《计算机逻辑部件》PPT课件.ppt

1 第二章计算机逻辑部件 计算机逻辑门加法器 2 2 3计算机逻辑门 几种门电路的逻辑符号与门或门反相门与非门或非门与或非门异或门同或门 3 2 4计算机常用逻辑电路 组合逻辑电路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 加法器 ALU 译码器 数据选择器时序逻辑电路输出状态不但与当时的输入有关 而且与电路在此以前的输入状态有关 也就是说具有记忆功能 如寄存器 计数器等 4 二进制数的运算及其加法电路 1 二进制数的相加例 10111011 1 10 110111011110110 5 二进制数的相加 特点 从右向左逐位相加 第二位起还要加进位 如 10100100 A 10111100 B D7D6D5D4D3D2D1D0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 C 进位标志 1 0 0 0 A 辅助进位标志 1 S A B C 6 2 半加器电路 针对D0位两数A0与B0相加 得一位结果S0及一位进位C1 即得逻辑代数表达式 S0 f A0 B0 C1 f A0 B0 电路设计过程 S0 A0 B0C1 A0B0 1 A0B0 S0 HA C1 C1 S0 A0B0 真值表 布尔函数式 电路 电路符号 7 3 全加器电路 针对Di位两数Ai与Bi相加 得一位结果Si及一位进位Ci 1 即得逻辑代数表达式 Si f Ai Bi Ci Ci 1 f Ai Bi Ci 电路设计过程 Si Ai Bi CiCi 1 AiBi AiCi BiCi 1 AiBiCi Si FA Ci 1 Ci 1 Si AiBi 真值表 布尔函数式 电路 电路符号 1 Ci 8 4 十六位二进制加法电路 HA C1 S0 A0B0 FA C2 S1 A1B1 Ci FA Ci 1 Si AiBi FA C15 S14 A14B14 FA C16 S15 A15B15 C14 10 1 11 10111 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 例如计算1000000011000011 1000000011000011 计算结果 1000000011000011 1000000011000011 000000011000110 计算结果的状态 最高位有进位CF 1 辅助进位有进位AF 1 结果不等于零ZF 0 结果中1的个数为4 偶数个 PF 1 9 5 可控反相器及加法 减法电路 FA C1 S0 A0B0 FA C2 S1 A1B1 Ci FA Ci 1 Si AiBi FA C15 S14 A14B14 FA C16 S15 A15B15 C14 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 例如计算1000000011000011 1000000011000011 计算结果 1000000011000011 1000000011000011 000000000000000 1 1 1 1 1 SUB 10111 10111 10111 01000 1 1 计算结果的状态 最高位有进位CF 1 辅助进位有进位AF 1 结果不等于零ZF 1 结果中1的个数为0 偶数个 PF 1 10 位间进位是串行的 Fi的形成必须等Ci 1的到来11 1 00 1 C4 N位并行加法器 11 超前进位加法器对加法器的进位信号做快速处理对进位公式分析 化简 Cn XnYn XnCn 1 YnCn 1变形得下式 Cn XnYn Xn Yn Cn 1 12 得出 C1 X1Y1 X1 Y1 C0C2 X2Y2 X2 Y2 X1Y1 X2 Y2 X1 Y1 C0C3 X3Y3 X3 Y3 X2Y2 X3 Y3 X2 Y2 X1Y1 X3 Y3 X2 Y2 X1 Y1 C0 13 Pi和Gi函数Pi Xi YiGi Xi YiP 进位传递函数 CarryPropagatefunction G 进位产生函数 CarryGenerateFunction 两个进位函数 14 Pi的逻辑含义 当Pi 1时 如果低位有进位 本位将产生进位 即当Pi 1时 低位传送过来的进位能越过本位而向更高位传送 PiCi称为传送进位或条件进位Gi的逻辑含义 若本位两个输入均为1 必产生进位 与低位进位无关 又称本地进位 15 得到进位产生公式Ci Gi PiCi 1代入公式得 C1 G1 P1C0C2 G2 P2G1 P2P1C0C3 G3 P3G2 P3P2G1 P3P2P1C0C4 G4 P4G3 P4P3G2 P4P3P2G1 P4P3P2P1C0 16 变换得C1 P1 G1C0C2 P2 G2P1 G2G1C0C3 