数字逻辑电路 什么是救字逻辑电路? 卫星与无线通信研究室 罗武 理科2号楼2341N室(010-62752848) luow@ele.pku.edu.cn 笃记本电脑 U盘、存储卡 码产品 数字万用表 逻辑分析仪 PDA 数码相机DC 数字示波器 教字电路与棋拟电路 ◆同一物理量可以用模拟信号表示,也可以用 数字信号表示 ◆模拟信号:在时间和数值上均连续取值 为什么要用教字电路? ◆模拟电路:对模拟信号进行处理/运算的电路 ◆数字电路:对数字信号进行存储、传递、运算 和变换等处理的电路
1 数字逻辑电路 卫星与无线通信研究室 罗 武 理科2号楼2341N室(010-62752848) luow@ele.pku.edu.cn 什么是数字逻辑电路？ 数 码 产 品 笔记本电脑 PDA 数码相机DC U盘、存储卡 数 字 仪 表 数字万用表 数字示波器 逻辑分析仪 数字电路与模拟电路 同一物理量可以用模拟信号表示，也可以用 数字信号表示 模拟信号: 在时间和数值上均连续取值 模拟电路: 对模拟信号进行处理/运算的电路 数字电路: 对数字信号进行存储、传递、运算 和变换等处理的电路 为什么要用数字电路？
教字产品的优势 ◆成本优势 设计成本 性能优势 电 ◆功能优势 个人电话 大哥大 信号与系统 教字化 数字信号处理 ◆"物质世界的基本粒子是—原子,信息时代 电路分析 模电实验 的基本粒子 比特 数电实验 ◆“比特,作为信息的DNA正迅速取代原子而成 为人类社会的基本要素 模拟电路 单片机实验 电子系统与设计 ◆数字化将改变生活方式,改变人的“基因 数字电路 PLD设计1 傲入式系统 教宇设计者应具各的能力 教学大纲 ◆设计方法 ●逻辑思维 ◆组合逻辑 ●程序化设计方法 ◆时序逻辑 ◆调试能力 ◆PLD与VHDL入门 ●作一名故障排除高手,否则不是一个好的设计者 ◆沟通能力 曝附虫排 ●成功设计交给其他工程师、部门或客户 ●通信包括发送和接收两部分,因此要学会成为 ◆教学大纲2009doc ◆48(课堂)+8(习题课)+4(考试)
2 数字产品的优势 成本优势 z生产成本 z设计成本 性能优势 功能优势 数 字 电 话 个人电话 大哥大 数字化 "物质世界的基本粒子是——原子，信息时代 的基本粒子是——比特" “比特，作为信息的DNA正迅速取代原子而成 为人类社会的基本要素” “数字化将决定我们生存” 数字化将改变生活方式，改变人的“基因” 微电子与电路基础 电路分析 模拟电路 数字电路 电 路 基 础 模电实验 PLD设计 DSP实验 信号与系统 数字信号处理 数电实验 微机原理 单片机实验 嵌入式系统 电子系统与设计 数字设计者应具备的能力 设计方法 z逻辑思维 z程序化设计方法 调试能力 z作一名故障排除高手，否则不是一个好的设计者 沟通能力 z成功设计交给其他工程师、部门或客户 z通信包括发送和接收两部分，因此要学会成为一 名好的听众 教学大纲 组合逻辑 时序逻辑 PLD与VHDL入门 课时安排 教学大纲2009.doc 48(课堂)+8(习题课)+4(考试)
教材 ⊙北木数孿回 DISI\ O Digital Design: Principles Practices 3 Brd Edition, J F Wakerly,高等教育 教学内寄 即≈, Http/icOurSe.pku.edu.cn 数字设计 中译本,数字设计:原理与实践(第三 机械工业出版社,2003 教材 推荐参考书 ◆《数字逻辑电路》 卢毅等,VHDL与数字电路设计,科学出版社,2001 王楚,沈伯弘,高等教育出版社数宇逻辑电路 e Contemporary Logic Design, R H.Katz& G Borriello, 2nd o Logic Computer Design Fundamentals, M. Mano, Prentice ◆多读不同类型参考书 工科与理科教材风格上的差异 ·新技术、新工艺、新设计手段日新月异 成绩评定 第一章 ◆平时 概述:数制与编码 ●习题和讨论 ●数字电路分类 ◆笔试 ●期中 30% ●正数的二进制表示 ●期末 ●有符号数的二进制表示 ◆第一章内容参见 ●教材的 Chapter2 ●检错码与纠错码 字符编码
