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1、数字逻辑与系统设计课程教学大纲课程代码: 课程名称: 英文名称: 课程类别: 学 时: 学 分: 适用对象: 考核方式: 先修课程:一、课程基本信息(Basic Course Information)数字逻辑与系统设计Digital Logic and System Design学科基础课483计算机科学与技术、人工智能等本科专业考试高等数学 二、课程简介(Brief Course Introduction)本课程是高等学校本科计算机及其应用专业必修的一门重要的学科基础课程， 是研究数字电路的应用学科。为继续学习其它专业课程，如微机原理、微机接口与 技术、计算机组成原理等准备必要的基本知识。本
2、课程系统的介绍数字系统逻辑分析与设计的基本知识与理论、各种不同规模 的逻辑器件及其分析与设计的基本方法。内容包括基本知识，逻辑代数基础，集成 门电路与触发器，组合逻辑电路，同步和异步时序电路，大规模通用集成电路及应 用，可编程逻辑器件等。This course is an important basic course required for undergraduate computer and its application majors in colleges and universities, and it is an applied discipline to study digita
3、l circuits. It is the necessary basic knowledge for continuing to study other professional courses, such as microcomputer principle, microcomputer interface and technology, computer composition principle, etc.This course systematically introduces the basic knowledge and theory of digital system logi
4、c analysis and design, various logic devices of different scales and the basic methods of analysis and design. The content includes basic knowledge, logic algebra foundation, integrated gate circuits and flip-flops, combinational logic circuits, synchronous and asynchronous sequential circuits, larg
5、e-scale general integrated circuits and applications, programmable logic devices, etc.三、课程性质与教学目的本课程是一门计算机科学与技术专业的重要的学科基础课，该课程的主要目的 是使学生了解从对数字系统提出的要求开始，直至用集成电路实现所需逻辑功能为 止的完整过程，熟练掌握数字逻辑电路分析与设计的基本方法，为数字计算机和其 他数字系统的硬件分析与设计奠定坚实的基础。(思政融合：)了解我国数字电路的 同步时序逻辑电路设计的各个步骤，引导帮助学生掌握分析和设计 方法，使学生能够掌握分析和设计要领；了解一些集成化的
