數(shù)字邏輯課件ch01-1

1、數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)主講教師：信息工程學(xué)院主講教師：信息工程學(xué)院 E_mailE_mail：TelTel： 序序 課程介紹課程介紹1. 1. 課程的性質(zhì)課程的性質(zhì) 2. 2. 教學(xué)目標教學(xué)目標 3. 3. 課程學(xué)習(xí)內(nèi)容課程學(xué)習(xí)內(nèi)容 4. 4. 課程特點與學(xué)習(xí)要求課程特點與學(xué)習(xí)要求 5. 5. 教材和參考書教材和參考書 6. 6. 考核考核1. 1. 課程性質(zhì)課程性質(zhì)o 計算機類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課計算機類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課2. 2. 教學(xué)目標教學(xué)目標o 數(shù)字電子技術(shù)的基本理論、基本知識和基本數(shù)字電子技術(shù)的基本理論、基本知識和基本技能技能o 培養(yǎng)分析和解決實際問題的能力培養(yǎng)分析和解決實際問題的能

2、力o 為深入學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程打好基礎(chǔ)為深入學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課程打好基礎(chǔ)3. 3. 課程學(xué)習(xí)內(nèi)容課程學(xué)習(xí)內(nèi)容硬件硬件 器件、功能電路及系統(tǒng)器件、功能電路及系統(tǒng) 處理數(shù)字信號的電子電路及其邏輯功能處理數(shù)字信號的電子電路及其邏輯功能 數(shù)字電路的分析方法數(shù)字電路的分析方法 數(shù)字電路的設(shè)計方法數(shù)字電路的設(shè)計方法 各種典型器件在電子系統(tǒng)中的應(yīng)用各種典型器件在電子系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件軟件 系統(tǒng)分析、設(shè)計的軟件：系統(tǒng)分析、設(shè)計的軟件：HDLHDL語言語言 EDA EDA工具軟件工具軟件4. 4. 課程特點與學(xué)習(xí)要求課程特點與學(xué)習(xí)要求（1 1）課程特點）課程特點n 發(fā)展快發(fā)展快n 應(yīng)用廣應(yīng)用廣n 工程實踐性強工程實踐性

3、強（2 2）學(xué)習(xí)方法）學(xué)習(xí)方法 打好基礎(chǔ)、明確要求、注重實踐打好基礎(chǔ)、明確要求、注重實踐n 掌握基本概念、基本電路和基本（分析與設(shè)計）掌握基本概念、基本電路和基本（分析與設(shè)計）方法方法n 獨立應(yīng)用所學(xué)的知識去分析和解決數(shù)字電路的獨立應(yīng)用所學(xué)的知識去分析和解決數(shù)字電路的實際問題實際問題 關(guān)注發(fā)展、主動更新關(guān)注發(fā)展、主動更新5. 5. 主要教材及參考書主要教材及參考書電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）第五版電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）第五版 康華光主編康華光主編學(xué)習(xí)參考書學(xué)習(xí)參考書數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng). .第三版第三版) ) 王永軍主編王永軍主編數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). .第四版第四版

4、 閻石主編閻石主編數(shù)字電路與系統(tǒng)數(shù)字電路與系統(tǒng). .第二版第二版) ) 劉寶琴主編劉寶琴主編數(shù)字電路邏輯設(shè)計數(shù)字電路邏輯設(shè)計. .第三版第三版) ) 王毓銀主編王毓銀主編6. 6. 考核考核o 平時成績平時成績 20% 20%o 實驗成績實驗成績 20% 20%o 考試成績考試成績 60% 60%o 作業(yè)：作業(yè)： 每周第一次課交上周的作業(yè)每周第一次課交上周的作業(yè)o 答疑：答疑： 時間待定時間待定1.1.數(shù)字邏輯基礎(chǔ)數(shù)字邏輯基礎(chǔ)1.1 1.1 數(shù)字電路與數(shù)字信號數(shù)字電路與數(shù)字信號1.2 1.2 數(shù)制數(shù)制1.3 1.3 二進制數(shù)的算術(shù)運算二進制數(shù)的算術(shù)運算1.4 1.4 二進制代碼二進制代碼1.5

