计算机基础Chapter04-门和电路

1、计算机基础第第4 4章章 门和电路门和电路信息学院信息学院 王悦王悦20122012秋秋224硬件层章4.用晶体管搭建门；用门搭建电路章5.计算机的硬件与冯诺依曼体系结构3提纲提纲逻辑与布尔代数门用晶体管搭建门组合电路 加法器 多路复用器集成电路的发展与CPU4重点重点熟练掌握各种门的布尔代数/逻辑图/真值表的表达法熟练掌握晶体管的电学特性，及其如何用晶体管搭建门熟练掌握半加器的设计 理解逻辑与算术的联系！了解多路复用器的功能了解集成电路的发展与CPU5逻辑（逻辑（Logic）逻辑是对逻辑是对“辩论辩论”（argument）的研究。）的研究。 例： “我周二上午3-4节在信管班上课。” Tru

2、e (1) or False (0)? 考虑： “我周二上午3-4节上课。” and “我在信管班上课。” T or F? T or F?6George Boole (乔治乔治布尔，布尔，1815-1864)英国数学家和哲学家，创立了 布尔逻辑（Boolean logic）- 它是现在数字计算机的逻辑基础。因此，Boole被后人认为是计算机科学的奠基者之一。George Boole had taken the concept of arithmetic（算术）, such as the addition, and used it as a generator of logical OR. Th

3、e Laws of Thought7计算机和电子学（计算机和电子学（Electricity） We use technology to harness the power of a lightning bolt, bending it to our will so that we can perform calculations and make decisions. (摘自 Computer Science Illuminated)8逻辑门逻辑门 或 门（门（Logic Gate or Gate） 对电信号进行基本操作的器件。门执行逻辑运算，接收逻辑输入（1 or 0），产生逻辑输出（1 o

4、r 0）。逻辑电路逻辑电路 或 电路（电路（Logic Circuits or Circuits） 多个门组合起来，可执行更复杂的计算任务。计算机和电子学（计算机和电子学（Electricity）9如何描述门和电路的行为?布尔表达式（布尔表达式（Boolean expressions） 即布尔代数（Boolean algebra） 二值（two-valued）逻辑的数学表述逻辑图（逻辑图（Logic diagrams） 电路的图形表示。门用图形符号表示。真值表（真值表（Truth tables） 表格，用来绘制所有可能的输入和输出。计算机和电子学（计算机和电子学（Electricity）10门

5、（门（Gates） 6种门： NOT（非）（非） AND（与）（与） OR（或）（或） XOR（异或）（异或） NAND（与非）（与非） NOR（或非）（或非） 在逻辑图中，我们用不同的形状区分不同的门。11非门（非门（NOT Gate）NOT gate接收一个输入信号 (0 or 1) ，输入相反的信号。 1 表示 True (T) 0 表示 False(F)12与门（与门（AND Gate）AND gate接收两个输入信号。如果两个都是1，输出是1；否则，输出是0。运算符 可以省略。13或门（或门（OR Gate）OR gate接收两个输入信号。如果两个都是0，输出是0；否则，输出是1。1

6、4异或门（异或门（XOR Gate）XOR gate接收两个输入信号。如果两者相同，输出是0；否则，输出是1。比较A+B?15异或门（异或门（XOR Gate）XOR和OR的区别：当两个输入信号都为1时，OR产生1，而XOR 产生0。XOR 即 eXclusive（排他的） OR。与非门（与非门（NAND Gate）NAND gate接收两个输入信号。如果两个都是1，输出是0；否则，输出是1。17或非门（或非门（NOR Gate）NOR gate接收两个输入信号。如果两个都是0，输出是1；否则，输出是0。18小结小结NOT gate 反转它的单输入信号AND gate 产生 1，如果它的两个输

7、入是1NAND gate 产生 0，如果它的两个输入是1OR gate 产生 0，如果它的两个输入是0NOR gate 产生 1，如果它的两个输入是0XOR gate 产生 0，如果它的两个输入相同19多输入信号的门多输入信号的门例：三输入的AND gate输出1，仅当它的所有输入都为1。20用晶体管搭建门用晶体管搭建门晶体管（晶体管（Transistor） 由半导体（semiconductor）制成。根据输入信号的电压值的高低，它可以表现为导线或绝缘体的行为，即像一个电流开关。21接线端:Source（源极）：电源供应Base（基极）：信号输入Output（输出）：信号输出Ground（地线

8、）：将电流导入大地用晶体管搭建门用晶体管搭建门(电源)(信号输入)（信号输出）半导体材料晶体管晶体管22我们用高电压表示1，低电压表示0。晶体管本身是一个晶体管本身是一个NOT gate！当基极信号是1: 半导体材料表现为“导线”，源极电流被导地，因此信号输出是0。当基极信号是0: 半导体材料表现为“绝缘体”，源极电流不被导地，因此信号输出是1。晶体管晶体管用晶体管搭建门用晶体管搭建门(电源)(信号输入)（信号输出）半导体材料23我们只需1-2个晶体管就可搭建NOT, NAND 和NOR gate。用晶体管搭建门用晶体管搭建门24NOT gateVin = 1, Vout = 0Vin = 0

