数字电路与逻辑设计精品文稿.ppt

数字电路与逻辑设计第1页，本讲稿共35页主讲教师：杨泓渊主讲教师：杨泓渊 YangHongYuan仪器科学与电气工程学院仪器科学与电气工程学院地质宫地质宫518518联系电话：联系电话：8850279788502797EMAILEMAIL：yang_yang_目前研究方向：目前研究方向：地震勘探方法及技术，涉及数据采集、地震勘探方法及技术，涉及数据采集、嵌入式系统、嵌入式系统、CPLD/FPGACPLD/FPGA等领域。等领域。第2页，本讲稿共35页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路数字电路：能进行数字运算、逻辑推理的电路。将人类的知识系统进行编码，并用逻辑公式表述事物之间的关系、客观定律的内容，再用数字电路数字电路表示和再现这些逻辑运动，就能得到当今以计算机为代表的信息技术和人工智能。本门课程的目标就是得到完成上述过程所需的基本知识系统和实践技能。即逻辑设计。第3页，本讲稿共35页n课程在本专业所处的位置、与其他课程的关课程在本专业所处的位置、与其他课程的关系。系。n课程特征与学习方式、方法课程特征与学习方式、方法n考核（加权计算方式考核（加权计算方式)期末考试：60分，实验课成绩10分，平时考勤、提问、期中考试30分。第4页，本讲稿共35页参考教材：参考教材：1 1、自编讲义，数字电路与逻辑设计、自编讲义，数字电路与逻辑设计2 2、数字逻辑基础与、数字逻辑基础与VHDLVHDL设计（第三版），设计（第三版），加拿大，加拿大，Stephen Brown,Zvonko Stephen Brown,Zvonko Vranesic.Vranesic.清华大学出版社清华大学出版社4 4、阎石主编，数字电子技术基础（第、阎石主编，数字电子技术基础（第5 5版）版），高等教育出版社，高等教育出版社第5页，本讲稿共35页早期电路早期电路电路板电路板元器件元器件第6页，本讲稿共35页早期电路早期电路元器件元器件第7页，本讲稿共35页当前电路当前电路元器件元器件集成电路集成电路第8页，本讲稿共35页第第1 1章：数制与编码章：数制与编码1-1 1-1 数制及其相互转换数制及其相互转换1-2 1-2 带符号二进制数的表示带符号二进制数的表示1-3 1-3 常用编码常用编码吉林大学仪器科学与电气工程学院：数字电路与逻辑设计吉林大学仪器科学与电气工程学院：数字电路与逻辑设计第9页，本讲稿共35页R R进制数的表示方法进制数的表示方法并列表示法并列表示法 多项式表示法多项式表示法(按权展开按权展开)1-1数制及其相互转换数制及其相互转换第10页，本讲稿共35页数字电路与逻辑设计：第数字电路与逻辑设计：第1章章 数制与编码数制与编码基数、计数符号、位权基数、计数符号、位权1-1-1进位计数制进位计数制第11页，本讲稿共35页二进制二进制基数基数R=2的进位计数制称为二进制。二进制的进位计数制称为二进制。二进制数中只有数中只有0和和1两个基本计数符号，进位规两个基本计数符号，进位规律是律是“逢二进一逢二进一”。二进制数的位权是。二进制数的位权是2的的整数次幂。整数次幂。二进制数的算术运算规则：二进制数的算术运算规则：加、减、乘、除加、减、乘、除第12页，本讲稿共35页n二进制的优点二进制的优点:运算简单、物理实现容易、存储和传送方便、可靠运算简单、物理实现容易、存储和传送方便、可靠。因为二进制中只有因为二进制中只有0和和1两个数字符号，可以用电子器件的两两个数字符号，可以用电子器件的两种不同状态来表示一位二进制数。例如，用电平的高和低表示种不同状态来表示一位二进制数。例如，用电平的高和低表示1和和0等。所以，在数字系统中普遍采用二进制等。所以，在数字系统中普遍采用二进制。n二进制的缺点二进制的缺点：数的位数太长且字符单调，使得书写、记数的位数太长且字符单调，使得书写、记忆和阅读不方便。忆和阅读不方便。第13页，本讲稿共35页十六进制十六进制基数基数R=16的进位计数制称为十六进制。的进位计数制称为十六进制。十六进制数中的基本计数符号有：十六进制数中的基本计数符号有：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F。进位规律是进位规律是“逢十六进一逢十六进一”。位权是十六的整数次幂。位权是十六的整数次幂。十六进制数用途：十六进制数用途：表示和记录二进制数。表示和记录二进制数。第14页，本讲稿共35页 八进制八进制略。