计算机数字逻辑基础.ppt
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1、第二章计算机第二章计算机数字逻辑基础数字逻辑基础 一、基本逻辑运算 二、逻辑门与触发器 三、计算机中的逻辑部件 逻辑代数又称布尔代数,是英国科学家乔治逻辑代数又称布尔代数,是英国科学家乔治.布尔布尔于于1849年提出的。因为布尔代数研究的是年提出的。因为布尔代数研究的是二值变量二值变量的的运算规律,而运算规律,而“0”和和“1”又分别代表事物在逻辑上又分别代表事物在逻辑上对立的两种状态,所以逻辑代数在运算时的规律不同对立的两种状态,所以逻辑代数在运算时的规律不同于二进制算术运算。于二进制算术运算。复杂的计算机系统可以由一种或几种基本标准的复杂的计算机系统可以由一种或几种基本标准的,能够能够完成
2、某种独立逻辑功能的一组电子元件和器件所组成的电完成某种独立逻辑功能的一组电子元件和器件所组成的电路来构成。这些电路一般称为路来构成。这些电路一般称为数值逻辑电路数值逻辑电路。对于一个现成的数值逻辑电路,按照所要完成的逻辑对于一个现成的数值逻辑电路,按照所要完成的逻辑功能,求出相应的逻辑电路称为功能,求出相应的逻辑电路称为逻辑设计逻辑设计,它是计算机硬,它是计算机硬件系统的基础。件系统的基础。数字逻辑数字逻辑 数字系统归根到底是对数字系统归根到底是对“0”和和“1”进行处理,进行处理,它们是通过电子开关电路(如门电路、触发器等)它们是通过电子开关电路(如门电路、触发器等)实现的。这些开关电路具有
3、下列基本实现的。这些开关电路具有下列基本特点特点:从从线路内部线路内部看是开关导通,或是开关截止;从线看是开关导通,或是开关截止;从线路的路的输入输出输入输出看,或是高电平,或是低电平。看,或是高电平,或是低电平。这种开关电路的工作状态可以用这种开关电路的工作状态可以用二元布尔代数二元布尔代数来来描述,通常称为描述,通常称为开关代数或逻辑代数开关代数或逻辑代数。利用逻辑代。利用逻辑代数的基本理论,对数字系统进行分析和设计,便称数的基本理论,对数字系统进行分析和设计,便称之为之为数字逻辑数字逻辑。利用各种逻辑符号绘制的具有一定。利用各种逻辑符号绘制的具有一定功能的电路,即为数字逻辑电路。具有一定
4、功能的功能的电路,即为数字逻辑电路。具有一定功能的数字逻辑电路也叫数字逻辑电路也叫逻辑器件逻辑器件。计算机系统的硬件是由许多逻辑器件组成计算机系统的硬件是由许多逻辑器件组成的,它们一般可以分成的,它们一般可以分成:组合逻辑器件组合逻辑器件和和时序逻辑器件时序逻辑器件两大类。两大类。如果该器件的输出状态仅与如果该器件的输出状态仅与当时当时的输入状态的输入状态有关,而与有关,而与过去过去的输入状态无关的输入状态无关,则称为,则称为组合逻组合逻辑器件辑器件,组合逻辑电路的基本单元为门电路,常,组合逻辑电路的基本单元为门电路,常用的组合逻辑器件有加法器、算术逻辑运算单元用的组合逻辑器件有加法器、算术逻
5、辑运算单元(ALU)、译码器等;)、译码器等;如果逻辑器件的输出状态如果逻辑器件的输出状态不但与当时不但与当时的输入的输入有关,而且还与电路在有关,而且还与电路在此刻以前此刻以前的状态有关,的状态有关,则则称为称为时序逻辑器件时序逻辑器件,时序逻辑器件内必须包含能,时序逻辑器件内必须包含能存储信息的存储信息的记忆元件记忆元件触发器,它是构成时序触发器,它是构成时序逻辑电路的基础,常用的时序逻辑器件有计数器、逻辑电路的基础,常用的时序逻辑器件有计数器、寄存器等。寄存器等。一、基本逻辑运算1 1、逻辑运算、逻辑运算(1 1)逻辑)逻辑与与运算运算(2 2)逻辑)逻辑或或运算运算(3 3)逻辑)逻辑
