数字逻辑教材第3章上半部分[090708]

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1、第3章：数字系统基本概念数字系统是对数字信息进行加工、处理和传输的设备统称，其结构可大可小，没有一个规范和限定。如家庭自动化系统中的煤气安全控制器，就是一个非常小的数字系统，而具有典型数据处理能力的计算机系统，就是一种大型数字系统的代表。所以数字系统，实际上就是由一些逻辑门或逻辑功能模块所组成的一个具有特定智能化功能表现的设备，为此要掌握数字系统的设计就必须对数字系统的一些基本概念和特征有所了解。3.1数字系统模型概述对任何一个数字系统来讲，它的组成结构只有两种模式，一种是组合逻辑模式，简称组合逻辑，另

2、一种就是时序逻辑模式，简称时序逻辑。因此，无论多么复杂的数字系统结构，都是这两种不同模式的综合。数字系统可表示为：组合逻辑数字系统同步时序逻辑时序逻辑异步时序逻辑组合逻辑特点：在任何时刻逻辑功能部件所产生的稳定输出信号，只与当前逻辑功能部件的输入信号有关，而与以前任何时间段上的输入信号无关。时序逻辑特点：在任何时刻逻辑功能部件所产生的稳定输出信号，不仅与当前逻辑功能部件的输入信号有关，而且还与该逻辑功能部件因过去输入信号的作用，所产生的记忆状态有关，或者说，逻辑功能部件当前时间的稳定输出，与该时间的输入

3、信号，和功能部件所持有的现行状态相关。在组合逻辑中，对组合逻辑网络来讲，由于它的输出不受到过去发生事件的影响，所以它必须满足两个条件：1.输出信号“真–假”状态，只取决于当前输入信号“真–假”组合；2.从输出到输入不能有任何反馈作用。由于存在这两个条件，组合逻辑网络如果输入条件一旦发生变化，逻辑网络输出信号将立即出现新的变化值，这些新变化出现的时间是由产生输出信号组合网络所固有时延所决定的，这样输出变化将可能滞后于输入变化。在一定时间内，组合逻辑网络输出可能与输入所需结果不一致。所以组合逻辑部件在工作时

4、，只要能保证组合逻辑网络输入信号在一个足够长的时间内保持不变，这些输入信号最终会使输出变成正常。另外，因组合逻辑网络不具有反馈作用，它保证了输入信号每次变化，只能引起输出信号的唯一变化，它不可能引起组合逻辑网络不稳定性和不确定性。正因为这一特点，组合逻辑设计为设计者带来很多方便，设计者在在设计时只需要将n个输入信号的2n种不同输入组合，与所对应的m个输出组合列成一张表格，然后根据这张表格就可以进行组合逻辑网络的设计了，这张表格就是第一章中所讨论的真值表结构。真值表在数字系统的传统设计中起着非常重要的作用

5、，无论是组合逻辑设计还是时序逻辑设计，都需要依据真值表来帮助设计。目前，在现代数字系统设计方法和手段中，真值表仍保持着它的重要作用。3.1.1组合逻辑模型由于组合逻辑表示逻辑功能部件在任何时刻产生的稳定输出值只取决于当前时间的输入信号组合，而与过去输入信号组合无关，所以图3.1描述了组合逻辑功能部件结构。输输I1O1入I2组合逻辑O出2信功能部件信号IkOm号图3.1典型组合逻辑结构示意图图中用I1、I2、…、Ik表示组合逻辑功能部件的输入信号组合，而用O1、O2、…、Om表示组合逻辑功能部件在输入信号

6、的不同组合下所对应的输出，所以组合逻辑只需要用一组方程就可以进行总的描述：Oj(tk)=λj(I1(tk)，…，Ik(tk))，其中j=1，2，…，m从组合逻辑功能部件的一般示意图和函数表示式中可看出逻辑部件的特点。其一，部件中不能记忆任何以前输入信号对它作用所产生影响。其二，这种逻辑部件是对数据信息进行单向加工，加工后数据信息结果不能再通过一些互连关系被反馈到输入端上，即输出直接对后级功能部件产生驱动。在实际工程中，对组合逻辑需要研究的是两个方面，一个是组合逻辑功能部件分析，另一个是对组合逻辑功能部件

7、设计。所谓对组合逻辑功能部件分析就是在一个已知功能部件模式下，通过分析每级输入信号与输出信号之间关系，从而了解功能部件工作原理，这种方式常用于对更为先进产品进行剖析，或对某种引进设备的技术消化。而组合逻辑功能部件设计实际上是针对用户特定需要，按照用户所提供的需求说明，进行具体物理实现，这个过程也称为逻辑功能部件综合。实际上，逻辑功能部件分析和逻辑功能部件设计是两个互为相反过程，这类似于数学上的一个是方程建立(设计)，一个是方程求解(分析)。组合逻辑技术在数字系统中应用非常广泛，它不但自己能独立完成各种功

8、能复杂的逻辑操作，而且也是时序逻辑部件的组成部分。因此，它在逻辑设计中占有相当重要地位。实际上，组合逻辑是数字系统功能层集成基础，只有对这部分内容熟练掌握后，后续技术设计就非常容易。3.1.2时序逻辑模型时序逻辑在数字系统中又被分成了具有同步变化的同步时序逻辑，以及处于异步变化过程下的异步时序逻辑。计算机系统就是同步时序逻辑应用的一个典型示例，这是因为计算机中所有功能部件都在一个称为系统时钟的控制信号管理下实现数据信息加工、处理和传输。由于