數(shù)字邏輯與數(shù)字集成電路第一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字邏輯

(2002級本科生課程)清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系楊士強(qiáng)yangshq@趙有建zhaoyj@第二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三引言“數(shù)字邏輯”課程的地位數(shù)字與邏輯數(shù)字與模擬數(shù)字邏輯領(lǐng)域的前沿問題課程的主要內(nèi)容如何學(xué)好這門課第三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三CC2001(ComputingCurricula)計(jì)算機(jī)學(xué)科人才的專業(yè)能力要求：計(jì)算思維能力—抽象思維能力和邏輯思維能力算法設(shè)計(jì)與分析能力程序設(shè)計(jì)能力計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)知、分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力為實(shí)現(xiàn)上述要求設(shè)置的四大系列課程：公共基礎(chǔ)系列，基礎(chǔ)理論系列，軟件技術(shù)系列，硬件技術(shù)系列第四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三“數(shù)字邏輯”是計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)系列的基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理數(shù)字邏輯計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件功能分配計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)第五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字與邏輯(Digital&Logic)邏輯：研究思維的規(guī)律性；關(guān)于思維形式及其規(guī)律的科學(xué)；研究概念、判斷和推理以及相互聯(lián)系的規(guī)律、規(guī)則，以幫助人們正確地思維和認(rèn)識客觀真理。學(xué)習(xí)工作時(shí)時(shí)處處離不開“邏輯”：講話要有邏輯性、寫論文邏輯層次要清晰；邏輯推理能力、邏輯判斷能力……數(shù)理邏輯：研究推理、計(jì)算等邏輯問題，又稱符號邏輯，是離散數(shù)學(xué)的重要內(nèi)容，是計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)。數(shù)字邏輯：用二進(jìn)制為基礎(chǔ)的數(shù)字化技術(shù)解決邏輯問題。第六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字與邏輯(Digital&Logic)邏輯代數(shù)：應(yīng)用代數(shù)方法研究邏輯問題，又稱布爾代數(shù)，開關(guān)代數(shù)（還有開關(guān)理論，開關(guān)電路等），是邏輯化簡的主要工具。

數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)、分析，要借助于邏輯代數(shù)這一數(shù)學(xué)工具。邏輯代數(shù)中二值運(yùn)算的公式、運(yùn)算及定律要應(yīng)用到數(shù)字邏輯電路。實(shí)現(xiàn)邏輯功能可用的數(shù)字電路： 1、數(shù)字集成電路 2、可編程邏輯器件(PLD)第七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字與模擬(Digital&Analog)

（離散與連續(xù)）digit原意泛指“數(shù)目的文字”。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，digital與其它詞一起使用，主要用于區(qū)別“模擬”，指將連續(xù)變化的模擬量用二進(jìn)制數(shù)表達(dá)和處理。現(xiàn)實(shí)世界中存在模擬與數(shù)字兩大系統(tǒng)，電子數(shù)字計(jì)算機(jī)是最典型的數(shù)字系統(tǒng)。模擬量經(jīng)采樣、量化可轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。數(shù)字量更便于加工、處理、傳輸、存儲(chǔ)等，可靠，抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字集成電路是實(shí)現(xiàn)數(shù)字量處理和運(yùn)算的功能單元。第八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三+V-V電壓p2p時(shí)間+V-V電壓p2p時(shí)間+V-V電壓p2p時(shí)間(a)模擬表示(b)離散表示(c)脈沖表示第九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三無所不在的“數(shù)字化”技術(shù)以二進(jìn)制為代表的數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，改變了人們的工作和生活方式。現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)的核心就是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)溶入到各個(gè)領(lǐng)域，各個(gè)方面，無所不在，無所不能。DigitalX舉例：數(shù)字電視，數(shù)字電話，數(shù)碼相機(jī)，數(shù)字化儀表，數(shù)字化醫(yī)療設(shè)備，數(shù)字圖書館，數(shù)字博物館，數(shù)字化地球，數(shù)字化城市，西部數(shù)字鴻溝……第十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三數(shù)字邏輯領(lǐng)域的前沿技術(shù)多值邏輯模糊邏輯計(jì)算機(jī)輔助邏輯設(shè)計(jì)集成電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化可編程邏輯設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)的混合設(shè)計(jì)數(shù)字電路的故障診斷與可靠性，等等第十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三軟件固化的設(shè)計(jì)方法

