川大電子《數(shù)字電子技術(shù)》課件-ch

數(shù)字電子技術(shù)本課程涵蓋了數(shù)字電子電路的基本原理、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用。它涉及邏輯門、組合電路、時(shí)序電路、存儲器等核心概念和器件。數(shù)字電路基本概念1數(shù)字信號數(shù)字信號以離散的電壓或電流水平表示信息，通常是0或1。2邏輯門邏輯門是數(shù)字電路的基本構(gòu)建模塊，它們執(zhí)行邏輯運(yùn)算。3邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)用于分析和設(shè)計(jì)數(shù)字電路，它定義了邏輯運(yùn)算。4組合邏輯組合邏輯電路的輸出僅取決于當(dāng)前輸入，沒有記憶功能。數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換十進(jìn)制最常見的數(shù)制，日常生活使用。十個(gè)不同的數(shù)字(0-9)每位數(shù)字的權(quán)值為10的冪次二進(jìn)制計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用，僅使用0和1。每位數(shù)字的權(quán)值為2的冪次轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，需要將每一位數(shù)字乘以其權(quán)值并相加八進(jìn)制簡化二進(jìn)制表達(dá)，使用0-7八個(gè)數(shù)字。每位數(shù)字的權(quán)值為8的冪次可用于方便地將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制十六進(jìn)制方便表達(dá)較大的二進(jìn)制數(shù)，使用0-9和A-F十六個(gè)數(shù)字。每位數(shù)字的權(quán)值為16的冪次可用于方便地將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制布爾代數(shù)基礎(chǔ)布爾代數(shù)的基本概念布爾代數(shù)是現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)，用于描述邏輯關(guān)系和邏輯運(yùn)算。布爾代數(shù)的基本運(yùn)算布爾代數(shù)的基本運(yùn)算包括與、或、非三種邏輯運(yùn)算，分別對應(yīng)邏輯門電路中的與門、或門、非門。布爾代數(shù)的應(yīng)用布爾代數(shù)在數(shù)字電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是數(shù)字電子技術(shù)不可或缺的一部分。邏輯門電路邏輯門電路是數(shù)字電路的基本單元，用于實(shí)現(xiàn)基本的邏輯運(yùn)算。常見的邏輯門電路類型包括：與門、或門、非門、異或門、與非門、或非門等。邏輯門電路通過輸入信號的組合來產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號，是構(gòu)成復(fù)雜數(shù)字電路的基礎(chǔ)。邏輯門電路設(shè)計(jì)1確定邏輯功能首先，需要明確電路的邏輯功能，即輸入與輸出之間的關(guān)系。2選擇邏輯門根據(jù)邏輯功能，選擇合適的邏輯門，例如與門、或門、非門等。3連接邏輯門將選定的邏輯門按照電路功能進(jìn)行連接，構(gòu)成完整的邏輯電路。4測試驗(yàn)證最后，對設(shè)計(jì)的邏輯電路進(jìn)行測試，確保其能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。組合邏輯電路組合邏輯電路組合邏輯電路的輸出僅取決于當(dāng)前輸入信號。邏輯門組合邏輯電路由基本邏輯門組成，如與門、或門、非門等。布爾表達(dá)式可以用布爾代數(shù)描述組合邏輯電路的邏輯關(guān)系。真值表真值表可以列出組合邏輯電路在所有輸入組合下的輸出狀態(tài)。組合邏輯設(shè)計(jì)實(shí)例加法器設(shè)計(jì)加法器是常用的組合邏輯電路，可實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算。譯碼器設(shè)計(jì)譯碼器將二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換為特定的輸出信號，例如用于地址選擇或數(shù)據(jù)選擇。比較器設(shè)計(jì)比較器用于比較兩個(gè)輸入信號的大小關(guān)系，可用于控制邏輯或數(shù)據(jù)處理。