东南大学信息学院-计算机结构与逻辑设计课件运算电路

东南大学信息学院计-算机结构与逻辑设计本课程介绍计算机体系结构和逻辑设计的基本原理，并以实际应用为背景展开讲解课程内容涵盖计算机系统组成、数据表示、指令系统、存储系统、控制单元、运算电路、总线系统等第一章绪论第一章绪论，是《计算机结构与逻辑设计》课程的开篇，它旨在为学习者提供对计算机结构与逻辑设计的整体概述本部分将介绍课程的目标、内容以及数字系统的基本概念和抽象层次，为后续章节的学习奠定基础课程目标与内容介绍

1.1数字电路基础组合逻辑电路设计时序逻辑电路设计计算机系统结构学习数字电路的基本概念，包掌握组合逻辑电路的设计方学习时序逻辑电路的设计方了解计算机系统的基本组成，括布尔代数、逻辑门电路、真法，包括编码器、译码器、多法，包括触发器、寄存器、移包括CPU、内存、存储器等，值表和逻辑函数化简等路选择器、算术电路等的设位寄存器、计数器和状态机并学习数字电路在计算机系统计等中的应用数字系统基本概念

1.2数字信号模拟信号数字信号使用离散的数字值表示信息，例如0和1模拟信号使用连续变化的物理量来表示信息，例如电压或电流它们通常用逻辑电平表示，例如高电平代表，低电平代表10模拟信号可以取任意值，而不是离散的数字值数字系统的抽象层次

1.3数字系统具有不同的抽象层次，从最底层的物理电路到最顶层的软件应用，层层递进，相互关联不同抽象层次的关注点不同，但最终都服务于完成特定功能的目标行为级1描述系统功能和行为寄存器传输级2描述数据流和寄存器操作逻辑级3描述逻辑门和逻辑函数电路级4描述电子元件和电路连接抽象层次的划分有利于简化设计，提高效率例如，行为级描述更关注功能实现，而电路级则侧重于物理实现选择合适的抽象层次是数字系统设计中的关键环节第二章数字电路基础数字电路是构成现代计算机系统和电子设备的基础本章将介绍数字电路的基本概念和原理，为后续章节学习计算机体系结构和逻辑设计奠定基础布尔代数与逻辑运算

2.1布尔代数基础逻辑运算布尔代数是数字电路设计的基逻辑运算基于布尔代数，包括础，它提供了一种数学工具来描与、或、非等基本运算，它们用述和分析数字电路的逻辑行为于构建更复杂的逻辑表达式逻辑表达式真值表逻辑表达式使用布尔变量和逻辑真值表列出了所有可能的输入组运算符来表示数字电路的逻辑关合及其对应的输出值，用于描述系，可以用来分析电路的功能逻辑函数的行为逻辑门电路

2.2逻辑门电路是数字电路的基本单元，它们实现基本的逻辑运算，例如与、或、非等逻辑门电路可以通过不同的物理器件实现，例如晶体管、电阻、二极管等常见的逻辑门电路包括与门、或门、非门、异或门、与非门、或非门等真值表与逻辑表达式

2.3真值表用于列出逻辑函数的所有可能的输入组合及其对应的输出值逻辑表达式是使用逻辑运算符表示逻辑函数的代数表达式输入输出A=0,B=0F=0A=0,B=1F=1A=1,B=0F=1A=1,B=1F=0逻辑函数化简

2.4卡诺图化简1卡诺图是一种直观的图形工具，它可以有效地化简逻辑函数，并确定最简逻辑表达式代数化简2基于布尔代数定律和运算规则，通过等价变换将复杂逻辑表达式化简成更简洁的形式Quine-McCluskey算法3一种系统化的化简方法，适用于大规模逻辑函数的化简，特别是当卡诺图难以绘制或无法直观表达时第三章组合逻辑电路设计组合逻辑电路是数字电路中的一种重要类型它们输出仅取决于当前输入，不依赖于电路的先前状态组合逻辑电路广泛应用于计算机系统中，如算术逻辑单元、地址译码器和数据选择器等组合逻辑电路基础

3.1基本概念设计流程设计实例组合逻辑电路中输出仅取决于当前输入，没分析需求、设计逻辑表达式、化简逻辑表达编码器、译码器、加法器、比较器等均是组有记忆功能式、选择逻辑门实现合逻辑电路设计步骤与算法

3.2功能描述明确电路的功能和输入输出关系例如，一个加法器需要将两个输入值相加，输出它们的和逻辑表达式根据功能描述，用布尔表达式描述电路的逻辑关系，例如，使用与或非运算来表示加法的逻辑逻辑化简利用布尔代数的定律和性质对逻辑表达式进行化简，以降低电路的复杂度和成本电路实现将化简后的逻辑表达式转换为具体的逻辑门电路实现，例如，使用与门、或门、非门等仿真验证使用电路仿真软件模拟电路的行为，验证电路是否符合预期功能编码器和译码器