略。第15页，本讲稿共35页1-1-2数制转换数制转换n二进制与十进制二进制与十进制：Binary to Decimal Decimal to Binaryn二进制与十六进制二进制与十六进制 Binary to Hexadecimal Hexadecimal to Binaryn二进制与八进制二进制与八进制 Binary to Octal Octal to Binary第16页，本讲稿共35页1-2 带符号二进制数的表示带符号二进制数的表示数字电路与逻辑设计：第数字电路与逻辑设计：第1章章 数制与编码数制与编码为了标记一个数的正负，人们通常在一个为了标记一个数的正负，人们通常在一个数的前面用数的前面用“+”号表示正数，用号表示正数，用“-”号表号表示负数。如示负数。如：（+1011+1011）2 2，（，（-1011-1011）2 2 把二进制数的把二进制数的符号位和数值位一起符号位和数值位一起编码编码可可以得到以得到机器码。机器码。例如例如n n位机器码的格式（如位机器码的格式（如下）。下）。符号位符号位数值位数值位n nn-1n-11 1n-2n-2第17页，本讲稿共35页3种机器码种机器码定义定义nA的的原码：原码：A为正数：符号位为为正数：符号位为0，数值位为，数值位为|A|(用自然二进制数表示用自然二进制数表示)A为负数：符号位为为负数：符号位为1，数值位为，数值位为|A|(用自然二进制数表示用自然二进制数表示)nA的的反码：反码：A为正数：其反码与原码相同。为正数：其反码与原码相同。A为负数：为负数：在原码的基础上，符号位不变，数值位按位取反。在原码的基础上，符号位不变，数值位按位取反。nA的的补码：补码：A为正数：其补码与原码相同。为正数：其补码与原码相同。A为负数：在反码的基础上，符号位不变，数值位加为负数：在反码的基础上，符号位不变，数值位加1。“100”-2n-1第18页，本讲稿共35页1-2-1 1-2-1 原码原码 n求取方便，简单易读；求取方便，简单易读；n 加减运算不方便。加减运算不方便。第19页，本讲稿共35页1-2-2补码补码采用补码进行加、减运算时，可以将加、减采用补码进行加、减运算时，可以将加、减运算均通过加法实现。运算均通过加法实现。运算规则如下：运算规则如下：X1+X2=X1补补+X2补补解补解补X1X2=X1补补+-X2补补解补解补 如何求取？如何求取？第20页，本讲稿共35页1-2-3反码反码加、减运算规则如下：加、减运算规则如下：X1+X2=X1反反+X2反反解反解反X1X2=X1反反+-X2反反解反解反如何求取？如何求取？第21页，本讲稿共35页思考题思考题1.一个一个8bit二进制数，在无符号数，原码，反二进制数，在无符号数，原码，反码，补码四种情况下，表示的范围各为多少码，补码四种情况下，表示的范围各为多少？2.8bit二进制补码中，二进制补码中，10000000对应的十进制对应的十进制数为多少？数为多少？3.N位二进制数，有多少种组合？位二进制数，有多少种组合？第22页，本讲稿共35页n数字系统（电路）用于处理二进制数字数字系统（电路）用于处理二进制数字0 0和和1 1。n实际问题很少能直接基于二进制数字来描述。实际问题很少能直接基于二进制数字来描述。n如何将二进制数字如何将二进制数字0 0，1 1与现实问题联系起来？与现实问题联系起来？（数字，字母，事件，条件（数字，字母，事件，条件）1-3常用编码常用编码数字电路与逻辑设计：第数字电路与逻辑设计：第1章章 数制与编码数制与编码第23页，本讲稿共35页1-3-1BCD码码用四位二进制代码对十进制数字符号进行编用四位二进制代码对十进制数字符号进行编码，简称为二码，简称为二-十进制代码。十进制代码。Binary Coded Decimal Binary Coded Decimal（BCDBCD）常用常用BCDBCD码：码：8421BCD8421BCD码码 5421BCD5421BCD码码 2421BCD2421BCD码码 余余3 3码码 余余3 3循环码循环码第24页，本讲稿共35页几种常见几种常见BCD码码00110011第25页，本讲稿共35页8421BCD码码(1)有权码，有权码，0-9的的8421BCD码与二进制数表码与二进制数表示的示的0-9完全相同；完全相同；(2)8421码中不允许出现码中不允许出现10101111六种组合六种组合(因为没有十进制数字符号与其对应因为没有十进制数字符号与其对应)。