计算机组成原理第二章补充课件(白中英编-科学出版社)

计算机组成原理,任课教师：陈宇斌南昌航空大学计算机学院软件工程系Email:cyb2002Tel第一章计算机系统概论第二章运算方法和运算器（补：数字逻辑）第三章存储系统第四章指令系统第五章中央处理器第六章总线系统第七章外围设备第八章输入输出系统第九章并行组织,目录,参考书王尔乾，数字逻辑与数字集成电路第2版,清华大学出版社，2002,第一部分逻辑代数第二部分逻辑门电路第三部分组合逻辑电路第四部分时序逻辑电路,数字逻辑目录,5,“数字逻辑”是计算机硬件技术系列的基础,计算机系统的软硬件功能分配,计算机系统的逻辑实现计算机组成的物理实现,6,数字与逻辑(Digital分配律,=A+A(B+C)+BC;结合律,AA=A,=A(1+B+C)+BC;结合律,=A1+BC;1+B+C=1,=A+BC;A1=1,=左边,（32）,四、吸收规则,1.原变量的吸收：,A+AB=A,证明：,A+AB=A(1+B)=A1=A,利用运算规则可以对逻辑式进行化简。,例如：,吸收是指吸收多余（冗余）项，多余（冗余）因子被取消、去掉被消化了。,长中含短，留下短。,（33）,2.反变量的吸收：,证明：,例如：,长中含反，去掉反。,字母上面没有非运算符的叫做原变量有非运算符的叫做反变量,（34）,五、反演定理,可以用列真值表的方法证明：,德摩根(DeMorgan)定理：,（35）,反演定理内容：将函数式F中所有的,变量与常数均取反,（求反运算）,互补运算,1.运算顺序：先括号再乘法后加法。,2.不是一个变量上的反号不动。,注意:,用处：实现互补运算（求反运算）。,新表达式：F,显然：,(变换时，原函数运算的先后顺序不变),(反函数，补函数),（36）,例题：,与或式,注意括号,注意括号,（37）,1.4逻辑函数的表示法,四种表示方法,逻辑代数式(逻辑表示式,逻辑函数式),逻辑电路图:,卡诺图,真值表：将逻辑函数输入变量取值的不同组合与所对应的输出变量值用列表的方式一一对应列出的表格。,（38）,将输入、输出的所有可能状态一一对应地列出。n个变量可以有2n个输入状态。,1.4.1真值表,列真值表的方法：一般按二进制的顺序，输出与输入状态一一对应，列出所有可能的状态。,（39）,1.4.2逻辑函数式,逻辑代数式：把逻辑函数的输入、输出关系写成与、或、非等逻辑运算的组合式。也称为逻辑函数式，通常采用“与或”的形式。,例：,与普通代数不同的是，在逻辑代数中，不管是变量还是函数，其取值都只能是0或1，并且这里的0和1只表示两种不同的状态，没有数量的含义。,（40）,一个逻辑函数的表达式可以有与或表达式、或与表达式、与非-与非表达式、或非-或非表达式、与或非表达式5种表示形式,一种形式的函数表达式相应于一种逻辑电路。尽管一个逻辑函数表达式的各种表示形式不同，但逻辑功能是相同的,（41）,逻辑函数的标准形式,逻辑函数可以表示为最小项之和的形式（与或表达式）或者最大项之积的形式（或与表达式）应用最多的是最小项之和的形式，也叫最小项标准式。最小项也是卡诺图化简的基础。,BACK,（42）,最小项(MinTerm),逻辑函数有n个变量，由它们组成的具有n个变量的乘积项中，每个变量以原变量或反变量的形式出现且仅出现一次，这个乘积项为最小项。N个变量有2n个最小项。例如：n=3，对A、B、C，有8个最小项,（43）,最小项(续),对任意最小项，只有一组变量取值使它的值为1，其他取值使该最小项为0为方便起见，将最小项表示为min=3的8个最小项为：,（44）,最小项(续),任何逻辑函数均可表示为唯一的一组最小项之和的形式，称为标准的与或表达式某一最小项不是包含在F的原函数中，就是包含在F的反函数中例：,（45）,最大项(MaxTerm),n个变量组成的或项，每个变量以原变量或反变量的形式出现且仅出现一次，则称这个或项为最大项例如：n=3的最大项为,（46）,最大项(续),对任意一个最大项，只有一组变量取值使它的值为0，而变量的其他取值使该项为1将最大项记作Mi任何一个逻辑函数均可表示为唯一的一组最大项之积，称为标准的或与表达式n个变量全体最大项之积必为“0”某个最大项不是含在F的原函数中，就是在F的反函数中,（47）,最大项(续),例如：,BACK,（48）,1.4.3卡诺图,卡诺图的构成：将n个输入变量的全部最小项用小方块阵列图表示，并且将逻辑相邻的最小项放在相邻的几何位置上，所得到的阵列图就是n变量的卡诺图。