數(shù)字邏輯及數(shù)字系統(tǒng) 第一章 基礎(chǔ)知識

1、11.1 概述 1.2 常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換 1.3 帶符號二進制數(shù)的表示方法1.4 常用編碼 1.5 Proteus軟件簡介 第一章 基礎(chǔ)知識 本章介紹數(shù)字信號和數(shù)字電路的基本特點，常用數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)本章介紹數(shù)字信號和數(shù)字電路的基本特點，常用數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)在機器中的表示方法，常用編碼技術(shù)。換，數(shù)據(jù)在機器中的表示方法，常用編碼技術(shù)。Proteus軟件的基本用軟件的基本用法，法，ISIS在虛擬仿真平臺中的基本應用。在虛擬仿真平臺中的基本應用。21.1 概述概述1.1 1.1 概述概述1.1.1 1.1.1 數(shù)字信號與模擬信號數(shù)字信號與模擬信號n 模擬信號：模擬信號：反映模擬量的信號，其特點是

2、時間上和幅值上均連續(xù)的信反映模擬量的信號，其特點是時間上和幅值上均連續(xù)的信號，在任意時段有無窮多個取值。號，在任意時段有無窮多個取值。n 數(shù)字信號：數(shù)字信號：反映數(shù)字量的信號，其特點是在時間上和數(shù)值上都是斷續(xù)反映數(shù)字量的信號，其特點是在時間上和數(shù)值上都是斷續(xù)變化，取值也是不連續(xù)的，只能取有限個值。變化，取值也是不連續(xù)的，只能取有限個值。 圖圖1-1 正弦電壓信號的波形圖正弦電壓信號的波形圖 圖圖1-2 二值數(shù)字電壓的信號的波形圖二值數(shù)字電壓的信號的波形圖1. 1. 模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號n 模擬量和數(shù)字量模擬量和數(shù)字量31.1 1.1 概述概述兩者比較兩者比較 模擬電路模擬電路

3、數(shù)字電路數(shù)字電路 處理信號處理信號連續(xù)信號連續(xù)信號離散信號離散信號作用作用實現(xiàn)模擬信號的放大、實現(xiàn)模擬信號的放大、變換、產(chǎn)生變換、產(chǎn)生實現(xiàn)輸入輸出的數(shù)字量實現(xiàn)輸入輸出的數(shù)字量之間一定的邏輯關(guān)系之間一定的邏輯關(guān)系主要器件主要器件晶體管晶體管-工作在工作在線性區(qū)線性區(qū)（即放大區(qū)）（即放大區(qū)）晶體管晶體管-工作在工作在非線性區(qū)非線性區(qū)（即截止區(qū)和飽和區(qū)）（即截止區(qū)和飽和區(qū)）構(gòu)成電路構(gòu)成電路放大和正弦振蕩電路放大和正弦振蕩電路開關(guān)電路開關(guān)電路2. 2. 模擬電路與數(shù)字電路模擬電路與數(shù)字電路1.1.1 1.1.1 數(shù)字信號與模擬信號數(shù)字信號與模擬信號41.1 1.1 概述概述1.1.1 1.1.1 數(shù)字

4、信號與模擬信號數(shù)字信號與模擬信號數(shù)字電路的主要特點：數(shù)字電路數(shù)字電路只有只有“與與”、“或或”、“非非”三種三種基本電路，基本電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。數(shù)字電路數(shù)字電路易于實現(xiàn)集成化易于實現(xiàn)集成化，數(shù)字集成電路具有體積小、，數(shù)字集成電路具有體積小、功耗低、可靠性高的特點。功耗低、可靠性高的特點。數(shù)字電路數(shù)字電路只需要用只需要用0 0和和1 1兩種狀態(tài)兩種狀態(tài)來表示信息，便于信息來表示信息，便于信息的存儲、傳輸和處理。的存儲、傳輸和處理。數(shù)字電路能夠?qū)斎氲臄?shù)字信號進行數(shù)字電路能夠?qū)斎氲臄?shù)字信號進行各種算術(shù)運算和邏各種算術(shù)運算和邏輯運算輯運算。能按照人們設(shè)計好的規(guī)則

