计算机组成原理 王诚 郭超峰 计算机组成第2章

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1、计算机组成原理教学课件王诚教授清华大学计算机系2009年10月第2章数字逻辑电路基础和计算机中的逻辑部件（计算机组成原理课程的预备性知识）2.1数字电路基础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2.5现场可编程器件的内部结构和编程一.本章的预备性知识1.晶体二极管和它的单方向导电特性2.晶体三极管与反相器电路3.两种最基本的门电路：与非门，或非门4.逻辑运算与数字逻辑电路5.逻辑功能的表示和等效电路6.真值表和逻辑表达式的对应关系7.逻辑运算的基本定理、常用公式和逻辑化简8.三态门电路晶体二极管及其单方向导电特性通

2、常情况下，可把一些物体划分成导体（双向导电）和绝缘体（不导电）两大类。在这两类物体的两端有电压存在时，会出现有电流流过或无电流流过物体的两种不同情形。人们也可以制作出另外一类物体，使其同时具备导体和绝缘体两种特性，其特性取决于在物体两端所施加电压的方向，当在一个方向上有正的电压（例如0.7V）存在时，可以允许电流流过（如图所示），此时该物体表现出导体的特性；而在相反的方向上施加一定大小的电压时，该物体中不会产生电流，表现出绝缘体的的特性，即该物体只能在单个方向上导电，这样的物体被称为半导体。制作出的器件被称为二极管。电流i+-二极管的内部结构及其开关特性绝缘体和导

3、体不同的导电特性是由于它们不同的原子结构特性造成的。通过在绝缘材料中有控制地掺加进少量的导电物质，可以使得到的材料有一定的导电特性。例如在4价的硅材料（每个原子核周围有4个电子）中掺杂进少量5价的金属材料形成N型材料，或者掺杂进少量3价的金属材料形成P型材料，使新得到的材料中总的原子核数量与电子的数量不满足1:4的关系，N型材料中形成有极少量的带负电荷的多余电子，P型材料中缺少极少量的电子（反过来称为有极少量的带正电的空穴），这些电子和空穴可以成为导电的载流子。当把这样的两种材料结合在一起时，就表现出在单个方向导电的特性，这就是半导体，做成器件就是二极管。当P型材

4、料一端（称为二极管的正极）有比N型材料一端（称为二极管的负极）高0.7伏的电压时，就会产生从正极流向负极的电流，小的反向电压则不会产生电流。2.晶体三极管和反相器电路在半导体的基体上，经过人工加工，可以生产出三极管，它类似于2个背向相连接的二极管，有3个接线端，分别被称为集电极、基极和发射极，其特性是：基极发射极集电极+Vcc(+5V)接地输入电平=0.7V,三级管导通，使输出电平为0V；输入电平=0V,三级管截止，使输出电平>4V；这已经构成了反相器线路,完成逻辑取反功能。输出输入电阻电源+Vcc3.与非门和或非门+Vcc(+5V)接地输出输入1电源输入2输入2

5、输入1+Vcc(+5V)输出电源与非门：2路输入都高，输出才为低；或非门：任何一路输入为高，输出都为低（原1个三极管变成串接的2个三极管）（原1个三极管变成并行的2个三极管）接地当然，也可以制作并使用不带反相功能的与门和或门电路。4.逻辑运算与数字逻辑电路数字逻辑电路是实现数字计算机的物质基础。最基本的逻辑电路：与门，或门，非门；用它们可以组合出实现任何复杂的逻辑运算功能的电路。最基本的逻辑运算有：与运算，或运算，非运算，正好可以选用与门、或门、非门来加以实现。逻辑关系是可以采用数学公式来表示和运算的，此数学工具就是布尔代数，又称逻辑代数。例如，A=B•C+E*/

6、F；A为输出（运算结果），B、C、E、F为输入，•、+、/分别代表与、或、非运算符；运算符的优先级：非运算最高，与运算次之，或运算最低。这一逻辑运算功能，显然可以用与门、或门、非门来实现。5.逻辑功能的表示和等效电路逻辑功能可以选用布尔代数式表示，卡诺图表示，真值表表示，或者用线路逻辑图表示。与门、或门、非门的图形符号：非门与门与非门或门或非门AXBABX000010100111ABX001011101110X=A•BX=A•BX=A+BX=A+B真值表XXXAAABBBAX6.真值表和逻辑表达式的对应关系真值表、逻辑表达式、线路图是有对应对应关系的,真值表→表达

7、式→电路图(用于做出产品)与门与非门ABABX000010100111ABX001011101110X=A•BX=A•BABX用与逻辑写出真值表中每一横行中输出为1的逻辑表达式；用或逻辑汇总真值表中全部输出为1的逻辑。不必理睬那些输出为0的各行的内容，它们已经隐含在通过1、2两步写出的表达式中。X=A*B+A*B+A*BX真值表用于写出功能需求得出用到的基本门及其连接关系7.基本定理和常用公式，逻辑化简A+0=AA•0=0A+A=1A•A=0A+1=1A•1=AA+A=AA•A=AA+B=B+AA•B=B•AA=A(A+B)+C=A+(B+C)(A•B)•C=A•

8、(B•C)