大学精品课件：数字逻辑 Digital Logic.ppt

1、数字逻辑数字逻辑 Digital Logic 数字逻辑数字逻辑 本课程是计算机基础理论的重要组成部分， 为后续课程计算机原理、计算机体系结 构、数字系统设计、嵌入式系统等提供必要 的逻辑设计基础知识。 本课程的任务是教给学生有关数字电路逻辑 设计的基本理论和方法，同时使学生对数字 计算机基本硬件有原理性的了解。 计算机硬件课程层次 数字电子技术数字电子技术 电子元件：晶体管电子元件：晶体管、 二极管二极管、电阻电阻、电容电容 逻辑功能单元：与门逻辑功能单元：与门、 或门或门、非门非门 逻辑功能单元：加法逻辑功能单元：加法 器器、计数器计数器、乘法器乘法器 更复杂的逻辑功能单更复杂的逻辑功能单

2、元：微处理器元：微处理器 复杂系统：由二到四复杂系统：由二到四 级功能部件组成级功能部件组成 第一级第一级 元件级元件级 第二级第二级 小规模集成电小规模集成电 路路（0 0- -9 9个门个门）SSISSI 第三级第三级 中规模集成电中规模集成电 路路（1010- -9999个门个门）MSIMSI、 大规模集成电路大规模集成电路（100100 个门以上个门以上）LSILSI 第四级第四级 超大规模超大规模 集成电路集成电路（10001000个个 门以上门以上）VLSIVLSI 第五级第五级 数字逻辑数字逻辑 体系结构体系结构 计算机原理计算机原理 数字逻辑计算机硬件基础 电脑的微观-数字逻辑

3、 电脑的宏观-电脑软件：游戏、电影、文档 数字逻辑是构成计算机硬件的最底层的东西。 类比：如何制造一个人工大脑 大脑被称为宇宙最复杂的东西。 逆向制造一个已经被证明的设计：大脑。 有多难？ 复制是容易的吗？未了的传奇未了的传奇- -波音波音747747 的故事的故事(美美)乔乔 萨特萨特） 未了的传奇未了的传奇- -波音波音747747的故事的故事 (美美)乔乔 萨特萨特： 波音747总设计师 “1980年，我到中国专门参观了仿波音707（波音707： 1954年首飞）设计生产的运10飞机。我们在上海机场里看到 的是一架亚洲版的克隆，在这架了不起的飞机上，从铝制 蒙皮、线缆到挡风玻璃等几乎每一

4、个零件都是中国造的， 期望能跃进式地建立本土的商用飞机工业。 “后来，我们登上了飞机并进入驾驶舱参观，驾驶舱里的 布局和707飞机简直如出一辙。试着操作了一下驾驶杆后， 我发现自己要用两只手才能扳动那个驾驶杆，所用的力气 比正常情况要高出许多倍。我跟他们解释说，飞机操纵系 统的摩擦太大。作为参考，我建议他们对比一下中方现有 的707飞机的操纵感。” 运运10后来下马：当时中国不具备研制和生产飞机的条件。后来下马：当时中国不具备研制和生产飞机的条件。 Human Brain Project https:/www.humanbrainproject.eu/ Understanding the hu

5、man brain is one of the greatest challenges facing 21st century science. If we can rise to the challenge, we can gain profound insights into what makes us human, develop new treatments for brain disease and build revolutionary new computing technologies. Today, for the first time, modern ICT has bro

6、ught these goals within sight. 大脑(电脑)的微观和宏观 大脑的微观：神经元、轴突、树突。 大脑的宏观：思维意识是如何在“神经元、轴突、树突” 上产生的？ 类比：电脑软件是如何在集成电路的逻辑门上运行的？ 思维的产生：一定有某个简单但是难以觉 察的东西 电脑从微观到宏观的核心问题：逻辑代数。 大脑的运行是不是有一个类似的“逻辑代 数”？ 逆向制造计算机 对计算机一无所知的情况下，如何去逆 向设计它（“黑匣子”的方法）？ To reverse engineer a computer without knowing anything about it(the “bla

7、ck box“ approach). 参考奇点临近中文版93页 http:/202.120.96.42:8081/webpac/showbook.aspx?id=622215外围整 齐的部分是内存，构建这部分时我们发现人手不够， 好在这部分每个单元的动作最简单，就训练每个士 兵拿多种颜色的旗帜，组合起来后，一个人就能同 时完成最初二十个人的操作，这就使内存容量达到 了运行秦1.0操作系统的最低要求. 数字逻辑课学什么？ 布尔代数（逻辑代数）：与、或、非 组合逻辑：多个逻辑变量的组合 集成组合逻辑电路：加法器、编码器、译码 器 触发器、时序电路：计数器、寄存器 可编程器件 设计 布尔代数在计算机

