薛宏熙《数字逻辑设计》cha课件

数字逻辑设计数字逻辑设计是计算机科学和电子工程领域的重要基础，它研究了数字电路的结构、功能和设计方法课程涵盖逻辑代数、组合电路、时序电路、存储器等内容，为学习计算机体系结构、嵌入式系统等课程打下坚实基础绪论数字逻辑设计概述数字逻辑设计的应用数字逻辑设计是一门研究数字电路结构和工作原理的学科数字逻辑设计在现代科技中无处不在，例如计算机、手机、网络设备、工业自动化等它涉及使用逻辑门和触发器等基本元件构建复杂的数字系统它为现代社会的发展和进步提供了重要的技术基础数制与编码罗马数字二进制十六进制罗马数字是一种古代数字系统，使用字二进制使用0和1来表示数字，是计算十六进制使用0-9和A-F来表示数字，母来表示数字机使用的基本数制在计算机科学和颜色表示中广泛应用逻辑代数基础逻辑运算逻辑变量逻辑代数使用逻辑运算符来表逻辑变量表示逻辑值，通常用示逻辑关系，包括与、或、非0和1来表示真和假等运算逻辑表达式逻辑函数逻辑表达式使用逻辑变量和逻逻辑函数描述逻辑表达式与输辑运算符来描述逻辑关系出之间的映射关系布尔代数基本运算逻辑加1或运算，符号为+，结果为真逻辑乘2与运算，符号为·，结果为真逻辑非3取反运算，符号为-，结果为真异或4相同为假，不同为真同或5相同为真，不同为假布尔代数中的基本运算包括逻辑加、逻辑乘、逻辑非、异或和同或运算这些运算用于描述逻辑电路的行为和进行逻辑函数的化简逻辑函数的化简方法代数化简1利用基本公式和定理卡诺图化简2图形化方法，直观简洁真值表化简3列出所有输入组合及对应输出逻辑综合4使用逻辑综合软件自动优化逻辑函数化简是数字逻辑设计中不可或缺的一部分通过化简，可以得到更简洁、更易于实现的逻辑电路常用的化简方法包括代数化简、卡诺图化简、真值表化简和逻辑综合逻辑门电路逻辑门电路是数字电路中最基本的组成单元逻辑门电路用于执行基本逻辑运算，例如与、或、非、异或、同或和与非等操作这些操作可以通过逻辑运算符来表示逻辑门电路是构成复杂数字电路的基础，例如加法器、减法器、比较器和存储器等逻辑门电路具有两种状态高电平

（1）和低电平

（0）高电平表示逻辑真值，低电平表示逻辑假值组合逻辑电路设计功能分析1首先，要根据系统需求分析电路的功能，确定输入和输出信号逻辑表达式2根据分析结果，用逻辑表达式描述电路的功能，确定逻辑关系逻辑电路图3根据逻辑表达式，绘制逻辑电路图，选择合适的逻辑门实现电路功能电路仿真4使用仿真软件对电路进行仿真测试，验证电路功能是否正确电路实现5根据仿真结果，选择合适的芯片或器件，搭建实物电路测试验证6对实物电路进行测试，验证电路功能是否符合设计要求组合逻辑电路的故障检测故障类型组合逻辑电路可能存在逻辑门故障、连接故障、元件故障等检测方法•静态测试•动态测试测试信号选择合适的测试信号，覆盖所有可能的逻辑状态顺序逻辑基础存储信息时序特性

1.