6、非非运算运算2 2、移位运算、移位运算(4 4)算术)算术右右移移 (5 5)算术)算术左左移移 (6 6)逻辑)逻辑右右移移 (7 7)逻辑)逻辑左左移移(8 8)循环逻辑)循环逻辑右右移移 (9 9)循环逻辑)循环逻辑左左移移1、逻辑运算逻辑代数逻辑代数L是个封闭的代数系统,它由一个是个封闭的代数系统,它由一个逻逻辑变量集辑变量集K、常量常量0和和1以及以及“或或”、“与与”、“非非”3种运算所构成,记为种运算所构成,记为:L=(K,+,-,0,1)。其中逻辑变。其中逻辑变量集是指逻辑代数中的所有可能的变量集合,量集是指逻辑代数中的所有可能的变量集合,它可用任何字母表示,但每一个变量的它可
7、用任何字母表示,但每一个变量的取值取值只可能为常量只可能为常量0或或1。而且逻辑代数中的变量。而且逻辑代数中的变量只有只有3种运算,即种运算,即“或或”运算、运算、“与与”运算及运算及“非非”运算。运算。二进制算术运算与逻辑运算的二进制算术运算与逻辑运算的“0”和和“1”含义不同。在逻辑运算中,含义不同。在逻辑运算中,“0”是表是表示事物的两个对立的状态,因为逻辑运算没示事物的两个对立的状态,因为逻辑运算没有有进位,进位,并以并以“与与”、“或或”、“非非”三种三种逻辑功能作为其基本运算。逻辑功能作为其基本运算。(1)“与与”逻辑运算逻辑运算规定规定:开关闭和灯亮为:开关闭和灯亮为1 开打开和
8、灯灭为开打开和灯灭为0K1K2R“与与”逻辑运算:又称逻辑乘,用逻辑运算:又称逻辑乘,用符号符号或或表示。表示。与与运算规律运算规律:只有当只有当2个都为真才为真,个都为真才为真,其它情况都为假其它情况都为假(2)“或或”逻辑运算逻辑运算规定规定:开关闭和灯亮为开关闭和灯亮为1 开打开和灯灭为开打开和灯灭为0K1K2R“或或”逻辑运算:又称逻辑加,逻辑运算:又称逻辑加,用符号用符号+或或表示。表示。运算规律运算规律:只有当只有当2个都为假才为假,个都为假才为假,其它情况都为真其它情况都为真(3)“非非”逻辑运算逻辑运算“非非”逻辑运算逻辑运算:又称为:又称为逻辑求反逻辑求反,用运算数,用运算数
9、上加上划线表示,如。上加上划线表示,如。“非非”逻辑运算的运算逻辑运算的运算规则是:当规则是:当A为为“1”时,时,=0;当;当A为为“0”时,时,=1。由由这这3种种基基本本逻逻辑辑运运算算,就就可可以以构构造造出出任任何何逻逻辑辑运运算算来来。显显而而易易见见,逻逻辑辑代代数数是是一一种种比比普普通代数通代数简单简单得多的代数系统。得多的代数系统。例如,例如,普通代数中的变量取值可为正、负无穷大之间普通代数中的变量取值可为正、负无穷大之间的任意数的任意数,而逻辑代数中的变量取值只能为,而逻辑代数中的变量取值只能为0 0或或1 1:普:普通代数中的变量运算包括通代数中的变量运算包括加、减、乘
10、、除、乘方、开加、减、乘、除、乘方、开方方等许多种,而等许多种,而逻辑代数中的变量运算只有逻辑代数中的变量运算只有“与与”、“或或”、“非非”3”3种种。但是,这种简单的逻辑代数却能描述数字系统中但是,这种简单的逻辑代数却能描述数字系统中任何复杂的逻辑电路。这是因为不管逻辑电路多么复任何复杂的逻辑电路。这是因为不管逻辑电路多么复杂,总是可认为由杂,总是可认为由“与与”、“或或”、“非非”等等简单简单门门电路组成,而这些门电路的电路组成,而这些门电路的输入输出信号输入输出信号可看作为逻可看作为逻辑变量,输出与输入信号之间的关系可用辑变量,输出与输入信号之间的关系可用“与与”、“或或”、“非非”3
11、”3种运算描述。种运算描述。因此,我们也不难理解,逻辑代数中的因此,我们也不难理解,逻辑代数中的“0”、“1”与普通代数中的与普通代数中的0、1含义是不同的。逻辑代数的含义是不同的。逻辑代数的0、1表示了信号的表示了信号的“无无”、“有有”,或命题的,或命题的“假假”、“真真”。2、移位运算 移位运算也是数字系统或计算机系统中移位运算也是数字系统或计算机系统中常见的运算形式。为简单起见,我们以常见的运算形式。为简单起见,我们以4位二位二进制数(最左一位为符号位)为例,说明移进制数(最左一位为符号位)为例,说明移位操作的规则和操作结果。位操作的规则和操作结果。(4)算术右右移(5)算术左左移(6