編碼器設(shè)計(jì)編碼器將特定的輸入信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼，例如將鍵盤按鍵編碼為數(shù)字。組合邏輯電路分析組合邏輯電路分析是理解其工作原理和功能的關(guān)鍵步驟。通過分析可以確定電路的功能，并識別可能存在的邏輯錯(cuò)誤和潛在問題。方法描述真值表列出所有可能的輸入組合及其對應(yīng)的輸出值。卡諾圖將真值表轉(zhuǎn)換為圖形化表示，方便識別邏輯表達(dá)式。邏輯表達(dá)式用邏輯運(yùn)算符表示電路的功能。時(shí)序邏輯電路時(shí)序邏輯電路定義時(shí)序邏輯電路輸出不僅與當(dāng)前輸入有關(guān)，還與電路過去的狀態(tài)有關(guān)。這種電路通常包含存儲元件，用來保存電路過去的狀態(tài)。時(shí)序邏輯電路的輸出值與輸入值和電路先前狀態(tài)有關(guān)。狀態(tài)的變化由時(shí)鐘信號控制，因此也稱為同步邏輯電路。時(shí)序邏輯電路特點(diǎn)時(shí)序邏輯電路具有記憶功能，可以存儲信息。電路輸出不僅受當(dāng)前輸入信號控制，還受電路之前狀態(tài)的影響。時(shí)序邏輯電路常用于構(gòu)建計(jì)數(shù)器、寄存器、移位寄存器、存儲器等數(shù)字系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的控制、通信和數(shù)據(jù)處理。觸發(fā)器11.基本概念觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基本單元，具有記憶功能，能夠存儲一位二進(jìn)制信息。22.工作原理觸發(fā)器由若干個(gè)邏輯門電路組成，通過輸入信號控制其狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。33.主要類型常見的觸發(fā)器類型包括RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器和T觸發(fā)器，它們具有不同的結(jié)構(gòu)和特性。44.應(yīng)用領(lǐng)域觸發(fā)器在計(jì)數(shù)器、寄存器、存儲器等數(shù)字電路中廣泛應(yīng)用，是數(shù)字電子系統(tǒng)的重要組成部分。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器是數(shù)字電路中的重要組成部分，其作用是統(tǒng)計(jì)脈沖信號出現(xiàn)的次數(shù)。計(jì)數(shù)器類型計(jì)數(shù)器分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器，同步計(jì)數(shù)器所有觸發(fā)器都由同一個(gè)時(shí)鐘信號觸發(fā)，異步計(jì)數(shù)器各觸發(fā)器由前一級觸發(fā)器的輸出信號觸發(fā)。計(jì)數(shù)器應(yīng)用計(jì)數(shù)器廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，例如計(jì)時(shí)器、頻率計(jì)、分頻器等。寄存器存儲信息寄存器是一組觸發(fā)器，用于存儲和傳遞數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)訪問通過地址或其他控制信號訪問寄存器中的信息，快速訪問數(shù)據(jù)。類型多樣常見的類型包括通用寄存器、特殊功能寄存器、累加器、移位寄存器。數(shù)據(jù)操作寄存器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存儲程序指令、數(shù)據(jù)和中間計(jì)算結(jié)果。移位寄存器移位寄存器概述移位寄存器是一種數(shù)字電路，用于存儲和移動數(shù)據(jù)。工作原理移位寄存器通過時(shí)鐘信號控制，每次時(shí)鐘脈沖將數(shù)據(jù)移位一位。串行輸入/輸出移位寄存器可以串行輸入數(shù)據(jù)，并以串行或并行方式輸出數(shù)據(jù)。應(yīng)用移位寄存器廣泛應(yīng)用于通信、控制、數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域。存儲器存儲器的基本概念存儲器是用來存儲信息的電子元件，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心組件之一。它可以存儲程序、數(shù)據(jù)和其他信息，并能夠被CPU訪問和修改。存儲器分類存儲器主要分為兩類：主存儲器和輔助存儲器。主存儲器是直接與CPU交互的存儲器，速度快，容量小，價(jià)格昂貴。輔助存儲器是用來長期保存數(shù)據(jù)的存儲器，速度慢，容量大，價(jià)格便宜。