数字逻辑实验、知识点总结.

1、数字逻辑实验报告、总结专业班级：计算机科学与技术3 班 学号： 41112115 姓名：华葱一、 实验目的1 熟悉电子集成实验箱的基本结构和基本操作2 通过实验进一步熟悉各种常用SSI 块和 MSI 块的结构、各管脚功能、工作原理连接方法3 通过实验进一步理解MSI 块的各输入使能、输出使能的作用（存在的必要性）4 通过实验明确数字逻辑这门课程在计算机专业众多课程中所处的位置，进一步明确学习计算机软硬件学习的主线思路以及它们之间的关系学会正确学习硬件知识的方法。二、 实验器材1 集成电路实验箱2 导线若干3 14 插脚、 16 插脚拓展板4 各种必要的 SSI 块和 MSI 块三、 各次实验过

2、程、内容简述（一） 第一次实验：利用 SSI 块中的门电路设计一个二进制一位半加器1. 实验原理：根据两个一位二进制数 x、y 相加的和与进位的真值表，可得：和 sum=x 异或 y，进位 Cout=x×y。相应电路：x=1y&SumCout2. 实验内容：a) 按电路图连接事物，检查连接无误后开启电源b) 进行测试，令 <x ，y>=<0,0>,<0,1>,<1,0>,<1,1> ，看输出位 sum 和 Cout 的变化情况。c) 如果输出位的变化情况与真值表所述的真值相应，则达到实验目的。（二） 第二次实验：全加

3、器、74LS138 译码器、 74LS148 编码器、74LS85 比较器的测试、使用，思考各个输入、输出使能端的作用1. 实验原理：a) 全加器i. 实验原理：在半加器的基础上除了要考虑当前两个二进制为相加结果，还要考虑低位（前一位）对这一位的进位问题。由于进位与当前位的运算关系仍然是和的关系， 所以新引入的低位进位端 Cin 应当与当前和 sum 再取异或，而得到真正的和 Sum；而进位位 Cout 的产生有三种情况：<x，y， Cin>=<1,1,0>,<1,0,1>,<0,1,1>, 也就是说当 x、in 中当且仅当其中的两个数为1，另一

4、个数为0 的yC时候 Cout=1，因此： Cout=xy+xC in +yCin 得电路图（也可以列出关于 Cin 的真值表，利用卡诺图求解Cin 的函数表达式）：x=1=1SumyCin&& 1Cout&ii. 实验内容：进行测试，穷举 <x ，y，Cin >的 8 中指派作 为 测 试 ， 重 点 测 试 <x ， y ，Cin >=<1,1,0>,<1,0,1>,<0,1,1> 这三种情况。iii. 如果输出位的变化情况与真值表所述的真值相应，则达到实验目的。b) 74LS138 译码器i. 实验原理：

5、译码器是一个能够将一串序列号（我个人理解为地址）所对应的有序编号（按照某种认为约定）进行表达的电子逻辑器件， 74LS138 译码器是译码器的一种，它能够将一个与十进制整数值等值的二进制序列翻译为相应的十进制值，将信号输出在相应的数据线上。原理：每一个一位（ 07）十进制值 Yi 都对应一个三位二进制序列的表达，也就对应一个极小项mi ，即 Yi =mi， 则可根据 mi 对应的_三个输入变量组合设计门电路 （例如 Y5=m5=ABC ）。将这 8 个十进制值都做这样的门电路设计，在进行相应的封装、集成，就形成了这种 3-8 译码器，其外部逻辑状态如图所示：74LS138Y 0。G1Y1。G2

6、AY2。G2BY3。Y 4A Y 5 。B Y 6 。C Y 7 。ii. 实验内容：按要求连接电路，将使能端按<G1,G2A ,G2B >=<1,0,0>连接使译码器使能， 将三个输入端按 <A,B,C>=A,B,C 组成的极小项 | mi 0i 7测试译码器，观察各个输出端 Yi 是否正确输出，如果能，则达到实验目的。iii. 思考： G1,G2A,G2B 作用。1. G1 的作用： G1 在 3-8 译码器中起开启 /封锁各与门的作用，它的存在决定了该 3-8 译码器芯片是否工作，因此如果需要拓展译码输入的位数由 3 位到多位，则需要利用该使能端。 如

