數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)與應(yīng)用：Lec01 Introduction

1DigitalLogicDesignandApplication

Lecture#1IntroductionUESTC,Spring20112ResourcesTextbook:DIGITALDESIGN–Principles&Practices,(FourthEdition),JohnF.Wakerly,HigherEducationPress,2007

References:數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用，姜書艷主編，清華大學(xué)出版社，2007數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第5版），閻石主編，高等教育出版社，2007數(shù)字設(shè)計(jì)——原理與實(shí)踐（第4版），JohnF.Wakerly,林生等譯,機(jī)械工業(yè)出版社，2007AboutthenameOthernamesAssociationbetweenDigital&LogicalJin.UESTC.3Whatdoesdigitaltech.do?4電視技術(shù)雷達(dá)技術(shù)通信技術(shù)計(jì)算機(jī)、自動控制航空航天數(shù)碼相機(jī)MP3、MP4人類社會進(jìn)入信息數(shù)字化的時代，“數(shù)字邏輯”是數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)，是電子信息類各專業(yè)的主要技術(shù)基礎(chǔ)課程之一?！癲igitalize”：許多傳統(tǒng)使用模擬技術(shù)的領(lǐng)域轉(zhuǎn)而使用數(shù)字技術(shù)。5TopicstobeCoveredIntroduction,NumberSystemsandCodes: 1?weeksLogicsignalsandGates,CMOSLogic:1?weeksCombinationalLogicDesignPrinciples:2-3weeksSwitchingAlgebra,Combinational-CircuitAnalysisandSynthesisCombinationalLogicDesignPractices:3weeksDecoders,Encoders,Multiplexers,Comparators,etc.

HardwareDescriptionLanguages:1weekSequentialLogicDesignPrinciples:2-3weeksLatches,Flip-Flops,ClockedSynchronousState-MachineAnalysisandDesignSequentialLogicDesignPractices: 3weeksSSILatchesandFlip-Flops,Counters,ShiftRegisters,Iterative,…Other:Memory,CPLDSandFPGAS,A/D,D/ACircuits:1weeks一、concepts&fundamentals二、集成電路為主；邏輯功能為主三、重視實(shí)踐本課程的重點(diǎn)是數(shù)字電路的基本概念、基本原理、分析方法、設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)調(diào)試方法。只要掌握了基本的原理和方法，我們就可以分析給出的任何一種數(shù)字電路；也可以根據(jù)提出的任何一種邏輯功能，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的邏輯電路。對于各類數(shù)字集成電路器件，重點(diǎn)是掌握他們的外部特性，包括邏輯功能和輸入、輸出端的電氣特性。為了更好的理解和運(yùn)用電路器件的外部特性，需要理解他們的輸入電路和輸出電路的結(jié)構(gòu)及其原理。至于內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)和詳細(xì)工作過程都不是重點(diǎn)，不需要去記憶。通過實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，加深對理論知識的理解和掌握，同時更重要的是要學(xué)習(xí)和掌握電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的研究方法。將理論和實(shí)際有機(jī)地結(jié)合，學(xué)會用實(shí)驗(yàn)的方法分析和解決實(shí)際問題。Conceptsofteaching&learning7GradesHomeworksandQuizzesinclass—15%ProjectsandPaper—15%MidtermExam—30%FinalExam—40%8Chapter1IntroductionWelcometotheworldofdigitaldesign.DigitalLogicDesignandApplication9Chapter1Introduction1.1AboutDigitalDesignAboutPrinciplesandPracticesImportantThemesinDigitalDesign…(P2)*101.2Analogvs.DigitalAnalog:1.2Analogvs.DigitalJin.UESTC.11Primaryparameters:frequency,bandwidth、powerBasicdevice：transistorsworkingatamplifyarea.Analog:valuesvaryoverabroadrangecontinuouslytvrectangularwave1forHigh；0forLow010011010特點(diǎn)：數(shù)值的大小和每次的增減都是量化單位的整數(shù)倍。Presentedasbinarycodesystem1.2Analogvs.Digital1.2Analogvs.DigitalTheproblemforanalogsignal…Theadvantagesofdigitalsignal…13signaldegradationamplification

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抗干擾性強(qiáng);便于存儲;便于分析和設(shè)計(jì)；便于利用計(jì)算機(jī)、DSP等進(jìn)行信號處理.電路中的電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，易于實(shí)現(xiàn)，便于集成化缺點(diǎn)：其表現(xiàn)形式的多樣化決定了對其的處理也是復(fù)雜多樣的。141.2Analogvs.DigitalDigitalsystemAnyinputsandoutputscanonlybe1or0!151.3DigitalDevicesGates（門）—themostbasicdigitaldevicesFlip-Flops（觸發(fā)器）—adevicethatstoreseithera0or1CombinationalCircuits（組合電路）SequentialCircuits（時序電路）ANDgateORgateNOTgateorinverter161.4ElectronicAspectsofDigitalDesign