5、 1.5 二值邏輯變量與基本邏輯運算二值邏輯變量與基本邏輯運算1.6 1.6 邏輯函數(shù)及其表示方法邏輯函數(shù)及其表示方法作為開篇，本章的目的作為開篇，本章的目的1 1、數(shù)字信號和數(shù)字電路的概念？、數(shù)字信號和數(shù)字電路的概念？ 建立有關(guān)基本概建立有關(guān)基本概念念2 2、數(shù)字信號代表數(shù)值大小時，應(yīng)采用什么計數(shù)體制？、數(shù)字信號代表數(shù)值大小時，應(yīng)采用什么計數(shù)體制？ 數(shù)數(shù)制制3 3、數(shù)字信號代表事件邏輯狀態(tài)時，對事件編碼的規(guī)則？、數(shù)字信號代表事件邏輯狀態(tài)時，對事件編碼的規(guī)則？ 碼制碼制4 4、數(shù)字電路處理基本邏輯問題，基本邏輯關(guān)系有哪些？、數(shù)字電路處理基本邏輯問題，基本邏輯關(guān)系有哪些？ 基本邏輯運算基本邏輯運

6、算5 5、在邏輯代數(shù)中基本邏輯關(guān)系如何描述？、在邏輯代數(shù)中基本邏輯關(guān)系如何描述？ 邏輯關(guān)系的描述邏輯關(guān)系的描述6 6、如何將實際問題抽象為數(shù)字邏輯？、如何將實際問題抽象為數(shù)字邏輯？ 邏輯抽邏輯抽象象1.1.1 1.1.1 數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用1.1.2 1.1.2 數(shù)字集成電路的分類及特點數(shù)字集成電路的分類及特點1.1.3 1.1.3 模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號1.1.4 1.1.4 數(shù)字信號的描述方法數(shù)字信號的描述方法1.1 1.1 數(shù)字電路與數(shù)字信號數(shù)字電路與數(shù)字信號1.11.1數(shù)字電路與數(shù)字信號數(shù)字電路與數(shù)字信號1.1.1數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用數(shù)字技術(shù)的

7、發(fā)展及其應(yīng)用o19061906年年 美國李美國李. .德福雷斯特發(fā)明了真德福雷斯特發(fā)明了真空三極管空三極管o19481948年年 晶體管之父威廉晶體管之父威廉. .肖克利發(fā)明肖克利發(fā)明了第一只晶體管了第一只晶體管o19581958年年 美國基爾比制成第一塊集成美國基爾比制成第一塊集成電路電路6 6個月后，諾伊斯制成第一塊硅集成電路個月后，諾伊斯制成第一塊硅集成電路發(fā)展特點發(fā)展特點: :以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)電子管時代電子管時代19061906年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管年，福雷斯特等發(fā)明了電子管；電子管體積大、重量重、耗電大、壽命短。目前在體積大、重量重、耗電大、壽

8、命短。目前在一些大功率發(fā)射裝置中使用一些大功率發(fā)射裝置中使用。電壓控制器件電壓控制器件電真空技術(shù)電真空技術(shù)晶體管時代晶體管時代電流控制器件電流控制器件 半導(dǎo)體技術(shù)半導(dǎo)體技術(shù)半導(dǎo)體二極管、三極管半導(dǎo)體二極管、三極管器件器件半導(dǎo)體集成電路半導(dǎo)體集成電路1.1.1數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用1.11.1數(shù)字電路與數(shù)字信號數(shù)字電路與數(shù)字信號8080年代后年代后- ULSI - ULSI ， 1 0 1 0 億個晶體管億個晶體管/ /片片 、 ASIC ASIC 制作技術(shù)成熟制作技術(shù)成熟目前目前- - 芯片內(nèi)部的布線細微到亞微米芯片內(nèi)部的布線細微到亞微米(0.130.09(0.130.0