7、：若需要设计一个 4 线-16 线译码器，则可用最高位 N3 控制G1，因为如果 N3 为 0 则表明输入实际上是3 位二进制，译码只许一块3-8 译码器，但如果N3为 1 则表明输入为 4 位二进制，则需要开启第二块 74LS138 工作，因此可以通过 N3 的值驱动第二块 74LS138，所以 N3 可以接到第二块 74LS138的 G1端。2. G2A 的作用：如 1 所述，当 N3 的值为 （1N3 N2N1N0 所对应的十进制大于 7 了），则第二块 74LS138 需要启用，但由于 Y i 的 i > 7 因此第一块 74LS138 不再有译码输出，因此第一块 74LS138

8、 需要被封锁，这如果用第一块 74LS138 的 G1 来控制，这将会破坏译码器器件使能输入的一致性 （标准性）影响将来进一步的级联拓展 （这将在 3 中具体说明）。G2A 的存在就解决了这个问题， N3 可以通过 G2A 来控制第一块 74LS138 的工作状态，而不影响整个 4 线-16 线译码器的使能。3. G2B 的作用：考虑到整个 4 线-16 线译码器的使能控制以及译码器器件输入使能的一致性， 即人们希望设计出来的 4 线-16 线译码器能够像 74LS138 一样具有三个使能端，第一个高有效，第二、三两个低有效， 这样可以方便进一步的级联扩展，则有必要存在一个低有效使能端作为整个

9、 4-16 译码器的第一个低有效使能端，而3-8译码器的 G1 和 G2A 已被占用，不能承担此项工作，这就是 G2B 存在的意义。4. 其实根据我个人的理解， G1,G2A ,G2B 存在的意义并不是为方便级联拓展， 因为级联的含义是前一个译码器的输出作为后一个译码器的输入， 它解决的是 n 线-(8n-1)线(n 为 3 的倍数 )译码器设计，而 4-16 译码器（具体电路如图所示）的结构并不是两个 74LS138 级联，而是并联。+5V74LS138。 /DEC0Y 0G1Y 1。/DEC1G2AY 2。/DEC2。Y 3。/DEC3G2B?Y 4。/DEC4N0AY 5。/DEC5N1

10、?BY 6。/DEC6N2?CY 7。/DEC7N3?第一块/EN74LS138。 /DEC8Y 0G1Y 1。/DEC9。Y 2。/DEC10G2A。 /DEC11。G2BY 3Y 4。/DEC12AY 5。/DEC13BY 6。/DEC14CY 7。/DEC15第二块（注：由于我对译码器的级联比较熟悉， 而对译码器的并联较为生疏，因此我在此只做译码器并联的复习，级联的问题省略）c) 74LS148 编码器i.实验原理：当译码器的输出端数量小于输入端数量的时候，译码器就成为了编码器。按照我的理解，我认为编码器的工作于译码器的工作互逆，如前所述，译码器是将一个十进制整数对应的二进制翻译到对应以

11、这个十进制为下标的数据线上，而编码器的工作机制则相反，它能够通过判断哪根数据线上有数据信号，则将其还原为数据线下标十进制值对应的二进制代码，并将其结果输出。如果将一个 74LS138 的 8 个输入端分别接到一个 74LS148 对应的 8 个输入端，构成一个组合电路，并让它正常工作，那么输入的三位二进制数将先被翻译成相应数据线上的内容，再输入到编码器里面又编码回对应的三位二进制数，即输入什么将输出什么，相当于什么都没有做，因此我认为编码器工作原理与译码器工作原理互逆。其外部逻辑状态为：74LS148。EI。I7。I6。A 2。I5。I4A 1。A 0。I3。I2GS 。I1。IEO 。0ii