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)演變過程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程：第一步：軟件算法模擬；第二步：硬件固化硬件系統(tǒng)的發(fā)展：onsystemonboardonchip專用與通用結(jié)合，逐步由專用到通用軟件：靈活，可任意修改，但速度慢硬件：速度快，不可任意修改軟件與硬件在邏輯功能上是統(tǒng)一的，在硬件設(shè)計(jì)中逐步引進(jìn)軟件可編程的思想，“以存代算的思想，各種可編程邏輯器件（PLD）為硬件設(shè)計(jì)帶來方便。第十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三課程主要內(nèi)容CC2002“數(shù)字邏輯”課程大綱數(shù)制與碼制邏輯代數(shù)邏輯電路表示組合電路分析與設(shè)計(jì)時(shí)序電路分析與設(shè)計(jì)邏輯門陣列組合邏輯時(shí)序邏輯（同步時(shí)序）可編程邏輯（PROM，PAL，GAL等）5次實(shí)驗(yàn)，最后一次綜合實(shí)驗(yàn)第十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯電路的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用到的典型邏輯電路的設(shè)計(jì)、分析，達(dá)到： 1、掌握邏輯設(shè)計(jì)和分析的基本方法 2、實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的問題 3、熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常用IC器件的性能及設(shè)計(jì)方法BACK第十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三與“數(shù)字邏輯”相關(guān)的課程數(shù)字電路（電子系課程）數(shù)字電子技術(shù)（自動(dòng)化系課程）數(shù)字技術(shù)與系統(tǒng)數(shù)字邏輯重點(diǎn)是結(jié)合計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的邏輯問題和常用的集成電路特性，為“計(jì)算機(jī)原理”課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。數(shù)字邏輯可以認(rèn)為是“數(shù)字邏輯電路”，“數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)”，“數(shù)字邏輯系統(tǒng)”等的簡稱。英文參考書關(guān)鍵詞：”DigitalLogic”,“LogicDesign”,“DigitalDesign”,”DigitalLogicDesign”,“DigitalCircuitDesign”，”DigitalLogicCircuitDesign”,“LogicandComputerDesign”，”DesignofLogicSystems”,……第十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三如何學(xué)好這門課1.計(jì)算機(jī)學(xué)科是實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科，重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，多動(dòng)手2.掌握研究型的學(xué)習(xí)方法，學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，掌握“知識發(fā)現(xiàn)過程中大師們的思維過程”3.熟練掌握典型電路的分析方法和設(shè)計(jì)方法4.作業(yè)和實(shí)驗(yàn)獨(dú)立完成成績比例：20（平時(shí)實(shí)驗(yàn)）＋20（實(shí)驗(yàn)考試）＋60（期末考試）第十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三讓我們共同走進(jìn)數(shù)字化世界，開創(chuàng)更加美好的數(shù)字化生活！加強(qiáng)交流，教學(xué)相長!yangshq@預(yù)祝同學(xué)們?nèi)〉脙?yōu)異成績！第十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三第1章邏輯代數(shù)及

邏輯函數(shù)化簡（數(shù)制與編碼一章自學(xué)）1.1邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算與公式1.2公式法化簡邏輯函數(shù)1.3邏輯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式1.4圖解法(卡諾圖)化簡（重點(diǎn)）1.5表格法化簡(Q-M法)1.6邏輯函數(shù)的實(shí)現(xiàn)第十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三1.1邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算與公式邏輯代數(shù)：二進(jìn)制運(yùn)算的基礎(chǔ)。應(yīng)用代數(shù)方法研究邏輯問題。由英國數(shù)學(xué)家布爾(Boole)和德.摩根于1847年提出，又叫布爾代數(shù)，開關(guān)代數(shù)。邏輯函數(shù)的表示：真值表，表達(dá)式，邏輯門邏輯函數(shù)的生成：邏輯問題的描述，由文字?jǐn)⑹龅脑O(shè)計(jì)要求，抽象為邏輯表達(dá)式的過程。然后才能化簡、實(shí)現(xiàn)，邏輯設(shè)計(jì)的第一步。邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算：與、或、非 (1)“與”運(yùn)算，邏輯乘 (2)“或”運(yùn)算，邏輯加 (3)“非”運(yùn)算，取反第十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算ABF真值表F=ABABF001001111110信息論的創(chuàng)始人香儂(Shannon)在1940年首先建立了用電子線路來實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)表達(dá)式，0，1分別代表電路的開、關(guān)狀態(tài)或高、低電平；命題為真，線路建立連結(jié)；命題為假，線路斷開連結(jié)。與非門（A、B是輸入，F(xiàn)是輸出）第二十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三真值表，表達(dá)式，邏輯門ABF真值表F=ABABF001001111110實(shí)現(xiàn)“與非”邏輯