6、同步时 序电路器件，以及测试方法。（二）教学内容第一节概述1 .主要内容：时序逻辑电路的特点；时序逻辑电路的结构框图；时序 逻辑电路几种常见类型。2 .基本概念和知识点：时序逻辑电路的功能上和电路结构上的特点； 时序逻辑电路的结构框图；时序逻辑电路几种常见类型。3 .问题与应用（能力要求）：深刻理解时序逻辑电路的功能上和电路结 构上的特点；理解时序逻辑电路的结构框图；了解时序逻辑电路几 种常见类型。.第二节时序逻辑电路的分析1 .内容：同步时序逻辑电路的分析；异步时序逻辑电路的分析。2 .基本概念和知识点：同步时序逻辑电路的分析；异步时序逻辑电路 的分析3 .问题与应用（能力要求）：熟练掌握同
7、步时序逻辑电路分析的各个步 骤；具备分析一般同步时序逻辑电路的能力；掌握异步时序逻辑电 路的分析的各个步骤，具备分析简单异步时序逻辑电路的能力。.第三节寄存器和移位寄存器1 .主要内容：寄存器；移位寄存器；移位寄存器的应用。2 .基本概念和知识点：寄存器的功能；移位寄存器的原理；移位寄存 器实现顺序脉冲发生器和扭环形计数器的原理。3 .问题与应用（能力要求）：理解寄存器的功能；理解移位寄存器实现 移位的原理；了解移位寄存器实现顺序脉冲发生器和扭环形计数器 的原理。.第四节计数器1 .主要内容：异步计数器；同步计数器；集成计数器；利用计数器的 级联获得大容量N进制计数器。2 .基本概念和知识点：
8、异步计数器；同步计数器；集成计数器；利用 计数器的级联获得大容量N进制计数器。3 .问题与应用（能力要求）：理解异步计数器和同步计数器的工作原理; 了解常见几种集成计数器的功能和应用；了解利用计数器的级联获 得大容量N进制计数器的方法。.第五节同步时序逻辑电路的设计1 .主要内容：同步时序逻辑电路的设计；同步时序逻辑电路设计举例。2 .基本概念和知识点：同步时序逻辑电路的设计要点3 .问题与应用（能力要求）：熟练掌握同步时序逻辑电路设计的各个步骤，能够熟练完成一般同步时序逻辑电路的设计。4 .（思政融合：）回顾改革开放40年来，中国在党的英明领导和大力支持下,产的集成电路的发展取得的进步举世瞩
9、目，比如有代表性的民营企业华为，其电子产品向全世界销售，销售量在世界都处 于领先水平，以至于让美国都感到害怕，对其进行打压，所以为了 解决这个问题，我们应该更加努力，争取早日做到全面的自给自足, 拜托他国的约束。.（三）思考与实践:1 .实验：101代码串检测器;2 .实验：模五计数器；3 .课后习题.（四）教学方法与手段：课程讲授；习题课；实验;五、各教学环节学时分配藜学环节教学时数 课程内讲课习 题 课实验其他教 学环节小计第一章逻辑代数基础4004第二章集成逻辑门电路3126第三章组合逻辑电路71614第四章触发器51410第五章时序逻辑电路71614合计2641848六、推荐教材和教学
10、参考资源推荐教材：蒋立平.数字逻辑电路与系统设计（第3版）.电子工业出版社，2019.1参考书目：张俊涛.数字电路与逻辑设计.清华大学出版社2020. 9学习网站：七、其他说明（1）教学基本要求所规定的内容分为三个层次：掌握一不仅要求理解概念和原理，而且要求具备分析计算能力。理解要求透彻领会概念和原理。了解只要求对基本概念有所了解，教师可根据实际需要选讲，标记（*）的即表示 可以选讲的内容。(2)对电子器件只讲解基本构成，重点在外特性和应用的理解。(3)分析与设计并重，使学生具备初步分析电路和设计电路的能力.(4)各教学环节占总分比例：平时作业 10%期中测验 10%上课考勤10%期末考试 7
11、0%(5)本大纲学时分配及对教学内容的把握仅供任课教师参考，在教学实施过程中可适当调 配。(6)本大纲中每章的课后练习的习题标号均为推荐教材中课后习题标号，若教材更改，应 作相应调整。修订日期:审定日期:大纲修订人：唐苏湘 大纲审定人：发展历程和现有水平，知悉在党的领导下，我国在数字电路和芯片技术研究发展上 取得的成绩。鼓励学生奋发图强，为我国的高科技发展贡献自己的力量，让国家的 芯片技术早日达到世界领先水平。四 教学内容及要求第一章逻辑代数基础（一）目的与要求1 .教学目的：本章的教学目的在于通过本章课程的学习，使学生弄懂 逻辑代数的基本原理，掌握有关公式用法，掌握逻辑函数化简的方 法，能够
