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计算机与信息科学系第二章数字电路基础和计算机中的逻辑部件《计算机组成与结构》cai22-1数字电路的基本元件2-2基本逻辑门和布尔代数知识基础2-3组合逻辑电路及其应用2-4时序逻辑电路及其应用cai3一、二极管的开

关特性2-1数字电路的基本元件0VrVr’ivBADVr’RF+-AKVr’RFB+-(a)近似等效0Vr’ivBA+-+AKVr’B-Vr’D(b)简化等效0ivDBA+-AKB-+(c)进一步简化等效图2－1二极管开关特性和等效电路电流iAKD正向压降

VF：硅管为0.5-0.7伏左右，锗管为0.1-0.3伏左右。cai42-1数字电路的基本元件二、三极管的开关特性Vi(a)NPN硅三极管共发射极电路EIcIECIBBRBRcVccVCE=VOVBE(b)截

止状态等效电路ECBRBRcVccVCE=VccIB＝0截止“关态”ECBRBRcVccVCE=VCES≈0.3VIB>IBS饱和“开态”IcIEViVi(c)饱和状态等效电路图2－2三极管开关等效电路e

ccai52-1数字电路的基本元件三、MOS管的开关特性(a)MOS管电路Vi＝VGSSDGRDVCCVO=VDS(b)截止状态等效电路SDGRDVDS≈VDD截止“关”态SDGRcVCCVDS=VDD·rDS/（RD+rDS

)饱和“开”态rDSViVi(c)饱和状态等效电路图2－3MOS管开关等效电路VCCcai62-1数字电路的基本元件四、应用案例P16•二极管应用•MOS管应用•三极管应用cai72-2基本逻辑门和布尔代数知识基础一、基本逻辑门电路及基本逻辑运算•逻辑常量：逻辑常量只有两个，即0和1，

用来表示两个对立的逻辑状态。•逻辑变量：逻辑变量一般用字母、数字及其组合来表示，其取值只有两个，即0和1。•逻辑运算：对于逻辑常量和变量的操作，有与、或、非三种基本逻辑运算。•逻辑门：对逻辑常量和变量完成基本的逻辑运

算的电路。最基本的逻辑门电路是非门（反相器）、与门、或门三种。•逻辑函数：用于表达逻辑变量之间关系的代数式，使用与、或、非3种基本逻辑运算，可以构造出任何逻辑函数。•逻辑代数：逻辑代数是研究逻辑函数运算和化简的一种数学系统，也是用来

描述、分析、简化数字电路的数学工具。cai82-2基本逻辑门和布尔代数知识基础1.非（NOT）门FAAF0110c.逻辑表达式a.三极管非门b.逻辑门电路符号d.真值表0V5V1.在数字电路中，表示逻辑变量之间的逻辑关系的方法一般有3种：逻辑代数式、真值表、电路图

。2.真值表：将所有输入变量的所有可能的取值组合，及其在此情况下输出变量应有的取值罗列出来，所形成的一张表。它最全面、最直观地表达了逻辑关系。cai92-2基本逻辑门和布尔代数知识基础2.与（AND）门c.逻辑表达式a.三极管与门b.逻辑门电路符号d.真值表BFAABF00001010

0111+VccFABcai102-2基本逻辑门和布尔代数知识基础3.或（OR）门c.逻辑表达式a.三极管或门b.逻辑门电路符号d.真值表BA+VccBFAABF000011101111F＝A＋BFcai112-2基本逻辑门和布尔代数知识基

础•其它方式实现的逻辑门电路3.9kΩD1D2ABL+5V0V图2－4二极管“与”门电路L0VGND3.9kΩD1D2AB图2－5二极管“或”门电路10kΩRBA5V0.3VT1kΩRCLVCC图2－6三极管“

非”门电路+5VVCCFFFF＝A＋Bcai122-2基本逻辑门和布尔代数知识基础4.其它常用的逻辑门，均可以由与、或、非门组合而成。（1）与非门（NAND）a.逻辑门电路符号c.真值表BFAABF001011101110b.逻辑表达式cai132-2基本逻辑门和布尔代数知识基础（2）或非门（N

OR）a.逻辑门电路符号c.真值表b.逻辑表达式BFAABF001010100110cai142-2基本逻辑门和布尔代数知识基础（3）异或门（XOR）a.逻辑门电路符号c.真值表b.逻辑表达式BFAABF00001

1101110cai152-2基本逻辑门和布尔代数知识基础二、逻辑代数基本定律cai162-2基本逻辑门和布尔代数知识基础三、逻辑函数的化简❖在设计逻辑电路时，每个逻辑表达式是和一个逻辑电路相对应，因此必须将逻辑表达式进行化简，以减少实