(NAND——NOT-AND)例：與非門（A、B是輸入，F(xiàn)是輸出）第二十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三真值表，表達(dá)式，邏輯門ABF+實(shí)現(xiàn)“或非”邏輯(NOR——NOT-OR)真值表ABF001001111000第二十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三真值表，表達(dá)式，邏輯門ABF+實(shí)現(xiàn)“或非”邏輯(NOR——NOT-OR)真值表ABF001001111000第二十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三基本公式互補(bǔ)律1律0律BACK第二十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三基本公式（續(xù)）交換律結(jié)合律分配律

第二十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三基本公式（續(xù)）吸收律反演律(德·摩根定律)第二十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三基本公式（續(xù)）包含律 推論：對合律重疊律第二十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三如何驗(yàn)證公式的正確性真值表利用基本定理化簡公式例：真值表驗(yàn)證摩根定律1000A＋B1110A＋B1110AB100000011011ABAB第二十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三如何驗(yàn)證公式的正確性真值表利用基本定理化簡公式AB+AC+BC=AB+AC(?)（包含律）證明：AB+AC+BC=AB(C+C)+AC(B+B)+BC(A+A)=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC+ABC=ABC+ABC+ABC+ABC=AB+AC第二十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三1.2公式法化簡邏輯函數(shù)邏輯函數(shù)化簡的目的:省器件！用最少的門實(shí)現(xiàn)相同的邏輯功能，每個(gè)門的輸入也最少。主要掌握與或表達(dá)式的化簡：(1)乘積的個(gè)數(shù)最少(用門電路實(shí)現(xiàn)，所用與門的個(gè)數(shù)最少)(2)在滿足(1)的條件下，乘積項(xiàng)中的變量最少(與門的輸入端最少)最簡的目標(biāo)不同，達(dá)到的效果也不同。如果功耗最小或者可靠性最高是目標(biāo)，化簡的結(jié)果完全不同！BACK第三十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三與或表達(dá)式化簡例：展開：結(jié)合：互補(bǔ)律：互補(bǔ)律：BACK第三十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三與或表達(dá)式化簡（續(xù)）例：BACK反演律:B+C=BC吸收律：A＋AB＝AB第三十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三與或表達(dá)式化簡（續(xù)）包含配項(xiàng)展開合并例：第三十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三與或表達(dá)式化簡（續(xù)）續(xù)上頁吸收律D+DC＝D＋C分配反演D＋C＝DC吸收律：BACK第三十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三1.3邏輯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式邏輯函數(shù)可以表示為最小項(xiàng)之和的形式（與或表達(dá)式）或者最大項(xiàng)之積的形式（或與表達(dá)式）應(yīng)用最多的是最小項(xiàng)之和的形式，也叫最小項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)式。最小項(xiàng)也是卡諾圖化簡的基礎(chǔ)。BACK第三十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三最小項(xiàng)(MinTerm)邏輯函數(shù)有n個(gè)變量，由它們組成的具有n個(gè)變量的乘積項(xiàng)中，每個(gè)變量以原變量或反變量的形式出現(xiàn)且僅出現(xiàn)一次，這個(gè)乘積項(xiàng)為最小項(xiàng)。N個(gè)變量有2n個(gè)最小項(xiàng)。例如：n=3，對A、B、C，有8個(gè)最小項(xiàng)第三十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三最小項(xiàng)(續(xù))對任意最小項(xiàng)，只有一組變量取值使它的值為1，其他取值使該最小項(xiàng)為0為方便起見，將最小項(xiàng)表示為mi n=3的8個(gè)最小項(xiàng)為：