2.12顺序逻辑电路可以存储信息电路的输出不仅取决于当前，记忆电路先前状态输入，也取决于先前状态状态变化

3.3通过时钟信号控制电路状态变化，实现信息存储和处理时序逻辑触发器时序逻辑触发器是构成时序逻辑电路的基本单元，它是一种具有记忆功能的电路触发器能够存储一位二进制信息，并根据输入信号的变化来改变存储的信息触发器的状态由一个或多个存储单元来决定，这些存储单元通常称为“锁存器”触发器可以分为同步触发器和异步触发器时序逻辑电路电路类型时序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入，还取决于电路过去的状态记忆功能时序逻辑电路通过存储元件（触发器）来记录过去的状态，实现记忆功能时钟信号时钟信号控制着电路状态的更新，确保同步操作应用范围时序逻辑电路广泛应用于计数器、寄存器、状态机等数字系统中同步顺序逻辑电路设计状态机模型1描述电路行为状态图2可视化状态转换状态表3列出状态转换逻辑实现4选择合适的触发器同步顺序逻辑电路设计采用状态机模型，通过状态图和状态表描述电路行为状态图可视化地展示状态转换，而状态表则详细列出所有状态转换情况最后，根据状态表选择合适的触发器并进行逻辑实现异步顺序逻辑电路设计123异步顺序逻辑电路的定义异步顺序逻辑电路的特点异步顺序逻辑电路的设计方法异步顺序逻辑电路是一种状态机，其异步顺序逻辑电路的优点是速度快，异步顺序逻辑电路设计方法主要有状状态变化不受时钟信号控制，而是由但设计复杂，容易出现竞争和冒险现态机设计方法、竞争和冒险消除方法输入信号的变化直接触发象等数字算术逻辑电路加法器减法器加法器是数字系统中最重要的减法器是数字系统中另一种重算术逻辑电路之一，用于执行要的算术逻辑电路，用于执行两个或多个二进制数的加法运两个二进制数的减法运算算乘法器除法器乘法器是数字系统中用于执行除法器是数字系统中用于执行两个二进制数的乘法运算的算两个二进制数的除法运算的算术逻辑电路，通常采用移位相术逻辑电路，通常采用移位比加的方法实现较的方法实现数字系统中的存储器存储器概述RAM分类ROM分类存储器应用存储器是数字系统中必不RAM分为静态RAM（SRAM ROM分为掩膜ROM、可编存储器广泛应用于计算机可少的组成部分，用于存）和动态RAM（DRAM）程ROM（PROM）、可擦除系统、嵌入式系统和各种储数据和指令SRAM使用晶体管和电容器可编程ROM（EPROM）和电子设备中来存储数据，DRAM使用电闪存存储器分为多种类型，包容器来存储数据括随机存取存储器（RAM ROM存储数据不可更改，）和只读存储器（ROM）PROM可以一次性编程，SRAM速度快，价格高，EPROM可以使用紫外线擦DRAM速度慢，价格低除，闪存使用电气擦除程序逻辑控制器PLC是一种可编程的电子设备，用于自动化它们根据编程指令接收输入信号，并根据逻控制工业流程辑运算输出控制信号PLC通常具有坚固的设计，能够在恶劣的工它们广泛应用于制造、包装、食品加工、水业环境中可靠地运行处理和能源等领域可编程逻辑器件灵活的设计多种类型12可编程逻辑器件允许用户自包括可编程逻辑阵列PLA定义电路功能，满足特定应、可编程逻辑阵列PAL和用需求现场可编程门阵列FPGA高效的实现广泛的应用34相比于传统方法，可编程逻在数字系统设计中扮演着重辑器件能够实现更复杂的功要角色，用于实现各种功能能，并减少开发时间和成本模块逻辑电平标准逻辑电平标准定义了数字电路中逻辑信号的电压范围不同标准定义了不同的电压范围，以确保不同厂商的芯片之间能够正常通信逻辑电平标准通常包含以下内容0V5V低电平高电平代表逻辑“0”代表逻辑“1”

