1、2022-7-7數字電子數字電子技術技術Email: 2022-7-72022-7-7數字技術數字技術2022-7-7集集成成電電路路電子器件的發展電子器件的發展電電子子管管晶晶體體管管分分立立元元件件（SSI（100以下）以下）MSI（103）LSI（104）超大規模超大規模VLSI（105以上）以上）1906年，福雷斯特等發明了電子管；電子管體年，福雷斯特等發明了電子管；電子管體積大、重量重、耗電大、壽命短。世界上第一積大、重量重、耗電大、壽命短。世界上第一臺計算機用了臺計算機用了1.8萬只電子管，占地萬只電子管，占地170平方米，平方米，重重30噸，耗電噸，耗電150W。目前在一些大功率

2、發射。目前在一些大功率發射裝置中使用。裝置中使用。1948年，肖克利等發明了晶體管，其年，肖克利等發明了晶體管，其性能在體積、重量方面明顯優于電子性能在體積、重量方面明顯優于電子管，但器件較多時由分立元件組成的管，但器件較多時由分立元件組成的分立電路體積大、焊點多、電路的可分立電路體積大、焊點多、電路的可靠性差。靠性差。1960年集成電路出現，成年集成電路出現，成千上萬個器件集成在一塊千上萬個器件集成在一塊芯片，大大促進了電子學芯片，大大促進了電子學的發展，尤其促進數字電的發展，尤其促進數字電路和微型計算機的飛速發路和微型計算機的飛速發展。展。芯片中集成上萬個芯片中集成上萬個等效門，目前高的等

3、效門，目前高的已達上百萬門。已達上百萬門。2022-7-7半導體集成電路半導體集成電路2022-7-7n本課內容：本課內容： “0”和“1”的問題n學習方法：學習方法：在具體的數字電路與分析和設計方法之間，以分析和設計方法分析和設計方法為主；在具體的設計步驟與所依據的概念和原理之間，以概概念和原理念和原理為主；在集成電路的內部工作原理和外部特性之間，以外部特性外部特性為主。2022-7-7EDA技術技術EDA技術以計算機為基本工具、借助于技術以計算機為基本工具、借助于軟件設計平臺，自動完成數字系統的邏軟件設計平臺，自動完成數字系統的邏輯綜合、布局布線、仿真等工作。最后輯綜合、布局布線、仿真等工

4、作。最后下載到芯片，實現方案。下載到芯片，實現方案。1、設計：、設計：在計算機上利用軟件平臺進行設計在計算機上利用軟件平臺進行設計設計方法設計方法原理圖設計原理圖設計VHDL語言設計語言設計狀態機設計狀態機設計 EDA技術：技術：2022-7-72、仿真、仿真3、下載、下載4、驗證結果、驗證結果實驗板實驗板下載線下載線2022-7-72022-7-7第第1 1章章 數字邏輯基礎數字邏輯基礎n模擬信號與數字信號n模擬電路與數字電路n數制 二進制、十進制、十六進制、八進制 進制之間的相互轉換n碼制n基本邏輯運算n邏輯函數2022-7-7一、模擬信號和數字信號一、模擬信號和數字信號 模擬信號：在時間

5、和數值上連續變化的信號。模擬信號：在時間和數值上連續變化的信號。 時間上連續，幅值上也連續時間上連續，幅值上也連續數字信號：在時間和數值上變化是離散的信號。數字信號：在時間和數值上變化是離散的信號。 時間上離散，幅值上整數化時間上離散，幅值上整數化 tt2022-7-7二、模擬電路和數字電路二、模擬電路和數字電路n 模擬電路：工作在模擬信號下的電子電路。模擬電路：工作在模擬信號下的電子電路。n 數字電路：工作在數字信號下的電子電路。具體講，數字電路：工作在數字信號下的電子電路。具體講，數字數字電路就是對數字信號進行產生、存儲、傳輸、變換、運算電路就是對數字信號進行產生、存儲、傳輸、變換、運算及

6、處理的電子電路。及處理的電子電路。三、數字電路的優點三、數字電路的優點n 精確度較高；精確度較高；n 有較強的穩定性、可靠性和抗干擾能力；有較強的穩定性、可靠性和抗干擾能力；n 具有算術運算能力和邏輯運算能力，可進行邏輯推理和邏具有算術運算能力和邏輯運算能力，可進行邏輯推理和邏輯判斷；輯判斷；n 電路結構簡單，便于制造和集成；電路結構簡單，便于制造和集成；n 使用方便靈活。使用方便靈活。2022-7-7一、數制的幾個概念一、數制的幾個概念：在某一進位制的數中，每一位的大小都對：在某一進位制的數中，每一位的大小都對應著該位上的數碼乘上一個固定的數，這個固定的數就是這一位應著該位上的數碼乘上一個固

7、定的數，這個固定的數就是這一位的權數。權數是一個冪。的權數。權數是一個冪。 ：表示數時，僅用一位數碼往往不夠用，必須用進：表示數時，僅用一位數碼往往不夠用，必須用進位計數的方法組成多位數碼，且多位數碼每一位的構成及低位到位計數的方法組成多位數碼，且多位數碼每一位的構成及低位到高位的進位都要遵循一定的規則，這種計數制度就稱為進位計數高位的進位都要遵循一定的規則，這種計數制度就稱為進位計數制，簡稱數制。制，簡稱數制。 ：進位制的基數，就是在該進位制中可能用到的數碼個數：進位制的基數，就是在該進位制中可能用到的數碼個數。2022-7-7類別類別十進制十進制(Decimal)二進制二進制(Binary