12、. 实验内容：在每一个 I i（0i7）对应的管脚上先后分别输入信号， 观察 A 2A 1A0 的输出信号变化， 如果输出对应的二进制值与 i 相等则达到实验目的。iii. 思考：编码器为什么要有优先权？两个输出使能 GS 和 EO 的存在有什么意义？经过测试，同时在编码器的多个输入管脚I i 上送入信号，输出信号的值总是与下标i 最大的 I i 数据线对应的值相等，即其输入到其他下标较小的管脚中的信号没有被编码。产生这个现象的原因就在于编码器的编码存在优先权。反过来想，如果编码器没有优先权，那么当多个数据输入到编码器中， 则编码器无法判断输入的数据究竟哪一个该编码，进而导致输出错误。因此，编

13、码需要考虑优先权。 应用：医院里的病房都分一般病房和重症监护室，由于重症监护室的病人更需要时时关注， 那么当同时有两个求助信号从病房送到护士站的时候， 如果其中一个信号来自一般病房，另一个来自重症监护室，在护士站受到的信号应是来自重症监护室的求助信号，而那个一般病房的信号将由于优先权低于重症监护室的信号而被“忽略” 。另外，编码器还可用作数据寻址，将一个数据信号翻译为其对应的地址， 在计算机内部的数据总线上， 挂有若干的外部设备， 当外部设备需要进行某种工作时，都要向 CPU 发送请求，这个请求将对应一个地址，使得CPU 在该地址取相应的指令来授权该外部设备工作，当同一时刻有多个外部设备向CP

14、U 发送请求时，由于编码器具有优先权选择性，CPU将选择对应编码优先权最高的外部设备做授权工作。这样就不会由于若干的外部设备共享一根数据总线，发送求的时候产生混乱。输出使能 EO 的作用：与译码器类似，EO 用作级联扩展，当第一块74LS148 的输入全部无效时，也就是需要编码的信号 I i 中 i 大于 7，也就是在下一块74LS148的某个输入管脚，此时第一块 74LS148 的 EO 为有效输出，而第二块需要开启工作， 因此应把第一块74LS148的 EO 接到第二块 74LS148 的 EI 上，与 74LS138 类似，它能解决 (8n-1)线-n 线(n 为 3 的倍数 )的编码器

15、设计问题。输出使能 GS 的作用：此问题仍然与译码器类似， GS 不是供 74LS148 级联的而是供它并联，解决 (8n-1)线-n线(n 不是 3 的倍数 )编码器的设计问题，比如设计一个 16 线-4 线编码器。下面就 16 线-4 线编码器的设计谈一谈我的收获： 16 线输入的编码器与 74LS148 的区别在于它需要编码的信号不一定在I 0I7 中，还有可能在I8I 15 中。就此需要分类讨论，当需要编码的信息落在I0I 7 范围内，也就是编码后的四位二进制结果最高位A3 为 0，那么第一块 74LS148 一定要使能，而 74LS148没必要开启。当需要编码的信息落在I 8I 15

16、 也就是编码后的四位二进制结果最高位A3 为 1，而编码结果的后三位由第一块 74LS148 的输出端 A2A1A0 输出。综上所述，编码结果的最高位为 0 时，也就是 I i 的 i 小于 7 时，第二块 74LS148 不工作，而编码结果的最高位 A3 为 1 时，也就是 Ii 的 i 大于 7 时，输入信号从第二块 74LS148 的相应管脚输入，第一块 74LS148 的所有输入均无效，其 EO 有效输出，因此第二块 74LS148 必须要工作， 而能够标志这种输入范围和是否工作关系的信号就是GS信号，恰好可以让第一块74LS148 的 EO 使能第二块74LS148（接到其 EI 上