3 网页 Http://Course.pku.edu.cn 14 Digital Design: Principles & Practices(英文原版) 3rd Edition，J.F.Wakerly，高等教育出版社2001 教 材 中译本，数字设计: 原理与实践(第三版或第四版) 机械工业出版社，2003 15 《数字逻辑电路》 王楚，沈伯弘，高等教育出版社，1999 教 材 多读不同类型参考书 z工科与理科教材风格上的差异 z新技术、新工艺、新设计手段日新月异 推荐参考书 刘宝琴，数字电路与系统(第2版)，清华大学出版社，2007 卢毅等，VHDL与数字电路设计，科学出版社，2001 Contemporary Logic Design, R.H.Katz & G.Borriello, 2nd Edition, Prentice Hall Logic & Computer Design Fundamentals, M.Mano, Prentice Hall, 2nd Edition 18 成绩评定 平时 z习题和讨论 20％ 笔试 z期中 30％ z期末* 50％ 第一章内容参见 z教材的Chapter 2 第一章 概述：数制与编码 z 数字电路分类 z 有符号数的二进制表示 z 正数的二进制表示 z 二进制编码 z 字符编码 z 检错码与纠错码
11字电路分真 救字电路分真 按功能分类 按电路规模分类 ◆组合逻辑电路 ◆Ssl、Msl ●无记忆系统 ●逻辑门、做发、译码器、选择、比较备 ●任意时刻,输入确定输出 计数最、移位寄存最 ●输出与电路本身状态无关 ◆ LSI VLSI ●ROM、RAM、McU、简单PLD、cPLD ◆时序逻辑电路 ◆ULSl、GLsl ●有记忆系统 ●cPU、DSP、FPGA ●输出与输入有关,与电路状态有关 救字电路分真 发長她 按设计方法分类 ◆发展趋势 ◆通用定制产品 ●设计规模更大 ●市售SS、MS、LS产品 ●设计周期更短 ◆可编程逻辑器件PLD ●单片成本更低 ●PROM、 EPROM、PAL、GAL、FPGA、cPLD ◆应对措施 ●灵活方便、软件设计、适合试验验证和小批量 ●计算机辅助设计手段(EDA) ◆专用集成电路Asc 文本化设计描述 ●针对用户技术要求,由醫件厂商专门进行设计制作的 专用芯片, Nonrecurring Engineering费用高,适 层次化系统设计 合大批量生产 ●设计复用,|P, SOC/SOPC 教宇涅辑电路 12正教的二进创表示(换位计救恻) 与“数字”关系密切 ◆任一个正数D均能表示为正整数R的幂级数形式 不仅可以表示数码,还可表示逻辑数 a·R+a1R+…aRm 数字系统有算术运算和逻辑运算 符号a为第位的系数 ●R称为符号a的“权"( Weight 用逻辑设计方法构造算术运算电路是可能的 R称为模或基数(Base/ Radix),旗R进1 ●这是第一类问题:逻辑设计 0.1,2, 称“基本微符 D=( 例:(4563)0=7+103+4102+5*101+6+109+3*101
4 1.1 数字电路分类 按功能分类 组合逻辑电路 z无记忆系统 z任意时刻，输入确定输出 z输出与电路本身状态无关 时序逻辑电路 z有记忆系统 z输出与输入有关，与电路状态有关 数字电路分类 按电路规模分类 SSI、MSI z逻辑门、触发器、译码器、选择器、比较器、 计数器、移位寄存器 LSI、VLSI zROM、RAM、MCU、简单PLD、CPLD ULSI、GLSI zCPU、DSP、FPGA 数字电路分类 按设计方法分类 通用定制产品 z 市售SSI、MSI、LSI产品 可编程逻辑器件PLD z PROM、EPROM、PAL、GAL、FPGA、CPLD z 灵活方便、软件设计、适合试验验证和小批量 专用集成电路ASIC z 针对用户技术要求，由器件厂商专门进行设计制作的 专用芯片，Nonrecurring Engineering费用高，适 合大批量生产 发展趋势 发展趋势 z设计规模更大 z设计周期更短 z单片成本更低 应对措施 z计算机辅助设计手段(EDA) ` 文本化设计描述 ` 层次化系统设计 z设计复用，IP，SOC/SOPC 数字逻辑电路 与“数字”关系密切 不仅可以表示数码，还可表示逻辑数 数字系统有算术运算 和 逻辑运算 用逻辑设计方法构造算术运算电路是可能的 z这是第一类问题：逻辑设计 z第二类问题：逻辑分析 1.2 正数的二进制表示(按位计数制) 任一个正数D均能表示为正整数R的幂级数形式 z符号ai 为第i位的系数 zRi 称为符号ai 的“权”(Weight) zR称为模或基数(Base/Radix),逢R进1 z0,1,2,…,R-1称“基本数符” 1 0 1 1 0 1 n n n n m m i i D aR a R a aR a R R aR − − − − − = +⋅ + ⋅ − = ⋅+ ⋅ + ⋅ ∑ ⋅ … … D aa aa a =（ ） n n mR − −− 1 01 … … 例：(7456.3)10 = 7*103+4*102+5*101+6*100+3*10-1 Most Signifi -cant Digit Least Significant Digit