现它的电路所用元器件。❖逻辑函数化简方法：公式化简法和卡诺图化简法。❖公式化简法:直接利用逻辑代数的基本公式和规则进行化简。cai172-2基本逻辑门和布尔代数知识基础1.合并项法2.消去法利用消去多余因子（分配律）（反演律）（消去法）（分配律、反演律）【例】【例】【例】ca

i182-2基本逻辑门和布尔代数知识基础3.配项法4.吸收法【例】【例】【例】利用吸收多余项（吸收率）cai192-2基本逻辑门和布尔代数知识基础四、逻辑设计举例：一位加法器的逻辑电路设计❖加法器是计算机基本运算部件之一，是计算机中典型的组合逻辑器件。❖设计

过程（1）写出加法器逻辑的真值表；（2）由真值表推导出对应的逻辑表达式；（3）对逻辑表达式进行简化，以便选用基本的逻辑门电路实现加法器。cai202-2基本逻辑门和布尔代数知识基础1.半加器仅考虑两个二进制数本身加减，不考虑

高低位之间的进位关系。输入Xn、Yn：加数输出Fn：和（1）真值表XnYnFn000110110110（2）逻辑表达式（3）逻辑线路波形图见P22图2.21cai212-2基本逻辑门和布尔代数知识基础2

.全加器考虑两个二进制数连同其高低位之间的进位关系。输入Xn、Yn：加数Cn-1：当前进位值输出Fn：和Cn：进位（1）真值表（2）逻辑表达式XnYnCn-1FnCn0000000110010100110110010101011100111111cai222-2基本逻辑门

和布尔代数知识基础（3）逻辑线路FnCn-1YnXnCnFAFnCn-1YnXnCn用基本逻辑门电路实现的线路图见P26一位全加器逻辑框图cai232-3组合逻辑电路及其应用计算机中使用的数字电路：❖组合逻辑电路：电路的输出仅决定

于该电路当前输入的状态，与电路以前的状态（以前的输入信号或操作过程）无关，即无记忆功能。❖时序逻辑电路：含有触发器记忆功能的电路电路的输出状态不仅与当前输入信号的状态有关，还与电路以前的状态（以前的输入信号或

操作过程）有关。cai242-3组合逻辑电路及其应用❖在计算机CPU设计中，组合电路通常被用来产生控制信号，它的输入可能是指令的操作码和状态信号，而其输出则是寄存器、存储器等的写入控制信号和数据选择信号。

❖组合逻辑电路的设计步骤如下：▪分析该逻辑电路的逻辑要求；▪根据逻辑要求确定输入变量和输出变量；▪将输入输出关系表示成真值表；▪根据真值表写出输出函数的逻辑表达式并化简；▪画出逻辑电路。cai252-3组合逻辑电路及其应用一、基本逻辑门最基本的非门、与（非）门、或（非）门（P24）。a.74

LS04六反相器b.74LS00四2输入与非门c.74LS08四2输入与门cai262-3组合逻辑电路及其应用二、三态门（0、1、高阻三态，作为总线接口）(P25)c.74LS245a.74LS240b.74LS244cai27【例】三态门应

用（总线驱动器）或74LS373/273或74LS245A19~A0D15~D0cai282-3组合逻辑电路及其应用三、数据选择器(P25)❖数据选择器也称多路开关。❖数据选择器是从2n个输入数据中选择一个送到输出端，选择哪一个输入数据由n位地址输入来选择决定。a.

74LS257引脚图b.74LS257逻辑图c.74LS257功能表cai292-3组合逻辑电路及其应用四、译码器❖译码器功能：把一组输入代码翻译成相应的控制电位，作为芯片的片选信号或其他操作控制信号。❖特点：▪有n个输入变量，

2n条输出变量；▪输入信号的2n个编码对应于2n条输出线输出：当输入为某一编码时，对应仅有一根输出为“0”（或为“1”），其余输出均为“1”（或为“0”）。❖常用的译码器芯片：▪74LS139：双2－4译码器（n＝2）▪74LS138：3－8译码器（n＝3）cai302-3组合逻辑电路及其应用7

4LS138cai3100000H~01FFFH02000H~03FFFH0E000H~0FFFFH2-3组合逻辑电路及其应用【例】74LS138应用cai322-3组合逻辑电路及其应用【例】74LS138应用端口地址：31

0H~313HAEN8088系统总线cai332-3组合逻辑电路及其应用五、优先级编码器(P26)功能：将2n个输入信号不同的组合状态，按预先规定的优先级，编码成n位输出信号。如用于中断优先权的排序。74LS148：8个输入信号、3个编码输出

信号的优先级编码器。cai342-3组合逻辑电路及其应用【例】若EI=0，输入为01001101，则输出=？74LS148cai352-4时序逻辑电路及其应用一、基本R-S触发器触发器是实现计算机中的记忆（存储）功能最

常用的逻辑电路，用于暂存“0”和“1”代码。❖触发操作：S保持不变，R从“1”状态变成“0”状态。1110101❖限制条件：在写入数据期间，数据应保持不变；R和S不能同时为“0”。R-S触发器❖特点：当A、B两个与非门的输入R和S均为高电平时，电路的输出Q和一定相反，在无外界作用时，

