清华数电复习

1、第一章：布尔代数1、 URISC：超级精简指令计算机包括控制单元，数据通路和存储器，还有一个时钟信号数据通路：程序计数器，寄存器，ALU，地址寄存器，数据寄存器。控制单元：产生控制信号2、 摩尔定律：集成电路的集成度每三年翻两番，工作效率提高约30%。但集成电路的集成度和工作效率不能无限提高，因为要考虑集成电路的功耗问题。功耗问题制约着集成电路的发展。考虑到功耗问题，增大集成度就要降低频率，提高频率就要降低集成度。3、 机器码：原码、反码和补码正数的原码是本身，负数的原码是绝对值+2(n-1)正数的反码等于原码，负数的反码是原码的符号位不变，数值位按位取反正数的补码是本身，负数的补码是取反加一；表示范围比原码和反码多1,0只有一种注意：1. 采用补码表示，可以用加法器来实现减法运算：a) 先对减数进行求补运算（取反加1）b) 将求补后的减数与被减数相加c) 相加的结果即为用补码表示的两数相减结果2. 有符号数用补码表示，那么无符号数和有符号数的加减运算可以用同一电路完成，无符号数无进位，有符号数无溢出4、 二进制编码：a) BCD码（有权码）：09都用对应的二进制数表示b) 余三码（无

2、权码）：十进制数加三后表示为二进制数，可以产生正确的进位，但结果需要修正，若有进位，加3；无进位，减3c) 格雷码：可靠编码，相邻的两个二进制数只有一位不同d) ASCII码（美国标准信息交换代码）：用七位二进制码对字符进行编码；09:0110000-0111001；A-Z:41H:1000001；a-z:61H:11000015、 多媒体信息的编码：采样、量化、编码6、 与或非门7、 布尔代数：用逻辑门实现，通过定律可以化简函数或取消冒险8、 组合逻辑的设计：a) 逻辑抽象b) 真值表c) 卡诺图化简（化简结果不唯一）d) 逻辑函数e) 逻辑图9、 最小项：在n变量逻辑函数中，含有所有n个变量的与项，每个变量均以原变量或反变量的形式出现且仅出现一次；最大项：在n变量逻辑函数中，含有所有n个变量的或项，每个变量均以原变量或反变量的形式出现且仅出现一次。组合逻辑函数的标准形式：最小项的或或者是最大项的与第三章：组合逻辑电路1、 组合逻辑：输出是输入的逻辑函数，当前输出仅与当前输入有关，无记忆电路基础器件：晶体管电路结构：逻辑门2、 组合逻辑部件：1 比较器a) 抽象出输入、输出变量b)

3、做出真值表c) 卡诺图化简d) 写出逻辑函数e) 做出逻辑图2 编码器：用m位二进制编码为n=2m个信号进行编码a) 普通编码器b) 优先编码器：多个信号可以同时输入3 译码器：n个输入，2n个输出处理器中利用译码器寻址4 数据选择器：2n个数据输入，n个选择输入，一个输出，多路开关快速查找表5 加法器：计算机中加、减、乘、除，均可转换为加法运算。a) 半加器：不考虑进位b) 全加器：考虑进位c) 串行加法器：进位是串行进行，必须在低位运算完后才能求高位d) 并行加法器：进位通过单独的电路实现，成本高3、 大规模集成电路大多采用CMOS，静态功耗低a) CMOS反相器：PMOS接高电平，NMOS接低电平 b) CMOS与非门：两个NMOS串联接地，PMOS并联 c) CMOS或非门：两个NMOS并联，PMOS串联 NMOS串联时，PMOS必须并联，反之亦然；NMOS和PMOS必须一个导通，一个截止d) CMOS与门/或门：与非门/或非门+非门：晶体管更多，面积更大，速度更慢e) 传输门：PMOS和NMOS并联 传输门实现三态门：0、1、高阻态典型应用：设备和总线使用三态门连接f) CM

4、OS漏极开路输出：无PMOSl 工作时必须外接电源和上拉电阻，带负载能力强l 输出端可直接相连，实现线与功能4、 组合逻辑中的冒险：由于不同路径的延时不同造成1) 静态冒险：一个本应保持不变的输出经历瞬时转换静态1冒险：取值为1的输出瞬时经历0状态静态0冒险：取值为0的输出瞬时经历1状态消除静态冒险的前提：输出的毛刺是单端输入取值变换的结果冒险消除:a)加入冗余项b）加入采样脉冲2) 动态冒险：本应发生从0-1或者1-0的单次跳变的输出信号发生不只一次跳变5、 组合逻辑的非理想因素1） 稳态因素：逻辑电平，噪声容限，扇出系数a) 逻辑电平b) 噪声容限：两级电路之间输出电压与输入电压的差值VNHc) 扇出系数：最坏情况下，一个逻辑门所能驱动的输入端数目2） 动态因素：速度/延时，功耗，噪声a) 速度：逻辑门的输出从一个状态转换为另一个状态需要的时间延时：从逻辑门的输入发生变化到输出发生变化所用的时间（延时导致冒险）b) 功耗：单位时间内消耗的能量1静态功耗：CMOS在输入稳定的情况下，总有一个管子截止，因而理想情况下静态功耗为0；但由于漏电流的存在，实际静态功耗不为02 动态功耗：CM

