志军军、尹廷辉辉等译译，电电子工 业业出版社，2004年4月 参考资料 学时与考核 理论学时 平时成绩 考核方式 40学时课堂教学 30%平时成绩+70%闭卷笔试 30%课堂考勤+70%作业（含实验 ） 实践学时16学时实验教学，八次上机实验 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 电子电路按处理信号不同可分为 l 模拟电路： 用于传递传递 和处理模拟信号的电路就称为模拟电路。 l 数字电路： 用以传递和加工处理数字信号的电路就称为数字电路。 如放大电路就是最典型的模拟电路。 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 模拟信号与数字信号 模拟信号： 在时间和幅 值上连续的 信号 数字信号： 在时间和幅 值上离散的 信号 高电平 低电平 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 有两种逻辑体制： l 正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。 l 负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。 p 正逻辑与负逻辑 数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和 低电平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。 如果采用正逻辑，数字电压信号就成为下图所示逻辑信号。 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 数字波形 数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示. (a) 用逻辑电 平描述的数字 波形 (b) 16位数据 的图形表示 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 数字波形 高电平 低电平 有脉冲 *非归零型 *归零型 无脉冲 数字波形的两种类型 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 数字波形数字波形的周期性和非周期性 非周期性数字波形 周期性数字波形 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 数字波形 Vm信号幅度。 T信号的重复周期。 tW脉冲宽度。 q占空比。其定义为 ： 一个理想的周期性数字信号，可用以下几个参数来描绘： 数字信号的主要参数 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 数字波形 例1.1.2 设周期性数字波形的高电平持续6ms，低电平持 续10ms，求占空比q。 解：因数字波形的脉冲宽度tw=6ms，周期T=6ms+10ms=16ms。 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 数字电路的发展概况 发展特点：以电子器件的发展为主线， 产生：20世纪30年代在通讯技术（电报、 电话）首先引入二进制的信息存储技术。而在 1847年由英国科学家乔治.布尔(George Boole)创 立布尔代数，并在电子电路中的得到应用，形成 开关代数，并有一套完整的数字逻辑电路的分析 和设计方法。 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 数字电路的发展概况 发展特点：以电子器件的发展为主线， 初级阶段：20世纪 40年代电子计算机中 的应用，此时以电子 管（真空管）作为基 本器件。另外在电话 交换和数字通讯方面 也有应用 电子管（真空管） 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 数字电路的发展概况 发展特点：以电子器件的发展为主线， 第二阶段：20世纪60 年代晶体管的出现，使 得数字技术有一个飞跃 发展，除了计算机、通 讯领域应用外，在其它 如测量领域得到应用。 晶体管图片 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 数字电路的发展概况 发展特点：以电子器件的发展为主线， 第三阶段：20世纪70年 代中期集成电路的出现， 使得数字技术有了更广泛 的应用，在各行各业医疗 、雷达、卫星等领域都得 到应用。 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 数字电路的发展概况 发展特点：以电子器件的发展为主线， 时间发展情况 60-70年代IC技术迅速发展：SSI、MSI、LSI 、VLSI（10万个晶体管/ 片）。 80年代后ULSI ，1 0 亿个晶体管/片 、 ASIC 制作技术成熟 90年代后97年一片集成电路上有40亿个晶体管。 目前芯片内部的布线细微到亚微米(0.130.09m)量级 微处理器的时钟频率高达3GHz（109Hz） 将来高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.1 数字信号与数字电路 p 数字电路的特点 l 工作信号是离散的，研究对象是输入和输出的逻辑关 系，表达电路的功能主要是真值表、逻辑表达式及波形 图等。 l 主要的分析工具是逻辑代数。 l 主要的研究方法是逻辑分析和逻辑设计。 l 数字电路工作可靠性高，抗干扰能力强，电路简单， 易于实现。 l 数字电路发展与电子元器件密切相连。 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.2 数字系统 p 什么是数字系统？ 数字系统是指实现一定功能的数字电路电器装置。 u数字电路：强调电路性质（数字信号）和实现方法（逻 辑设计）。 u数字系统：强调功能的完整性和使用性。 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.2 数字系统 p 数字系统应用 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.2 数字系统 p典型数字系统计算机概述 计算机的发展简史 机械时代机械时代 电子时代电子时代 第三代（SSI、MSI） 未来计算机未来计算机 第一代(电子管) 第二代（晶体管） 第四代（LSI、VLSI、ULSI ） 第一章 数字逻辑与数字系统概述 1.2 数字系统 p典型数字系统计算机概述 计算机的类型按计算机的规模和处理能力分类 （1）巨型机：也称为超级计算机，是指目前速度最快、 处理能力最强的计算机。目前其运算速度已达到每秒千 万亿次。 （2）大型机：具有较快的处理速度和较强的处理能力。 主要用于大银行、大公司、规模较大的高等学校和科研 院所。 （3）小型机：结构简单、规模较小、操作简单。 （4）微型机：个人计算机，称为PC机，体积小、价格 低、功能全、操作方便。 国际TOP500组织在网站上公布了最新全球 超级计算机前500强排行榜，我国首台千万亿 次超级计算机系统“天河一号”雄居第一。“ 天河一号”由国防