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1、数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院主讲：余庆春主讲：余庆春Email：v 数字逻辑是计算机基础理论的一个重要数字逻辑是计算机基础理论的一个重要组成部分，主要研究数字电路的分析与设组成部分，主要研究数字电路的分析与设计方法。本课程为计算机组成原理和微型计方法。本课程为计算机组成原理和微型计算机及应用等后续课程提供必要的逻辑计算机及应用等后续课程提供必要的逻辑基础，是计算机专业的一门核心必修专业基础，是计算机专业的一门核心必修专业基础课。基础课。v 本课程以数字电子技术为基础，涉及数本课程以数字电
2、子技术为基础，涉及数字技术中的基本字技术中的基本原理原理、分析分析与与系统设计系统设计的的方法，具有很强的工程实践性。方法，具有很强的工程实践性。课程性质课程性质数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院 1是后续各门硬件课程的基础；是后续各门硬件课程的基础；2教学内容既有系统的数字逻辑基础理论，又有教学内容既有系统的数字逻辑基础理论，又有较强的应用技术，并涵盖数字系统的知识；较强的应用技术，并涵盖数字系统的知识；3在介绍基本逻辑运算和基本逻辑电路的分析与在介绍基本逻辑运算和基本逻辑电路的分析与设计的基础上，侧重对集成电路芯片的逻辑功能
3、设计的基础上，侧重对集成电路芯片的逻辑功能和使用方法的介绍。和使用方法的介绍。4理论结合实际，有较多的集成逻辑芯片在数字理论结合实际，有较多的集成逻辑芯片在数字系统中如计算机中的应用实例。系统中如计算机中的应用实例。5具有验证性、综合性和设计性的实验具有验证性、综合性和设计性的实验 课程特点课程特点数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院v 通过本课程的学习，获得数字技术方面通过本课程的学习，获得数字技术方面的基本理论、基本知识和基本技能，掌握的基本理论、基本知识和基本技能，掌握数字逻辑电路的数字逻辑电路的工作原理工作原理和和基本分析
4、与设基本分析与设计的方法计的方法；具有初步；具有初步解决数字逻辑问题解决数字逻辑问题的的能力，并为学习微机原理、接口技术等后能力，并为学习微机原理、接口技术等后续课程和用中、大规模集成电路设计数字续课程和用中、大规模集成电路设计数字系统奠定基础。系统奠定基础。课程目标课程目标数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院v 数字电路与数字系统概述数字电路与数字系统概述v 数字逻辑基础数字逻辑基础v 逻辑门逻辑门v 组合逻辑电路组合逻辑电路v 触发器触发器v 时序逻辑电路时序逻辑电路v 半导体存储器半导体存储器v 可编程逻辑器件及编程技术可编
5、程逻辑器件及编程技术v 脉冲波形的产生与变形脉冲波形的产生与变形v 数模转换器和模数转换器数模转换器和模数转换器v 数字系统设计数字系统设计教学内容教学内容数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院v 数字电子技术基础数字电子技术基础第五版，阎石第五版，阎石,清华大学清华大学出版社出版社v 数字电子技术基础数字电子技术基础第一版，白彦霞，北京邮第一版，白彦霞，北京邮电大学出版社电大学出版社 v 数字数字设计（第三版）（第三版），M.Morris Mano著，徐志著，徐志军、尹廷、尹廷辉等等译，电子工子工业出版社，出版社，2004年年4月
6、月参考资料参考资料数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院学时与考核学时与考核理论学时平时成绩考核方式40学时学时课堂教学课堂教学30%平时成绩平时成绩+70%闭卷笔试闭卷笔试30%课堂考勤课堂考勤+70%作业（含实验）作业（含实验）实践学时16学时学时实验教学，实验教学，八次上机实验八次上机实验数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路p 电子电路电子电路按处理信号按处理信号不同可分为不同可分为l 模拟
7、电路：模拟电路：用于用于传递和和处理处理模拟信号的电路就称为模拟信号的电路就称为模拟电路模拟电路。l 数字电路：数字电路：用以传递和加工处理用以传递和加工处理数字信号数字信号的电路就称为的电路就称为数字电路数字电路。如放大电路就是最典型的模拟电路。如放大电路就是最典型的模拟电路。数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路p 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号模拟信号：模拟信号：在时间和幅在时间和幅值上值上连续连续的的信号信号数字信号：数字信号：在时间和幅在时间和
8、幅值上值上离散离散的的信号信号高电平高电平低电平低电平数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路 有两种逻辑体制：有两种逻辑体制：l 正逻辑体制正逻辑体制规定：高电平为逻辑规定：高电平为逻辑1 1，低电平为逻辑，低电平为逻辑0 0。l 负逻辑体制负逻辑体制规定：低电平为逻辑规定：低电平为逻辑1 1，高电平为逻辑，高电平为逻辑0 0。p 正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑 数字信号是一种数字信号是一种二值信号二值信号，用两个电平（高电平和，用两个电平（高电平和低电平）分别