17、）因此 GS 就正是我们要找的编码结果的最高位A3。具体电路如图所示：d).74LS85 比较器的测试i.实验原理：比较两个二进制数的方法是从最高位开始，依次比较每一位。在比较到第i 位时，不仅要看两个二进制数第i 位的大小，还要看第i-1 位的比较结果，由二者共同决定第i 位的比较结果。74LS85 的内部逻辑状态原理：在比较两个数A 、B的第 i 位 Ai 和 Bi 时，如果 A i>Bi，则一定有Ai=1，_Bi=0，将此情况记为 PGi，则 PGi =A iBi；同理， A i<Bi 的情况 PLi= AiBi；对于 Ai =Bi 的情况 PEi，则应该考虑两种： Ai =

18、1，Bi=1 和 Ai=0，Bi =0，因此 PEi= A i Bi（可用与或非门实现） 。74LS85 是四位比较器，每一位比较的原理都如此，比较结果再和第 i-1 位的比较结果进行综合处理。具体外部逻辑状态为：74LS185ALTBINALTBOUTAEQBIN。AEQBOUTAGTBIN。AGTBOUTA 0。B0A 1B1A 2B2A 3B3i.实验内容：置入任意的 <A 3A 2A1A0, B3B2B1B0,>，分别测试< ALTBIN , AEQBIN , AGTBIN >=<1,0,0>,<0,1,0>,<0,0,1>

19、，观察相应的输出，< ALTBOUT , AEQBOUT, AGTBOUT >是否正确，如果正确，则达到实验目的。ii. 思考：如果比较的位数为 8 位，该如何利用 74LS85 设计电路？当需要比较的数据为 8 位时，则将这两个数据分为两段段，即高四位和低四位，使用两块 74LS58，第一块用于比较低四位，其< ALTBIN , AEQBIN , AGTBIN >置为 <0,1,0>，将其比较结果送至第二块的< ALTBIN , AEQBIN , AGTBIN >，第二块用于比较高四位， 其输出结果则为最终这两个 8 位二进制数比较的结果。电路

20、图略。（三） 第三次实验： 74LS74 D 触发器、 74LS163 4 位二进制计数器、74LS166 8 位二进制移位寄存器1).实验原理：a).74LS74 D 触发器。i.实验原理： D 触发器的内部原理在理论课上老师已经给我们讲过， 我就不在此阐述。 在这里我只想专门谈一谈触发器与锁存器的区别以及锁存器如何实现边沿触发。对于锁存器而言，要求在控制（时钟）输入CLK 有效期间内，输入数据D 稳定不变，但由于实际工程运用电子电路庞杂，数据难免会产生错误而导致传输不稳定（比如空翻现象），如果刻意要求数据稳定不变使器件正确工作将会给实际使用带来不便。 边沿触发的产生就很好的解决了这个问题，

21、边沿触发可以使器件在控制信号的有效边沿时接收数据。就 D 触发器而言，由于 D 锁存器的地方就在于多了两个信号接收门（与非门） ，更重要的是 D 触发器比 D 锁存器内部多了三条反馈数据线。正是由于这三条反馈数据线， 使得时序电路的产生成为了可能， 让电子元器件在控制数据上“智能”了。实验采用 74LS74 芯片，其中封装了两个 D 触发器其 1/2 外部逻辑状态为：。74LS74DPRQCLKCLRQ 。ii. 实验步骤：验证次态于现态之间的关系， 即次态方程。给 CLR 送入一个 0 信号，并给 CLK 端送入一个时钟脉冲，使 D 触发器清零；给 D 端送入一个信号，并给 CLK 端送入一

22、个时钟脉冲，使得数据送到 D 触发器内，再向 CLK端送入一个时钟脉冲， 观察输出 Q 与 D 触发器次态真值表是否一致，如果一致则达到实验目的。iii. 实验思考： D 触发器是时序电路的细胞， 是时序电路的最小单位，它让电子器件在时域上有序处理、存储数据成为可能，其原理是时序电路原理的基础。 （注：由于我比较熟悉 74LS163 的结构，在此就不给出其外部逻辑状态了）b).74LS163 4 位二进制计数器i.实验原理： 74LS163 是一个可以清零、可以设置计数模数、计数起点、可拓展的计数器。清零可以通过其清零端实现，而模数可通过置数端LD 配合各输出端 Qi 实现，计数的起点由 DC