,最小项：构成逻辑函数的基本单元。对应于输入变量的每一种组合。,变量赋值为1时用该变量表示（原变量）变量赋值为0时用该变量的反来表示（反变量）,逻辑相邻：若两个最小项只有一个变量以原、反区别，其他变量均相同，则称这两个最小项逻辑相邻。,（49）,最小项：输入变量的每一种组合。,输入变量,二输入变量卡诺图,卡诺图的每一个方块（最小项）代表一种输入组合，并且把对应的输入组合注明在阵列图的上方和左方。,（50）,1.4.4逻辑图,把相应的逻辑关系用逻辑符号和连线表示出来，就构成了逻辑图。,F=AB+CD,（51）,1.4.5逻辑函数四种表示方式的相互转换,一、逻辑电路图逻辑代数式,AB,（52）,二、真值表卡诺图,二变量卡诺图,真值表,（53）,三、真值表、卡诺图逻辑代数式,方法：将真值表或卡诺图中为1的项相加，写成“与或式”,（54）,1.5逻辑函数的化简,逻辑函数化简的意义：逻辑表达式越简单，实现它的电路越简单，电路工作越稳定可靠。,利用逻辑代数的基本公式,逻辑函数的公式化简法就是运用逻辑代数的基本公式、定理和规则来化简逻辑函数。,利用卡诺图化简,卡诺图适用于输入变量为3、4个的逻辑代数式的化简；化简过程比公式法简单直观。,（55）,利用逻辑代数的基本公式,例1：,（56）,例2：,反演,利用逻辑代数的基本公式,（57）,卡诺图化简的步骤,按照循环码规律指定卡诺图变量取值；在函数最小项对应的小方块填“1”，其他方块填“0”；合并相邻填“1”的小方块，两个方块合并消去一个变量（一维块）；4个方块合并消去两个变量（二维块）；合并过程中先找大圈合并，圈越大消去的变量越多；使每一最小项至少被合并包含过一次；每个合并的圈中，至少要有一个“1”没有被圈过，否则这个圈就是多余的。,2.逻辑门电路,2.1概述2.2门电路的实现2.3集成电路2.4OC门2.5三态门,（59）,2.1概述,门电路：实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路（逻辑器件）,门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,门电路的输出状态与赋值对应关系：,正逻辑：高电位对应“1”；低电位对应“0”。,混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。,一般采用正逻辑,负逻辑：高电位对应“0”；低电位对应“1”。,（60）,负逻辑门符号画法,在对应的输入端、输出端上加一个小圆圈O（表示相反的含义）加以区别小圆圈当作非号，一条线两端同时加上或消去小圆圈逻辑功能不变一条线上小圆圈从一端可移到另一端，其逻辑功能不变在一个逻辑符号的输入端和输出端同时加上（或去掉）小圆圈，并将加小圆圈的门如是与门改为或门，如是或门改为与门，其逻辑功能不变,（61）,门(电子开关),满足一定条件时，电路允许信号通过开关接通。,开门状态：,关门状态：,条件不满足时，信号通不过开关断开。,（62）,在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。,K开-VO输出高电平，对应“1”K合-VO输出低电平，对应“0”,（63）,开关作用,二极管,反向截止：,开关接通,开关断开,三极管（C,E),饱和区：,截止区：,开关接通,开关断开,正向导通：,（64）,2.2门电路的实现,1.分立元件门电路体积大、工作不可靠需要不同电源各种门的输入、输出电平不匹配,2.