计算机组成原理04计算机的逻辑部件02.ppt

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1、1、晶体三极管与反相电路2、逻辑运算与数字逻辑电路3、通过逻辑功能设计逻辑电路 3.1、实际问题-真值表 3.2、真值表-逻辑表达式 3.3、逻辑表达式-化简得：最简表达式 3.4、最简表达式-逻辑电路图4、三态门电路,Review:计算机的逻辑部件预备知识,逻辑电路,逻辑表达式,最简表达式,真值表,逻辑功能,化简,输入信号与输出信号之间的关系。,电路为什么能实现逻辑功能呢？,系统总线,存储器,运算器,控制器,接口与通信,输入/输出设备,计算机组成原理,计算机的逻辑部件(补充：数字电路),计算机的逻辑部件,1、组合逻辑电路（没有记忆功能）1.1、加法器 1.2、算术逻辑单元 1.3、编码器、译

2、码器 1.4、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）2.1、触发器 2.2、寄存器 2.3、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）,电路怎么能算题呢？,组合逻辑电路的输出状态只取决于当前输入信号的状态，与过去输入信号的状态无关，即电路没有记忆功能。例如：加法器、ALU、编码器、译码器、数据选择器等电路。,计算机的逻辑部件,组合逻辑电路,计算机中常用的逻辑部件包括两大类：,时序逻辑电路的输出状态不仅和当时输入信号的状态有关，还与以前输入信号的状态有关，即电路具有记忆功能。最基本的记忆电路是触发器。（电平触发器，边沿触发器等）由基本的触发器可以构成寄存器，计数器等部件。,时序逻辑电路,从逻辑部件的

3、集成度和功能情况区分，组合和时序电路又分为：低集成度电路：晶体管数量比较少，只提供专用功能的器件；高集成度电路：晶体管数量比较多，功能更强、现场可编程。,重点,计算机的逻辑部件,1、组合逻辑电路（没有记忆功能）1.1、加法器 1.2、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器 1.4、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）2.1、触发器 2.2、寄存器 2.3、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）,组合逻辑电路:任一时刻的输出状态只取决于该时刻各输入状态的组 合，而与过去的输入状态无关。它由基本门电路组合而成，电路中没有记忆单元，没有反馈电路。,每一个输出变量是全部或部分输入变量的函数：L1=f1

4、（A1、A2、Ai）L2=f2（A1、A2、Ai）Lj=fj（A1、A2、Ai）,组合,逻辑,电路,A,1,A,2,A,i,L,1,L,2,L,j,计算机的逻辑部件,组合逻辑电路,计算机的逻辑部件,1、组合逻辑电路（没有记忆功能）1.1、加法器 1.2、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器 1.4、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）2.1、触发器 2.2、寄存器 2.3、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）,加法器是计算机中最常用、最基本的组合逻辑电路。功能：主要完成两个补码数据的相加运算。减法：计算机中没有专门用于减法的减法器，因为减法运算也是使用加法器电路实现。例如：A 减 B 等于

5、 A 加 B 的 反 乘除法：也可以通过多次的循环迭代，利用加法器完成。或者使用专门的电路实现。,1.1、加法器,12 7 5,12+3 15,128 40 88,128+60 188,以10为模,以100为模,半加器不考虑进位输入时，两个数Xn，Yn相加称为半加。,1.1、加法器,半加器可用反相门及与或非门来实现，也可用异或门来实现。,两输入一输出,半加器的功能表及逻辑图,1.1、加法器,一位全加器：三个输入：本位两个二进制数 Xn，Yn+低一位送上的进位信号 C n-1；两个输出：本位和 Fn，往高一位的进位信号 Cn。,1.1、加法器,Fn=XnYnCn-1+XnYnCn-1+XnYnC