电路保持此状态不变（记忆功能）。Qcai362-4时序逻辑电路及其应用❖应用：单脉冲发生电路cai372-4时序逻辑电路及其应用❖锁存器（电平触发方式触发器）QQDCCD100111100xQn+1Qn+1QnQn功能表图2－30D锁存器QQDCPQQDCCDQQ(a)逻

辑电路（b)功能表（c)表示图（d）时序波形图⚫C：时钟信号⚫D：数据输入信号⚫Q：输出信号，代表触发器的状态，即储存了0/1⚫Q：反相输出信号cai382-4时序逻辑电路及其应用二、D型触发器011111001101XX0110

XX10QQDCPSDRDa.逻辑电路b.功能表c.逻辑图d.时序图cai392-4时序逻辑电路及其应用❖1.74LS377三、寄存器GCPDQHQ0LLLLHHLQ0G•引脚与功能表•操作：

输入使能控制信号（引脚1）为低电平，上升沿触发•应用：地址寄存器、指令寄存器cai402-4时序逻辑电路及其应用❖2.74LS374—具有三态输出的8D触发器输出控制CPDQLHHLLLLLQ0HZ•引脚1为输出使能控制端，低电平有效，否则输出

高阻态。•上升沿触发•应用：总线驱动寄存器cai412-4时序逻辑电路及其应用❖3.74LS273—具有输出清零的8D触发器•引脚1为清零控制信号，低电平使触发器输出清零。•上升沿触发•应用：要求器件具有清“0”功能的场合。（如上电、复位时清零）清除CPDQLLHHHHLLHLQ

0cai422-4时序逻辑电路及其应用❖4.74LS373—具有三态输出的8D锁存器•引脚1为输出控制端，低电平有效，否则输出高阻态。•引脚11为允许控制•高电平输出•应用：总线驱动寄存器输出控制CPDQLHHHLHLLLL

Q0HZcai43【例】锁存器74LS373应用（地址锁存器）或74LS373/273或74LS245A19~A0D15~D0cai442-4时序逻辑电路及其应用四、计数器*❖74LS161—可预置初值4位二进制同

步计数器预置数据输入数据输出串行进位清除预置允许P允许T时钟状态图引脚图逻辑图cai452-4时序逻辑电路及其应用❖工作模式cai462-4时序逻辑电路及其应用❖工作时序输出清零预置初值12计数13、14、15、0、1、2禁止cai472-4时序逻辑电路及其应用

❖应用1.同步二进制加法计数cai482-4时序逻辑电路及其应用2.构成16以内的任意进制加法计数器①设计思想：利用脉冲反馈法用S0，S1，S2…，SM…SN表示输入0，1，2，…，N个计数脉冲CP时计数器的状态。SM可

以为S0，但需小于SN。对于异步置数：在输入第N个计数脉冲CP后，通过控制电路，利用状态SN产生一个有效置数信号，送给异步置数端，使计数器立刻返回到初始的预置数状态SM，即实现了SM～SN-1计数。对于同步

置数：在输入第N－1个计数脉冲CP时，利用状态SN-1产生一个有效置数信号，送给同步置数控制端，等到输入第N个计数脉冲CP时，计数器返回到初始的预置数状态SM，从而实现SM～SN-1计数。cai49异步置0同步并行置数PE2-4时序逻辑电路

及其应用②74LS161的置数功能：③反馈信号的拾取可利用与非门拾取状态SN或SN－1可利用进位输出TC拾取状态1111cai502-4时序逻辑电路及其应用十进制计数器的计数状态顺序表④电路举例（以十进制计数器为例）cai512-4时序逻辑电路及其应用❖•改变D3D2D1D0的状态，可以实现

其它进制计数。•令D3D2D1D0＝0110•利用进位输出TC拾取状态1111•实现十进制计数（0110到1111）【例】cai522-4时序逻辑电路及其应用【例】用74LS161构成从0开始计数的十进制计数器•改变与非门的输入

信号，可以实现其它进制计数。•令D3D2D1D0＝0000•利用与非门拾取状态1001•可实现从0开始计数的十进制计数（0000到1001）cai532-4时序逻辑电路及其应用（3）利用多片74LS161实现大容量计数①用级联法计数器的级联

是将多个集成计数器（如M1进制、M2进制）串接起来，以获得计数容量更大的N（=M1×M2）进制计数器。一般集成计数器都设有级联用的输入端和输出端。同步计数器实现的方法：低位的进位信号→高位的保持功能控制端（相当于触发器的T端）有进位时，高位计数功能CET＝1

；无进位时，高位保持功能CET＝0。cai542-4时序逻辑电路及其应用【例】用两片74LS161级联成16×16进制同步加法计数器低位片高位片•在计到1111以前，TC1＝0，高位片保持原状态不变•在计到1111时，TC1＝1，高位片在下一个CP加一

cai552-4时序逻辑电路及其应用【例】用两片74LS161级联成五十进制计数器00100011•实现从00000000到00110001的50进制计数器•十进制数50对应的二进制数为00110010②用脉冲反馈法