5、，進行邏輯推理和邏。能按照人們設(shè)計好的規(guī)則，進行邏輯推理和邏輯判斷，得出相應的輸出結(jié)果，即數(shù)字電路具有邏輯思輯判斷，得出相應的輸出結(jié)果，即數(shù)字電路具有邏輯思維功能，它是計算機以及智能控制電路中的基礎(chǔ)。維功能，它是計算機以及智能控制電路中的基礎(chǔ)。51.1 1.1 概述概述1.1.2 1.1.2 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1. 1. 數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng) 數(shù)字字系統(tǒng)數(shù)字字系統(tǒng)是指能對數(shù)字信號進行是指能對數(shù)字信號進行輸入、存儲、加工和傳輸輸入、存儲、加工和傳輸?shù)牡膶嶓w，它是由實現(xiàn)各種功能的數(shù)字邏輯電路相互連接而成，是具實體，它是由實現(xiàn)各種功能的數(shù)字邏輯電路相互連接而成，是具有按一定的時序完成邏

6、輯操作功能的系統(tǒng)。有按一定的時序完成邏輯操作功能的系統(tǒng)。 圖圖1-3 1-3 數(shù)值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型數(shù)值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) n控制電路：控制電路：根據(jù)輸入要求和控制對象的狀態(tài)發(fā)出控制信號給受控電路根據(jù)輸入要求和控制對象的狀態(tài)發(fā)出控制信號給受控電路；n受控電路：受控電路：根據(jù)控制信號產(chǎn)生輸出，同時反饋狀態(tài)信息到控制電路；根據(jù)控制信號產(chǎn)生輸出，同時反饋狀態(tài)信息到控制電路；n兩者都是由組合邏輯邏輯和時序邏輯電路構(gòu)成。兩者都是由組合邏輯邏輯和時序邏輯電路構(gòu)成。 61.1 1.1 概述概述(3) (3) 數(shù)字系統(tǒng)的分析與設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的分析與設(shè)計 n分析：分析：對已知的數(shù)字系統(tǒng)分

7、析其工作原理，確定輸入與輸出信號之間的對已知的數(shù)字系統(tǒng)分析其工作原理，確定輸入與輸出信號之間的關(guān)系、明確系統(tǒng)各個組成部件的邏輯功能及其整個系統(tǒng)的功能。關(guān)系、明確系統(tǒng)各個組成部件的邏輯功能及其整個系統(tǒng)的功能。 n設(shè)計：設(shè)計：針對特定的需求，采用一定的設(shè)計方法和手段，構(gòu)造一個符合設(shè)針對特定的需求，采用一定的設(shè)計方法和手段，構(gòu)造一個符合設(shè)計需要的系統(tǒng)。計需要的系統(tǒng)。n數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計可以分為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計可以分為系統(tǒng)級系統(tǒng)級和和模塊級模塊級。71.1 1.1 概述概述n數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計可以分為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計可以分為系統(tǒng)級系統(tǒng)級和和模塊級模塊級。n系統(tǒng)級設(shè)計系統(tǒng)級設(shè)計是對數(shù)字系統(tǒng)整體功能的描述，又稱為是對

8、數(shù)字系統(tǒng)整體功能的描述，又稱為行為級描述行為級描述，通常不關(guān)心，通常不關(guān)心具體的實現(xiàn)方式。系統(tǒng)級設(shè)計，將整個數(shù)字系統(tǒng)分解為若干個相互關(guān)聯(lián)的功具體的實現(xiàn)方式。系統(tǒng)級設(shè)計，將整個數(shù)字系統(tǒng)分解為若干個相互關(guān)聯(lián)的功能模塊，并描述各模塊的外部屬性。系統(tǒng)級設(shè)計通常采用硬件描述語言（能模塊，并描述各模塊的外部屬性。系統(tǒng)級設(shè)計通常采用硬件描述語言（Hardware Description LanguageHardware Description Language，HDLHDL）實現(xiàn)，以程序設(shè)計的方式描述系統(tǒng)）實現(xiàn)，以程序設(shè)計的方式描述系統(tǒng)各模塊的行為。各模塊的行為。n模塊級設(shè)計模塊級設(shè)計是在系統(tǒng)級設(shè)計基礎(chǔ)上，

