数字电路与系统设计课件

数字电路与系统设计本课程将深入探讨数字电路和系统设计的核心原理，培养学生在数字逻辑设计、硬件描述语言、可编程逻辑器件和微处理器系统等方面的能力，为学生未来从事电子工程、计算机科学等领域的相关工作打下坚实基础课程介绍课程目标课程内容深入理解数字电路和系统设计的基本原理和核心技术，掌包括数字电路的基本概念、布尔代数、组合逻辑、时序逻握常用的设计方法和工具，并能够独立进行简单的数字系辑、存储器、数模转换、可编程逻辑器件、硬件描述语言统设计、微处理器系统等基本概念和术语二进制数逻辑门数字电路中使用二进制数来逻辑门是数字电路的基本组表示数据和指令，其中只有成单元，用于执行逻辑运算0和1两种状态组合逻辑时序逻辑组合逻辑电路的输出只取决时序逻辑电路的输出不仅取于当前的输入，不依赖于之决于当前的输入，还依赖于前的状态电路的之前状态布尔代数和逻辑门布尔代数逻辑门布尔代数是用来描述逻辑运算的一种数学系统，是数字电常见的逻辑门包括AND、OR、NOT、XOR等，它们分路设计的基础别对应不同的逻辑运算组合逻辑电路设计编码器译码器将多个输入信号编码为一个将一个输入信号解码为多个唯一的输出信号输出信号加法器比较器用于执行二进制数的加法运用于比较两个输入信号的大算小关系时序逻辑电路设计时钟信号触发器状态机时钟信号是时序逻辑电路中重要的控触发器是存储信息的单元，可以保持状态机是一种特殊的时序逻辑电路，制信号，用于同步电路的工作之前的状态，是构建时序逻辑电路的它可以根据输入信号和当前状态进行基本元件状态转移，并产生相应的输出寄存器和移位寄存器寄存器1寄存器是一组触发器，用于存储多个位的数据，可以快速访问和操作移位寄存器2移位寄存器是一组触发器，可以将数据位逐位向左或向右移动计数器电路同步计数器所有触发器在同一个时钟信号的控制下进行状态转移异步计数器不同触发器在不同的时钟信号控制下进行状态转移存储器和存储器系统RAM1随机存取存储器，用于存放当前正在运行的程序和数据ROM2只读存储器，用于存放固定的程序和数据，如启动引导程序Flash3闪存，是一种非易失性存储器，容量大，速度快，但价格比RAM高数模转换和模数转换数模转换DAC1将数字信号转换为模拟信号模数转换ADC2将模拟信号转换为数字信号可编程逻辑器件12PLD CPLD可编程逻辑器件，可以实现复杂的复杂可编程逻辑器件，比PLD具有数字逻辑功能更大的容量和更快的速度3FPGA现场可编程门阵列，可以实现更复杂的数字系统设计，具有更高的灵活性和可重配置性数字系统设计方法流程化设计结构化设计将设计流程分解为多个步骤，并使用相应的工具进行设计将系统分解为多个模块，并分别进行设计和测试，最终集和验证成在一起系统级设计硬件描述语言-Verilog语法结构功能描述Verilog语言具有简洁、易学、易读的语法结构，适合描Verilog语言可以描述硬件的功能，包括组合逻辑、时序述复杂的数字系统设计逻辑、存储器、输入输出等建模基础Verilog模块端口Verilog代码的基本单元，用于描述一个特定的功能模块模块的输入和输出接口，用于连接不同的模块数据类型运算符Verilog语言支持多种数据类型，如线网型、寄存器型、整数Verilog语言提供多种运算符，用于执行逻辑运算、算术运算型、实数型等、比较运算等组合逻辑电路的建模Verilog逻辑门1使用Verilog语言可以方便地描述各种逻辑门，如AND、OR、NOT、XOR等编码器2使用Verilog语言可以实现编码器，将多个输入信号编码为一个唯一的输出信号译码器3使用Verilog语言可以实现译码器，将一个输入信号解码为多个输出信号加法器4使用Verilog语言可以实现加法器，用于执行二进制数的加法运算时序逻辑电路的建模Verilog触发器使用Verilog语言可以描述各种触发器，如D触发器、JK触发器、T触发器等寄存器使用Verilog语言可以描述寄存器，用于存储多个位的数据移位寄存器使用Verilog语言可以描述移位寄存器，用于将数据位逐位向左或向右移动计数器使用Verilog语言可以描述计数器，用于计数数字系统仿真和测试仿真工具1使用仿真工具可以验证Verilog代码的功能正确性测试用例2设计合理的测试用例，覆盖各种工作情况，验证电路的功能测试结果分析3分析仿真结果，判断电路是否符合设计要求概述FPGA架构FPGA1FPGA芯片包含大量的可编程逻辑单元和可编程互连资源，可以实现复杂的数字系统设计的优势FPGA2FPGA具有灵活、可重配置、高性能等特点，适合原型开发、快速验证和定制化设计开发流程FPGA12设计输入综合使用硬件描述语言或图形化设计工将设计转换为FPGA芯片可以识别具输入设计的逻辑电路34布局布线下载配置将逻辑电路映射到FPGA芯片的具将配置信息下载到FPGA芯片中，体位置，并连接各个逻辑单元完成硬件配置设计实践FPGA点亮七段数码管显示LED使用FPGA控制LED灯的亮灭，学习FPGA的基本操作使用FPGA控制七段数码管显示数字或字符，学习FPGA的输出控制微处理器系统概述微处理器系统设计实践系统设计程序编写设计一个基于微处理器的简单系统，包括CPU、存储器、编写程序控制微处理器，完成特定功能，如控制外设、处输入输出设备等理数据等数字系统设计实例分享嵌入式系统通信系统例如，智能家居系统、工业例如，无线通信系统、网络自动化系统等通信系统等图像处理系统例如，摄像头、人脸识别系统等课程总结知识回顾1回顾本课程学习的知识点，包括数字电路的基本概念、设计方法、硬件描述语言、FPGA和微处理器系统等技能总结2总结本课程培养的技能，包括数字电路设计、Verilog建模、FPGA开发、微处理器系统设计等参考资料和学习资源教材网站数字电路与系统设计相关教数字电路和系统设计相关的材网站，如IEEE、ACM等工具常用的数字电路和系统设计工具，如Altera QuartusII、Xilinx Vivado等。