數(shù)字電路與邏輯設(shè)計 課件 1-數(shù)字化處理基礎(chǔ)

片上微控制系統(tǒng)原理與項目設(shè)計第一講課程介紹片上微控制系統(tǒng)原理（占總成績67%）40%期末考試20%平時作業(yè)及線上測試40%實驗項目設(shè)計（占總成績33%）數(shù)字電路的應(yīng)用數(shù)字電路廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品和系統(tǒng)中，提供計算、控制、通信等功能。作業(yè)：查找資料，匯總國產(chǎn)CPU、DSP、GPU、MCU廠商及產(chǎn)品名稱。談?wù)勀銓a(chǎn)行業(yè)發(fā)展的看法。（200字）數(shù)字電路與AI數(shù)字電路為AI提供了必要的硬件基礎(chǔ)，使得復雜的算法和數(shù)據(jù)處理任務(wù)得以在實際物理設(shè)備上實現(xiàn)。AI和機器學習（ML）算法需要大量的計算資源。數(shù)字電路，尤其是中央處理單元（CPU）、圖形處理單元（GPU）、專用集成電路（ASIC）、以及現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），提供了執(zhí)行這些算法所需的高速計算能力。作業(yè)：查找資料，簡述AI領(lǐng)域使用到的數(shù)字電路。談?wù)勀銓I發(fā)展的看法。（各200字）信息處理系統(tǒng)信息處理系統(tǒng)信息獲取信息加工信息顯示信息存儲信息傳輸信息處理系統(tǒng)定出入數(shù)字處理系統(tǒng)數(shù)值電路數(shù)值通常用電平來表示實現(xiàn)R進制數(shù)的電路稱為R進制電路R進制電路中需要R個不同電平。二進制電路高電平和低電平N位二進制數(shù)需要N根導線傳輸電路的每根導線代表一位數(shù)字信號采用高低電平表示的二進制數(shù)從外部所要獲取和輸出至外部的信號通常為模擬信號采用專用電路進行模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換知信號digitalsignalWhatDoes“Digital”Mean?AnalogsignalInfinitepossiblevaluesEx:voltageonawirecreatedbymicrophonevaluetimeanalogsignal3421DigitalsignalFinitepossiblevaluesEx:buttonpressedonakeypad01234valuetimePossiblevalues:1.00,1.01,2.0000009,...infinitepossibilitiesPossiblevalues:0,1,2,3,or4.That’sit.0123411ExampleofDigitizationBenefitAnalogsignal(e.g.,audio,video)maylosequalityVoltagelevelsnotsaved/copied/transmittedperfectlyDigitizedversionenablesnear-perfectsave/cpy/tran.“Sample”voltageatparticularrate,savesampleusingbitencodingVoltagelevelsstillnotkeptperfectlyButwecandistinguish0sfrom1stimeVolts0123originalsignallengthytransmission(e.g,cellphone)time0123receivedsignalHowfix--higher,lower,?lengthytransmission(e.g,cellphone)0110111011same0110111011Voltsdigitizedsignaltime01a2dVolts0123d2aLetbitencodingbe:1V:“01”2V:“10”3V:“11”timeCanfix—easilydistinguish0s/1s,restore01Buthighersamplingrateandmorebitsperencodingimprovesre-creation(orbringscloser)aDigitizedsignalnotaperfectre-creationduetoa2dandd2aSomeinputsinherentlybinaryButton:notpressed(0),pressed(1)SomeinputsinherentlydigitalJustneedencodinginbinarye.g.,multi-buttoninput:encodered=001,blue=010,...SomeinputsanalogNeedanalog-to-digitalconversionAsdoneinearlierslide:

sampleandencodewithbits0button1greenblackbluered000red010greenblackblue100greenblackblueredtemperaturesensorair0011000033degreessensorsandotherinputsDigitalSystemactuatorsandotheroutputsA2DD2AanalogphenomenaelectricsignaldigitaldatadigitaldataelectricsignaldigitaldatadigitaldatatimeVolts0123originalsignal01101110110110111011Voltsdigitizedsignaltime01a2d數(shù)字處理系統(tǒng)信息獲取采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（相當于人的眼睛)將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)值輸入數(shù)據(jù)信息顯示采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(相當于人的手)將控制數(shù)值變?yōu)橄鄳?yīng)大小的電流，從而實現(xiàn)對閥門的開啟控制信息加工采用數(shù)字電路(相當于人的大腦)對輸入數(shù)據(jù)進行存儲、比較、運算等操作，計算出控制數(shù)值，產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)明系統(tǒng)運算與邏輯數(shù)字信息處理的輸入和輸出均是二進制數(shù)都是由0和1構(gòu)成n位輸入X=(Xn-1,…,X0)Xi只能取0或1m位輸出為Y=(Ym-1,…,Y0)Yi只能取0或1處理采用函數(shù)F來描述Y=F(X)輸出Y的任何一位Yi都可以看成是所有輸入的函數(shù)Yi=Fi(Xn-1,…,X0)反映了因變量Yi與自變量Xn-1,…,X0之間的關(guān)系由多位0或1產(chǎn)生一位0或1Xn-1X1X0Ym-1Y1Y00…000…010…011…110…100…00??1…110…10懂模型運算與邏輯二進制數(shù)加法(Y1,Y0)=X1+X0X1和X0是一位加數(shù)Y1和Y0的組合值為和Y1稱為進位，Y0稱為本位和Y1和Y0分別看成X1和X0的函數(shù)Y1=F1(X1,X0)Y0=F0(X1,X0)邏輯函數(shù)體現(xiàn)了二值輸入與輸出之間的因果關(guān)系自變量稱為邏輯輸入因變量稱為邏輯輸出所有輸入和輸出只能取兩個值二值邏輯二值輸入與二值輸出之間的關(guān)系X1X0Y1Y00000010110011110布爾邏輯

運算公式非?真=假?假=真與假?假=假假?真=假真?假=假真?真=真或假?假=假假?真=真真?假=真真?真=真運算公式非與或運算公式異或同或會邏輯運算與邏輯二進制數(shù)加法(Y1,Y0)=X1+X0Y1=F1(X1,X0)=X1

X0Y0=F0(X1,X0)=X1

X0X1X0Y1Y00000010110011110邏輯的電路實現(xiàn)邏輯函數(shù)的輸入和輸出都可以采用高低電平來表示高電平為邏輯1態(tài)，低電平為邏輯0態(tài)邏輯運算利用輸入的電平來控制開關(guān)閉合或斷開，從而產(chǎn)生相應(yīng)的電平輸出一個輸入控制一個開關(guān)多個輸入的邏輯運算采用多個開關(guān)的串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合的混合電路邏輯門用以實現(xiàn)基本邏輯運算和復合邏輯運算的單元電路開關(guān)電路開關(guān)構(gòu)成的電路與邏輯運算之間的關(guān)系閉合和5V電位

邏輯1斷開和0V電位

邏輯0ABFABFABFABF(a)0-11-0

(b)000010100111(c)000011101111非運算與運算或運算繼電器電路會分析半導體電路半導體載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴N型半導體自由電子濃度遠大于空穴濃度多子是自由電子P型半導體空穴濃度遠大于自由電子濃度多子是空穴PN結(jié)一塊半導體單晶上一側(cè)摻雜成P型半導體，另一側(cè)摻雜成N型半導體單向?qū)щ娦訮端電壓比N端電壓高，正偏，PN結(jié)導通P端電壓比N端電壓低，反偏，PN結(jié)截止半導體電路二極管三極管|Ub-Ue|大于某值時，c極和e極之間導通，相當于短路，否則c和e兩極之間不導通，相當于斷路。基射極正向偏壓（Ub>Ue）基射極反向偏壓（Ub<Ue）半導體邏輯電路場效應(yīng)管單極性三極管MOS管絕緣柵場效應(yīng)管柵源反向偏壓導通柵源正向偏壓導通能設(shè)計MOS邏輯電路

1001MOS邏輯電路

110101101001MOS邏輯電路

100010111000MOS邏輯電路三態(tài)門T3和T4構(gòu)成非門當EN為1時，nEN為0A為1，則T2導通使B為1，否則T1導通使B為0，故B=A當EN為0時，nEN為1，無論A為何電平，T1和T2都截止，B處于懸空狀態(tài)高阻狀態(tài)101100101數(shù)字集成電路將元器件和連線集成于同一半導體芯片上而制成的數(shù)字邏輯電路SSI基本邏輯運算單元MSI基本邏輯門構(gòu)建具有一定功能的邏輯電路LSI/VLSI存儲器、微處理器、可編程邏輯器件類型

規(guī)模門電路數(shù)元器件數(shù)小規(guī)模集成電路1～101～10中規(guī)模集成電路10～100100～1000大規(guī)模集成電路100~100001