东南大学信息学院-计算机结构与逻辑设计课件MSI电路

东南大学信息学院计算机结-构与逻辑设计课件MSI电路课程简介本课程介绍计算机结构与逻辑设计的重点讲解数字逻辑电路设计方法，包基本原理，涵盖计算机系统各个组成括组合逻辑电路、顺序逻辑电路和部分的结构和功能MSI电路学习本课程将为学生打下扎实的计算机系统基础，并为后续课程的学习提供必要知识储备逻辑电路的分类组合逻辑电路顺序逻辑电路输出仅取决于当前输入，不依赖输出不仅取决于当前输入，还依于电路先前状态赖于电路先前状态组合逻辑电路组合逻辑电路是一种逻辑电路，其输出只取决于当前的输入，与电路的先前状态无关特点应用无记忆功能，输出仅由当前输入决编码器、译码器、加法器、比较器定等稳定性高，无反馈环路在计算机系统中广泛应用组合逻辑电路基本概念组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的应用输出仅取决于当前输入，不依赖于电路的历史状态编码器、译码器、加法器、比较器、多路选择器等真值表真值表是一种表格，用于列出逻辑函数在所有可能的输入组合下的输出值它是一种直观的表示逻辑函数的方法，可以帮助我们理解和分析逻辑电路的行为真值表中的每一行代表一个输入组合，每一列代表一个输入或输出变量每个输入组合对应一个唯一的输出值，这些值通常用0和1表示，分别代表逻辑低电平和高电平布尔代数运算与运算或运算非运算当且仅当所有输入为真时，输出才为真当输入中至少有一个为真时，输出为真对输入进行取反，真变假，假变真布尔函数的化简代数化简卡诺图化简计算机辅助化简利用布尔代数定律和规则，将布尔表达利用卡诺图，将布尔表达式化简成最简利用逻辑设计软件，自动进行布尔函数式化简成最简形式形式的化简逻辑门电路逻辑门电路是构成数字电路的基本单元，是实现各种逻辑功能的基础常用的逻辑门电路包括与门、或门、非门、异或门等逻辑门电路的符号、真值表和逻辑表达式是数字电路设计的基础知识组合逻辑电路的设计方法功能描述1明确电路的功能需求，并用真值表或逻辑表达式描述逻辑化简2利用布尔代数或卡诺图等方法简化逻辑表达式电路实现3根据化简后的逻辑表达式选择合适的逻辑门电路实现顺序逻辑电路顺序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入，还取决于电路过去的状态状态时钟信号12电路存储的信息控制电路状态变化的信号反馈3将输出信号反馈到输入，形成状态记忆触发器基本单元存储信息12触发器是构成时序逻辑电路的触发器能够存储一位二进制信基本单元息，并根据输入信号进行状态转换状态保持3触发器能够在没有输入信号的情况下保持当前状态型触发器D基本结构工作原理应用场景D型触发器由一个D输入、一个时钟输入D型触发器主要用于数据存储，它可以根D型触发器在计算机系统中被广泛应用，、一个输出和一个数据锁存电路组成据时钟信号控制数据的输入和输出当例如数据缓存、数据传输和时钟信号控当时钟信号为高电平时，数据被锁存到时钟信号为高电平时，D型触发器会将数制等它可以用于构建更复杂的逻辑电触发器中，并保持在输出端直到下一个据从D输入端锁存到触发器中，并保持在路，例如计数器、移位寄存器等时钟脉冲到来输出端直到下一个时钟脉冲到来当时钟信号为低电平时，D型触发器会保持当前存储的数据，不会改变输出端的值触发器JK触发器真值表触发器时序图JK JKJK触发器有四个输入状态，对应输出状态和次态根据时钟信号和输入状态，触发器输出状态在不同的时间点发生变化移位寄存器数据移动串行输入输出12移位寄存器是一种能够将数据数据可以通过一个输入端串行按位进行移动的电路，每个时进入，并从一个输出端串行输钟周期移动一位出并行输入输出3数据也可以通过多个输入端并行输入，并从多个输出端并行输出计数器计数器分类进制计数器可分为同步计数器和异步计数计数器通常采用二进制计数，但也可器以是其他进制功能计数器用于记录脉冲数量，并根据计数结果改变输出状态同步计数器工作原理应用所有触发器的时钟脉冲同时到达，计数过程同步进行广泛应用于数字系统中，如定时器、频率计等123特点计数速度快，计数稳定性高异步计数器异步计数器1每个触发器的时钟信号由前一个触发器的输出控制特点2速度快，但容易产生竞争冒险应用3对速度要求高，但对精度要求不高的场合时序电路的设计分析需求1明确电路的功能和性能要求，如输入输出信号、时钟频率、工作模式等状态机设计2根据电路的功能需求，设计相应的有限状态机模型，包括状态图、状态转移表等逻辑电路实现3将状态机模型转化为实际的逻辑电路，可以使用逻辑门、触发器、计数器等元器件仿真测试4通过仿真软件或实验平台对设计的电路进行功能验证，确保电路能够正常工作状态机的概念抽象模型有限状态状态机是一种抽象模型，用于描状态机具有有限个状态，每个状述系统在不同状态之间的转换过态代表系统的一种特定配置程事件驱动状态机的状态转换由事件驱动，每个事件对应一个特定输入或条件状态机的设计步骤分析1明确问题，确定状态机功能建模2建立状态图和状态转移表选择3选择触发器和编码方式设计4设计状态机逻辑电路状态机的分类状态机状态机Moore Mealy输出只与当前状态有关，与输入输出不仅与当前状态有关，还与无关当前输入有关状态机Moore输出仅取决于当前状态，与输入无关在时钟脉冲的上升沿或下降沿改变状态，状态转移图中的输出值标记在状态点上，并在下一个时钟脉冲到来之前保持稳定而不是状态转移线上状态机Mealy输出依赖于当前状态和输入输出变化更快更灵活与Moore状态机不同，Mealy状态机的由于输出受当前输入的影响，Mealy状Mealy状态机可以更灵活地实现一些复输出不仅取决于当前状态，还取决于当态机在输入发生变化时可以更快地改变杂的逻辑功能，例如异步通信协议前的输入信号输出状态机的实现硬件实现使用逻辑门电路、触发器等构建状态机电路，并使用时序逻辑电路实现状态之间的转换软件实现使用编程语言编写代码，模拟状态机逻辑，在程序中定义状态和状态之间的转换逻辑状态图与状态转移表状态图是描述状态机行为的一种图形表示方法，它使用圆圈表示状态，箭头表示状态之间的转移每个箭头标记着引起状态转移的输入和输出状态转移表是另一种描述状态机行为的方法，它以表格形式列出所有状态以及每个状态在不同输入下的转移和输出状态机电路设计实例状态机电路设计实例通常涉及以下步骤