集成电路TTL型门电路输入和输出端结构都采用半导体晶体管（TTL：Transistor-TransistorLogic）优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大,缺点,（65）,金属-氧化物-半导体场效应管MOS(Metel-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransister),扇入系数：门电路允许的输入端数目，一般不超过8扇出系数：门的输出端能连接的下一级输入端的个数，一般为8,3.集成电路MOS型门电路,（66）,在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。,逻辑门数10个以下：小规模集成电路(SmallScaleIntegration:SSI)逻辑门数1099个：中规模集成电路（MediumScaleIntegration:MSI)逻辑门数1009999个：大规模集成电路（LargeScaleIntegration:LSI)逻辑门数10000个以上：超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegration:VLSI),2.3集成电路IC,（67）,集成电路规模的划分，目前在际上尚无严格、确切的定义。在发展过程中，逐渐形成一种近似的划分意见，按芯片上所含逻辑门电路或晶体管的个数作为划分标志。一般人们将单块芯片上包含100个元件或10个逻辑门以下的集成电路称为小规模集成电路；而将元件数在100个以上、1000个以下，或逻辑门在10个以上、100个以下的称为中规模集成电路；门数有100100000个元件的称大规模集成电路（LSI），门数超过5000个，或元件数高于10万个的则称超大规模集成电路（VLSI）。注：以上描述和前面的划分方法不同。,集成电路相关,（68）,集成电路的类型,（69）,半导体三极管（BJT-BipolarJunctionTransistor），又常称为晶体管，是通过一定工艺，将两个PN结结合在一起的器件。晶体管是用输入电流控制输出电流的电流控制器件，由导电载流子空穴和电子共同形成电流，因此又称为双极型晶体管或双向晶体管。场效应管是用输入电场控制输出电流的电压控制器件，导电载流子只有空穴或电子一种，因此又称为单极型晶体管或单向晶体管。在电子技术中一种由半导体材料制成的电子器件，可以用来控制电路中的电流。它分为双极型和单极型两种型式。双极型晶体管由一块分层的n-p-n或p-n-p半导体材料组成，具有发射极、基极和集电极三条引接端，其电流是由正、负两种载流子共同产生的。在单极型晶体管中，引接端叫作源极、栅极和漏极，其电流是由多数载流子产生的。,三极管、晶体管、单极晶体管和双极晶体管的区别,（70）,TTL门电路及改进74系列,74xx普通标准TTL74LSxx低功耗肖特基TTL74Sxx肖特基TTL(抗饱和)74ALSxx先进低功耗肖特基TTL74ASxx先进肖特基TTL74Fxx高速TTL,（71）,74LS004个2输入与非门,74LS202个4输入与非门,（72）,74LS046个反相器,（73）,74LS024个2输入或非门,（74）,能否“线与”？,答案：TTL与非门不允许直接线与,集电极开路的逻辑门（OpenCollector),2.4OC门,问题：TTL与非门能否直接线与？,（75）,OC门可以实现“线与”功能。,F=F1F2F3,符号,输出端要接上拉负载电阻RLRL和UCC可以外接,（76）,OC门的应用,实现“线与”逻辑功能实现电平转换例如，把输出高电平转换为10V时，可将外接的上拉电阻接到10V电源上用做驱动器用OC门来驱动指示灯，继电器和脉冲变压器等实现总线传输,（77）,正常输出端有两种状态高电平状态低电平状态三态门具有第三种状态高阻状态（悬空状态、禁止状态）输出阻抗很高（相当于与其他电路无关）不是高电平，也不是低电平具有一个控制端控制端无效，输出高阻状态,2.5三态门（TS门）,（78）,功能表,三态门的符号及功能表,功能表,（79）,三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路。