9、進一步分解各功能模塊，描述其行為和是在系統(tǒng)級設(shè)計基礎(chǔ)上，進一步分解各功能模塊，描述其行為和功能。模塊級設(shè)計既可以用功能。模塊級設(shè)計既可以用HDLHDL編程實現(xiàn)，也可以用標準邏輯組件實現(xiàn)。編程實現(xiàn)，也可以用標準邏輯組件實現(xiàn)。 module f_adder(ain,bin,cin,sout,cout);/一位全加器頂層設(shè)計描述一位全加器頂層設(shè)計描述 input ain,bin,cin;/定義輸入變量定義輸入變量 output sout,cout;/定義輸出變量定義輸出變量 assign cout,sout=ain+bin+cin;endmodule81.2 1.2 常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換

10、1.2 1.2 常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換常用數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1.2.1 1.2.1 十進制十進制1.2.2 1.2.2 二進制二進制1.2.3 1.2.3 二進制與十進制之間的相互轉(zhuǎn)換二進制與十進制之間的相互轉(zhuǎn)換1.2.4 1.2.4 八進制和十六進制及其與二進制之間的轉(zhuǎn)換八進制和十六進制及其與二進制之間的轉(zhuǎn)換1.2.5 1.2.5 八進制在數(shù)制轉(zhuǎn)換中的橋梁作用八進制在數(shù)制轉(zhuǎn)換中的橋梁作用1.2.6 1.2.6 不同數(shù)制數(shù)據(jù)的后綴表示不同數(shù)制數(shù)據(jù)的后綴表示 nB B表示二進制，例如：表示二進制，例如：11010101B11010101B。nD D表示十進制表示十進制( (默認缺省默認缺省) )，例如：，例

11、如：213D213D或或213213。nO O表示八進制，由于字母表示八進制，由于字母O O與數(shù)字與數(shù)字0 0容易混淆，所以也用容易混淆，所以也用Q Q作為后作為后綴表示八進制數(shù)綴表示八進制數(shù), , 例如：例如：325O325O或或325Q325Q。nH H表示十六進制表示十六進制, , 例如，例如，0D5H，91.3 1.3 帶符號二進制數(shù)的表示方法帶符號二進制數(shù)的表示方法1.3 1.3 帶符號二進制數(shù)的表示方法帶符號二進制數(shù)的表示方法1.3.11.3.1 原碼原碼1.3.21.3.2 反碼反碼1.3.31.3.3 補碼補碼1.3.41.3.4 二進制數(shù)的加、減法運算二進制數(shù)的加、減法運算

12、101.4 1.4 常用編碼常用編碼1.4 1.4 常用編碼常用編碼1.4.11.4.1 二二- -十進制編碼十進制編碼(BCD(BCD碼碼) )1.4.21.4.2 格雷碼格雷碼1.4.31.4.3 ASCII ASCII碼碼 111.4 1.4 常用編碼常用編碼1.4.11.4.1 二二- -十進制編碼十進制編碼(BCD(BCD碼碼) ) 二二- -十進制編碼十進制編碼是用四位二進制代碼表示一位十進制數(shù)的編碼方式是用四位二進制代碼表示一位十進制數(shù)的編碼方式，也稱為，也稱為BCD(Binary Coded Decimal)BCD(Binary Coded Decimal)碼，四位二進制代碼有

13、十六種，取碼，四位二進制代碼有十六種，取哪哪1010種組合表示十進制數(shù)可以有多種方式，常用的種組合表示十進制數(shù)可以有多種方式，常用的BCDBCD編碼方式如下表編碼方式如下表所示。其中包括三種有權(quán)碼和兩種無權(quán)碼。所示。其中包括三種有權(quán)碼和兩種無權(quán)碼。 十進十進制數(shù)制數(shù)有權(quán)碼有權(quán)碼無權(quán)碼無權(quán)碼842154212421余余3碼碼余余3循環(huán)碼循環(huán)碼0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 1 10 0 1 10 0 1 00 0 1 01 10 0 0 10 0 0 10 0 0 10 0 0 10 0 0 10 0 0 10 1 0 00 1