9、来表示低电平）分别来表示两个逻辑值两个逻辑值（逻辑（逻辑1和逻辑和逻辑0）。）。如果采用正逻辑，数字电压信号就成为下图所示逻辑信号。如果采用正逻辑，数字电压信号就成为下图所示逻辑信号。数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路p 数字波形数字波形数字波形数字波形-是信号逻辑电平对时间的图形表示是信号逻辑电平对时间的图形表示.(a)(a)用逻辑电用逻辑电平描述的数字平描述的数字波形波形(b)16(b)16位数据位数据的图形表示的图形表示数字逻辑与数字系统数字逻辑与数
10、字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路p 数字波形数字波形高电平高电平低电平低电平有脉冲有脉冲*非归零型非归零型*归零型归零型无脉冲无脉冲数字波形的两种类型数字波形的两种类型数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路p 数字波形数字波形数字波形的周期性和非周期性数字波形的周期性和非周期性非周期性数字波形非周期性数字波形周期性数字波形周期性数字波形数字逻辑与数字
11、系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路p 数字波形数字波形 Vm信号幅度。信号幅度。T信号的重复周期。信号的重复周期。tW脉冲宽度。脉冲宽度。q占空比。其定义为：占空比。其定义为：一个理想的周期性数字信号，可用以下几个参数来描绘：一个理想的周期性数字信号，可用以下几个参数来描绘：数字信号的主要参数数字信号的主要参数数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信
12、号与数字电路p 数字波形数字波形例例 设周期性数字波形的高电平持续设周期性数字波形的高电平持续6ms6ms，低电平持续，低电平持续10ms10ms，求占空比，求占空比q q。解：因数字波形的脉冲宽度解：因数字波形的脉冲宽度t tw w=6ms=6ms，周期，周期T T=6ms+10ms=16ms=6ms+10ms=16ms。数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路p 数字电路的发展概况数字电路的发展概况发展特点：以电子器件的发展为主线，发展特点：以电子器件的发展
13、为主线，产生：产生：2020世纪世纪3030年代在通讯技术（电报、年代在通讯技术（电报、电话）首先引入二进制的信息存储技术。而在电话）首先引入二进制的信息存储技术。而在18471847年由英国科学家年由英国科学家乔治乔治.布尔布尔(George Boole)(George Boole)创创立立布尔代数布尔代数，并在电子电路中的得到应用，形成，并在电子电路中的得到应用，形成开关代数，并有一套完整的数字逻辑电路的分析开关代数，并有一套完整的数字逻辑电路的分析和设计方法。和设计方法。数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与
14、数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路p 数字电路的发展概况数字电路的发展概况发展特点：以电子器件的发展为主线，发展特点：以电子器件的发展为主线，初级阶段：初级阶段：2020世纪世纪4040年代电子计算机中年代电子计算机中的应用，此时以电子的应用，此时以电子管（真空管）作为基管（真空管）作为基本器件。另外在电话本器件。另外在电话交换和数字通讯方面交换和数字通讯方面也有应用也有应用电子管（真空管）电子管（真空管）数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数
15、字电路p 数字电路的发展概况数字电路的发展概况发展特点：以电子器件的发展为主线，发展特点：以电子器件的发展为主线，第二阶段：第二阶段：2020世纪世纪6060年代晶体管的出现，使年代晶体管的出现，使得数字技术有一个飞跃得数字技术有一个飞跃发展，除了计算机、通发展，除了计算机、通讯领域应用外，在其它讯领域应用外，在其它如测量领域得到应用。如测量领域得到应用。晶体管图片晶体管图片数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路p 数字电路的发展概况数字电路的发展概况发展特点
16、：以电子器件的发展为主线，发展特点：以电子器件的发展为主线，第三阶段：第三阶段：2020世纪世纪7070年年代中期集成电路的出现，代中期集成电路的出现，使得数字技术有了更广泛使得数字技术有了更广泛的应用，在各行各业医疗、的应用，在各行各业医疗、雷达、卫星等领域都得到雷达、卫星等领域都得到应用。应用。数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路p 数字电路的发展概况数字电路的发展概况发展特点：以电子器件的发展为主线，发展特点：以电子器件的发展为主线，时间时间发展情况发