5、OS电路工作时会产生动态功耗，由开关电流和短路电流引起。开关电流：输入为“0”时，PMOS导通，电源通过PMOS向负载电容充电；输入为”1”时，负载电容向NMOS放电。开关电流就是对负载电容不断地充放电形成的。低功耗技术：降低工作电压和工作频率功耗时延积：低功耗，延长电路寿命；时延小工作速度快第五章：时序逻辑电路1、时序逻辑电路：电路的输出不仅与当前的输入有关，还与电路原来的状态有关；关键部件：具有存储功能的记忆元件电路的状态与时间顺序有关2、时钟：分布于包含记忆元件的电路中的一个周期信号（同步/异步）时钟信号：用来同步控制所有的时序单元（锁存器/触发器）时钟信号的产生：利用反相器形成环形振荡器产生一组具有不同相位的时钟信号：3、亚稳态：两个时钟域不同步，CLKB对在DA变化时最DA采样，采样值可能为0也可能为1，非确定值4、双稳态单元基本时序单元5、状态机：给定一个输入集合，根据对输入的接收顺序确定一个输出集合有限状态机：输入和输出集合都是有限的，而且状态的数目是有限的。有限状态机模型：状态集合，状态转移集合，关联于状态的操作集合，关联于转移的操作集合，同时关联于状态和转移的操作集合

6、。6、 有限状态机的分类：a) Mealy机（米利机）：输出依赖于当前的网络状态和当前输入b) Moore机（摩尔机）：输出只依赖于当前的网络状态，与输入无关7、 基本时序电路：1） 锁存器：在任意时刻连续监测输入，并改变输出状态，与时钟信号无关（时钟信号可以有也可以没有，有的话只是用作使能端）有透明性a) RS锁存器： b) D锁存器：可以有时钟信号作为使能端，在时钟信号有效期间，时刻监测输入取值c) 锁存器的时间参数：最小脉宽：为了得到输出结果需要的输入信号有效的最短时间延时：输入信号发生变化后，输出信号发生变化需要的时间建立时间：锁存操作开始之前，输入信号保持不变的时间保持时间：锁存操作开始以后，输入信号保持不变的时间d) 应用：输入缓冲电路防止各个输入信号到达时间不一致导致的竞争与冒险2） 触发器：仅在时钟有效时采样输入，并改变输出状态基本结构：双稳态单元可以避免透明性，每个时钟信号只改变一次a) 主从触发器：脉宽触发b) 边沿触发器：利用时钟的上升沿或者下降沿触发第六章：时序逻辑电路的设计1、摩尔型时序电路输出与时钟同步，输出与状态同步，状态多米利型时序电路输出与时钟异步，只

7、要输入发生变化，输出就发生相应变化；可能出现毛刺；状态少2、同步时序电路的设计方法：1）确定输入和输出，抽象出一个有限状态机2）状态化简3）状态分配4）确定激励方程和输出方程5）根据激励方程和输出方程，画出两级或多级电路图3、同步时序电路：串行加法器：记录进位第九章 时序逻辑电路1、寄存器：触发器构成a)存储寄存器：仅存储并行输入，并行输出b) 移位寄存器：移位+存储串入串出，串入并出，并入串出，并入并出四种串入简单，并入分为移位模式和加载模式2、计数器a）加法/减法计数器b）特殊进制计数器c)环形/扭环计数器环形计数器：将移位寄存器的串行输出接到串行输入，不能自启动 只有n个有用状态，2n-n个状态被浪费1） 可以增加组合逻辑电路使得电路能够自启动2） 利用触发器的预置位和复位功能重新加载计数器扭环计数器：将移位寄存器的输出的反接回串行输入端，可以自启动N个触发器，有2N个不同状态，比环形计数器的模多一倍，但触发器的利用率仍不够d)异步/同步计数器异步计数器：自启动：在无外界干预的情况下，经过若干状态转换能够进入正常计数状态微机原理1、 CPU执行时间=指令数*每条指令的平均执行周期

8、数*时钟周期2、 提高执行速度：1）快速电路技术2）流水线结构3、 MIPS:RISC：32个通用寄存器（32位）$0始终返回0；$31被子程序调用指令（跳转与链接指令）用于保存返回地址230个存储字，字地址必须是4的倍数4、 为什么只32个通用寄存器？电信号传输距离越远，传输时间越长，寄存器太多会延长时钟周期5、 内存访问：load和store指令6、 算术运算指令：add $t0,$t1,$t2sub $t0,$t1,$t2addi $t0,$t1,5#立即数加法，无立即数减法7、 逻辑运算指令：and，or，nor（或非），xor（异或）如何实现或运算？将$t0与1异或8、 移位运算：1） 移位量为立即数sll $t0,$t1,4srl $t0,$t1,4sra $t0,$t1,43) 移位量在寄存器中sllv $t0,$t1,$t2srlv $t0,$t1,$t2srav $t0,$t1,$t29、 比较指令：1）比较两个寄存器slt $t0,$t1,$t2#if($t1$t2)$t0=1sltu $t0,$t1,$t2 #无符号数比较2） 寄存器与立即数slti $t0,$t1,$t2#if($t1$t2)$t0=1sltui $t0,$t1,$t2 #无符号数比较1、 MIPS的操作数只能是寄存器或者立即数，若为内存中的数据，需要先用LOAD指令取出2、 数据传送指令Load指令：lw $t0,32($t1) #只能用基址（变址）加偏移量内存寻址方式lh(半字),lb(一个字节)，装入最低位，剩余位用符号位填充（符号扩展）lhu,lbu，无符号数，最高位补0（0扩展）store指令：sw $t0,32($t1),sh,sb,shu,sbu3、 将寄存器数据和内存数据交换：用栈来保护$sp指针，栈从高到低增长，堆从低到高增长。1）入栈addi $sp,$sp,-12sw $s1,8($sp)sw $s2,4($sp)sw $s3,0($sp)3） 出栈lw $s1,8($sp)lw $s2,4($sp)lw $s3,0($sp)addi $sp,$sp,124、 装入高位立即数lui $t1,30将32位立即数0x1234abcd装入t1寄存器lui $t1,0x1234ori $t1,abcd

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