數(shù)字設(shè)計原理與實踐：第一章 Introduction

1課程安排：64學(xué)時教材：

DIGITALDESIGNPrinciplesandPractices《數(shù)字設(shè)計—原理與實踐（第四版）》

JohnF.Wakerly

高等教育出版社

2參考書數(shù)字邏輯設(shè)計及應(yīng)用姜書艷林水生張揚蔡榮海劉布民清華大學(xué)出版社2007數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第5版）閻石等編高等教育出版社2007數(shù)字邏輯—原理與實踐（第4版）JohnF.Wakerly林生等譯機(jī)械工業(yè)出版社2007數(shù)字電路與系統(tǒng)（第2版）劉寶琴等編著清華大學(xué)出版社2007……

3課程簡介是電子類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，是研究數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的入門課程。前修課程：電路分析基礎(chǔ)，模擬電路（低頻電子線路）。后修課程：微機(jī)系統(tǒng)原理，EDA技術(shù)，ASIC設(shè)計，……。目的：掌握數(shù)字邏輯電路的基本理論、分析和設(shè)計方法，理解數(shù)字集成電路的工作原理和方法，為靈活運用和自行設(shè)計數(shù)字集成電路（含處理器、存儲器等）打基礎(chǔ)。核心：分析和設(shè)計，需要與應(yīng)用相結(jié)合。

4期望不遲到，不早退，不無故曠課；事前請假。上課認(rèn)真，積極發(fā)表意見。及時認(rèn)真完成作業(yè)（按章遞交）。說明：課堂練習(xí)，也是出勤考核。課前，課間及課后可答疑,疑問盡早解決。

5考核方式平時考核（包括平時作業(yè)及隨堂考核成績）：20％

課程設(shè)計：10％期中考核（全校統(tǒng)考）：30％期末考核（全校統(tǒng)考）：40％

6課程目標(biāo)熟練掌握基礎(chǔ)理論和基本方法邏輯代數(shù)基礎(chǔ)單元電路功能、特性和參數(shù)內(nèi)涵熟練掌握分析和設(shè)計方法，靈活運用于分析設(shè)計之中組合邏輯電路時序邏輯電路課程內(nèi)容與實踐相結(jié)合認(rèn)真準(zhǔn)備和完成實驗，仔細(xì)驗證，舉一反三。

7Chapter1Introduction(緒論)1.1AboutDigitalDesign(關(guān)于“數(shù)字設(shè)計”)

Anothername“LogicDesign”.ThegoalofdesignistoBuildSystem.DigitalDesignisengineering,andengineeringmeans“ProblemSolving”.Only5%-10%istheCreativepartofDesign.Muchoftherestisjust“TurningtheCrank”.ImportantThemesinDigitalDesign（P2)

81.2AnalogversusDigital

(模擬與數(shù)字)電子電路中的信號Analogsignal(模擬信號)Impulsesignal(脈沖信號)隨時間連續(xù)變化的信號時間和幅度都是離散的Digitalsignal(數(shù)字信號)時間離散、幅度連續(xù)

9Analogsignal,AnalogcircuitandAnalogsystem

(模擬信號、模擬電路和模擬系統(tǒng))模擬信號(Analogsignal)：時間、幅度連續(xù)變化的信號，也稱為連續(xù)（時間）信號。模擬電路(Analogcircuit)：產(chǎn)生和處理模擬信號的電路。模擬系統(tǒng)(Analogsystem)：由模擬電路組成的系統(tǒng)，也稱為連續(xù)（時間）系統(tǒng)。研究的問題：電路的放大倍數(shù)、頻率響應(yīng)、非線性失真等。關(guān)注輸入與輸出信號之間的大小、相位等關(guān)系。電容用于隔直，晶體管工作在放大狀態(tài)。

10AnalogSignal(模擬信號)tu正弦波信號t鋸齒波信號u嚴(yán)格意義上，任何實際的電路信號都是模擬信號！/？

11ImpulseSignalandImpulseCircuit

(脈沖信號、脈沖電路)脈沖信號(ImpulseSignal)：在短暫時間間隔內(nèi)作用于電路的電流、電壓等信號。脈沖信號常常在時間上呈離散狀態(tài)，在幅度上仍連續(xù)。脈沖信號屬于模擬信號。其特點是作用時間很短；作用的時間間隔與電路的暫態(tài)過渡歷程持續(xù)期相比擬。脈沖電路(ImpulseCircuit)：產(chǎn)生和處理各種脈沖信號的電路。研究的問題：輸入與輸出的波形形狀、幅度及重復(fù)頻率等。

12ImpulseSignal(脈沖信號)t0ut0ut0ut0u尖脈沖方波矩形脈沖梯形脈沖

13脈沖上升時間：脈沖前沿從0.1Um上升到0.9Um所需要的時間脈沖下降時間：脈沖前沿從0.9Um下降到0.1Um所需要的時間脈沖信號的主要參數(shù)Um0.9Um0.5Um0.1Um0twtrtftp脈沖幅度：脈沖電壓或電流由0跳變至最大值前沿平頂后沿T脈沖寬度：從脈沖前沿上升到0.5Um處開始，到脈沖后沿下降到0.5Um為止所持續(xù)的時間。也稱有效脈寬。脈沖周期：周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖間的時間間隔。