1.确定状态机类型

2.确定状态机状态

3.确定状态转移条件

4.确定输出函数

5.绘制状态图

6.编写状态转移表

7.设计电路

8.测试电路电路简介MSIMSI电路，即中规模集成电路，是集成电路发展的重要里程碑它在规模上介于SSI（小规模集成电路）和LSI（大规模集成电路）之间，通常包含数十个逻辑门电路优点应用简化设计，提高可靠性，降低成本广泛应用于计算机系统、通信系统、工业控制系统等领域译码器功能应用将二进制代码转换为特定输出信号地址译码、数据选择、状态译码编码器将二进制代码转换为特定信应用场景分类号常见于键盘、显示器、传感器等设备按功能分类，例如优先编码器、BCD编码器将多个输入信号转换为唯一的的信号处理编码器等二进制代码多路选择器数据选择控制信号集成电路多路选择器可从多个输入中选择一个，并选择器通过控制信号来确定要选择哪个输多路选择器通常以集成电路的形式实现，将所选输入传递到输出入可提供高密度和低功耗汇总与展望课程回顾未来方向12回顾了计算机结构与逻辑设计继续学习更高级的数字电路知课程的核心知识，涵盖了组合识，例如FPGA、CPLD等可编逻辑电路、顺序逻辑电路、程逻辑器件MSI电路等内容应用实践3将所学知识应用于实际项目中，例如设计简单的数字电路系统。