6、n-1+XnYnCn-1,Cn=XnYnCn-1+XnYnCn-1+XnYnCn-1+XnYnCn-1,Fn=Xn Yn Cn-1,全加器的功能表及逻辑图,一位全加器,三输入两输出,重点,1.1、加法器,将n个一位全加器相连可得n位加法器，完成对多位数的相加运算。各数据位之间的进位信号是串行传送的，被称为串行进位。本位全加和Fi 必须等低位进位Ci-1 来到后才能进行；因此，当加法器的位数较多时，会使加法运算的速度大大降低。,1.1、加法器,超前进位加法器（当前计算机中使用的）从加快进位信号的传送速度考虑，可以实现多位的并行进位。即各位之间几乎同时产生送到高位的进位输出信号。采用“超前进位产生

7、电路”来同时形成各位进位，从而实现快速加法。,只要同时输入X1X4,Y1Y4和C0，几乎同时输出C14和F1F4。,重点,超前进位产生电路只要满足下述两条件中任一个，就可形成进位C1：1）X1=1 Y1=1 2）（X1=1 或 Y1=1）且 C0=1 C1=X1Y1+(X1+Y1)C0只要满足下述条件中任一个即可形成进位C2：1）X2=1 Y2=1 2）（X2=1 或 Y2=1）且（X1=1 Y1=1）3）（X2=1 或 Y2=1）且（X1=1 或 Y1=1）C0=1。C2=X2Y2+(X2+Y2)X1Y1+(X2+Y2)(X1+Y1)C0C3=X3Y3+(X3+Y3)X2Y2+(X3+Y3)

8、(X2+Y2)X1Y1+(X3+Y3)(X2+Y2)(X1+Y1)C0C4=X4Y4+(X4+Y4)X3Y3+(X4+Y4)(X3+Y3)X2Y2+(X4+Y4)(X3+Y3)(X2+Y2)X1Y1+(X4+Y4)(X3+Y3)(X2+Y2)(X1+Y1)C0,1.1、加法器,假设 Pi=Xi+Yi Gi=XiYi 代入C1C4 公式，便可得：C1=G1+P1C0C2=G2+P2G1+P2P1C0C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0,1.1、加法器,超前进位产生电路,1.1、加法器,超前进位产生电路,1、

9、组合逻辑电路（没有记忆功能）1.1、加法器 1.2、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器 1.4、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）2.1、触发器 2.2、寄存器 2.3、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）,计算机的逻辑部件,计算机不仅要完成对数值数据的算术运算功能（加、减、乘、除），还要完成对逻辑数据的逻辑运算功能（与、或、非运算等）。我们把实现算术运算功能和逻辑运算功能的电路合并到一起，用同一套电路实现，就是算术逻辑单元（简称ALU）算术逻辑单元是一种功能较强的组合逻辑电路；用与、或、非等门电路实现。算术逻辑单元的基本逻辑结构：超前进位加法器。（通过改变加法器的Gi和Pi来获得多种

10、运算能力。）多位ALU不仅产生算术逻辑运算的结果，还给出结果的特征情况。例如：算术运算是否产生了向更高位的进位，结果是否为零，结果的符号为正还是为负，是否溢出等。逻辑运算通常只检查结果是否为零，不存在进位和溢出等问题。,1.2、算术逻辑单元,重点,四位ALU中规模集成电路逻辑图,M是状态控制端，M=1,执行逻辑运算M=0,执行算术运算,F3F0是运算结果,S0S3是运算选择控制端，决定电路执行哪种算术运算或哪种逻辑运算。,Cn是ALU的最低位进位输入,A3A0，B3B0是参加运算的两个数,1.2、算术逻辑单元,M是状态控制端，M=1,执行逻辑运算M=0,执行算术运算,S0S3是运算选择控制端，

11、决定电路执行哪种算术运算或哪种逻辑运算。,Cn是ALU的最低位进位输入,A3A0，B3B0是参加运算的两个数,用四片4位ALU电路可组成16位ALU。（1110 1101 0101 0001）片内进位是并行快速的，但片间进位是串行慢速的，计算时间长。,1.2、算术逻辑单元,把16位ALU中的每四位作为一组，用类似四位超前进位加法器“位间快速进位”的方法来实现16位ALU的“组间快速进位”。,16位快速ALU,1、组合逻辑电路（没有记忆功能）1.1、加法器 1.2、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器 1.4、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）2.1、触发器 2.2、寄存器 2.3、计数

