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1、计算机组织与结构本讲稿第一页，共五十八页第第3章章 目标目标 理解布尔逻辑和数字计算机电路之间的关系。学会设计简单的逻辑电路。理解数字电路是如何协调工作以形成复杂的计算机系统的。2本讲稿第二页，共五十八页3.1 介绍介绍在19世纪后期，当乔治布尔提出逻辑思想可以通过数学等式来表达时，他激怒了哲学家和数学家。怎么会有人敢提出人的想法可以像数学公式一样被压缩或控制？正如我们今天了解到的那样，计算机是布尔思想的应用。John Atanasoff和Claude Shannon是最早认识到这种关系的人当中的两个。3本讲稿第三页，共五十八页3.1介绍介绍20世纪中叶，计算机被普遍认为是“思考机器”和“电脑

2、”。许多人害怕它们。今天，我们很少考虑电子数字计算机和人类逻辑学之间的关系。计算机已经成为我们生活中的一部分。然而，许多人仍然害怕它们。在这一章中，你将学到计算机的组成实际上很简单。4本讲稿第四页，共五十八页3.2 布尔代数布尔代数布尔代数是对变量控制的一种数学体系，变量只能取两个值，如对与错，真与假。在形式逻辑当中，这些值是“对”和“错”。在数字系统中，这些值是“开”和“关”、1和 0、或“高”和“低”。布尔表达是在对布尔变量的操作过程中而产生的。一般布尔操作包括与、或、非。5本讲稿第五页，共五十八页3.2 布尔代数布尔代数通过使用真值表，可以完全的来描述布尔运算。布尔运算中的“与”和“或”

3、运算的真值表见右图。与运算被认为是一种布尔积，或运算是一种布尔和。6本讲稿第六页，共五十八页3.2 布尔代数布尔代数“非”运算的真值表见右图。非运算通常被表示成上划线的形式，有时也用一个单引号()或()来表示。7本讲稿第七页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数布尔函数：包含至少一个布尔变量。包含至少一个布尔运算符，和来自于集合0,1当中的至少一个输入。它产生的输出也是集合0,1当中的一个元素。现在你应该知道为什么在数字系统当中，二进制计数系统是如此的方便了现在你应该知道为什么在数字系统当中，二进制计数系统是如此的方便了。8本讲稿第八页，共五十八页3.2 布尔代数布尔代数布尔函数的真值表：如右图。

4、为了便于布尔函数的计算，真指表中还用额外的一栏记录中间步骤的部分结果。9本讲稿第九页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数像一般的算术运算一样，布尔运算也有优先权规则。非运算的优先权最高，其次是与，最后是或。10本讲稿第十页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数数字计算机含有执行布尔运算的电路。我们完成的布尔函数越简单，需要的电路也就越小。简单的电路构造起来较便宜，功耗也低，运行的速度也比复杂电路快。因此，我们总是想把布尔函数化简到它的最简单的形式。应用布尔恒等式可以进行布尔表达式的化简。11本讲稿第十一页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数布尔恒等式既有与(乘积)的形式，也有或(和)的形式，这种规律成

5、为对偶原理。我们用两种形式给出恒等式。第一组非常直观：一致律：零律：密等律：互补律：12本讲稿第十二页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数第二组布尔证明和我们学习的代数很相似:交换律：结合律：分配律：13本讲稿第十三页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数最后一组布尔证明也许是最有用的.如果你学习过标准逻辑集合理论,那么这些规律你也应该很熟悉.吸收律：德摩根律：还原律：14本讲稿第十四页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数我们可以使用布尔恒等式去简化布尔函数：如下：15本讲稿第十五页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数有时，从电路上实现一个函数的反码要比实现函数本身更简单和经济。德摩根律提供了一种布尔函

6、数求补的简单方法。以下是德摩根律的说明:16本讲稿第十六页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数德摩根律可以扩展到多个变量。用变量的反码来替代每一种变量，并且把所有的“与”变成“或”，把所有的“或”变成“与”。这样我们得出的补的形式是：17本讲稿第十七页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数通过前面的化简布尔表达式的练习可以发现，对于相同的布尔表达式可以有多种方法来表示。这些“同义”的形式在逻辑上是等价的。逻辑上的等价表示具有相同的真值表。为了消除混乱，设计者使用一种规范形式来描述布尔函数。18本讲稿第十八页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数有两种标准化形式来表示布尔函数：积之和形式、和之积形式。回忆

7、一下，布尔积是与操作，布尔和是或操作。在积之和形式中，与变量被或起来。例如：在和之积形式中，或变量被与起来：例如：19本讲稿第十九页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数积之和形式利用真值表是很容易转化的。我们所感兴趣的是使函数值为真(=1)的变量的值。使用真值表，我们列出了使函数值为真的各种变量值。每组变量最终被或起来。20本讲稿第二十页，共五十八页3.2布尔代数布尔代数函数的积之和形式是：这个表达式不是最简化的形式，但它是一个标准化的积之这个表达式不是最简化的形式，但它是一个标准化的积之和形式。和形式。21本讲稿第二十一页，共五十八页我们已经用抽象的术语描述了布尔函数。在这一部分中，我们学习在