,三态门的用途,工作时，E1、E2、E3分时接入高电平,（80）,三态门(两输入与非),&,A,B,国标,3.组合逻辑电路,3.1概述3.2编码器3.3译码器3.4加法器3.5数据选择器,（82）,3.1概述,逻辑电路,组合逻辑电路,时序逻辑电路,功能：输出只取决于当前的输入。,组成：门电路，不存在记忆元件。,功能：输出取决于当前的输入和原来的状态。,组成：组合电路、记忆元件。,（83）,组合电路的研究内容：,分析：,设计：,给定逻辑图,得到逻辑功能,分析,给定逻辑功能,画出逻辑图,设计,（84）,3.2编码器,所谓编码就是赋予选定的一系列二进制代码以固定的含义。,n个二进制代码（n位二进制数）有2n种不同的组合，可以表示2n个信号。,一、二进制编码器,二进制编码器的作用：将一系列信号状态编制成二进制代码。,（85）,例：用与非门组成三位二进制编码器。,-八线-三线编码器,设八个输入端为I1I8，八种状态，与之对应的输出设为F1、F2、F3，共三位二进制数。,设计编码器的过程与设计一般的组合逻辑电路相同，首先要列出状态表（即真值表），然后写出逻辑表达式并进行化简，最后画出逻辑图。,（86）,真值表,（87）,8-3编码器逻辑图,（88）,译码是编码的逆过程，即将某二进制翻译成电路的某种状态。,一、二进制译码器,二进制译码器的作用：将n种输入的组合译成2n种电路状态。也叫n-2n线译码器。,译码器的输入,一组二进制代码,译码器的输出,一组高低电平信号,3.3译码器,（89）,2-4线译码器74LS139的内部线路,（90）,74LS139的功能表,“”表示低电平有效。,（91）,74LS139管脚图,一片139种含两个2-4译码器,（92）,例：利用线译码器分时将采样数据送入计算机。,（93）,工作原理：（以A0A1=00为例）,脱离总线,（94）,3位二进制译码器,真值表,输入：3位二进制代码输出：8个互斥的信号,（95）,逻辑表达式,逻辑图,电路特点：与门组成的阵列,（96）,集成二进制译码器74LS138,A2、A1、A0为二进制译码输入端，为译码输出端（低电平有效），G1、为选通控制端。当G11、时，译码器处于工作状态；当G10、时，译码器处于禁止状态。,（97）,真值表,输入：自然二进制码,输出：低电平有效,（98）,举例：A=1101,B=1001，计算A+B。,0,1,1,0,1,0,0,1,1,加法运算的基本规则：,(1)逢二进一。,(2)最低位是两个数最低位的叠加，不需考虑进位。,(3)其余各位都是三个数相加，包括被加数、加数和低位来的进位。,(4)任何位相加都产生两个结果：本位和、向高位的进位。,用半加器实现,用全加器实现,3.4加法器,（99）,一、半加器,半加运算不考虑从低位来的进位设：A-加数；B-被加数；S-本位和；C-进位,真值表,（100）,逻辑图,逻辑符号,惯用符号,（101）,二、全加器：,输入：Ai-加数；Bi-被加数；Ci-低位的进位输出：Si-本位和；Ci+1-进位,真值表,逻辑符号,（102）,从一组数据中选择一路信号进行传输的电路，称为数据选择器，又叫多路开关，简称MUX（Multiplexer）,控制信号,输入信号,输出信号,数据选择器类似一个多投开关。选择哪一路信号由相应的一组控制信号控制。,3.5数据选择器,（103）,一位数据选择器：从n个一位数据中选择一个数据。m位数据选择器：从n个m位数据中选择一个数据。,控制信号,四二选一选择器,n=2,m=4,（104）,四选一集成数据选择器74LS153,功能表,4.时序逻辑电路,4.1概述4.2基本RS触发器4.3常用触发器4.4寄存器和计数器4.5PLD简介,（106）,时序电路的特点：具有记忆功能。,在数字电路中，凡是任一时刻的稳定输出不仅决定于该时刻的输入，而且还和电路原来的状态有关者，都叫做时序逻辑电路，简称时序电路。,4.1概述,时序电路的基本单元：触发器。,（107）,触发器的功能：形象地说，它具有“一触即发”的功能。