12、)逻辑右右移(7)逻辑左左移(8)循环逻辑右右移(9)循环逻辑左左移见教材P27二、逻辑门与触发器1、逻辑门 2、触发器 逻辑门是实现逻辑运算的最小单元最小单元,是构成组合逻辑电路的基本逻辑器件基本逻辑器件;触发器则是实现二进制位的存储和变换的最小最小单元单元,是构成时序逻辑电路的基本逻辑部件基本逻辑部件。逻辑门和触发器是逻辑电路对应逻辑功能的电路基础。1)简单简单逻辑逻辑门电路门电路简单门电路是指只有简单门电路是指只有单一单一逻辑功能的逻辑功能的门电路,如门电路,如“或或”门、门、“与与”门和门和“非非”门。门。把具体的逻辑问题抽象化进行分析,把具体的逻辑问题抽象化进行分析,可以得出运算结果
13、。可以得出运算结果。(1)二极管)二极管“与与”门电路门电路输入A0V0V+3V+3V输入B0V+3V0V+3V输出P0V0V0V+3V输入A0011输入B0101输出P0001现规定现规定+3V表示二进制的表示二进制的1,0V表示二进制的表示二进制的0E0(+12v)R0=3.9kABDaDbP利用二极管单向导通的电压箝位作用利用二极管单向导通的电压箝位作用任何一个实际的逻辑问题都可以用一个逻辑函数来描述。例如任何一个实际的逻辑问题都可以用一个逻辑函数来描述。例如某项提议需要获得通过,必须满足以下条件:某项提议需要获得通过,必须满足以下条件:(1)A,B,C三人中至少有两人以上同意;三人中至
14、少有两人以上同意;(2)A 有否决权,即必须在有否决权,即必须在A 同意的情况下才能通过。同意的情况下才能通过。根据逻辑要求做出了电路图。在该电路中根据逻辑要求做出了电路图。在该电路中A,B,C三人各自控三人各自控制对应的开关,同意的则按下开关,不同意的不按开关;灯亮制对应的开关,同意的则按下开关,不同意的不按开关;灯亮则表示提议获得通过,灯不亮则表示提议未获得通过。则表示提议获得通过,灯不亮则表示提议未获得通过。逻辑问题抽象化逻辑问题抽象化 后进行分析得出后进行分析得出:逻辑函数表示为逻辑函数表示为:Y=F(A,B,C)即指示灯即指示灯Y是是A,B,C的二值函数。的二值函数。(4)二极管二极
15、管“与与”门电路逻辑真值表门电路逻辑真值表将输入变量所有的取值将输入变量所有的取值列成表格,即可得到真列成表格,即可得到真值表。值表。(2)二极管二极管“与与”门电路符号表示门电路符号表示(3)(3)“与与”门电路门电路逻辑表达式表示逻辑表达式表示:F=ABC(5)二极管)二极管“或或”门电路门电路输入A0V0V+3V+3V输入B0V+3V0V+3V输出P0V3V3V+3V输入A0011输入B0101输出P0111现规定现规定+3V表示二进制的表示二进制的1,0V表示二进制的表示二进制的0E0(-12v)R0=3.9kABP利用二极管的电压箝位作用利用二极管的电压箝位作用+DaDb(6)二极管
16、二极管“或或”门电路符号表示门电路符号表示(7)(7)“或或”门电路门电路逻辑表达式表示逻辑表达式表示:F=A+B+C(8)二极管二极管“或或”门电路逻辑真值表门电路逻辑真值表(9)二极管二极管“非非”门电路逻辑真值表门电路逻辑真值表“非非”门是一种能够实现门是一种能够实现“非非”运算的逻辑运算的逻辑电路电路(反门)。反门)。逻辑表达式表示:逻辑表达式表示:F=A2)复合复合逻辑逻辑门电路门电路复合门电路是指具有复合门电路是指具有两种以上两种以上逻辑功能逻辑功能的门电路,如的门电路,如“与非与非”门、门、“或非或非”门、门、“与或非与或非”门或门或“异或异或”门等。门等。(1)“与非与非”门门
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