存儲器基本概念存儲器功能存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存儲數(shù)據(jù)和指令的部件，是計(jì)算機(jī)中不可或缺的組成部分。存儲器類型存儲器可以分為主存儲器和輔助存儲器兩種。主存儲器是計(jì)算機(jī)直接訪問的存儲器，速度快，但容量有限。輔助存儲器是用于存儲大量數(shù)據(jù)的存儲器，速度慢，但容量大。ROMROM(Read-OnlyMemory)是一種非易失性存儲器，其內(nèi)容在制造或編程后無法更改。ROM存儲器中的數(shù)據(jù)在斷電后仍然保留。ROM通常用于存儲固件、引導(dǎo)程序、系統(tǒng)配置信息等。這些數(shù)據(jù)是不可更改的，并且需要在系統(tǒng)啟動時(shí)可用。RAM隨機(jī)存取存儲器（RAM）是計(jì)算機(jī)中用于存儲程序和數(shù)據(jù)的關(guān)鍵部件。RAM是一種易失性存儲器，意味著當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，存儲在RAM中的數(shù)據(jù)會丟失。半導(dǎo)體存儲器分類按存儲介質(zhì)分類主要包括兩種：半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲器（RAM）和半導(dǎo)體只讀存儲器（ROM）。按存取方式分類包括靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）和動態(tài)隨機(jī)存儲器（DRAM）。按存儲單元結(jié)構(gòu)分類包括單晶體存儲器和多晶體存儲器。按存儲容量分類包括字節(jié)型存儲器、字型存儲器、塊型存儲器等。存儲器性能指標(biāo)存儲器性能指標(biāo)決定了存儲器的數(shù)據(jù)讀寫速度和存儲容量。影響因素包括訪問時(shí)間、帶寬、容量和功耗。存儲器的應(yīng)用11.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的部分，用于保存程序和數(shù)據(jù)，包括指令和數(shù)據(jù)。例如，CPU需要從存儲器中獲取指令和數(shù)據(jù)，并將結(jié)果寫入存儲器。22.數(shù)字電路設(shè)計(jì)在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，存儲器用于存儲數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，例如，寄存器、計(jì)數(shù)器和緩存。它們在實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。33.數(shù)據(jù)存儲與管理存儲器廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲和管理，例如硬盤驅(qū)動器、閃存驅(qū)動器和云存儲，這些設(shè)備使用存儲器來存儲大量數(shù)據(jù)。44.嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)中的存儲器通常用于保存程序代碼、配置參數(shù)、傳感器數(shù)據(jù)和其他信息。它們在各種應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，例如智能手機(jī)和汽車控制系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)是將數(shù)字電路與計(jì)算機(jī)科學(xué)知識相結(jié)合，用于解決現(xiàn)實(shí)世界中的各種問題。例如，自動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等等。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮硬件、軟件、算法和系統(tǒng)架構(gòu)等多個(gè)因素，并運(yùn)用數(shù)字電路、編程語言、系統(tǒng)分析等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。可編程邏輯器件可編程邏輯門電路可編程邏輯器件（PLD）包含可編程邏輯門，允許用戶自定義電路功能。集成電路形式PLD通常以集成電路形式提供，包含多個(gè)邏輯門和可編程連接。數(shù)字電路設(shè)計(jì)PLD廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)各種功能，例如邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、時(shí)序控制等。