14Digitalsignal,Digitalcircuitand

Digitalsystem

(數(shù)字信號、數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng))數(shù)字信號(Digitalsignal)：時間、幅度離散變化的信號。數(shù)字信號是脈沖信號的一種特例。數(shù)字電路(Digitalcircuit)：產(chǎn)生和處理數(shù)字信號的電路，也稱為邏輯電路。數(shù)字系統(tǒng)(Digitalsystem

)：由數(shù)字電路組成的系統(tǒng)。數(shù)字電路特點:信號形式：高電平、低電平元件工作狀態(tài)：導(dǎo)通、截止邏輯狀態(tài)：0、1研究的問題：輸入、輸出的邏輯關(guān)系，非信號關(guān)系，也不考慮波形形狀。

15數(shù)字信號產(chǎn)品數(shù)量的統(tǒng)計表盤讀數(shù)運算的數(shù)量tu

16數(shù)字的信號表示與噪聲容限（noisemargin）Voltagelogic0logic1logic0logic1InvalidOutputsInputsNoiseMarginNoiseMargin

17原始信號衰減放大

模擬信號在傳輸過程中失真數(shù)字信號仍然可以保持0、1信號傳輸?shù)幕?/p>

18注意區(qū)分幾對概念：1.模擬信號和數(shù)字信號；模擬信號和脈沖信號；脈沖信號和數(shù)字信號。2.連續(xù)時間信號和離散時間信號。tt模擬信號連續(xù)時間信號脈沖信號串離散時間信號（特殊模擬信號）取樣編碼數(shù)字化t01

000010010100101000001000

11111

0000

1數(shù)字信號離散時間信號（特殊脈沖信號）幾種信號之間的關(guān)系

19DigitalCircuitsoverAnalogOnes

(數(shù)字系統(tǒng)及其優(yōu)越性)ReproducibilityofResults[結(jié)果再現(xiàn)性（穩(wěn)定可靠、精度更高）]Easeofdesign,Flexibility,andFunctionality(易于設(shè)計，靈活性和功能性)Programmability[可編程性（具有“智能”）]Speed,Economy,andSteadilyAdvancingTechnology(快速、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)步發(fā)展的技術(shù))

201.2DigitalCircuitsandDigitalSystem

數(shù)字電路與數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字電路通常由邏輯門(Gates)、觸發(fā)器(Flip-Flops)、計數(shù)器(Counters)與寄存器(Registers)等邏輯器件(LogicDevices)構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)是一種層次結(jié)構(gòu)元件級(ComponentsLevel)

IC級復(fù)雜系統(tǒng)級(ComplexSystemLevel)

21數(shù)字系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)元件級(ComponentsLevel)

(第1級)包含各種電子元件，如晶體管、二極管、電阻等基本電路由單獨的元件組成，能執(zhí)行特定功能,稱為門IC級(第2級-第4級)分別被稱作第1IC級：（SSI,包含0-19個門）第2IC級（MSI(20-199個門)，LSI(200-1999個門）第3IC級（VLSI,包含2000門以上）為一個特殊的、受限制要求的產(chǎn)品或應(yīng)用而設(shè)計的芯片，被稱為半定制IC(SemicustomIC)或者專用IC(Application-SpecificIC,ASIC)復(fù)雜系統(tǒng)級（第5級）它以第2級到第4級為功能部件，實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能如片上系統(tǒng)（SystemonChip，SoC）

22數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)方式印制電路板（Printed-CircuitBoard,PCB）或叫做印刷線路板（Printed-WiringBoard,PWB）固定功能數(shù)字邏輯器件（SSI/MSI/LSI/VLSI）可編程邏輯器件(ProgrammableLogicDevices，PLD)復(fù)雜可編程邏輯器件(ComplexProgrammableLogicDevices，CPLD)現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammableGatesArray，F(xiàn)PGA)

23DigitalDevices(數(shù)字器件)

（a）ANDGate（b）ORGate（c）NOTGateorInverterDigitalDevices(數(shù)字器件)：完成數(shù)字電路功能的元件；分類：組合邏輯電路CombinationalCircuits

；時序邏輯電路SequentialCircuits

24IntegratedCircuits(集成電路)

25Pindiagramsforafew7400-seriesSSIICs

26

ProgrammableLogicDevices

(可編程邏輯器件)ProgrammableLogicArray(PLA,可編程邏輯陣列)ProgrammableArrayLogic(PAL,可編程陣列邏輯)ProgrammableLogicDevice(PLD,可編程邏輯器件)ComplexPLD(CPLD,復(fù)雜可編程邏輯器件)Field-ProgrammableGateArray(FPGA,