12、器3、阵列逻辑电路（集成电路）,计算机的逻辑部件,编码器电路将特定含义的输入信号（文字/数字/符号）转换成二进制代码。即：实现把2n个输入变量编码成N个输出信号的功能。主要功能：处理输入变量之间的优先级关系。例如：在多个中断请求源信号到来时，可以借助编码器电路给出优先级最高的中断请求源所对应的优先级编码。常见的编码器：8 线 3线（8输入 3输出），16线 4线（16输入 4输出）,1.3、编码器,编码器,A,1,A,2,A,i,L,1,L,2,L,j,多输入 多输出,1）普通编码器：任何时刻只允许一个输入有效。,1.3、编码器,8 线 3线（8输入 3输出）,1.3、编码器,逻辑公式化简,2

13、）优先编码器：允许几个信号同时输入，只对其中优先级最高的输入进行编码，不理睬级别低的输入；输出就是该输入对应的二进制代码值。,例如：电话室有三种电话，按由优先级高低排序依次是：火警电话，急救电话，工作电话，电话编码依次为00、01、10。试设计电话编码控制电路。题解：同一时间只能处理一部电话；假如用A、B、C分别代表火警、急救、工作三种电话；设电话铃响为1，没响为0；当优先级别高的信号有效时，低级别的不起作用，用表示；用Y1,Y2表示输出编码。,1.3、编码器,例如：常用的计算机键盘，其内部就是一个字符编码器。P214,译码器：实现对n个输入变量，给出2n个（或少于2n个）输出信号的功能，每个

14、输出信号对应n个输入变量的一个最小项。是否需要译码，通常可以用一或几个控制信号E 加以控制。主要用途：区分N个输入变量的组合状态。从多个互斥信号中选择其一。,1.3、译码器,译码器,A,1,A,2,A,i,L,1,L,2,L,j,多输入多输出,显示译码器,1.3、译码器,1.3、译码器,3-8译码器：3 个输入、8 个输出,重点,计算机的逻辑部件,1、组合逻辑电路（没有记忆功能）1.1、加法器 1.2、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器 1.4、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）2.1、触发器 2.2、寄存器 2.3、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）,数据选择器数据选择器又称多路开

15、关（多个输入，一个输出）功能:在选择信号的作用下，从多个输入信号中选择一个送到输出端。例如：从多个寄存器中取出某一个寄存器的内容送ALU。,1.4、数据选择器,1.4、数据选择器,双四通道选一数据选择器,S0,S1：通道选择信号,D0D3:输入数据,输出Y,数据选择器通过“与或”门或“与或非”门实现电路。,输出Y,计算机的逻辑部件,1、组合逻辑电路（没有记忆功能）1.1、加法器 1.2、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器 1.4、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）2.1、触发器 2.2、寄存器 2.3、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）,时序逻辑电路：逻辑电路的输出状态不但和当前的输

16、入状态有关，而且还与以前的输入状态有关。因此，时序逻辑电路必须具备存储电路，即要包含具有记忆功能的电子器件触发器。触发器是时序电路内存储数据的记忆元件，构成时序电路基础。触发器和一些控制门可以组成寄存器、暂存器、移位寄存器、计数器等基本的时序逻辑电路。,2、时序逻辑电路,计算机的逻辑部件,1、组合逻辑电路（没有记忆功能）1.1、加法器 1.2、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器 1.4、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）2.1、触发器 2.2、寄存器 2.3、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）,基本 R S 触发器：有两个相互交叉耦合的或非门组成（与非门也可以）。输出有两种可能的状态