17、展情况60-7060-70年代年代ICIC技术迅速发展：技术迅速发展：SSISSI、MSIMSI、LSI LSI、VLSIVLSI（1010万个晶体管万个晶体管/片）。片）。8080年代后年代后ULSI ULSI，1 0 1 0 亿个晶体管亿个晶体管/片片 、ASIC ASIC 制作技术成熟制作技术成熟9090年代后年代后9797年一片集成电路上有年一片集成电路上有4040亿个晶体管。亿个晶体管。目前目前芯片内部的布线细微到亚微米芯片内部的布线细微到亚微米(0.130.09(0.130.09 m)m)量级量级微处理器的时钟频率高达微处理器的时钟频率高达3GHz3GHz（10109 9HzHz）
18、将来将来高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路高分子材料或生物材料制成密度更高、三维结构的电路数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.1 数字信号与数字电路数字信号与数字电路p 数字电路的特点数字电路的特点l 工作工作信号信号是是离散离散的，研究对象是的，研究对象是输入输入和和输出输出的的逻辑关逻辑关系，系，表达电路的功能主要是真值表、逻辑表达式及波形表达电路的功能主要是真值表、逻辑表达式及波形图等。图等。l 主要的主要的分析工具是逻辑代数。分析工具是逻辑代数。l 主要的主要的研究方法是逻辑
19、分析和逻辑设计。研究方法是逻辑分析和逻辑设计。l 数字电路工作数字电路工作可靠性高可靠性高，抗干扰能力强，电路简单，抗干扰能力强，电路简单，易于实现。易于实现。l 数字电路发展与电子元器件密切相连。数字电路发展与电子元器件密切相连。数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.2 数字系统数字系统p 什么是数字系统？什么是数字系统？数字系统是指实现一定功能的数字电路电器装置。数字系统是指实现一定功能的数字电路电器装置。u数字电路数字电路：强调：强调电路性质电路性质（数字信号）和（数字信号）和实现方法实现方法
20、（逻（逻辑设计）。辑设计）。u数字系统：数字系统：强调强调功能功能的完整性和使用性。的完整性和使用性。数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.2 数字系统数字系统p 数字系统应用数字系统应用数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.2 数字系统数字系统p典型数字系统典型数字系统计算机概述计算机概述计算机的发展简史计算机的发展简史机械时代机械时代机械时代机械时代电子时代电子时代电子时代电子时代第三代第三代（SSI
21、SSI、MSIMSI）未来计算机未来计算机未来计算机未来计算机第一代第一代(电电子管子管)第二代第二代（晶体管）（晶体管）第四代第四代（LSILSI、VLSIVLSI、ULSIULSI）数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述1.2 数字系统数字系统p典型数字系统典型数字系统计算机概述计算机概述计算机的类型计算机的类型按计算机的规模和处理能力分类按计算机的规模和处理能力分类（1）巨型机：巨型机：也称为超级计算机，是指目前速度最快、也称为超级计算机，是指目前速度最快、处理能力最强的计算机。目前其运算速度已达
22、到每秒千处理能力最强的计算机。目前其运算速度已达到每秒千万亿次。万亿次。（2）大型机：大型机：具有较快的处理速度和较强的处理能力。具有较快的处理速度和较强的处理能力。主要用于大银行、大公司、规模较大的高等学校和科研主要用于大银行、大公司、规模较大的高等学校和科研院所。院所。（3）小型机：小型机：结构简单、规模较小、操作简单。结构简单、规模较小、操作简单。（4）微型机：微型机：个人计算机，称为个人计算机，称为PC机，体积小、价格机，体积小、价格低、功能全、操作方便。低、功能全、操作方便。国际TOP500组织在网站上公布了最新全球超级计算机前500强排行榜，我国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号
23、”雄居第一。“天河一号”由国防科技大学研制，部署在国家超级计算天津中心，其实测运算速度可以达每秒2570万亿次。数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述巨型、巨型、大中型大中型计算机计算机数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述小型计小型计算机算机数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述工作站工作站数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述PC机机数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述单板机单板机数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院第一章 数字逻辑与数字系统概述单片机单片机数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统湖南科技大学计算机科学与工程学院湖南科技大学计算机科学与工程学院