包健 计算机组成原理与系统结构第2版第2章.ppt

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1、第2章计算机硬件基础半导体器件的开关特性2.1基本逻辑运算和基本门电路2.2组合逻辑电路实例2.3时序逻辑电路2.4本章小结计算机芯片的制造过程2.52TheEnd!32.1半导体器件的开关特性二极管的开关特性一三极管的开关特性二MOS管的开关特性三4一、二极管的开关特性5二、三极管的开关特性6三、MOS管的开关特性72.2基本逻辑运算和基本门电路逻辑变量和逻辑表达式一逻辑门二逻辑函数的化简三逻辑代数的基本定律四8逻辑常量：只有两个(0和1)，表示两个对立的逻辑状态。逻辑变量：逻辑变量一般用字母、数字及其组合来表示，其取值只有两个，即0和1。在“正逻辑

2、”的数字电路设计中，用低电平信号（如0.5V）表示逻辑0；用高电平信号（如3V）表示逻辑1。逻辑运算：对于逻辑常量和变量的操作，有与、或、非三种基本逻辑运算。逻辑门（logicgates）：对逻辑常量和变量完成基本的逻辑运算的电路。二、逻辑门9逻辑函数：用于表达逻辑变量之间关系的代数式，使用与、或、非3种基本逻辑运算，可以构造出任何逻辑函数。逻辑代数：逻辑代数是研究逻辑函数运算和化简的一种数学系统，也是用来描述、分析、简化数字电路的数学工具。在数字电路中，表示逻辑变量之间的逻辑关系的方法一般有3种：逻辑代数式、真值表、电路图。真值表：将所有输入变量的所

3、有可能的取值组合，及其在此情况下输出变量应有的取值罗列出来，所形成的一张表。它最全面、最直观地表达了逻辑关系。二、逻辑门10二、逻辑门双极型逻辑门11二、逻辑门单极型逻辑门12二、逻辑门二、逻辑门其他类型的TTL门电路集电极开路与非门（OC门）,其输入输出逻辑关系为13二、逻辑门二、逻辑门其他类型的TTL门电路三态门14二、逻辑门二、逻辑门逻辑门的表示方式15二、逻辑门二、逻辑门逻辑门的表示方式16基本的逻辑运算与运算（AND）或运算（OR）非运算（NOT）二、逻辑门逻辑门的表示方式所有逻辑运算都是按位操作的17除了3种基本的逻辑门电路外，还有4种常用

4、的逻辑门，它们均可以由与或非门组合而成。与非门（NAND）或非门（NOR）异或门（XOR）同或门（XNOR）逻辑门的表示方式二、逻辑门18与非门（NAND）逻辑表达式：F＝AB＝A·B逻辑门电路符号：真值表：运算规则：有0就出1ABF00101110111019或非门（NOR）逻辑表达式：逻辑门电路符号：真值表：运算规则：有1就出0ABF001010100110F＝A＋B20异或门（XOR）逻辑表达式：F＝A⊕B＝AB＋AB逻辑门电路符号：真值表：运算规则：有1就出0ABF00101010011021异或门（XOR）逻辑表达式：逻辑门电路符号：真值表：

5、运算规则：相异得1ABF000011101110F＝A⊕B＝AB＋AB22逻辑表达式：逻辑门电路符号：真值表：运算规则：相同得1同或门（XNOR）ABF001010100111F＝A⊙B＝AB＋AB23与运算（AND）逻辑表达式：F＝AB＝A·B逻辑门电路符号：真值表：运算规则：有0就出0ABF00001010011124或运算（OR）逻辑表达式：F＝A＋B逻辑门电路符号：真值表：运算规则：有1就出1ABF00001110111125非运算（NOT）逻辑表达式：F＝A逻辑门电路符号：真值表：运算规则：取反AF011026三、逻辑代数的基本定律27四、逻

6、辑函数的化简在设计逻辑电路时，每个逻辑表达式是和一个逻辑电路相对应，因此必须将逻辑表达式进行化简，以减少实现它的电路所用元器件。逻辑函数化简有两种方法：代数化简法和卡诺图化简法。代数化简法:直接利用逻辑代数的基本公式和规则进行化简，要求熟练地掌握逻辑函数的公式，并经过多次训练才能进行快速化简。28四、逻辑函数的化简29(5)配项法有些函数很难直接用上述方法来化简，不妨利用互补律公式，先将某些项乘以，展开后再消去更多的项；也可以先适当加上一些多余项或无关项，然后再简化。配项的原则是：首先，增加的新项不会影响原始函数的逻辑关系；其次，新增加的项要有利于其他

7、项的合并。四、逻辑函数的化简30代数化简法化简时要注意以下几点：尽可能先使用并项法、吸收法、消去法、取消法等简单方法进行化简，当这些方法不凑效时，再考虑使用配项法。如果原始函数不是“与或”式，需先将其转换成“与或”式，然后再化简。化简后得到的最简表达式不一定是唯一的，但它们中的“与”项个数及“与”项中的因子数都应该是最少的。四、逻辑函数的化简312.3组合逻辑电路实例组合逻辑电路设计方法一二进制加法器二译码器三算术逻辑运算单元ALU四数据选择器五32一、组合逻辑电路设计方法组合逻辑电路的特点：当输入信号变化时，输出信号也跟着变化。在计算机CPU设计中，

8、组合电路通常被用来产生控制信号，它的输入可能是指令的操作码和状态信号，而其输出则是寄存器、存储