（數(shù)字設(shè)計(jì)的電子技術(shù)）Howtorealizelogic0and1inarealcircuit?邏輯上的0和1在物理上如何實(shí)現(xiàn)？Whatistherangeofanalogvaluewitheachlogicvalue?什么電平范圍對應(yīng)邏輯0或1？Howtoproduceandfigureoutthesignalinaproperrange?如何正確產(chǎn)生和識別處于適當(dāng)范圍的信號？TheassociationbetweenDigitalandAnalog數(shù)字與模擬之間的關(guān)系171.5SoftwareAspectsofDigitalDesign*Whatdoessoftwarecando?Softwaretoolshelptoimprovethedesigner’sproductivity,thecorrectnessandqualitydesigns.軟件工具有助于提高設(shè)計(jì)的效率、正確性和質(zhì)量。SeveralSoftwareTools幾種軟件工具P9Pspise,multisim,電路仿真MaxPlus,QuatusII,VHDL仿真protel,powerPCB，制版軟件1.6IntegratedCircuits18Relay繼電器AdvancesofDigitalElectronictechnologies191.6IntegratedCircuitsAdvancesofDigitalElectronictechnologies數(shù)字電子技術(shù)的進(jìn)展20世紀(jì)40年代，賓夕法尼亞大學(xué)，第一部電子數(shù)字計(jì)算機(jī)（Eniac），采用真空管（VacuumTube）使用了17468個真空管占地457平米重30噸耗電160KW每秒可以完成5000次+，或385次*，或40次/，或3次開方運(yùn)算201.6IntegratedCircuits(集成電路IC)20世紀(jì)50年代（1947年），雙極型晶體管（BJT）出現(xiàn)；60年代，TTL邏輯出現(xiàn)，集成電路出現(xiàn)TTL:Transistor-TransistorLogic80年代開始，MOS電路開始逐步取代TTL電路，現(xiàn)在CMOS占領(lǐng)了世界IC市場的絕大部分CMOS:ComplementaryMOS211.6IntegratedCircuits單個硅片上的一個或多個門電路的集合體，就叫做集成電路。wafer(單晶硅片)die(模片)packagingDualIn-line-pinPackage(DIP)雙列直插式封裝（P13）0.254mm15mm221.6IntegratedCircuits231.6IntegratedCircuitsSmall-ScaleIntegration(SSI，小規(guī)模集成):門1-20GatesMedium-ScaleIntegration(MSI，中規(guī)模集成):功能構(gòu)件20-200GatesLarge-ScaleIntegration(LSI，大規(guī)模集成):一個系統(tǒng)200-200,000GatesVeryLarge-ScaleIntegration(VLSI，超大規(guī)模集成):包含F(xiàn)PGA的系統(tǒng)Over1,000,000TransistorsSystemOnChip(SOC)片上系統(tǒng)---集成系統(tǒng)TinyScaleIntegration(TSI)微小規(guī)模集成1.6IntegratedCircuitsJin.UESTC.24Question：Whatifthereissomethingwrongwiththealready-madeIC?Howtodebuggingit？Thesolutionis……ProgrammableLogicDevices（PLD）251.7ProgrammableLogicDevicesProgrammableLogicDevice(PLD,可編程邏輯器件)AND-ORcircuit1.7ProgrammableLogicDevicesProgrammableLogicArray(PLA,可編程邏輯陣列)ProgrammableArrayLogic(PAL,可編程陣列邏輯)ComplexPLD(CPLD,復(fù)雜可編程邏輯器件)Field-ProgrammableGateArray(FPGA,現(xiàn)場可編程門陣列）26271.8Application-SpecificICs

專用集成電路（ASIC）Semi-CustomIC(半定制IC)Non-RecurringEngineering(NRE)Cost(非再現(xiàn)工程成本）:$30,000-$50,000CustomIC(全定制IC）NRECost:Over$250,000Ifyouputthedesignintroducedinthistextbookintoapracticalchipmanufactory,you’rerequiringaASICproducing.281.9Printed-CircuitBoardsPrinted-WiringBoards(PWB,印制線路板)多層，1/16”鉆孔連線：10-50mil@3mil焊接1.9Printed-CircuitBoardsSurface-MountTechnology(SMT,表面安裝技術(shù))291.9