12、熟练进行逻辑函数的化简及不同形式间的转换，理解并掌 握逻辑函数的不同表现形式。让学生弄懂数字电路中数的概念和逻 辑代数的化简方法。2 .教学要求：结合例题演示，充分讲解逻辑代数的概念和特点，区分 逻辑代数与普通代数的不同，通过讲解各种公式使学生理解其原理 并掌握应用方法，通过讲解例题和布置习题练习使学生掌握逻辑函 数的化简，理解并掌握逻辑函数的不同表示形式以及不同形式之间 的转换方法。（二）教学内容前言：（思政融合:）介绍我国半导体技术的发展历程和现有水平，歌颂 在党的领导下，我国在半导体及芯片研究发展上取得的成绩。第一节概述1 .主要内容：逻辑代数的概念2 .基本概念和知识点：逻辑代数的变量
13、取值范围（0, 1）3 .问题与应用（能力要求）：理解逻辑代数的抽象性及应用 第二节逻辑代数中的常用运算1.2.3.主要内容：基本运算（与、或、非）；组合运算（与非、或非、与或 非、同或、异或）；及其逻辑表达式、真值表、逻辑符号三种不同表 达形式。基本概念和知识点：与、或、非、与非、或非、与或非、同或、异 或问题与应用（能力要求）：熟悉各个逻辑运算的关系及其表示方法；第三节逻辑代数中的基本定律和常用公式1 .主要内容：逻辑代数中的基本定律和常用公式，逻辑代数的三个基 本规则以及应用。2 .基本概念和知识点：分配律、摩根律、代入规则、反演规则、对偶 规则3 .问题与应用（能力要求）：熟悉逻辑代数
14、中的各种基本定律和常用公 式以及基本规则。尤其要注意逻辑代数与一般代数的不同之处。如: 分配律和摩根律。第四节逻辑代数及其表示方法1 .主要内容：理解并掌握逻辑函数的不同表示方法，理解个不同应用 领域，并掌握其相互的转换技能。2 .基本概念和知识点：真值表、逻辑函数式、逻辑图、最大项、最小 项。3 .问题与应用（能力要求）：掌握以逻辑函数式为基础的逻辑函数的各 种表示方法，掌握逻辑函数的最大项、最小项的定义和性质。第五节逻辑代数的公式法化简1 .主要内容：最简表达式的标准，一般公式化化简的各种方法，逻辑 函数的常见表达形式及相互转换方法。2 .基本概念和知识点：与或表达式、并项法、吸收法、消去
15、法、配项 法。3 .问题与应用（能力要求）：理解最简表达式的标准，在熟悉逻辑代数 中的基本定律和常用公式以及基本规则的基础上，掌握一般公式化 化简的各种方法，熟悉常见表达形式的转换方法。第六节逻辑代数的卡诺图化简法1 .主要内容：卡诺图的概念、卡诺图表示逻辑函数、用卡诺图化简逻 辑函数、用卡诺图化简具有无关项的逻辑函数。2 .基本概念和知识点：卡诺图、卡诺图化简逻辑函数法、无关项。3 .问题与应用（能力要求）：理解卡诺图概念、能够熟练应用卡诺图化 简四个及以下变量的函数，掌握含有无关项的逻辑函数的化简方法。 也能（三）思考与实践：1 .实验：基本门电路逻辑功能及组合测试；2 .课后习题.（四）
16、教学方法与手段：课程讲授；习题课；实验；第二章集成逻辑门电路（一）目的与要求1 .教学目的：本章的教学目的在于通过本章课程的学习，使学生理解 集成门电路工作的基本原理及输入输出关系，对简单类似的门电路 具备一定的分析能力。了解一些相关的器件电气特性参数和相关知 识。（思政融合：）我们日常生活的各种电器都是由很多个电子元器 件组成的，虽然复杂，但是每一个元件都是必不可少的，对整体都 是有贡献的，一个元件损坏或者不工作，整个电路系统就可能瘫痪。 就像我们每个公民，都应该对国家的发展做出贡献，国家的发展离 不开每个人的付出。天下兴亡，匹夫有责，每个同学都应该有使命 感，有责任，有担当。2 .教学要求