9、9 m)m)量級量級微處理器的時鐘頻率高達微處理器的時鐘頻率高達3GHz3GHz（10109 9HzHz）9090年代后年代后- 97- 97年一片集成電路上有年一片集成電路上有4040億個晶體管。億個晶體管。60706070代代- -IC-IC技術(shù)迅速發(fā)展：技術(shù)迅速發(fā)展：SSISSI、MSIMSI、LSI LSI 、VLSIVLSI。 10 10萬個晶體管萬個晶體管/ /片。片。將來將來- - 高分子材料或生物材料制成密度更高、三維結(jié)構(gòu)的電路高分子材料或生物材料制成密度更高、三維結(jié)構(gòu)的電路可編程邏輯器件、多功能專用集可編程邏輯器件、多功能專用集成電路成電路10106 6以上以上甚大規(guī)模甚大規(guī)

10、模大型存儲器、微處理器大型存儲器、微處理器10,00099,99910,00099,999超大規(guī)模超大規(guī)模小型存儲器、門陣列小型存儲器、門陣列10099991009999大規(guī)模大規(guī)模計數(shù)器、加法器計數(shù)器、加法器12991299中規(guī)模中規(guī)模邏輯門、觸發(fā)器邏輯門、觸發(fā)器最多最多1212個個小規(guī)模小規(guī)模典型集成電路典型集成電路門的個數(shù)門的個數(shù)分類分類集成度集成度: :每一芯片所包含的門個數(shù)每一芯片所包含的門個數(shù)應(yīng)用應(yīng)用航空航天航空航天“勇氣號勇氣號” 火星探測器火星探測器雷達技術(shù)雷達技術(shù)通信技術(shù)通信技術(shù)計算機、自動控制計算機、自動控制電路設(shè)計方法電路設(shè)計方法伴隨器件變化從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代伴隨器件變化從傳

11、統(tǒng)走向現(xiàn)代a)a)傳統(tǒng)的設(shè)計方法：傳統(tǒng)的設(shè)計方法：b)b)現(xiàn)代的設(shè)計方法：現(xiàn)代的設(shè)計方法：采用自下而上的設(shè)計方法；由人工組裝采用自下而上的設(shè)計方法；由人工組裝, ,經(jīng)反復(fù)調(diào)試、驗證、經(jīng)反復(fù)調(diào)試、驗證、修改完成。所用的元器件較多，電路可靠性差修改完成。所用的元器件較多，電路可靠性差, ,設(shè)計周期長。設(shè)計周期長?，F(xiàn)代現(xiàn)代EDAEDA技術(shù)實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化。采用從上到下設(shè)計方法，技術(shù)實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化。采用從上到下設(shè)計方法，電路設(shè)計、電路設(shè)計、 分析、仿真分析、仿真 、修訂、修訂 全通過計算機完成。全通過計算機完成。 EDA EDA技術(shù)以計算機為基本工具、借助于軟件設(shè)計平臺，自動技術(shù)以計算機為基本工

12、具、借助于軟件設(shè)計平臺，自動完成數(shù)字系統(tǒng)的仿真、邏輯綜合、布局布線等工作。最后下載完成數(shù)字系統(tǒng)的仿真、邏輯綜合、布局布線等工作。最后下載到芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。使硬件設(shè)計軟件化。到芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。使硬件設(shè)計軟件化。1 1、設(shè)計：、設(shè)計：在計算機上利用軟件平臺進行設(shè)計在計算機上利用軟件平臺進行設(shè)計原理圖設(shè)計原理圖設(shè)計VerlogHDLVerlogHDL語言設(shè)計語言設(shè)計狀態(tài)機設(shè)計狀態(tài)機設(shè)計設(shè)計方法設(shè)計方法EDAEDA（Electronics Design AutomationElectronics Design Automation) )技術(shù)技術(shù)3 3、下載、下載2 2、仿真、仿真4 4、驗證結(jié)

13、果、驗證結(jié)果實驗板實驗板下載線下載線根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點及其對輸入信號的響應(yīng)規(guī)則的不同，根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)特點及其對輸入信號的響應(yīng)規(guī)則的不同， -數(shù)字電路可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路。數(shù)字電路可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路。 從集成度不同從集成度不同 -數(shù)字集成電路可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、數(shù)字集成電路可分為小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模和甚大規(guī)模五類。超大規(guī)模和甚大規(guī)模五類。 從電路的形式不同，從電路的形式不同， -數(shù)字電路可分為集成電路和分立電路數(shù)字電路可分為集成電路和分立電路從器件不同從器件不同 -數(shù)字電路可分為數(shù)字電路可分為TTL TTL 和和 CMOSCMOS電路電路1 1、數(shù)