8、数字计算机电路中执行布尔函数的部件是门电路。门是一种基于两个或更多输入值，而产生一个输出结果的一种电子设备。物理上构成一个门电路需用1到6个晶体管，但是数字电路设计者把他们看成是一个基本的逻辑单元。集成电路是含有适合特殊目的的门电路的集合。3.3逻辑门逻辑门22本讲稿第二十二页，共五十八页三种最简单的门电路是与、或、非门。正如你在它们的真值表中看到的那样，它们符合对应的布尔运算。3.3 逻辑门逻辑门23本讲稿第二十三页，共五十八页另一种非常有用的门电路是异或(XOR)门。仅仅当输入的值不同时，异或操作的输出才为真。3.3逻辑门逻辑门异或操作用特殊的标志异或操作用特殊的标志 来表示。来表示。24

9、本讲稿第二十四页，共五十八页“与非门”和“或非门”是两种非常重要的门电路。它们的符号和真值表如右图所示。3.3 逻辑门逻辑门25本讲稿第二十五页，共五十八页3.3 逻辑门逻辑门“与非门”和“或非门”是非常通用的门电路，因为它们制造起来不贵，并且任何布尔功能都可以仅使用它们来实现。26本讲稿第二十六页，共五十八页3.3 逻辑门逻辑门门电路可以有多个输入和多个输出。第二个输出可以用于求反操作。后面我们将接触到更多。27本讲稿第二十七页，共五十八页3.4 数字元件数字元件任何布尔函数都可以表示为门电路的组合形式。下面的电路实现的布尔函数为：通过简化布尔表达式，我们可以设计出更简单的电路。通过简化布尔

10、表达式，我们可以设计出更简单的电路。28本讲稿第二十八页，共五十八页3.5 组合逻辑电路组合逻辑电路我们已经设计了一个执行布尔函数的电路：这是一个组合逻辑电路的例子。几乎在输入起作用的一瞬间，组合逻辑电路产生了一个特定的输出。在后面的部分当中，我们研究的电路不是这种情况。29本讲稿第二十九页，共五十八页3.5组合逻辑电路组合逻辑电路许多有用的设备都是通过组合逻辑电路实现的。最简单的一种是半加器，它可以求出两位的和。通过看右图的真值表，我们可以获得半加器结构的一些启发。30本讲稿第三十页，共五十八页3.5 组合逻辑电路组合逻辑电路正如我们看到的那样，和可以使用异或操作来实现，进位使用与操作来实现

11、。31本讲稿第三十一页，共五十八页3.5组合逻辑电路组合逻辑电路通过增加用于进位操作的门电路，我们可以把半加器变成全加器。全加器的真值表如右图所示。32本讲稿第三十二页，共五十八页3.5 组合逻辑电路组合逻辑电路如何能把下面的半加器变成一个全加器呢？33本讲稿第三十三页，共五十八页3.5 组合逻辑电路组合逻辑电路这就是我们设计的完整的全加器。34本讲稿第三十四页，共五十八页3.5 组合逻辑电路组合逻辑电路正如我们用半加器来组合成全加器一样，全加器也可以进行串联。将一个加法器的进位输出连接到相邻左边的加法器的进位输入端，这种结构被称为是逐位进位加法器。今天的系统使用更有效的加法器今天的系统使用更

12、有效的加法器.35本讲稿第三十五页，共五十八页3.5 组合逻辑电路组合逻辑电路译码器是另一种重要的组合逻辑电路。根据存储总线上的地址线上二进制数值来选择存储位置，可以通过译码器实现。带有 n位输入的地址译码可以选择 2n 个地址。这是一个译码器的框这是一个译码器的框图图 36本讲稿第三十六页，共五十八页3.5 组合逻辑电路组合逻辑电路这是一个2输入4输出译码器的内部电路。如果如果x=0 并且并且y=1，那么将输出哪一，那么将输出哪一结果结果?37本讲稿第三十七页，共五十八页3.5 组合逻辑电路组合逻辑电路多路复用器与译码器相反。它从几个输入当中选择一路输入。输出所需要的特殊的输入选择是由多路转

13、接器的控制线的值来决定的。为了能够在n路输入中进行选择，需要log2n条控制线。这是一个多路复用器这是一个多路复用器的框图的框图 38本讲稿第三十八页，共五十八页3.5 组合逻辑电路组合逻辑电路这是4路输入、1路输出的多路复用器的内部逻辑电路图。如果如果S0=1 并且并且S1=0,那么哪一路的输入那么哪一路的输入会产生输出结果会产生输出结果?39本讲稿第三十九页，共五十八页3.6 时序电路时序电路当我们需要对布尔函数的一组输入立即产生响应时，使用组合逻辑电路是很适合的。然而，有时候需要根据它当前的状态和输入来改变它的输出。这些电路应该“记住”它的们当前状态。时序逻辑电路为我们提供了这种功能。4