17、：详细讲解门电路的工作原理，帮助学生掌握分析方法， 结合实验使学生能够对集成门电路具备简单的分析和应用能力。通 过讲解例题和布置习题练习使学生巩固所学知识。（二）教学内容第一节概述1 .主要内容：逻辑门电路及其种类和不同特点；数字电路高低电位工 业标准；数字逻辑与电路电平的对应关系。2 .基本概念和知识点：TTL门电路；CMOS门电路；正逻辑、负逻辑。3 .问题与应用（能力要求）能正确理解数字电路与数字逻辑的对应关 系。第二节基本逻辑门电路1 .主要内容：二极管开关特性，包括静态开关特性和动态开关特性； 三极管的开关特性，包括静态开关特性、动态开关特性和抗饱和三 极管；MOS管的开关特性，包括
18、静态开关特性和动态开关特性；分离 元件门电路，包括二极管与门电路、二极管或门电路、非门电路以 及组合逻辑门电路，包括与非门电路、或非门电路。2 .基本概念和知识点：二极管开关条件，导通与截止的特点；三极管 的开关特性，导通时间、反向恢复时间；MOS管的开关特性；静态开 关特性和动态开关特性；分离元件门电路。3 .问题与应用（能力要求）理解掌握二极管开关特性，包括静态开关 特性和动态开关特性；三极管的开关特性，包括静态开关特性、动 态开关特性；并能进一步独立分析简单的分离元件门电路。第三节TTL集成逻辑门电路1 .主要内容：TTL与非门的工作原理；TTL与非门电气特性；其它功能 的TTL门电路；
19、其它系列的TTL门电路；TTL数字集成电路系列；其 它双极型集成逻辑门电路的特点;TTL集成逻辑门电路的使用注意事 项。2 .基本概念和知识点：TTL与非门的工作原理；TTL与非门电气特性； 其它双极型集成逻辑门电路的特点;TTL集成逻辑门电路的使用注意 事项。3 .问题与应用（能力要求）：掌握TTL与非门的工作原理；熟悉TTL与非门电气特性；理解其它功能的TTL门电路；了解其它系列的TTL 门电路和TTL数字集成电路系列；初步了解其它双极型集成逻辑门 电路的特点；简单了解TTL集成逻辑门电路的使用注意事项。第四节CMOS集成逻辑门电路1 .主要内容：CMOS反相器；其它功能的CMOS电路；高
20、速CMOS门电路; CMOS数字集成电路的系列；CMOS集成逻辑门电路的使用注意事项。2 .基本概念和知识点：CMOS反相器；其它功能的CMOS电路；CMOS集 成逻辑门电路的使用注意事项。3 .问题与应用（能力要求）：理解掌握CMOS反相器；熟悉和理解其它 功能的CMOS电路；了解高速CMOS门电路和CMOS数字集成电路的系 歹人熟悉CMOS集成逻辑门电路的使用注意事项。第五节TTL电路与CMOS电路的接口1 .主要内容：TTL电路驱动CMOS电路；TTL电路驱动74HCT系列高速 CMOS电路；CMOS电路驱动TTL电路。2 .基本概念和知识点:驱动门；负载门；TTL电路驱动CMOS电路；
21、TTL 电路驱动74HCT系列高速CMOS电路；CMOS电路驱动TTL电路。3 .问题与应用（能力要求）：理解驱动门和负载门；了解TTL电路驱动 CMOS电路；了解TTL电路驱动74HCT系列高速CMOS电路；了解CMOS 电路驱动TTL电路。（三）思考与实践：1 .实验：模拟密码锁电路；2 .课后习题.第三章（一）组合逻辑电路（四）教学方法与手段：课程讲授；习题课；实验；目的与要求1 .教学目的：本章的教学目的在于通过本章课程的学习，使学生弄懂 各种组合逻辑电路的特点及表达式的列写。掌握组合逻辑电路的分 析和设计方法，并能应用于解决一些简单的实际问题。2 .教学要求：详细讲解各种组合逻辑电路
22、的工作原理，帮助学生掌握 分析方法，使学生能够掌握各种组合逻辑电路的原理及应用特点； 理解各种组合逻辑电路的输入、输出表达式的列写；学会一些简单 的应用。理解组合逻辑电路中的竞争冒险。了解一些相关的电气特 性，以及测试方法。（二）教学内容第一节概述1 .主要内容：组合逻辑电路的定义；组合逻辑电路的特点；组合逻辑 电路的儿种描述方法。2 .基本概念和知识点：组合逻辑电路的定义；组合逻辑电路的特点。3 .问题与应用（能力要求）：正确理解组合逻辑电路的定义；熟悉组合 逻辑电路的特点。第二节组合逻辑电路的分析与设计1 .主要内容：组合逻辑电路的分析，包括基本分析步骤、分析举例； 组合逻辑电路的设计，包