PLD器件的體系結(jié)構(gòu)1可編程邏輯陣列可編程邏輯陣列(PLA)2可編程邏輯陣列可編程邏輯陣列(PLA)3可編程邏輯陣列可編程邏輯陣列(PLA)4可編程邏輯陣列可編程邏輯陣列(PLA)PLD器件的體系結(jié)構(gòu)可以分為兩種類型:可編程邏輯陣列(PLA)和可編程邏輯陣列(PLA)。PLA結(jié)構(gòu)采用二維陣列實(shí)現(xiàn)邏輯功能，每個(gè)連接點(diǎn)都可編程，實(shí)現(xiàn)靈活性和可定制性。PAL結(jié)構(gòu)采用一維陣列，連接點(diǎn)可編程，相比PLA更加簡單易用，但靈活性稍差。PLD編程技術(shù)1編程語言VHDL、Verilog2編程工具EDA工具3編程方法基于文本的編程4編程目標(biāo)邏輯功能實(shí)現(xiàn)PLD編程技術(shù)是指通過編程語言或工具將用戶設(shè)計(jì)的邏輯功能映射到PLD器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)特定功能的流程。VHDL硬件描述語言硬件描述語言VHDL是一種用于描述數(shù)字電路的硬件描述語言，支持在不同抽象層次上對電路進(jìn)行建模。它允許設(shè)計(jì)師以更易理解的方式表達(dá)設(shè)計(jì)意圖。電路設(shè)計(jì)使用VHDL可以方便地描述各種邏輯門、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、存儲器等電路，并進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。可讀性與傳統(tǒng)的電路圖相比，VHDL更加簡潔，便于理解和維護(hù)，提高了設(shè)計(jì)效率。可移植性VHDL可以用于描述不同類型的硬件平臺，例如FPGA和ASIC，具有較好的可移植性。VHDL語言基本概念語法結(jié)構(gòu)VHDL語言具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z法規(guī)則，確保代碼的正確性和可讀性。硬件描述VHDL語言以文本形式描述硬件電路的結(jié)構(gòu)和行為，方便設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。電路仿真VHDL語言支持電路仿真，可以模擬電路的行為并進(jìn)行功能驗(yàn)證。電路合成VHDL語言支持電路合成，將代碼轉(zhuǎn)換為可制造的硬件電路。VHDL設(shè)計(jì)流程1設(shè)計(jì)輸入創(chuàng)建VHDL代碼文件2功能仿真驗(yàn)證電路功能3綜合將VHDL代碼轉(zhuǎn)換成邏輯門電路4布局布線將邏輯門電路映射到芯片上5時(shí)序仿真驗(yàn)證電路的時(shí)序特性VHDL設(shè)計(jì)流程包括設(shè)計(jì)輸入、功能仿真、綜合、布局布線和時(shí)序仿真等步驟。這些步驟以層層遞進(jìn)的方式進(jìn)行，最終將VHDL代碼轉(zhuǎn)換為可以在實(shí)際硬件上運(yùn)行的電路。在設(shè)計(jì)過程中，需要反復(fù)進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，以確保電路設(shè)計(jì)滿足預(yù)期需求。VHDL應(yīng)用實(shí)例VHDL語言可以用于設(shè)計(jì)各種數(shù)字電路系統(tǒng)。例如，可以使用VHDL設(shè)計(jì)數(shù)字電路系統(tǒng)，例如計(jì)數(shù)器、加法器、乘法器、存儲器等。通過使用VHDL，可以更容易地設(shè)計(jì)和驗(yàn)證數(shù)字電路系統(tǒng)，并減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境硬件平臺常見的硬件平臺包括FPGA開發(fā)板、CPLD開發(fā)板，以及基于微處理器的實(shí)驗(yàn)平臺，例如ARM開發(fā)板。軟件工具常見的軟件工具包括EDA工具，例如Altera的QuartusII、Xilinx的Vivado，以及仿真工具，例如ModelSim、Verilog仿真軟件。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容典型的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括邏輯門電路實(shí)驗(yàn)、組合邏輯電路實(shí)驗(yàn)、時(shí)序邏輯電路實(shí)驗(yàn)、存儲器實(shí)驗(yàn)，以及數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟包括電路設(shè)計(jì)、代碼編寫、仿真測試、硬件下載，以及功能驗(yàn)