在输入信号的作用下，它能够从一种状态(0或1)转变成另一种状态(1或0)。,触发器的特点：有记忆功能的逻辑部件。输出状态不只与现时的输入有关，还与原来的输出状态有关。,触发器的分类：,按功能分：有R-S触发器、D型触发器、JK触发器、T型等；按触发方式划分：有电平触发方式、主从触发方式和边沿触发方式。,（108）,4.2基本RS触发器,反馈,反馈,正是由于引入反馈，才使电路具有记忆功能!,（109）,输入RD=0,SD=1时,若原状态：,1,1,0,0,1,0,1,0,输出仍保持：,若原状态：,0,1,1,1,1,0,1,0,输出变为：,置“0”！,（110）,输入RD=1,SD=0时,若原状态：,1,0,1,0,1,0,0,1,输出变为：,若原状态：,0,0,1,1,0,1,0,1,输出保持：,置“1”！,（111）,输入RD=1,SD=1时,若原状态：,1,0,1,1,1,0,0,1,输出保持原状态：,若原状态：,1,1,0,1,1,0,输出保持原状态：,保持！,（112）,输入RD=0,SD=0时,输出：全是1,注意：当RD、SD同时由0变为1时，翻转快的门输出变为0，另一个不得翻转。因此，该状态为不定状态。,基本触发器的功能表,（113）,1.触发器是双稳态器件，只要令RD=SD=1，触发器即保持原态。稳态情况下，两输出互补。一般定义Q为触发器的状态。,2.在控制端加入负脉冲，可以使触发器状态变化。SD端加入负脉冲，使Q1，SD称为“置位”或“置1”端。RD端加入负脉冲，使Q0，RD称为“复位”或“清0”端。,小结,（114）,同步RS触发器,“同步”的含义：由时钟CP决定R、S能否对输出端起控制作用。,直接清零端,直接置位端,（115）,直接清零端,直接置位端,直接清零端、置位端的处理：,（116）,（117）,RS触发器的电路结构演变过程,由两个与非门构成基本RS触发器,由四个与非门构成同步RS触发器,由九个与非门构成主从RS触发器,公共结构,让其接受时钟控制,主-从触发器的主要特点:用于设计计数器时,附加电路少,简单!,（118）,4.3常用触发器,功能表,Q,D触发器的输出波形,结论：Qn+1=D,1.D触发器（D锁存器）,（119）,触发器的触发方式,触发方式？,研究翻转时刻与时钟脉冲间的关系,电位触发方式,电位触发,正电位触发,负电位触发,CP=1期间翻转,CP=0期间翻转,（120）,边沿触发方式,为了免除CP=1期间输入控制电平不许改变的限制，可采用边沿触发方式。其特点是：触发器只在时钟跳转时发生翻转，而在CP1或CP0期间，输入端的任何变化都不影响输出,如果翻转发生在上升沿就叫“上升沿触发”或“正边沿触发”。如果翻转发生在下降沿就叫“下降沿触发”或“负边缘触发”,（121）,边沿触发的D触发器功能表,触发方式在逻辑符号中的表示：,（122）,功能表,JK触发器的功能小结：,1.当J=0、K=0时，具有保持功能；,2.当J=1、K=1时，具有翻转功能；,3.当J=0、K=1时，具有复位功能；,4.当J=1、K=0时，具有置位功能。,2.JK触发器,（123）,4.4寄存器,1数码寄存器,寄存器是计算机的主要部件之一，它用来暂时存放数据或指令。,四位数码寄存器,（124）,八D寄存器：三态输出,共输出控制,共时钟,（125）,2移位寄存器,所谓“移位”，就是将寄存器所存各位数据，在每个移位脉冲的作用下，向左或向右移动一位。根据移位方向，常把它分成三种：,（126）,3计数器,计数器的作用,记忆输入脉冲的个数；用于定时、分频、产生节拍脉冲及进行数字运算等等。,计数器的分类,按工作方式分：同步计数器和异步计数器,按功能分：加法计数器、减法计数器和可逆计数器,按计数器的计数容量(或称模数)来分：各种不同的计数器，如二进制计数器、十进制计数器、二十进制计数器等等,（127）,PLD的基本结构,PLD的主体是由与门和或门构成的与阵列和或阵列，因此，可利用PLD来实现任何组合逻辑函数。GAL还可用于实现时序逻辑电路。,4.5PLD简介可编程逻辑器件（Pro