14、0本讲稿第四十页，共五十八页3.6时序电路时序电路正如名字当中隐含的那样，时序逻辑电路需要一种方法，通过这种方法事件可以顺序执行。状态的改变是用时钟来控制的。“时钟”是一种通过电路来发送电脉冲的特殊电路。时钟产生如下的一种电波。41本讲稿第四十一页，共五十八页3.6时序电路时序电路在时序电路中，只有当时钟触发的时候状态才发生改变。在上升沿、下降沿或是时钟脉冲抵达电压的最高值时，电路才改变状态。42本讲稿第四十二页，共五十八页3.6时序电路时序电路在时钟脉冲的上升沿或是下降沿改变状态的电路称为“边缘触发”（通常所说的触发器flip-flop）。当时钟电压达到最高值或是最低值时改变状态，成为“水平

15、触发电路”（通常所说的锁存器latch）。43本讲稿第四十三页，共五十八页3.6 时序电路时序电路时序电路凭借反馈的方式来保留它们的状态值。当一个输出通过回路返回到输入时，数字电路中就会有反馈发生。这种思想的一个简单例子如下。如果Q是0它将总是0，如果Q是1，它将永远是1。为什么?44本讲稿第四十四页，共五十八页3.6时序电路时序电路SR触发器是最基本的时序逻辑部件，通过对它的学习来了解反馈的工作原理。“SR”代表置位/复位。SR触发器的内部逻辑电路和它的表示符号如下所示。45本讲稿第四十五页，共五十八页3.6 时序电路时序电路SR触发器的行为用一个特征表来描述。Q(t)的意思是在t时刻的输出

16、值。Q(t+1)是下一个时钟脉冲的输出值。46本讲稿第四十六页，共五十八页3.6 时序电路时序电路SR触发器实际上有3个输入：S、R和它的当前输出Q。这样，我们可以为该电路构造一个如右图的真值表。注意两个未定义的值。当S和R为1时，SR触发器是不稳定的。47本讲稿第四十七页，共五十八页3.6 时序电路时序电路如果我们能够确保SR触发器的输入永远都不会是两个1，那么我们就不会有一个不稳定的电路。对SR触发器进行修改，当两个输入都是1时拥有一个稳定的输出状态。经过修改的触发器称为JK触发器，如右图所示。-“JK”是以Jack Kilby的名字命名的。48本讲稿第四十八页，共五十八页3.6 时序电路

17、时序电路如右图，SR触发器被修改成JK触发器。特征表表明，对于所有的输入JK触发器都是稳定的。49本讲稿第四十九页，共五十八页3.6 时序电路时序电路SR触发器的另一种修改是D触发器，如下面的特征表。你将注意到，在随后的时钟脉冲之间，D触发器的输出保持不变，仅当D的值改变时，输出才改变。50本讲稿第五十页，共五十八页3.6 时序电路时序电路D触发器是计算机存储器的基础电路。D触发器常常用下面的表示符号来表示。下一张幻灯片将展示这些电路是如何组合成寄存器的。51本讲稿第五十一页，共五十八页3.6 时序电路时序电路这里阐述了由D触发器组成的4位寄存器。你常常会看到它的替代表示符号(如下)。52本讲

18、稿第五十二页，共五十八页3.7 设计电路设计电路数字逻辑电路的设计需要精通数字分析和数字综合。数字分析：分析电路输入和输出之间的关系。数字综合：使用真值表中特殊化的值来实现逻辑图。数字系统的设计者也必须考虑到电路的物理特性，如最小化传播延迟-电路输入时刻与输出达到稳态时刻之间的间隔。53本讲稿第五十三页，共五十八页3.7 设计电路设计电路数字电路设计者依靠特殊的软件来创建高效的电路。这样,软件是构造较好的硬件的使动者。当然，实际上软件是一个能够在硬件上执行的算法的集合。回想一下软硬件等效原理。54本讲稿第五十四页，共五十八页3.7 设计电路设计电路当我们需要执行一个简单的、特殊化的算法，并且要

19、求执行的速度尽可能快时，硬件方法通常是较完美的。这就是嵌入式思想，它是在日常生活中我们可以发现的很小的具有特殊目的的计算机。嵌入式系统要求特殊的编程能力，既要熟悉数字逻辑电路，又要了解波尔函数的行为法则，在这一章中已经学过了。55本讲稿第五十五页，共五十八页计算机是布尔逻辑的执行体。布尔函数可以完全由真值表来描述。逻辑门是执行布尔运算的最小电路。基本门包括与、或、非。异或门在奇偶校验和加法器当中是非常有用的。通用门电路是“与非门”和“或非门”。第第3章章 结论结论56本讲稿第五十六页，共五十八页计算机电路由组合逻辑电路和时序逻辑电路混合组成。当输入改变时，组合逻辑电路几乎是立即就产生输出。时序电路要求时钟来控制状态的改变。基本的时序电路单元是触发器(flip-flop)，掌握SR触发器、JK触发器和D触发器的行为。第第 3 结论结论57本讲稿第五十七页，共五十八页End of Chapter 358本讲稿第五十八页，共五十八页