東南大學(xué)信息學(xué)院-計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計(jì)課件MSI電路

東南大學(xué)信息學(xué)院-計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計(jì)課件MSI電路課程簡(jiǎn)介本課程介紹計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計(jì)的基本原理，涵蓋計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)組成部分的結(jié)構(gòu)和功能。重點(diǎn)講解數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)方法，包括組合邏輯電路、順序邏輯電路和MSI電路。學(xué)習(xí)本課程將為學(xué)生打下扎實(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)，并為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)提供必要知識(shí)儲(chǔ)備。邏輯電路的分類(lèi)組合邏輯電路輸出僅取決于當(dāng)前輸入，不依賴(lài)于電路先前狀態(tài)。順序邏輯電路輸出不僅取決于當(dāng)前輸入，還依賴(lài)于電路先前狀態(tài)。組合邏輯電路組合邏輯電路是一種邏輯電路，其輸出只取決于當(dāng)前的輸入，與電路的先前狀態(tài)無(wú)關(guān)。特點(diǎn)無(wú)記憶功能，輸出僅由當(dāng)前輸入決定。穩(wěn)定性高，無(wú)反饋環(huán)路。應(yīng)用編碼器、譯碼器、加法器、比較器等。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。組合邏輯電路基本概念組合邏輯電路的特點(diǎn)輸出僅取決于當(dāng)前輸入，不依賴(lài)于電路的歷史狀態(tài)。組合邏輯電路的應(yīng)用編碼器、譯碼器、加法器、比較器、多路選擇器等真值表真值表是一種表格，用于列出邏輯函數(shù)在所有可能的輸入組合下的輸出值。它是一種直觀的表示邏輯函數(shù)的方法，可以幫助我們理解和分析邏輯電路的行為。真值表中的每一行代表一個(gè)輸入組合，每一列代表一個(gè)輸入或輸出變量。每個(gè)輸入組合對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的輸出值，這些值通常用0和1表示，分別代表邏輯低電平和高電平。布爾代數(shù)運(yùn)算與運(yùn)算當(dāng)且僅當(dāng)所有輸入為真時(shí)，輸出才為真。或運(yùn)算當(dāng)輸入中至少有一個(gè)為真時(shí)，輸出為真。非運(yùn)算對(duì)輸入進(jìn)行取反，真變假，假變真。布爾函數(shù)的化簡(jiǎn)代數(shù)化簡(jiǎn)利用布爾代數(shù)定律和規(guī)則，將布爾表達(dá)式化簡(jiǎn)成最簡(jiǎn)形式?？ㄖZ圖化簡(jiǎn)利用卡諾圖，將布爾表達(dá)式化簡(jiǎn)成最簡(jiǎn)形式。計(jì)算機(jī)輔助化簡(jiǎn)利用邏輯設(shè)計(jì)軟件，自動(dòng)進(jìn)行布爾函數(shù)的化簡(jiǎn)。邏輯門(mén)電路邏輯門(mén)電路是構(gòu)成數(shù)字電路的基本單元，是實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能的基礎(chǔ)。常用的邏輯門(mén)電路包括與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)、異或門(mén)等。邏輯門(mén)電路的符號(hào)、真值表和邏輯表達(dá)式是數(shù)字電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法1功能描述明確電路的功能需求，并用真值表或邏輯表達(dá)式描述。2邏輯化簡(jiǎn)利用布爾代數(shù)或卡諾圖等方法簡(jiǎn)化邏輯表達(dá)式。3電路實(shí)現(xiàn)根據(jù)化簡(jiǎn)后的邏輯表達(dá)式選擇合適的邏輯門(mén)電路實(shí)現(xiàn)。順序邏輯電路順序邏輯電路的輸出不僅取決于當(dāng)前輸入，還取決于電路過(guò)去的狀態(tài)。1狀態(tài)電路存儲(chǔ)的信息。2時(shí)鐘信號(hào)控制電路狀態(tài)變化的信號(hào)。3反饋將輸出信號(hào)反饋到輸入，形成狀態(tài)記憶。觸發(fā)器1基本單元觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基本單元。2存儲(chǔ)信息觸發(fā)器能夠存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息，并根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。3狀態(tài)保持觸發(fā)器能夠在沒(méi)有輸入信號(hào)的情況下保持當(dāng)前狀態(tài)。D型觸發(fā)器基本結(jié)構(gòu)D型觸發(fā)器由一個(gè)D輸入、一個(gè)時(shí)鐘輸入、一個(gè)輸出和一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存電路組成。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存到觸發(fā)器中，并保持在輸出端直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)。