二进恻八进/十六进撒 Binary/Octal/Hexadecimal ◆二进制 Binary)只有两个败符0和1—运算规则筒 ◆十六进制( sexadecimal):16个基本符 s、D=∑42=(a4a-…1….a 例:(101.1)2=1*23+1*220°*21+1·20+1·2=(13.5)0 0、1序列构 太长,使用不便升十六进制 11 Binary二进恻 Hexadecimal十六进 Decimal十遗付 Binary二进 例:(10111.101)2 ◆十进制换成二进制 Conversion of Decimal Integers to Binary 采用都数除法 回Id e Conversion of Decimal Fractions to Binar 采用基数法 余数 ◆接数府考分是位二进制数一组作 54/2=27 例:(⑤54)10=(110110)227/2=13 13/2=6 ◆类似地,可完成二进制和八进制(Octa之间的转 6/2 0 3/2=1 1/2=0 Decimal十进创 Binary二进划 Decimal十进创← Hexadecimal十六进訇 例2:(54.39)10=(36.6307)16 余数 高位(6)24 (54)1o=(110110)2 1(1)56 0(0.96 6/ (3).84 (0.39)0=(0.01101 低位0+(0)2 (1).84 (54)0=(36)h6 5
5 二进制/八进制/十六进制数 二进制(Binary)只有两个数符0和1——运算规则简 单，便于电路实现 z 0、1序列构成 z 太长，使用不便Æ十六进制 1 01 2 2 n i i nn m m D a aa aa a − −− − = ⋅= ∑ （ ） … … 例：(1101.1)2=1*23+1*22+0*21+1*20+1*2-1=(13.5)10 MSB LSB Binary/Octal/Hexadecimal Binary/Octal/Hexadecimal 十六进制(Hexadecimal)：16个基本数符* (D)10 二进制 十六进制 0 1 2 . . . 9 10 11 12 13 14 15 0000 0001 0010 . . . 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 0 1 2 . . . 9 A B C D E F Binary二进制↔ Hexadecimal Hexadecimal十六进制 转换：小数点为分界线，每4位二进制数一组视作 16进制基数符号，逐一替换 类似地，可完成二进制和八进制(Octal)之间的转换 例： (101110.101)2 (10 1110.101)2 (2E.A)16 Decimal Decimal十进制↔ Binary二进制 十进制换成二进制 z Conversion of Decimal Integers to Binary 采用基数除法 z Conversion of Decimal Fractions to Binary 采用基数乘法 例：(54)10 =(110110)2 54/2=27 0 27/2=13 1 13/2=6 1 6/2=3 0 3/2=1 1 1/2=0 1 余数 Decimal Decimal十进制↔Binary二进制 0.39 × 2 (0).78 × 2 (1).56 × 2 (1).12 × 2 (0).24 (54)10=(110110)2 (0.39)10=(0.01100011)2 例：(54.39)10 高位 0 低位 0 1 1 0.24 × 2 (0).48 × 2 (0).96 × 2 (1).92 × 2 (1).84 0 1 1 0 Decimal Decimal十进制↔Hexadecimal Hexadecimal十六进制 54 3 3 16 6 16 0 低位 高位 余数 0.39 ×16 (6).24 ×16 (3).84 ×16 (13).44 ×16 (7).04 高位 低位 (54)10=(36)16 (0.39)10=(0.63D7)16 例2：(54.39)10=(36.63D7)16 余数