14、0 00 1 1 00 1 1 02 20 0 1 00 0 1 00 0 1 00 0 1 00 0 1 00 0 1 00 1 0 10 1 0 10 1 1 10 1 1 13 30 0 1 10 0 1 10 0 1 10 0 1 10 0 1 10 0 1 10 1 1 00 1 1 00 1 0 10 1 0 14 40 1 0 00 1 0 00 1 0 00 1 0 00 1 0 00 1 0 00 1 1 10 1 1 10 1 0 00 1 0 05 50 1 0 10 1 0 11 0 0 01 0 0 01 0 1 11 0 1 11 0 0 01 0 0 01 1 0

15、 01 1 0 06 60 1 1 00 1 1 01 0 0 11 0 0 11 1 0 01 1 0 01 0 0 11 0 0 11 1 0 11 1 0 17 70 1 1 10 1 1 11 0 1 01 0 1 01 1 0 11 1 0 11 0 1 01 0 1 01 1 1 11 1 1 18 81 0 0 01 0 0 01 0 1 11 0 1 11 1 1 01 1 1 01 0 1 11 0 1 11 1 1 01 1 1 09 91 0 0 11 0 0 11 1 0 01 1 0 01 1 1 11 1 1 11 1 0 01 1 0 01 0 1 01 0 1

16、0121.4 1.4 常用編碼常用編碼1.4.21.4.2 格雷碼格雷碼(Gray Code)(Gray Code)n格雷碼又叫循環(huán)碼，格雷碼又叫循環(huán)碼，具有多種編碼具有多種編碼形式，形式，但都有一個共同特點，任意但都有一個共同特點，任意兩個相鄰的編碼僅有一位不同，而兩個相鄰的編碼僅有一位不同，而且存在一個對稱軸。且存在一個對稱軸。n 相鄰性相鄰性n 循環(huán)性循環(huán)性n對稱軸上邊和下邊的編碼，除最高對稱軸上邊和下邊的編碼，除最高位是互補外，其余各個數(shù)位都是以位是互補外，其余各個數(shù)位都是以對稱軸為中線鏡像對稱軸為中線鏡像對稱對稱的。的。n 反射性反射性十進制數(shù)十進制數(shù)格雷碼格雷碼0 00 0 0 0

17、0 0 0 01 10 0 0 10 0 0 12 20 0 1 10 0 1 13 30 0 1 00 0 1 04 40 1 1 00 1 1 05 50 1 1 10 1 1 16 60 1 0 10 1 0 17 70 1 0 00 1 0 08 81 1 0 01 1 0 09 91 1 0 11 1 0 1A A1 1 1 11 1 1 1B B1 1 1 01 1 1 0C C1 0 1 01 0 1 0D D1 0 1 11 0 1 1E E1 0 0 11 0 0 1F F1 0 0 01 0 0 0131.4 1.4 常用編碼常用編碼1.4.31.4.3 ASCII ASC

18、II碼碼nASCIIASCII碼分為兩類：碼分為兩類：n 一類是一類是字符編碼字符編碼，這類編碼代表的字符可以顯示打??；，這類編碼代表的字符可以顯示打??；n 另一類編碼是另一類編碼是控制字符編碼控制字符編碼，每個都有特定的含義，起一個控制功能，每個都有特定的含義，起一個控制功能，如回車和換行控制字符。如回車和換行控制字符。標準標準ASCII碼字符集碼字符集高位高位低位低位0000010100111001011101110000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111NULSOHSTXETXEOTENQACKBELB