3.3编码器译码器应用123将十进制数转换成二进制数，例将二进制代码转换成十进制数，例编码器和译码器广泛应用于计算机系如，一个位编码器可以将十进制如，一个位译码器可以将位二统，尤其是在内存地址译码，外设444数到转换成位二进制代码进制代码转换成个十进制数的其接口，显示器控制等方面09410中一个多路选择器

3.4多路选择器是一种组合逻辑电路，它根据选择信号的值从多个输入信号中选择一个输出信号多路选择器可以实现逻辑函数，也可以用于数据选择、地址选择、信号切换等应用多路选择器的工作原理是通过选择信号控制多个输入信号的开关，将选定的输入信号传递到输出端选择信号的位数决定了输入信号的数量，例如，一个位2选择信号可以控制个输入信号4算术电路

3.5加法器减法器乘法器除法器加法器是算术电路中最重要的减法器可以利用加法器实现，乘法器可以使用加法器和移位除法器是比较复杂的算术电组成部分，用于实现二进制数通过对被减数取反并加1来完成寄存器来实现，通过重复加法路，通常使用迭代的方式，通的加法运算减法运算和移位操作来完成乘法运算过减法和移位操作来实现第四章时序逻辑电路设计时序逻辑电路是计算机系统的重要组成部分，用于存储和处理信息时序逻辑电路在数字系统中起着至关重要的作用，广泛应用于存储器、计数器、状态机等时序逻辑电路基础

4.1定义特点时序逻辑电路是具有记忆功能的电路它们在当前输出不仅取决时序逻辑电路使用触发器来存储信息触发器是具有一个或多个于当前输入，还取决于电路的历史状态输入和一个输出的存储元件例如，计数器、寄存器和状态机都是时序逻辑电路触发器的状态可以由输入信号控制，并在触发器内部存储触发器与时序逻辑元件

4.2触发器时序逻辑元件逻辑门触发器是时序逻辑电路的基本单元，它可以时序逻辑元件包括触发器、寄存器、计数器逻辑门是组合逻辑电路的基本单元，它们用存储一个比特的信息等，它们用于存储和处理数据于实现逻辑运算寄存器与移位寄存器

4.3寄存器是存储数据的一种基本单元它通常由一系列触发器构成，每个触发器存储一位数据移位寄存器是一种特殊的寄存器，能够将数据按位移位移位寄存器可以用于实现各种功能，例如串行数据传输、数据编码和解码、计数等根据移位方向，移位寄存器可以分为左移寄存器和右移寄存器计数器电路

4.4计数器的功能1计数器电路用于计数，例如，计数脉冲数或计时计数器类型2常见的计数器类型包括同步计数器和异步计数器计数器设计3计数器设计主要考虑计数范围、计数速度和计数方式等因素计数器广泛应用于数字系统中，例如，控制系统、计时系统和数据处理系统等状态机设计

4.5状态机概述状态机类型状态机是描述系统行为的模型，它根据当前状态和输入信号来常见的类型包括摩尔型状态机和米利型状态机，它们在输出信决定下一状态和输出号的产生方式上有所不同状态机设计步骤状态机应用状态机设计通常包括状态图绘制、状态表建立、逻辑实现等步状态机广泛应用于数字系统的设计，例如自动售货机、交通灯骤控制等第五章同步时序逻辑电路分析与设计同步时序电路在数字系统设计中至关重要本章将深入探讨其设计与分析方法，并介绍故障分析和检测技术同步时序逻辑电路设计方法

5.1123状态机设计时序逻辑电路分析时序逻辑电路优化状态机是描述时序电路行为的一种方分析同步时序逻辑电路的目的是理解电优化同步时序逻辑电路的目标是提高电法，通过有限个状态和状态之间的转移路的行为和功能，主要方法包括状态图路的性能和效率，主要方法包括状态编来表示电路的运作流程状态机设计主的分析和状态方程的推导码优化、时序优化和电路结构优化要包括状态图的绘制和状态表的构建时序电路的故障分析

5.2逻辑故障时序故障

11.

22.逻辑故障是指电路中的逻辑功时序故障是指电路的时序关系能错误，例如门电路输出错误错误，例如时钟信号延时或信或触发器状态错误号到达时间不一致信号完整性问题电源故障

33.

44.信号完整性问题是指信号在传电源故障是指电源电压不稳定输过程中出现噪声、干扰或信或电压过高或过低，导致电路号衰减，导致信号失真无法正常工作时序电路的故障检测

5.3测试方法故障诊断仪修复与更换测试方法用于识别电路板上的故障，通过对专业故障诊断仪器可以快速识别电路板上的对于故障元件进行修复或更换，确保电路板比预期输出和实际输出，确定出现故障的环故障，并提供详细的故障信息，方便维修人能够正常工作，并保证其长期稳定运行节员快速排除故障。