23、括基本设计步骤、设计举例；2 .基本概念和知识点：组合逻辑电路的分析；组合逻辑电路的设计；3 .问题与应用（能力要求）：结合做实验和作业，掌握组合逻辑电路的 分析的各个步骤，包括由电路写出输出逻辑函数表达式并化简，再 由逻辑函数式列出真值表，根据真值表分析说明电路的逻辑功能。 能熟练应用所学知识分析一般复杂度的组合逻辑数字电路；掌握组 合逻辑电路的设计的各个步骤，包括由所提问题确定输入输出变量, 并列出真值表；再由真值表写出逻辑函数式，并用卡诺图或公式化 化简；最后用电路实现。要求能熟练应用所学知识设计一些简单的 组合逻辑数字电路；第三节加法器1 .主要内容：半加器和全加器；加法器，包括串行进
24、位加法器、超前 进位加法器。2 .基本概念和知识点：半加器和全加器；加法器，包括串行进位加法 器的实现原理、超前进位加法器的特点。3 .问题与应用（能力要求）：熟悉半加器和全加器的算法，理解它们之 间的区别；对加法器，要求理解串行进位加法器的实现原理、了解 超前进位加法器的特点。第四节编码器1 .主要内容：二进制编码器；二-十进制编码器；优先编码器；2 .基本概念和知识点：编码；二进制编码器；二-十进制编码器；优先 编码器。3 .问题与应用（能力要求）：理解编码和编码器的概念；熟悉二进制编 码器、二-十进制编码器、优先编码器等不同编码器所实现的不同功 能及其区别。第五节译码器和数据分配器1 .
25、主要内容：二进制译码器；二-十进制译码器；显示译码器，包括七 段半导体数码显示器和七段显示译码器；译码器的应用，包括用译 码器设计组合逻辑电路和二进制译码器的扩展；数据分配器。2 .基本概念和知识点：译码器；二进制译码器；二-十进制译码器；显 示译码器，包括七段半导体数码显示器和七段显示译码器；译码器 的应用，包括用译码器设计组合逻辑电路和二进制译码器的扩展； 数据分配器。3 .问题与应用（能力要求）：理解译码和译码器的概念；熟悉二进制译 码器、二-十进制译码器、显示译码器等不同译码器所实现的不同功 能、应用领域及其区别。掌握用译码器设计组合逻辑电路的原理和 方法，熟悉二进制译码器扩展的方法；
26、了解数据分配器的原理和功 能。.第六节数据选择器1 .主要内容：4选1数据选择器；8选1数据选择器；数据选择器的应 用，即用数据选择器实现函数。2 .基本概念和知识点：数据选择器；4选1数据选择器；8选1数据选 择器；数据选择器的应用，即用数据选择器实现函数。3 .问题与应用（能力要求）：理解数据选择器的概念和功能，熟悉各个 选择器的主要管脚的功能和用法。熟练掌握8选1数据选择器实现 四个变量逻辑函数的方法。.第七节数值比较器1 .主要内容：1位数值比较器；多位数值比较器。2 .基本概念和知识点：数值比较器的功能；数值比较器实现的逻辑； 多位数值比较器的主要管脚；多位数值比较器的扩展使用。3
27、.问题与应用（能力要求）：理解数值比较器的逻辑；了解多位数值比 较器主要管脚功能；了解多位数值比较器的扩展使用方法。.第八节 组合逻辑电路中的竞争和冒险1 .主要内容：产生竞争冒险的原因；冒险的分类；冒险现象的判别； 消除冒险现象的方法。2 .基本概念和知识点：竞争和冒险的概念及关系；产生竞争冒险的原 因；冒险的分类；冒险现象的判别；消除冒险现象的方法。3 .问题与应用（能力要求）：理解产生竞争冒险的原因和分类；掌握冒 险判断的方法；掌握一种以上的消除冒险的方法。（三）思考与实践：1 .实验：半加器、全加器及逻辑运算；2 .课后习题.（四）教学方法与手段：课程讲授；习题课；实验； 第四章触发器