8、中的奠基作用 布尔代数（逻辑代数）的基本定义： 非: 1和0是两种对立的逻辑 与：1 1=1, 1 0=0 或： 1 + 1=1, 1 + 0=1, 0 + 0=0 布尔代数的一切都建立在与、或、非三种关 系上。 计算机硬件都可以用与、或、非逻辑来描述 没有布尔代数就没有计算机。 “莱布尼茨在他的二进制算术中看到了宇宙的原象。 他想象1表示上帝，0表示虚无。上帝从虚无中创造出 所有实物，恰如在他的数学系统中用1和0表示了所有 的数。” 什么是数学 http:/202.120.96.42:8081/webpac/showbook.aspx?id=630039&addr=%D0%EC%BB%E3%

9、B7%EE%CF%CD 老子：“道生一，一生二，二生三，三生万物 （011011）” （杨叔子院士谈老子，有点搞怪 的科学哲学： ） 01 数字逻辑与计算机的“创世纪” 圣经.旧约Genisis: “In the beginning when God created the heavens and the earth.“ 布尔代数：把逻辑简化成可以运算的、极为 容易和简单的一种代数。 布尔代数的0和1正好对应了二进制数，可以 用开关来实现逻辑运算。 布尔代数是计算机的数学基础。 科学和数学的关系：数学是科学的语言。计算机专业要 学习很多计算数学：布尔代数、离散数学、数值计算、 计算理论 数字逻

10、辑和计算机硬件的关系 计算机的五大部分都是数字逻辑电路 运算器加法器 控制器时序逻辑电路 存储器时序逻辑电路 输入设备时序逻辑电路 输出设备时序逻辑电路 例1 一位加法器 A+B S：和 C：进位 S = AB + AB C=AB 由与、或、非组成 扩展：多位加法器？ 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 Ci Si Bi Ai 输输 出出 输输 入入 与：与：1 1 1=1,11=1,1 0=00=0 或：或：1 1+1=1,11=1,1+0=1,00=1,0+0=00=0 例2 计数器 用与、或、非逻辑门可以实现计数的功能。 Q0 D0 Q1 D1 Q2 D2 Q

11、0 Q1 Q2 CP 计数脉计数脉 冲冲 计算机发展历史上的重要事件 计算机的电子管时代： 1946年：美国宾西法尼亚大学研制成功了 ENIAC计算机。这台计算机总共安装了 17468只电子管，7200个二极管，70000多 电阻器，10000多只电容器和6000只继电器， 电路的焊接点多达50万个，机器运算速度达 到每秒钟5000次加法，可以在3/1000秒时 间内做完两个10位数乘法。 计算机发展历史上的重要事件 计算机的晶体管时代、集成电路时代、微 处理器时代 超级计算机： http:/www.top500.org/list/2015/06/ 中国的Tianhe-2，占据世界第一已经快3

12、年了。 （2010年排名第一的Tianhe-1，现在第24） 可以看 看超级计算机的参数指标。 特别有趣的是，1969年美国登月，飞船上用的是什 么计算机？ 参考阿波罗导航计算机-架构与操作 排名http:/www.top500.org/statistics/list/ 中国：http:/www.top500.org/statistics/details/country/CN 中国前几年 一直排名第二， 2015年突然 变少了。 推荐看书推荐看书( (计算机专业计算机专业) ) 计算机科学家的故事，计算机的历史：计算机科学家的故事，计算机的历史： ACMACM图灵奖图灵奖 IEEEIEEE计算机先驱奖计算机先驱奖 科学方法：科学方法： 爱因斯坦文集爱因斯坦文集第一卷第一卷 魔鬼出没的世界魔鬼出没的世界(美美)卡尔卡尔 萨根萨根(Carl Sagan) 工程师的故事：工程师的故事： 未了的传奇未了的传奇- -波音波音747747的故事的故事(美美)乔乔 萨特萨特 励志类：励志类： 做最好的自己做最好的自己李开复李开复 每个周四交作业。第一次交作业：下周四。每个周四交作业。第一次交作业：下周四。 上课时带作业本，做课堂作业，有点名的功上课时带作业本，做课堂作业，有点名的功 能。能。 建议阅读本ppt举例的书。 PPT在这里：在这里： ecust_logic 密码ecustlogic