9、, Vout = 1因此，Vout = Vin用晶体管搭建门用晶体管搭建门25NAND gateV1 = V2 = 1, Vout = 0否则, Vout = 1因此，Vout = (V1V2)用晶体管搭建门用晶体管搭建门26NOR gateV1 = V2 = 0, Vout = 1否则, Vout = 0因此, Vout = (V1+V2)用晶体管搭建门用晶体管搭建门27如何构造OR, AND, XOR gates？用晶体管搭建门用晶体管搭建门28电路（电路（Circuits）组合电路（组合电路（Combinational circuit） 信号输出由信号输入唯一决定。如加法器（adders

10、）、多路复用器（multiplexer）。时序电路（时序电路（Sequential circuit） 信号输出由信号输入和电路状态决定。如S-R锁存器（S-R latch）。29一个门的输出是另一个门的输入。X = AB + AC 表示两个导线是相连的组合电路组合电路输出等于输入的逻辑运算。30X = A(B+C)组合电路组合电路X= 与之前的电路，比较它们的真值表。31电路等价性（电路等价性（Circuit equivalence） 两个电路的真值表相同。 布尔代数提供了一些的数学定律来帮助设计电路。 A(B + C) = AB + AC (分配律) 哪个电路好？组合电路组合电路32问题：A

11、B+AB 的真值表？逻辑图？它是什么？组合电路组合电路33布尔代数的特性布尔代数的特性交换交换结合结合分配分配同一同一互补互补德摩根定律德摩根定律34加法器（加法器（Adders）加法器（加法器（Adders） 一种特殊的电路，执行二进制数的加法。半加器（半加器（Half adder） 半加器只考虑两个bit的相加，产生一个进位（carry）。全加器（全加器（Full adder） 除了对当前的两个bit相加，还要加上低位bits相加后的进位（carry-in），即A+B+carry-in, 总共三个bit相加。这是加法器的一个基本结构。35半加器（半加器（Half adders）sum =

12、A Bcarry = AB半加器（半加器（Half adder） 只考虑两个bit的相加，产生一个进位（carry）。36全加法器（Full adder）全加法器（全加法器（Full adder） 除了对当前的两个bit相加，还要加上低位bits相加后的进位（carry-in），即A+B+carry-in, 总共三个bit相加。这是组成二进制数相加的基本结构。sum1carry1carry2（自低位的进位）（自低位的进位）（往高位进位）（往高位进位） 布尔表达式是？ 37多路复用器（Multiplexer） 多路复用器（多路复用器（Multiplexer） 用输入的控制信号来控制输出信号的选择

13、。38控制信号（输入）S0, S1, S2决定了D0 D7的哪个信号可以被输出到F多路复用器（Multiplexer） 数据输出控制信号变色灯多路复用器（多路复用器（Multiplexer） 用输入的控制信号来控制输出信号的选择。数据信号电子多路开关39集成电路（集成电路（Integrated Circuits）集成电路（集成电路（Integrated circuit，也称 芯片 chip) 一个硅片，上面嵌入了多个gates。被安装在陶瓷或塑料封装里。露在外面的引脚（pin）可以被焊接在电路板上或插在插槽里。40集成电路（集成电路（Integrated Circuits）41集成度（Inte

14、gration）的不断增大：集成电路（集成电路（Integrated Circuits）42摩尔定律摩尔定律 摩尔定律（摩尔定律（Moores Law） 是一个基于经验的定律：芯片密度（chip density），即单位硅片上的晶体管数，每18个月翻一倍 因此，同等价格下，计算机的计算速度或存储容量每18个月翻一倍；换句话说，同等性能的CPU或存储器的成本，每18个月降低一半（硅片是主要成本）。43中央处理器（中央处理器（CPU）中央处理器中央处理器 (Central Processing Unit, CPU)一台计算机中最重要的IC，是运算核心和控制核心。 酷睿（酷睿（Core）双核处理器）

15、双核处理器每个CPU有大量的引脚（pin），由它们与计算机的其它部件（内存、输入输出设备等）通信。 Core 2有有775个引脚个引脚44附录附录时序电路没有讲解，不作要求，有兴趣的同学自己看。45Circuits as MemoryDigital circuits can be used to store informationThese circuits form a sequential circuit（时序电路）, because the output of the circuit is also used as input to the circuit46Circuits as Me

16、moryAn S-R latch（锁存器） stores one bitThere are several ways an S-R latch circuit can be designed using various kinds of gatesFigure 4.12 An S-R latch47S-R LatchWe define the value of X is the state of the circuitTherefore, if X is 1, the circuit is storing a 1; if X is 0, the circuit is storing a 0We

17、 set the values of S and R to set x or keep x by 0 (or 1)Figure 4.12 An S-R latch48Keep state（即锁存）We let S = 1 and R = 1,if Xt = 1, Xt+1 = 1if Xt = 0, Xt+1 = 0 Figure 4.12 An S-R latchS-R Latch49Set X by 1We let S = 0 and R = 1, Xt+1 = 1 no matter what Xt is Figure 4.12 An S-R latchS-R Latch50Set X by 0We let S = 1 and R = 0,Xt+1 = 0 no matter what Xt isFigure 4.12 An S-R latchS-R Latch51S = 0 and R = 0 are not allowed, c