28、（一）目的与要求1 .教学目的：本章的教学目的在于通过本章课程的学习，使学生理解 触发器工作的基本原理及输入输出关系。掌握触发器的分类、特性 方程及输出波形的画法；熟悉不同类型（功能和触发方式）触发器 的特点，理解其不同的工作方式，能够熟练对门电路组成的触发器 进行逻辑分析，写出真值表，画出输出波形。对各种R-S触发器能 够分析其不确定状态的条件。2 .教学要求：详细讲解各触发器电路的工作原理，帮助学生掌握分析 方法，结合实验使学生能够熟悉触发器及其电路的工作特点，各个 输入端和控制端的不同特性。通过讲解例题和布置习题练习使学生 巩固所学知识。（二）教学内容第一节概述1 .主要内容：触发器的主
29、要功能和特点；描述触发器及其电路的主要 工具和方法。按照逻辑功能和触发方式的不同，触发器不同的分类 结果。2 .基本概念和知识点：触发器；触发器的存储功能；触发方式。3 .问题与应用（能力要求）：理解触发器的主要功能和特点；了解描述 触发器及其电路的主要工具和方法。了解不同分类的触发器。.第二节 基本RS触发器1 .主要内容：由与非门组成的基本RS触发器；由或非门组成的基本RS 触发器。2 .基本概念和知识点：基本RS触发器的电路组成；逻辑功能；特性表; 特性方程；约束条件；不定状态。3 .问题与应用（能力要求）：熟悉基本RS触发器的电路组成；深刻理 解基本RS触发器逻辑功能和特性表；熟练掌握
30、基本RS触发器的特 性方程；理解基本RS触发器的约束条件；能够独立分析其它门电路 组成的基本RS触发器电路的功能和特性。.第三节同步触发器1 .主要内容：同步RS触发器；同步D触发器；同步JK触发器；同步 触发器的空翻。2 .基本概念和知识点：同步RS触发器；同步D触发器；同步JK触发 器；同步触发器的空翻。3 .问题与应用（能力要求）：深刻理解同步RS触发器、同步D触发器 和同步JK触发器的电路原理;熟练掌握各个同步触发器的特性方程; 理解其触发条件及实现机理；理解同步触发器空翻产生的原因。.第四节边沿触发器1 .主要内容：TTL边沿JK触发器；集成边沿JK触发器74LS112介绍; 维持阻
31、塞D触发器；集成维持阻塞D触发器74LS74介绍；T触发器 和触发器；CMOS边沿触发器。2 .基本概念和知识点：TTL边沿JK触发器、维持阻塞D触发器、T触 发器和触发器；集成边沿JK触发器74LS112和集成维持阻塞D 触发器74LS74；用D触发器和JK触发器实现T触发器和触发器 的方法和原理。CMOS边沿触发器。3 .问题与应用（能力要求）：深刻理解TTL边沿JK触发器的电路实现 原理；掌握TTL边沿JK触发器、维持阻塞D触发器、T触发器和 触发器的逻辑功能和工作特性；了解集成边沿JK触发器74LS112和 集成维持阻塞D触发器74LS74各个管脚功能和有效状态；熟悉用D 触发器和JK
32、触发器实现T触发器和触发器的方法和原理。了解 各个CMOS边沿触发器。.第五节主从触发器1 .主要内容：主从RS触发器；主从JK触发器；主从JK触发器的一次 翻转现象。2 .基本概念和知识点：主从RS触发器的电路组成、逻辑功能；主从JK 触发器的电路组成和逻辑功能；主从JK触发器的一次翻转现象。3 .问题与应用（能力要求）：深刻理解主从RS触发器和主从JK触发器 的电路原理；掌握主从RS触发器和主从JK触发器的逻辑特性；深 刻理解主从JK触发器与边沿JK触发器的不同特性及原因；理解主 从JK触发器的一次翻转现象。（三）思考与实践：1 .实验：触发器功能测试；2 .课后习题.（四）教学方法与手段：课程讲授；习题课；实验；第五章时序逻辑电路（一）目的与要求1 .教学目的：本章的教学目的在于通过本章课程的学习，使学生理解 同步和异步时序逻辑电路结构，掌握激励表、状态表及状态图的使 用，能熟练进行同步和异步时序逻辑电路的分析和简单的同步逻辑 电路的设计。理解一些简单常见的集成化的同步时序电路；了解同 步时序电路的测试。2 .教学要求：结合实例，详细讲解同步和异步时序逻辑电路的分析和