P3 G3G2 G3G2P1 G3G2G1C0C4 P4 G4P3 G4G3P2 G4G3G2P1 G4G3G2G1C0 17 根据上式可画得 超前进位产生电路 及四位超前进位加法器的逻辑图如图2 8 p21 18 用四片74181电路可组成16位ALU 如下图片内进位是快速的 但片间进位是逐片传递的 因此总的形成时间还是比较长的 如果把16位ALU中的每四位作为一组 用类似位间快速进位的方法来实现16位ALU 四片ALU组成 那么就能得到16位快速ALU 推导过程如下 片间快速进位 19 与前面讲过的一位的进位产生函数Gi的定义相似 根据四位一组的进位产生函数GN为 1 的条件 可以得到GN的表达式为 GN G3 P3G2 P3P2G1 P3P2P1G0 20 与前面讲过的一位的进位传递函数Pi的定义相似 根据四位一组的进位传递函数PN为 1 的条件 可以得到PN的表达式为 PN P3P2P1P0 21 把图2 10各片的进位分别命名为Cn X Cn Y Cn Z 即C3C7C11 根据式2 22 2 25的推导可将式中的G1 G2 G3和P1P2 P3分别换为GN0 GN1 GN2和PN0 PN1 PN2 把C0换以Cn 即可得Cn X Cn Y Cn Z的表示式 22 由2 33 2 34 2 35式可知 只要74181型ALU能提供输出GN PN那么就可用3个与或非门和4片ALU相连 这样就能实现16位快速ALU 实现2 33 2 34 2 35式的逻辑电路就成为超前进位扩展器 74182芯片 图2 11是它的逻辑电路图 图中将Pni Gni分别用Pi Gi表示 图中P G输出可用于把4组16位快速ALU扩展成64位快速ALU 图2 12画出了用74181和74182芯片构成的16位快速ALU 23 图2 11与74181型ALU连用的超前进位产生电路 24 25 26 用两个16位全先行进位部件 74182 和八个74181可级连组成的32位ALU电路用五个16位全先行进位部件 74182 和十六个74181可级连组成的64位ALU电路 27 2 4 3译码器 译码 把某组编码翻译为唯一的输出 实际应用中要用到的有地址译码器和指令译码器 译码器 有2 4译码器 3 8译码器 8选1译码器 和4 16译码器 即16选1译码器 等多种 书中介绍的是2 4译码器的组成及应用 28 例如 3 8译码器 即8选1译码器的输入信号有三个 C B A A为低位 三位二进制数可组成8个不同数字 因此可分别选中输出Y0到Y7的某一个输出故称为8选1译码器 在资料手册中的型号为74138 29 下图分别为译码器引脚图和输入输出真值表其中 G1 G2A G2B为芯片选择端 G1高电平有效 而G2A G2B为低电平有效 30 74LS138 31 2 4 4数据选择器 逻辑功能是在地址选择信号的控制下 从多路数据中选择一种作为输出信号 又称多路开关或多路选择器 以四选一选择器为例 32 2 4 5数据分配器 数据传输过程中 常常需要将一路数据分配到多路装置中指定的某一路中 执行这种功能的电路叫数据分配器 下面以四路数据分配器为例进行说明 33 34 2 5时序电路 D触发器 电路符号 D为数据输入端 CLK为时钟信号 S为置位信号端 CLR复位信号端 Q为输出信号端 D触发器功能表 正跳变触发有效 35 J K触发器 JK为控制输入端 CLK为时钟信号 S为置位信号端 CLR复位信号端 Q为输出信号端 36 寄存器计算机中常用部件 用于暂存二进制信息 寄存器可由多个触发器组成 每个触发器存1Bit N个触发器储存N位二进制数据 下图为由4个D触发器组成的四位缓冲寄存器 37 38 移位寄存器 移位寄存器不仅具有存储数据的功能 而且还具有移位功能 所谓移位功能就是将移位寄存器中所存的数据 在移位脉冲信号的作用下 按要求逐次向左 右方进行移动从信号输入上分有串行输入和并行输入从信号输出上分有串行输出和并行输出下面以串行输入并行右移位寄存器为例进行说明 39 串行输入信号DIN X1X2X3X4 移位脉冲CLK D1Q1F1CLK 串行输入并行输出右移位寄存器波形图 40 计数器 counter 由触发器组成的寄存器 特点是能把存储的数加1 行波计数器 在CLK的驱动下 将存储的数据自动加1 CLK CLEAR J0 Q0 Q0 CLR K0 J1 Q1 Q1 CLR K1 J2 Q2 Q2 CLR K2 J3 Q3 Q3 CLR K3 Q0 Q1 Q2 Q3 0000CLEAR 1Q 0 0001第一个下降沿Q 1 CLK 0010第二个下降沿Q 2 0011第三个下降沿Q 3 0100第四个下降沿Q 4 0101第五个下降沿Q 5 计数原理 41 2 6阵列逻辑电路 阵列 逻辑元件在硅芯片上以矩阵形式排列 特点 设计方便 芯片面积小 产品成品率高 减少系统的硬件规模 用户