14、字集成電路的分類、數(shù)字集成電路的分類1.1.21.1.2、數(shù)字集成電路的分類及特點、數(shù)字集成電路的分類及特點2 2、數(shù)字集成電路的特點、數(shù)字集成電路的特點1)1)電路簡單電路簡單, ,便于大規(guī)模集成便于大規(guī)模集成, ,批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)2)2)可靠性、穩(wěn)定性和精度高可靠性、穩(wěn)定性和精度高, ,抗干擾能力強抗干擾能力強3)3)體積小體積小, ,通用性好通用性好, ,成本低成本低. .4)4)具可編程性具可編程性, ,可實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化可實現(xiàn)硬件設(shè)計軟件化5)5)高速度高速度 低功耗低功耗6)6)加密性好加密性好 3 3、數(shù)字電路的分析、設(shè)計與測試、數(shù)字電路的分析、設(shè)計與測試(1)(1)數(shù)字電路的

15、分析方法數(shù)字電路的分析方法數(shù)字電路的分析數(shù)字電路的分析: :根據(jù)電路確定電路輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系。根據(jù)電路確定電路輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系。(2) (2) 數(shù)字電路的設(shè)計方法數(shù)字電路的設(shè)計方法數(shù)字電路的設(shè)計數(shù)字電路的設(shè)計: :從給定的邏輯功能要求出發(fā)，選擇適當?shù)倪壿嫃慕o定的邏輯功能要求出發(fā)，選擇適當?shù)倪壿嬈骷?，設(shè)計出符合要求的邏輯電路。器件，設(shè)計出符合要求的邏輯電路。 設(shè)計方式設(shè)計方式: :分為傳統(tǒng)的設(shè)計方式和基于分為傳統(tǒng)的設(shè)計方式和基于EDAEDA軟件的設(shè)計方式。軟件的設(shè)計方式。 分析工具：邏輯代數(shù)。分析工具：邏輯代數(shù)。電路邏輯功能主要用真值表、功能表、邏輯表達式和波形圖。電路邏輯功能主

16、要用真值表、功能表、邏輯表達式和波形圖。1.1.3 1.1.3 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號1 1、信號及其表示、信號及其表示信號是信息的物理表現(xiàn)形式，即信號承載信息。信號是信息的物理表現(xiàn)形式，即信號承載信息。n 電子系統(tǒng)處理電信號，其物理形式是電壓或電電子系統(tǒng)處理電信號，其物理形式是電壓或電流波形流波形n 聲音、圖像、亮度、溫度等等物理信息，都可聲音、圖像、亮度、溫度等等物理信息，都可以通過傳感器轉(zhuǎn)換而得到相應(yīng)的電信號以通過傳感器轉(zhuǎn)換而得到相應(yīng)的電信號n 信號波形代表了相應(yīng)物理量的變化信號波形代表了相應(yīng)物理量的變化具有無限密集的時間定義區(qū)間具有無限密集的時間定義區(qū)間具有無窮密集的數(shù)值

17、定義區(qū)間具有無窮密集的數(shù)值定義區(qū)間u uOt Otu u模擬信號：模擬信號：2 2、 模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號幾種模擬信號：幾種模擬信號：數(shù)字信號：數(shù)字信號：在時間上和數(shù)值上均是離散的信號。在時間上和數(shù)值上均是離散的信號。數(shù)字電路和模擬電路：工作信號，研究的對象不同，分析、數(shù)字電路和模擬電路：工作信號，研究的對象不同，分析、設(shè)計方法以及所用的數(shù)學(xué)工具也相應(yīng)不同。設(shè)計方法以及所用的數(shù)學(xué)工具也相應(yīng)不同。p 僅在確定的時間點上有定義僅在確定的時間點上有定義p 定義時間點上的信號幅度僅有量化區(qū)間上的數(shù)值（量化編碼）定義時間點上的信號幅度僅有量化區(qū)間上的數(shù)值（量化編碼）3 3、模擬信號的數(shù)字

