计算机组成原理与系统结构 第2章

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二、逻辑门
❖ 逻辑常量：逻辑常量只有两个，即0和1，用来表示两 个对立的逻辑状态。
❖ 逻辑变量：逻辑变量一般用字母、数字及其组合来表 示，其取值只有两个，即0和1。 ▪ 在“正逻辑”的数字电路设计中，用低电平信号 （如0.5V）表示逻辑0；用高电平信号（如3V）表 示逻辑1。
❖ 逻辑运算：对于逻辑常量和变量的操作，有与、或、 非三种基本逻辑运算。
❖ 逻辑门（logic gates） ：对逻辑常量和变量完成基 本的逻辑运算的电路。
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二、逻辑门
❖ 逻辑函数：用于表达逻辑变量之间关系的代数式，使 用与、或、非3种基本逻辑运算，可以构造出任何逻 辑函数 。
❖ 逻辑代数：逻辑代数是研究逻辑函数运算和化简的一 种数学系统，也是用来描述、分析、简化数字电路的 数学工具。
❖ 在设计逻辑电路时，每个逻辑表达式是和一个逻辑电 路相对应，因此必须将逻辑表达式进行化简，以减少 实现它的电路所用元器件。
❖ 逻辑函数化简有两种方法：代数化简法和卡诺图化简 法。
❖ 代数化简法:直接利用逻辑代数的基本公式和规则进行 化简，要求熟练地掌握逻辑函数的公式，并经过多次 训练才能进行快速化简。
❖ 逻辑门电路符号： A
F
B
❖ 真值表： ❖ 运算规则：
A
B
F
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
有0就出1
21
或非门（NOR） ❖ 逻辑表达式： F＝A＋B
❖ 逻辑门电路符号：
A
F
B
❖ 真值表： ❖ 运算规则：
有1就出0
A
B
F
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
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异或门（XOR）
❖ 逻辑表达式：
❖ 逻辑门电路符号：
C
RB IB
Ic VCE=VO
C
VCE=Vcc
C
RB
RB
≈0.3V
Vi
BE
VBE
IE
Vi
B IB＝0
截止
E
Vi
“关态”
B
IB>IBS
IE
饱和
E
“开态”
(a)NPN硅三极管共发射极电路 (b)截止状态等效电路
图2－2 三极管开关等效电路
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(c)饱和状态等效电路
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三、MOS管的开关特性
VCC RD
Vi＝VGS
A
F
0
1
1
0
取反
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二、逻辑门 ❖3、4 其、他逻辑逻门辑的运表算示方式
❖ 除了3种基本的逻辑门电路外，还有4种常用的逻辑门， 它们均可以由与或非门组合而成。
❖ 与非门（NAND） ❖ 或非门（NOR） ❖ 异或门（XOR） ❖ 同或门（XNOR）
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与非门（NAND）
❖ 逻辑表达式： F＝AB＝A·B
T2
T1
A
VDD
T3 B
T4 F
T2 T1
图2－7 CMOS非门
图2－8 CMOS与非门
图2－9 CMOS或非门
11
二、逻辑门
❖ 3 、其他类型的TTL门电路
▪ （1）集电极开路与非门（OC门） ▪ 其输入输出逻辑关系为
Vcc
A
0
&
F
0
B
0
(a) OC门符号
A
0
&
F 0
1
B
0
FA B
C
0
&
F 0
2
G
D VO=VDS
S
Vi
VCC RD
D
VDS≈VDD
G
截止
S
Vi
“关”态
VCC Rc
D VDS=VDD·rDS/
G
（RD+rDS)
饱和
rDS “开”态
S
(a) MOS管电路
(b)截止状态等效电路
图2－3 MOS管开关等效电路
(c) 饱和状态等效电路
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2.2 基本逻辑运算和基本门电路
一 逻辑变量和逻辑表达式 二 逻辑门 三 逻辑代数的基本定律 四 逻辑函数的化简
数据总线 图2－13 三态门与数据总线连接
13
二、逻辑门
❖ 4 、逻辑门的表示方式
14
二、逻辑门
❖ 4 、逻辑门的表示方式
15
二、逻辑门
❖ 4 、逻辑门的表示方式
所有逻辑运算都是按位操作的 或运算（OR）
与运算（AND） 基本的 逻辑运算
非运算（NOT）
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与运算（AND）
❖ 逻辑表达式： F＝AB＝A·B ❖ 逻辑门电路符号：
❖ 在数字电路中，表示逻辑变量之间的逻辑关系的方法 一般有3种：逻辑代数式、真值表、电路图。
❖ 真值表：将所有输入变量的所有可能的取值组合，及 其在此情况下输出变量应有的取值罗列出来，所形成 的一张表。它最全面、最直观地表达了逻辑关系。
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二、逻辑门
❖ 1 、双极型逻辑门
+5V D1
0V A
VCC
3.9kΩ L
F＝A⊕B＝AB＋AB
A
F
B
❖ 真值表： ❖ 运算规则：
相异得1
A
B
F
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
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同或门（XNOR）
❖ 逻辑表达式：
❖ 逻辑门电路符号：
F＝A⊙B＝AB＋A B
A
F
B
❖ 真值表： ❖ 运算规则：
相同得1
A
B
F
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
24
三、逻辑代数的基本定律
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四、逻辑函数的化简
A
F
B
❖ 真值表： ❖ 运算规则：
有0就出0
A
B
F
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
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或运算（OR）
❖ 逻辑表达式： F＝A＋B ❖ 逻辑门电路符号：
❖ 真值表： ❖ 运算规则：
有1就出1
A
F
B
A
B
F
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
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非运算（NOT）
❖ 逻辑表达式： F＝A
❖ 逻辑门电路符号：
A
F
❖ 真值表： ❖ 运算规则：
v
v
v
0 Vr Vr’
0 Vr’
0
A D Vr’ RF B A D Vr’ B
+
-+
-
AD
B
+
-
A K Vr’ RF B A K Vr’ B
+
-+
-
(a)近似等效
(b)简化等效
AK
B
+
-
(c)进一步简化等效
图2－1 二极管开关特性和等效电路
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二、三极管的开关特性
Vcc
Vcc
Vcc
Rc
Rc
Ic
Rc VCE=VCES
A
+5V
B 0V
D1
D2 3.9kΩ
B D2
GND
图2－4 二极管“与”门电路
图2－5 二极管“或”门电路
L
5V
A
0.3V
VCC
RC RB
10kΩ
1kΩ L
T
图2－6 三极管“非”门电路
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二、逻辑门
❖ 2 、单极型逻辑门
VDD
G2
S2
B2
Vi
T2 D2 Vo
T3
D1
G1
B1 S1
B
T1
A
VDD
T4 F
第2章 计算机硬件基础
2.1 半导体器件的开关特性 2.2 基本逻辑运算和基本门电路 2.3 组合逻辑电路实例 2.4 时序逻辑电路 2.5 计算机芯片的制造过程
本章小结
2
2.1 半导体器件的开关特性
一 二极管的开关特性 二 三极管的开关特性 三 MOS管的开关特性
3
一、二极管的开关特性
i
i
i
C D
D
0
(b) 线与逻辑电路
图2-10 OC门实现的线与逻辑
0
&
0
0
&
0
F 0 1
0
&
0
0
F2
(c) 等效电路
F
0
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二、逻辑门
❖ 3 、其他类型的TTL门电路
▪ （2）三态门
D0 … Dn ENB1 D0 … Dn ENB2
ENB ENB ENB ENB
ENB
ENB
…
…
…
…
图2－11 三态反相器 图2－12 三态缓冲器