工作原理D型觸發(fā)器主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，它可以根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，D型觸發(fā)器會(huì)將數(shù)據(jù)從D輸入端鎖存到觸發(fā)器中，并保持在輸出端直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，D型觸發(fā)器會(huì)保持當(dāng)前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，不會(huì)改變輸出端的值。應(yīng)用場(chǎng)景D型觸發(fā)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)鐘信號(hào)控制等。它可以用于構(gòu)建更復(fù)雜的邏輯電路，例如計(jì)數(shù)器、移位寄存器等。JK觸發(fā)器JK觸發(fā)器真值表JK觸發(fā)器有四個(gè)輸入狀態(tài)，對(duì)應(yīng)輸出狀態(tài)和次態(tài)。JK觸發(fā)器時(shí)序圖根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)和輸入狀態(tài)，觸發(fā)器輸出狀態(tài)在不同的時(shí)間點(diǎn)發(fā)生變化。移位寄存器1數(shù)據(jù)移動(dòng)移位寄存器是一種能夠?qū)?shù)據(jù)按位進(jìn)行移動(dòng)的電路，每個(gè)時(shí)鐘周期移動(dòng)一位。2串行輸入輸出數(shù)據(jù)可以通過(guò)一個(gè)輸入端串行進(jìn)入，并從一個(gè)輸出端串行輸出。3并行輸入輸出數(shù)據(jù)也可以通過(guò)多個(gè)輸入端并行輸入，并從多個(gè)輸出端并行輸出。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器分類(lèi)計(jì)數(shù)器可分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器。進(jìn)制計(jì)數(shù)器通常采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)，但也可以是其他進(jìn)制。功能計(jì)數(shù)器用于記錄脈沖數(shù)量，并根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果改變輸出狀態(tài)。同步計(jì)數(shù)器1工作原理所有觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖同時(shí)到達(dá)，計(jì)數(shù)過(guò)程同步進(jìn)行。2特點(diǎn)計(jì)數(shù)速度快，計(jì)數(shù)穩(wěn)定性高。3應(yīng)用廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)中，如定時(shí)器、頻率計(jì)等。異步計(jì)數(shù)器1異步計(jì)數(shù)器每個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)由前一個(gè)觸發(fā)器的輸出控制2特點(diǎn)速度快，但容易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)3應(yīng)用對(duì)速度要求高，但對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合時(shí)序電路的設(shè)計(jì)1分析需求明確電路的功能和性能要求，如輸入輸出信號(hào)、時(shí)鐘頻率、工作模式等。2狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)根據(jù)電路的功能需求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的有限狀態(tài)機(jī)模型，包括狀態(tài)圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移表等。3邏輯電路實(shí)現(xiàn)將狀態(tài)機(jī)模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際的邏輯電路，可以使用邏輯門(mén)、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等元器件。4仿真測(cè)試通過(guò)仿真軟件或?qū)嶒?yàn)平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行功能驗(yàn)證，確保電路能夠正常工作。狀態(tài)機(jī)的概念抽象模型狀態(tài)機(jī)是一種抽象模型，用于描述系統(tǒng)在不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程。有限狀態(tài)狀態(tài)機(jī)具有有限個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)代表系統(tǒng)的一種特定配置。事件驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換由事件驅(qū)動(dòng)，每個(gè)事件對(duì)應(yīng)一個(gè)特定輸入或條件。狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)步驟1分析明確問(wèn)題，確定狀態(tài)機(jī)功能2建模建立狀態(tài)圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移表3選擇選擇觸發(fā)器和編碼方式4設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)邏輯電路狀態(tài)機(jī)的分類(lèi)Moore狀態(tài)機(jī)輸出只與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，與輸入無(wú)關(guān)。Mealy狀態(tài)機(jī)輸出不僅與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，還與當(dāng)前輸入有關(guān)。Moore狀態(tài)機(jī)輸出僅取決于當(dāng)前狀態(tài)，與輸入無(wú)關(guān)。在時(shí)鐘脈沖的上升沿或下降沿改變狀態(tài)，并在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)之前保持穩(wěn)定。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中的輸出值標(biāo)記在狀態(tài)點(diǎn)上，而不是狀態(tài)轉(zhuǎn)移線上。Mealy狀態(tài)機(jī)輸出依賴(lài)于當(dāng)前狀態(tài)和輸入與Moore狀態(tài)機(jī)不同，Mealy狀態(tài)機(jī)的輸出不僅取決于當(dāng)前狀態(tài)，還取決于當(dāng)前的輸入信號(hào)。輸出變化更快由于輸出受當(dāng)前輸入的影響，Mealy狀態(tài)機(jī)在輸入發(fā)生變化時(shí)可以更快地改變輸出。更靈活Mealy狀態(tài)機(jī)可以更靈活地實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的邏輯功能，例如異步通信協(xié)議。狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn)使用邏輯門(mén)電路、觸發(fā)器等構(gòu)建狀態(tài)機(jī)電路，并使用時(shí)序邏輯電路實(shí)現(xiàn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。軟件實(shí)現(xiàn)使用編程語(yǔ)言編寫(xiě)代碼，模擬狀態(tài)機(jī)邏輯，在程序中定義狀態(tài)和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換邏輯。狀態(tài)圖與狀態(tài)轉(zhuǎn)移表狀態(tài)圖是描述狀態(tài)機(jī)行為的一種圖形表示方法，它使用圓圈表示狀態(tài)，箭頭表示狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移。每個(gè)箭頭標(biāo)記著引起狀態(tài)轉(zhuǎn)移的輸入和輸出。狀態(tài)轉(zhuǎn)移表是另一種描述狀態(tài)機(jī)行為的方法，它以表格形式列出所有狀態(tài)以及每個(gè)狀態(tài)在不同輸入下的轉(zhuǎn)移和輸出。狀態(tài)機(jī)電路設(shè)計(jì)實(shí)例狀態(tài)機(jī)電路設(shè)計(jì)實(shí)例通常涉及以下步驟：1.確定狀態(tài)機(jī)類(lèi)型：2.確定狀態(tài)機(jī)狀態(tài)：3.確定狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件：4.確定輸出函數(shù)：5.繪制狀態(tài)圖：6.編寫(xiě)狀態(tài)轉(zhuǎn)移表：7.設(shè)計(jì)電路：8.測(cè)試電路MSI電路簡(jiǎn)介MSI電路，即中規(guī)模集成電路，是集成電路發(fā)展的重要里程碑。它在規(guī)模上介于SSI（小規(guī)模集成電路）和LSI（大規(guī)模集成電路）之間，通常包含數(shù)十個(gè)邏輯門(mén)電路。優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高可靠性，降低成本。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。譯碼器功能將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為特定輸出信號(hào)。應(yīng)用地址譯碼、數(shù)據(jù)選擇、狀態(tài)譯碼。編碼器將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為特定信號(hào)編碼器將多個(gè)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為唯一的二進(jìn)制代碼。應(yīng)用場(chǎng)景常見(jiàn)于鍵盤(pán)、顯示器、傳感器等設(shè)備的信號(hào)處理。分類(lèi)按功能分類(lèi)，例如優(yōu)先編碼器、BCD編碼器等。多路選擇器數(shù)據(jù)選擇多路選擇器可從多個(gè)輸入中選擇一個(gè)，并將所選輸入傳遞到輸出?？刂菩盘?hào)選擇器通過(guò)控制信號(hào)來(lái)確定要選擇哪個(gè)輸入。集成電路