18、表示、模擬信號的數(shù)字表示由于數(shù)字信號便于存儲、分析和傳輸，通常都將模擬信號轉(zhuǎn)換為由于數(shù)字信號便于存儲、分析和傳輸，通常都將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號數(shù)字信號. . 0 0 0 0 模擬信號模擬信號 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器 3 3 V V 數(shù)字輸出數(shù)字輸出 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 模數(shù)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)電壓電壓(V)(V)二值邏輯二值邏輯電電 平平+5+51 1H(H(高電平高電平) )0 00 0L(L(低電平低電平) )邏輯電平與電壓值的關(guān)系（正邏輯）邏輯電平與電壓值的關(guān)系（正邏輯）1.1.4 1.1.4 數(shù)字信號的描述方法數(shù)字信號的描述方法1 1、二值數(shù)字邏輯和邏輯

19、電平、二值數(shù)字邏輯和邏輯電平 a a 、在電路中用低、高電平表示、在電路中用低、高電平表示0 0、1 1兩種邏輯狀態(tài)兩種邏輯狀態(tài) 0 0、1 1數(shù)碼數(shù)碼-表示方式表示方式二值數(shù)字邏輯二值數(shù)字邏輯 - -(a) (a) 用邏輯電平描述的數(shù)字波形用邏輯電平描述的數(shù)字波形(b) 16(b) 16位數(shù)據(jù)的圖形表示位數(shù)據(jù)的圖形表示2 2、數(shù)字波形、數(shù)字波形數(shù)字波形數(shù)字波形-是信號邏輯電平對時間的圖形表示是信號邏輯電平對時間的圖形表示. .高電平高電平低電平低電平有脈沖有脈沖* *非歸零型非歸零型* *歸零型歸零型 比特率比特率 - - 每秒鐘轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)的位數(shù)每秒鐘轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)的位數(shù)無脈沖無脈沖(1)(1)數(shù)字

20、波形的兩種類型數(shù)字波形的兩種類型: :(2)(2)周期性和非周期性周期性和非周期性 非周期性數(shù)字波形非周期性數(shù)字波形周期性數(shù)字波形周期性數(shù)字波形 1 0 23 22 21 20 M SB LSB 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 3 2 1 0 7 6 5 4 10 11 8 14 9 15 12 13 十十 進進 制制例例1.1.1 某通信系統(tǒng)每秒鐘傳輸某通信系統(tǒng)每秒鐘傳輸1544

21、0001544000位位(1.544(1.544兆位兆位) )數(shù)數(shù)據(jù)，求每位數(shù)據(jù)的時間。據(jù)，求每位數(shù)據(jù)的時間。ns648s1067647s105441916 .解：按題意，每位數(shù)據(jù)的時間為解：按題意，每位數(shù)據(jù)的時間為例例1.1.2 設(shè)周期性數(shù)字波形的高電平持續(xù)設(shè)周期性數(shù)字波形的高電平持續(xù)6ms，低電平持續(xù)，低電平持續(xù)10ms，求占空比求占空比q。%.%q537100ms16ms6 解：因數(shù)字波形的脈沖寬度解：因數(shù)字波形的脈沖寬度tw=6ms，周期，周期T=6ms+10ms=16ms。非理想脈沖波形非理想脈沖波形(3)(3)實際脈沖波形及主要參數(shù)實際脈沖波形及主要參數(shù)幾個主要參數(shù)幾個主要參數(shù): :占空比占空比Q Q -表示脈沖寬度占整個周期的百分比表示脈沖寬度占整個周期的百分比上升時間上升時間t tr r 和下降時間和下降時間t tf f -從脈沖幅值的從脈沖幅值的10%10%到到90% 90% 上升上升 下降所經(jīng)歷的時間下降所經(jīng)歷的時間( ( 典型值典型值ns )ns )脈沖寬度脈沖寬度(t(tw w ) )- 脈沖幅值的脈沖幅值的50%50%的兩個時間所跨越的時間的兩個時間所跨越的時間周期周期 (T) (T) - - 表示兩個相鄰脈沖之間的時間間隔表示兩個相鄰脈沖之間的時間間隔 tr脈沖寬度脈沖寬度 tw 0.5V 4.5V 2.5V 幅值幅值=5.0V 0.0V 5.0V