19、SHTLFVTFFCRSOSIDLEDC1DC2DC3DC4NAKSYNETBCANEMSUBESCPSGSRSUSSP！“#$%&()*+-./0123456789:;?ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ_abcdefghijklmnopqrstuvwxyz|DEL141.4 1.4 常用編碼常用編碼1.4.31.4.3 ASCII ASCII碼碼nASCIIASCII碼中的碼中的英文字母有大小寫之分英文字母有大小寫之分n空格空格(20H) (20H) 數(shù)字數(shù)字(0(0 1 1 9 9) ) 大寫字母大寫字母( (A A B B Z Z) ) 小寫字母小寫字母( (

20、a a b b z z ) )常用的常用的ASCIIASCII碼碼n控制字符控制字符( (共共3333個個) )：00H1FH,7FH00H1FH,7FH，其中，其中 00H 00HNULNUL；0DH0DH回車；回車；0AH0AH換行；換行；07H07H響鈴響鈴n可顯示可顯示( (打印打印) )的字符的字符( (共共9595個個) )：20H7EH20H7EH，其中，其中n 20H 20H空格；空格；n 30H30H數(shù)字數(shù)字0 0；n 41H41H大寫字母大寫字母A A；n 61H61H小寫字母小寫字母a a；151.5 Proteus 1.5 Proteus 軟件簡介軟件簡介 1.51.5

21、 Proteus Proteus 軟件簡介軟件簡介 1.5.11.5.1 Proteus Proteus簡介簡介nProteusProteus軟件是由英國軟件是由英國Labcenter ElectronicsLabcenter Electronics公司開發(fā)的公司開發(fā)的EDAEDA工具軟工具軟件，件，19891989年問世。年問世。nProteusProteus軟件的功能非常強大，它集電路設(shè)計、分析、制板及仿真軟件的功能非常強大，它集電路設(shè)計、分析、制板及仿真等多種功能于一身，不僅是模擬電路、數(shù)字電路、模等多種功能于一身，不僅是模擬電路、數(shù)字電路、模/ /數(shù)混合電路數(shù)混合電路的設(shè)計與仿真平臺，

22、更是目前世界上最先進、最完整的多種微控制的設(shè)計與仿真平臺，更是目前世界上最先進、最完整的多種微控制器系統(tǒng)的設(shè)計與仿真平臺。器系統(tǒng)的設(shè)計與仿真平臺。n它真正實現(xiàn)了在計算機上完成從原理圖設(shè)計、電路分析與仿真、單它真正實現(xiàn)了在計算機上完成從原理圖設(shè)計、電路分析與仿真、單片機代碼設(shè)計、調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成片機代碼設(shè)計、調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成PCB(Printed Circuit BoardPCB(Printed Circuit Board，印制電路板，印制電路板) )的完整的電子設(shè)計、研發(fā)的完整的電子設(shè)計、研發(fā)過程。經(jīng)過了過程。經(jīng)過了2020年多的使用、發(fā)展和完善，功能越

23、來越強，性能越年多的使用、發(fā)展和完善，功能越來越強，性能越來越好。來越好。161.5 Proteus 1.5 Proteus 軟件簡介軟件簡介 1.5.11.5.1 Proteus Proteus簡介簡介nProteusProteus軟件主要包括：軟件主要包括：n ISIS(Intelligent Schematic Input SystemISIS(Intelligent Schematic Input System，智能原理圖輸入系統(tǒng)，智能原理圖輸入系統(tǒng)) )；n ARES (Advanced Routing and Editing SoftwareARES (Advanced Routing and Editing Software，高級，高級PCBPCB布線編輯軟件布線編輯軟件) )n本課程主要應用智能原理圖輸入系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)字電路的設(shè)計、分析本課程主要應用智能原理圖輸入系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)字電路的設(shè)計、分析與仿真，為今后學習計算機組成原理及單片機技術(shù)等課程打下良好與仿真，為今后學習計算機組成原理及單片機技術(shù)等課程打下良好的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。17本章小結(jié)本章小結(jié)本章小結(jié)本章小結(jié)n 數(shù)字電路的工作信號是一種離散信號，稱為數(shù)字信號。它在時間上和數(shù)值上都數(shù)字電路的工作信號是一種