《数字逻辑与电路设计》课件

《数字逻辑与电路设计》课件本课件旨在介绍数字逻辑与电路设计的基础知识，涵盖了数字逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路、可编程逻辑器件等主题，以及语言和VHDL设计等实践应用FPGA课程概述目标内容学习数字逻辑的基础知识，掌握数字电路的设计方法，并能使用数字逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器、可编程语言进行数字系统的设计与仿真逻辑器件、数字系统设计方法、语言和设计VHDL VHDLFPGA数字系统基础进制逻辑运算二进制、十进制、八进制、十六与、或、非、异或、与非、或非进制等、异或非等逻辑门电路与门、或门、非门、异或门、与非门、或非门、异或非门等数字逻辑代数基本运算1与、或、非代数定律2交换律、结合律、分配律、摩根定律等逻辑函数3逻辑表达式、真值表、卡诺图等布尔代数运算与运算或运算非运算当所有输入都为真时，输出才为真当任何一个输入为真时，输出就为真将输入的真值取反逻辑门电路与门或门非门用符号表示，两个输入都为真时，用符号表示，任意一个输入为真时用符号表示，将输入的真值取反AND ORNOT输出才为真，输出就为真组合逻辑电路定义特点12输出仅取决于当前的输入，不输出与输入之间存在唯一的对依赖于电路的历史状态应关系应用3编码器、译码器、加法器、比较器等组合逻辑电路分析真值表1列出所有可能的输入组合及其对应的输出逻辑表达式2用逻辑运算符表示电路的逻辑关系卡诺图3图形化表示逻辑函数，方便化简逻辑表达式组合逻辑电路设计功能描述1确定电路的功能和输入输出关系逻辑表达式2根据功能描述，写出逻辑表达式电路实现3选择合适的逻辑门电路实现逻辑表达式时序逻辑电路定义输出不仅取决于当前的输入，还依赖于电路的历史状态特点输出与输入之间存在记忆功能，可以存储信息应用寄存器、计数器、移位寄存器、状态机等时序逻辑电路分析12状态图状态表描述电路的状态转换过程列出电路在不同状态下的输出和状态转移3时序图显示电路的输入、输出和状态随时间的变化时序逻辑电路设计寄存器和移位寄存器寄存器移位寄存器用于存储和处理数据的一组触发器用于存储和移位数据的寄存器，可实现数据延迟或串并转换计数器电路计数器类型用于计数的时序逻辑电路，可实现计数、频率划分、定时等功能同步计数器、异步计数器、二进制计数器、十进制计数器等存储器电路随机存取存储器只读存储器RAM ROM可随机访问任意存储单元，用于存储内容在出厂时固定，用于存存储当前运行程序和数据放系统启动程序和常数编码和译码电路编码器1将十进制数转换为二进制数译码器2将二进制数转换为十进制数多路复用和分路器多路复用器分路器选择多个输入中的一个，并将选定的输入传递到输出将一个输入信号分路到多个输出，用于数据分配可编程逻辑器件CPLD FPGA复杂可编程逻辑器件，可实现现场可编程门阵列，可实现更较复杂的逻辑功能灵活、更复杂的逻辑功能模数转换电路定义1将模拟信号转换为数字信号类型2逐次逼近型、并行比较型、积分型等ADC ADCADC应用3传感器、数据采集系统、音频和视频处理等数模转换电路定义类型将数字信号转换为模拟信号权重型、逐次逼近型等DAC DAC数字系统的故障检测目的1检测数字电路中的故障和错误方法2测试向量、边界扫描测试、逻辑仿真等工具3逻辑分析仪、示波器、测试仪等数字系统的误差分析误差来源误差分析噪声、干扰、逻辑门电路的延时、时钟误差等评估误差的影响，并采取措施进行抑制和控制数字系统的性能优化123速度优化功耗优化面积优化降低电路的延时，提高工作频率降低电路的功耗，提高能效减少电路的面积，提高集成度数字逻辑设计的实现技术ASIC1专用集成电路，针对特定应用进行定制设计FPGA2现场可编程门阵列，可根据需要进行配置和重构SoC3系统级芯片，将多个功能模块集成在一块芯片上技术概述FPGA定义特点现场可编程门阵列，可根据需要灵活、可重构、快速开发、低成进行配置和重构本应用数字信号处理、图像处理、通信、控制系统等设计流程FPGA设计输入使用硬件描述语言HDL或图形化设计工具进行电路描述逻辑综合将HDL代码转换为FPGA可识别的逻辑门电路布局布线将逻辑门电路映射到FPGA的物理结构上配置下载将配置信息下载到FPGA器件中，实现电路功能语言基础VHDL定义特点一种硬件描述语言，用于描述数字电路的行为和结构易读、易维护、可移植性强、支持多种逻辑建模方法语言的数据类型和运VHDL算符数据类型运算符标准数据类型整数、实数、布尔型算术运算符、逻辑运算符、关系运算、字符型等符等过程和函数VHDL过程函数用于描述时序逻辑行为，可实现状态机、计数器等功能用于实现组合逻辑功能，可实现运算、数据转换等功能电路建模VHDL行为级建模数据流级建模12描述电路的功能，而不关心具描述数据在电路中的流动方式体的实现方式结构级建模3描述电路的具体硬件结构，包括逻辑门电路的连接方式综合实践VHDL。