17、：0、1；输出状态不只与现时的输入有关，还与原来的输入状态有关。,反馈,两个输入端,两个输出端,逻辑符号,R S,Q,Q,以Q的状态，作为触发器的状态。,2.1、触发器,重点,若原状态：,输出保持：,0,Q=1,输入：,1,1,0,Q=0,0,1,若原状态：,输出改变：,输入：,2.1、触发器,基本 R S 触发器,1,0,若原状态：,输出保持：,0,Q=1,输入：,0,0,1,Q=0,1,0,若原状态：,输出改变：,输入：,2.1、触发器,基本 R S 触发器,0,1,若原状态：,输出保持：,0,Q=1,输入：,1,1,0,Q=0,0,0,若原状态：,输出改变：,输入：,2.1、触发器,基本

18、 R S 触发器,0,1,当RS同时给出高电平时，触发器保持原来的数据不变。,记忆,基本RS触发器的真值表,2.1、触发器,基本 R S 触发器,置Q=0,存Q=0,置Q=1,存Q=1,记忆,2.1、触发器,触发器分类：触发方式分类：电位触发、边沿触发、主从触发等方式。按功能分类：有R-S型、D型、J-K型等功能。同一功能触发器可以由不同触发方式来实现。选用触发器时，触发方式是必须考虑的因素。,触发方式？,1）、电位触发器（电位触发方式）同步控制信号E为1时，输出Q=输入D；同步控制信号E为0时，触发器状态保持不变。R S 不能同时为低电平，而且R S D 在触发器写入期间应该保持不变，否则产

19、生操作错误。,2.1、触发器,电位触发器：结构简单。用来组成暂存器、锁存器,基本触发器,2.1、触发器,2）、边沿触发器（边沿触发方式）由三个基本触发器构成。时钟脉冲CP为约定跳变（正跳变 或 负跳变）时，触发器输入数据。时钟脉冲CP=1、CP=0，或非约定跳变时，不接收数据。D触发器：正边沿触发器。输入信号D在触发脉冲CP的正跳边沿期间被写入触发器，其它时间D的数据变化和干扰不会被接收。有很强的抗数据端干扰的能力；常被用来组成寄存器，计数器和移位寄存器等。,重点,D：要写入的数据CP：脉冲/SD（清0操作）/RD（置1操作）,由三个基本触发器构成,3）、主-从触发器（主-从触发方式）由两个电

20、位触发器级联而成，主触发器接收输入数据，从触发器接收主触发器输出的数据，主要功能：计数功能，常用于组成计数器。,2.1、触发器,主-从J-K触发器图,计算机的逻辑部件,1、组合逻辑电路（没有记忆功能）1.1、加法器 1.2、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器 1.4、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）2.1、触发器 2.2、寄存器 2.3、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）,寄存器：用于暂时存放指令和数据；一个寄存器由若干个触发器构成，通常由多个并行操作的D触发器或锁存器组成。一个寄存器所使用的触发器的数目被称为寄存器的位数。例如：4位、8位、16位、32位等寄存器。通过控制信号可以

21、控制寄存器是否可以接收输入信号；通过控制信号控制输出是正常逻辑电平还是高阻态；通过控制信号实现清0等功能。移位寄存器还多了左右移位操作的功能。,2.2、寄存器,重点,2.2、寄存器,四个正沿触发的D触发器-4位寄存器,移位寄存器：具有左移、右移、并行输入及保持功能。,主从R-S触发器组成的双向4位移位寄存器,计算机的逻辑部件,1、组合逻辑电路（没有记忆功能）1.1、加法器 1.2、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器 1.4、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）2.1、触发器 2.2、寄存器 2.3、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路）,计数器：是计算机和数字仪表中常用电路，按时钟作用方式

22、分为两大类：同步和异步异步计数器：高位触发器的时钟信号是由低一位触发器的输出来提供的；结构简单。同步计数器：计数器 中各触发器的时钟信号是由同一脉冲来提供的。线路复杂、性能好，用于脉冲分频和需要计数的场合。计数器按计数顺序来分有两大类：二进制、十进制。,2.3、计数器,主从J-K触发器构成的同步十进制集成化计数器,组合、时序逻辑电路（小结）,时序逻辑电路,组合逻辑电路,加法器、算术逻辑单元编码器、译码器、数据选择器。,常用逻辑器件,无记忆功能,触发器，暂存器寄存器移位寄存器计数器,有记忆功能,重点掌握：加法器、算术逻辑单元、译码器、触发器、寄存器,计算机的逻辑部件,1、组合逻辑电路（没有记忆功