2.5V1V阈值噪声容限区分逻辑“0”和逻辑“1”的界限信号允许的波动范围常用的逻辑电平标准包括TTL、CMOS、ECL等集成电路逻辑族逻辑族逻辑族逻辑族TTL CMOSECLTTL逻辑族是最早出现的集成电路逻辑CMOS逻辑族使用金属氧化物半导体场ECL逻辑族使用发射极耦合逻辑，以其家族，其使用双极型晶体管作为基础器效应晶体管（MOSFET）作为基础器件速度极快而闻名，适用于高速数字系统件，以其速度快、功耗低、驱动能力强，以其功耗低、集成度高、工作电压范等特点而闻名围宽等优点而广泛应用低功耗逻辑电路功耗降低降低电路功耗，延长电池寿命，提高设备续航能力提高效率减少能源浪费，降低运行成本，符合环保要求集成度提升将更多功能集成到更小的芯片中，减小电路尺寸模拟数字接口电路-模拟-数字接口电路是连接模拟信号和数字信号的桥梁，在各种电子系统中发挥着至关重要的作用模数转换1将模拟信号转换为数字信号数模转换2将数字信号转换为模拟信号接口电路设计3实现模拟信号和数字信号的互操作应用领域4音频处理、图像处理、控制系统数字系统设计方法系统需求分析明确系统功能、性能需求，并制定规格说明书系统架构设计根据需求分析结果，选择合适的硬件平台、软件系统架构和关键组件详细设计制定系统模块、功能模块的设计方案，并进行详细的逻辑设计和算法实现系统实现根据详细设计文档，进行代码编写、硬件电路设计、软件开发和系统集成系统测试与调试对系统进行功能测试、性能测试、可靠性测试，并进行问题诊断和解决系统维护与升级定期对系统进行维护，并根据用户需求和技术发展进行升级语言基础VHDL数据类型运算符VHDL支持多种数据类型，包括整数、实数、布尔值、枚举类型VHDL提供丰富的运算符，包括算术运算符、关系运算符、逻辑等，满足数字系统设计中各种数据的表示需求运算符等，方便进行各种逻辑运算和数据处理语句结构实体和结构体VHDL使用结构化的语句结构，包括赋值语句、过程语句、循环VHDL通过实体和结构体来描述数字电路的硬件结构和行为，实语句等，实现复杂的数字逻辑功能现对电路的设计、仿真和综合语言建模VHDLVHDL语言建模是将数字电路设计描述成VHDL代码的过程行为级1描述电路的行为，无需关心具体实现数据流级2描述电路的数据流，强调数据之间的传输结构级3描述电路的结构，用已有的器件来组合成电路根据设计需求选择不同的建模层次，每个层次都有不同的特点和应用场景语言仿真VHDL建立仿真模型1使用VHDL语言描述电路，并将其编译成仿真模型创建测试激励2编写测试激励，用于驱动仿真模型，并验证其行为运行仿真3启动仿真器，加载仿真模型和测试激励，并观察仿真结果语言综合VHDL逻辑设计1VHDL描述电路行为综合工具2将VHDL代码转换为门级网表布局布线3将门级网表映射到目标芯片可编程逻辑器件4FPGA或CPLDVHDL语言综合是将VHDL代码转换为可编程逻辑器件的物理实现过程综合工具通过分析VHDL代码，将其转化为逻辑门电路的连接关系，最终生成可用于实际电路设计的网表语言测试VHDL测试用例设计测试用例应覆盖所有可能的输入组合，确保设计的完整性仿真环境搭建使用仿真软件模拟实际硬件环境，验证设计行为是否符合预期测试结果分析分析仿真结果，检查设计是否满足规格要求，并进行必要的调试和改进硬件测试将设计下载到实际硬件平台，进行实际电路测试，验证设计在真实环境中的运行情况纳米器件与新兴技术纳米器件是利用纳米尺度的材料和结构构建的电子器件，具有更高的速度、更低的功耗和更高的集成度新兴技术包括量子计算、神经形态计算和光子计算等，它们有望突破传统计算的局限，实现更强大的计算能力数字系统设计软件介绍EDA工具硬件描述语言（HDL）仿真工具开发板EDA工具是数字系统设计中VHDL和Verilog是常用的硬件仿真工具可以模拟电路的行FPGA开发板提供硬件平台，不可或缺的工具，涵盖从电描述语言，用于描述数字电为，测试设计是否符合预期用于验证和测试数字系统设路设计、仿真到验证的各个路的行为和结构，方便设计，帮助发现设计错误计，并提供硬件接口和外设环节，例如复杂数字系统•Xilinx Vivado•Altera Quartus•Cadence总结与展望本课程全面讲解数字逻辑设计，从基础理论到应用实践，涵盖了数字逻辑设计领域的各个方面数字逻辑设计在现代科技发展中扮演着重要角色，未来将继续朝着高速、低功耗、高集成度的方向发展。