23、BA 输入端输入，而两个使能端则实现进一步拓展级联。ii实验步骤：将 74LS163 的 ENP 与 ENT 使能端接 +5V信号，使芯片使能向 CLR 端送入信号并向 CLK 端送入信号，使得芯片清零。将 CLD 和 LD 接 GND ，给<D,C,B,A>置一个四位二进制初始信号 < D0,C0,B0,A 0 >，让计数器从此数开始加 1 计数。给 CLK 端送入一个时钟脉冲， 观察输出是否为初始置数 < D0,C0,B0,A 0 >加一，如果是，则继续送时钟脉冲给 CLK ，直至进位输出 RCO 有输出信号时，将计数器清零，重新给 < D,C,B

24、,A > 置入一个四位二进制信号，重复上述操作，测试多次，熟练掌握74LS163 工作原理。iii. 思考：使能端 ENP 和 ENT 的作用。为了实现多位二进制数（ 4 位以上）加 1 计数的功能，需要给 74LS163 级联拓展，与译码器级联类似，如果数据低位的输出进位有信号，说明现有的 74LS163 已经不够表达当前的输出数据，需要借助另一块 74LS163 来进行表达，此时就涉及到一个问题，即第二块74LS163 工作使能的控制， ENT 使能端就可以负责此功能。因此如果需要做级联，则第一级的74LS163 进位输出 RCO 接入到第二级 74LS163 的 ENT 上。因此，

25、 ENT 除了控制电路处于置数方式或计数方式外，还控制最高位的ROC 是否有效。当 ENT 做了级联必须的使能时，还需要另一使能端控制较高级的74LS163 的工作使能，这就是ENP 存在的意义。c).74LS166 并入 -串出移位寄存器i.实验原理： 74LS166 结构与 74LS163 结构比较相似，其 SH/LD 端相当于 74LS163 的 ENT 端。当 74LS166 工作起来后，唯一的输出端 Qh 则会将实现置入芯片数据的8 个二进制位 <H,G,F,E,D,C,B,A>按的顺序将其按位移出寄存器， 也就是说并行置入的 8 个二进制位在移位的过程中由低位移向高位，

26、 在低位产生“空位”由信号 SER 补入。由于我对于 74LS166 的结构也比较熟悉，因此就不在此给出其外部逻辑状态了。ii. 实验内容：实验准备工作与 74LS163 实验相同。送信号到 SH/LD 中，并向 CLK 中送入一个时钟脉冲，使芯片处于置数的工作状态，任意置入一组8 位二进制信号给<H,G,F,E,D,C,B,A>，并置入 SER=0 再给 CLK 端送入一个时钟脉冲信号， 使得芯片由置数状态转向移位状态， 接下来持续给 CLK 送入时钟脉冲信号，观察 QH 的输出与每一位输入的数位是否一致， 并观察当 8 位输入的数位都移出芯片后，接下来的输出是否与事先置入的SER 一致，如果都一致，则本次试验成功， 将 SER 置为 1，重复上述操作。所有试验到此结束。四、 实验总结做数字逻辑实验以及老师详细而全面的讲授恶补了我数字逻辑知识的漏洞，纠正了我以前的一些对数字逻辑知识不正确的理解，将曾经抽象的知识变得更容易理解了，极大的提高了我数字逻辑的学习质量以及我的学习兴趣，收获甚大！上述我对实验内容的报告都是我的收获所在，尤其是译码器编码器的并联拓展、各个 MSI 块的使能端作用以及运用、时序电路基本原理基本单位的强化理解 （D 触发器原理），这些都是我在做实验