第三十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三最小項(xiàng)(續(xù))任何邏輯函數(shù)均可表示為唯一的一組最小項(xiàng)之和的形式，稱為標(biāo)準(zhǔn)的與或表達(dá)式某一最小項(xiàng)不是包含在F的原函數(shù)中，就是包含在F的反函數(shù)中例：BACK第三十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三最大項(xiàng)(MaxTerm)n個(gè)變量組成的或項(xiàng)，每個(gè)變量以原變量或反變量的形式出現(xiàn)且僅出現(xiàn)一次，則稱這個(gè)或項(xiàng)為最大項(xiàng)

例如：n=3的最大項(xiàng)為第三十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三最大項(xiàng)(續(xù))對任意一個(gè)最大項(xiàng)，只有一組變量取值使它的值為0，而變量的其他取值使該項(xiàng)為1將最大項(xiàng)記作Mi任何一個(gè)邏輯函數(shù)均可表示為唯一的一組最大項(xiàng)之積，稱為標(biāo)準(zhǔn)的或與表達(dá)式n個(gè)變量全體最大項(xiàng)之積必為“0”某個(gè)最大項(xiàng)不是含在F的原函數(shù)中，就是在F的反函數(shù)中第四十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三最大項(xiàng)(續(xù))例如：BACK第四十一頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三1.4圖解法(卡諾圖)化簡邏輯函數(shù)卡諾圖(KarnaughMap):邏輯函數(shù)的圖示表示，把最小項(xiàng)填入卡諾圖，利用相鄰最小項(xiàng)的互補(bǔ)性，消去一個(gè)變量，實(shí)現(xiàn)化簡。卡諾圖的構(gòu)成 (1)、由矩形或正方形組成的圖形 (2)、將矩形分成若干小方塊，每個(gè)小方塊對應(yīng)一個(gè)最小項(xiàng)BACK第四十二頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三2變量卡諾圖(KarnaughMap)2變量卡諾圖1整體為1左、右部分表示上、下部分表示第四十三頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三2變量卡諾圖(KarnaughMap)2變量卡諾圖可由代表4個(gè)最小項(xiàng)的四個(gè)小方格組成m1

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AB改畫成

2變量卡諾圖第四十四頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三3變量KarnaughMap3變量卡諾圖由8個(gè)最小項(xiàng)組成，對應(yīng)圖中8個(gè)小方格

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注意：表中最小項(xiàng)編碼按00－01―11－10循環(huán)碼順序排列，而不是00－01－10－11（二進(jìn)制計(jì)數(shù)的順序）第四十五頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三什么是循環(huán)碼相鄰兩個(gè)編碼之間只有一位數(shù)不同，而且首尾兩個(gè)編碼之間也只有一位數(shù)不同，這種編碼叫循環(huán)碼。2位循環(huán)碼：000111103位循環(huán)碼：000001011010

110111101100特點(diǎn)：每次只變一位，相鄰兩數(shù)間只有一位不同；用在卡諾圖上，可以消去最小項(xiàng)的多余變量。循環(huán)碼是無權(quán)碼，而且不是唯一的編碼，如：01，00，10，11同樣具有2位循環(huán)碼的性質(zhì)。第四十六頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三4變量KarnaughMapBADC0011011000110110m1

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第四十七頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三卡諾圖化簡的步驟1按照循環(huán)碼規(guī)律指定卡諾圖變量取值；2在函數(shù)最小項(xiàng)對應(yīng)的小方塊填“1”，其他方塊填“0”；3合并相鄰填“1”的小方塊，兩個(gè)方塊合并消去一個(gè)變量（一維塊）；4個(gè)方塊合并消去兩個(gè)變量（二維塊）；4合并過程中先找大圈合并，圈越大消去的變量越多；5使每一最小項(xiàng)至少被合并包含過一次；每個(gè)合并的圈中，至少要有一個(gè)“1”沒有被圈過，否則這個(gè)圈就是多余的。第四十八頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三“與或”式化簡：例1將表達(dá)式F=AB+AC填入卡諾圖

BAC10001101100

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1第四十九頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三“與或”式化簡：例2BADC

110011011000110110第五十頁，共五十七頁，編輯于2023年，星期三“與或”式化簡：例2（續(xù)）BADC

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