23、能）1.1、加法器 1.2、算术逻辑单元 1.3、编码器、译码器 1.4、数据选择器2、时序逻辑电路（具有记忆功能）2.1、触发器 2.2、寄存器 2.3、计数器3、阵列逻辑电路（集成电路-组合或时序）,集成电路可被分为两大类：标准集成电路、用户定制电路。标准集成电路：由半导体制造厂设计和制造、供用户任意选购的集 成电路。逻辑功能由制造厂家定死的标准芯片，用 户只能使用而不能更改。如：门、数据选择器、译码器、触发器、寄存器、计数器等中小规模标准芯片。专用集成电路（ASIC）把一个系统集成在一个芯片上，此芯片将不 再具有通用性，而成为一种特殊的用途，用户可向 制造厂专门定做某种电路。,3、阵列逻

24、辑电路,专用集成电路（用户定制电路）两种形式：全定制电路、半定制电路。全定制电路：制造厂直接按照用户提出的特定要求设计和生产的器件。半定制电路：先由制造厂生产出标准的半成品，再根据用户要求由工 厂或用户自己对半成品进行再加工，制成具有特定功能 的专用集成电路器件。,半定制电路,全定制电路,可编程逻辑器件PLD,集成电路,标准集成电路,专用集成电路,半定制电路中使用最多的是：可编程逻辑器件PLD。,3、阵列逻辑电路,可编程逻辑器件 PLD：ProgrammableLogicDevice 可由用户编程，用户可以配置的逻辑器件。采用“阵列逻辑”技术生产的器件基本结构：“与或”两级结构的器件。其最终逻

25、辑结构和功能由用户编程决定。,ABCD,A*B*DA*B*C,A*B*D+A*B*C,3、阵列逻辑电路,任一组合逻辑函数都可用“与或”式表示，即任何组合逻辑函数都可以用一个与门阵列与一个或门阵列来实现。,标准画法,简化画法,可编程逻辑器件 PLD,3、阵列逻辑电路,可编程逻辑器件 PLD：采用阵列逻辑技术,输入信号和乘积项构成了“与”阵列乘积项和逻辑函数构成了“或”阵列这些阵列形成交叉点，阵列上交叉点连接方式有三种表示方法：“。”表示硬连线，不可编程；“”表示可编程连接；无任何标记 表示不连接。,F1=AB+ABF2=AB+AB+ABF3=ABF4=AB+AB,3、阵列逻辑电路,3、阵列逻辑电

26、路,半定制电路,全定制电路,可编程逻辑器件PLD,集成电路,标准集成电路,专用集成电路,低密度PLD：可编程只读存贮器PROM可编程逻辑阵列PLA可编程阵列逻辑PAL通用阵列逻辑GAL,高密度PLD：EPLD、CPLDFPGA,存储器RAM，ROM都是阵列逻辑电路；可实现逻辑功能经常变化的电路；可实现时序与组合逻辑电路之间的切换。,为了加深对三种PLD基本结构的理解，给出了实现相同逻辑函数时，三种不同的PLD器件各自的内部结构。,PROM结构,3、阵列逻辑电路：举例,实现的四个逻辑函数是：,PLA结构,实现的四个逻辑函数是：,3、阵列逻辑电路：举例,为了加深对三种PLD基本结构的理解，给出了实现相同逻辑函数时，三种不同的PLD器件各自的内部结构。,PAL结构,实现的四个逻辑函数是：,3、阵列逻辑电路：举例,为了加深对三种PLD基本结构的理解，给出了实现相同逻辑函数时，三种不同的PLD器件各自的内部结构。,