(3)十进制数字符号的十进制数字符号的8421码与相应码与相应ASCII码码的低四位相同，这一特点有利于简化输入的低四位相同，这一特点有利于简化输入输出过程中输出过程中BCD码与字符代码的转换。码与字符代码的转换。n8421BCD8421BCD码与十进制数的相互转换：按位转换码与十进制数的相互转换：按位转换n8421BCD8421BCD码与二进制数的不同码与二进制数的不同第26页，本讲稿共35页5421BCD码码(1)有权码；有权码；(2)不具备单值性，不具备单值性，5421码中不允许出现码中不允许出现01010111和和11011111六种组合六种组合(为了与十进制为了与十进制数字符号一一对应数字符号一一对应)。n与十进制数的相互转换：按位转换与十进制数的相互转换：按位转换n与二进制数的不同与二进制数的不同第27页，本讲稿共35页 2421BCD码码(1)有权码；有权码；(2)不具备单值性，不具备单值性，2421码中不允许出现码中不允许出现01011010六种组合六种组合(为了与十进制数字符号为了与十进制数字符号一一对应一一对应)。(3)自补码：自补特性，即按位取反可获得该自补码：自补特性，即按位取反可获得该数对数对9的补数的的补数的2421BCD码。码。n与十进制数的相互转换：按位转换与十进制数的相互转换：按位转换n与二进制数的不同与二进制数的不同第28页，本讲稿共35页余余3BCD码码（1）无权码。每个字符编码比相应的）无权码。每个字符编码比相应的8421BCD码多码多3。（2）不允许出现）不允许出现00000010和和11011111六种六种组合。（无字符对应）组合。（无字符对应）（3）自补码：对）自补码：对9自补自补（4）余）余3码相加：有进位加码相加：有进位加3，无进位减，无进位减3n与十进制数的相互转换：按位转换与十进制数的相互转换：按位转换n与二进制数的不同与二进制数的不同第29页，本讲稿共35页1-3-2可靠性编码可靠性编码作用作用:提高系统的可靠性。提高系统的可靠性。为了减少或者发现代码在形成和传送过程中为了减少或者发现代码在形成和传送过程中可能发生的错误。可能发生的错误。n 格雷码格雷码n 奇偶校验码奇偶校验码n 汉明码汉明码n 循环冗余码循环冗余码第31页，本讲稿共35页1-3-3字符编码字符编码数字系统中处理的信息除了数值信息之外，还有字母、运数字系统中处理的信息除了数值信息之外，还有字母、运算符号、标点符号以及其他特殊符号信息算符号、标点符号以及其他特殊符号信息,这些符号统称为这些符号统称为字符。所有字符在数字系统中必须用二进制编码表示，通字符。所有字符在数字系统中必须用二进制编码表示，通常将其称为字符编码。常将其称为字符编码。最常用的字符编码是美国信息交换标准码，简称最常用的字符编码是美国信息交换标准码，简称ASCII码码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)。ASCII码用码用7位二进制码表示位二进制码表示128种字符，编码规则如种字符，编码规则如表所示。由于数字系统中实际是用一个字节表示一个表所示。由于数字系统中实际是用一个字节表示一个字符，所以使用字符，所以使用ASCII码时，通常在最左边增加一位奇码时，通常在最左边增加一位奇偶检验位。偶检验位。第32页，本讲稿共35页ASICII码表码表b6b5b4b3b2b1b0第33页，本讲稿共35页思考题思考题1.对于一个二进制数对于一个二进制数 110010.001001,在自然二进制数，在自然二进制数，8421BCD码，码，5421BCD码，码，2421BCD码，余码，余3码，余码，余3循环码循环码6种情况下，表示的数值各为多少种情况下，表示的数值各为多少？2.要用二进制数来表示英文中的要用二进制数来表示英文中的26个字母，个字母，在不区分大小写的情况下，至少要用多少在不区分大小写的情况下，至少要用多少位？若区分大小写呢？位？若区分大小写呢？3.格雷码有什么特点？格雷码有什么特点？第34页，本讲稿共35页第一章第一章 数制与编码数制与编码1-1 数制及其转换数制及其转换 十进制，十进制，二进制二进制、八进制、十六进制，、八进制、十六进制，数制间相互转换数制间相互转换 1-2 带符号二进制数的表示带符号二进制数的表示 原码、反码、补码原码、反码、补码1-3 常用编码常用编码 BCD码：码：有权码、无权码有权码、无权码，编码特点编码特点 可靠性编码（格雷码、奇偶检验码）可靠性编码（格雷码、奇偶检验码）字符编码：字符编码：ASCII编码编码第35页，本讲稿共35页