8、)八進制八進制(Octal)十六進制十六進制(Hexadecimal)數碼數碼0,1,90,10,1,70,1,9,AF基數基數102816進位規則進位規則逢逢10進進1逢逢2進進1逢逢8進進1逢逢16進進1第第i i位的權值位的權值10i i2i i8i i16i i二、幾種常用數制二、幾種常用數制結論：結論： 一般地，一般地，R進制需要用到進制需要用到R個數碼，基數是個數碼，基數是R ；運算規律為逢；運算規律為逢R進一。進一。 如果一個如果一個R進制數進制數M包含位整數和位小數，即包含位整數和位小數，即 (M)R (an-1 an-2 a1 a0 a1 a2 am)R 位置記數法位置記數法

9、 an-1 R n-1 an-2 R n-2 a1 R 1 a0 R 0a1 R -1 a2 R -2 am R m 按權展開法按權展開法 R1nmiiRai2022-7-7 幾幾 種種進進制制 數數之之間間的的對對應應關關系系十進制數二進制數八進制數十六進制 數0123456789101112131415000000000100010000110010000101001100011101000010010101001011011000110101110011110123456710111213141516170123456789ABCDEF2022-7-71032101232)375.11(

10、21212021212021)011.1011(1010128525450687643848687834376).(.).( 102101216066493916116116111610163113).()( AB 2101101061051021015612 .例：例： 數制轉換：任意進制按權展開即可得到十進制數。數制轉換：任意進制按權展開即可得到十進制數。2022-7-71.任意進制數轉換為十進制數任意進制數轉換為十進制數 按權展開，相加即可得按權展開，相加即可得。2.十進制數轉換為任意進制數十進制數轉換為任意進制數 整數部分：整數部分：除基數除基數R倒取余法倒取余法 小數部分：小數部分：

11、乘基數乘基數R取整法取整法例例2. 將十進制數將十進制數 (25.638)10 轉換為二進制數。轉換為二進制數。 三、數制間的轉換三、數制間的轉換(25)10=(11001)2(0.638)10=(0.1010)2(25.638)10=(11001.1010)22022-7-73.二進制數和八進制數、十六進制數間的轉換二進制數和八進制數、十六進制數間的轉換 八進制數和十六進制數的基數分別為八進制數和十六進制數的基數分別為 8=23，16=24， 所以三位二進制數恰好相當一位八進制數，四位二進制數所以三位二進制數恰好相當一位八進制數，四位二進制數相當一位十六進制數，相當一位十六進制數， 它們之間

12、的相互轉換是很方便的。它們之間的相互轉換是很方便的。1）2進制數轉換為進制數轉換為8進制、進制、16進制數進制數.小數點小數點2）8進制、進制、16進制數轉換為進制數轉換為2進制數進制數8進制數進制數 2進制數：進制數：1位變位變3位位16進制數進制數 2進制數：進制數：1位變位變4位位2022-7-7例例: : 求求(1101111010.1011)2 = (?)8 = (?)16二進制二進制 1 101 111 010 . 101 1 八進制八進制 1 5 7 2 . 5 4 所以所以 (01101111010.1011)2 = (1572.54) 8 二進制二進制 0011 0111 1

13、010 . 1011 十六進制十六進制 3 7 A . B 所以所以 (01101111010.1011)2 = (37AB) 16 00002022-7-7例例: : 求求(375.46)8 = (?)2 (678.A5)16 = (?)2八進制八進制 3 7 5 . 4 6二進制二進制 011 111 101.100 110十六進制十六進制 6 7 8 . A 5 二進制二進制 0110 0111 1000 . 1010 0101所以所以 (375.46)8 = (011111101.100110)2所以所以 (678.A5)16 = (1100111100010100101)22022-

14、7-7 用一定位數的二進制數來表示十進制數碼、字母、符號用一定位數的二進制數來表示十進制數碼、字母、符號等信息稱為等信息稱為編碼編碼。 這一定位數的二進制數就稱為這一定位數的二進制數就稱為代碼代碼。 數字系統只能識別數字系統只能識別0 0和和1 1，怎樣才能表示更多的數碼、符，怎樣才能表示更多的數碼、符號和字母呢？用編碼可以解決此問題。號和字母呢？用編碼可以解決此問題。 用用4 4位二進制數位二進制數b b3 3b b2 2b b1 1b b0 0來表示十進制數中的來表示十進制數中的 0 0 9 9 十十個數碼。簡稱個數碼。簡稱BCDBCD碼。有多種編碼方式。碼。有多種編碼方式。一、二十進制碼

15、（一、二十進制碼（BCDBCD碼）碼）( Binary Code Decimal( Binary Code Decimal）對于對于N個信息，要用幾位的二進制數才能滿足編碼呢？個信息，要用幾位的二進制數才能滿足編碼呢？ 2n N2022-7-78421碼碼 余余3碼碼 2421碼碼 5421碼碼 余余3循環碼循環碼編碼0123456789十進種類制數幾種常見的幾種常見的BCDBCD碼碼8421BCD碼和十進制間的轉換是碼和十進制間的轉換是直接按位（按組）轉換直接按位（按組）轉換。2022-7-7對于有權對于有權BCDBCD碼，可以根據位權展開求得所代表的碼，可以根據位權展開求得所代表的十進制數

16、。十進制數。BCD8421 0111( )D 7=11214180+= ( )D BCD2421 7112041211101=+= 例例1：求求BCD代碼表示的十進制數代碼表示的十進制數2022-7-7對于一個多位的十進制數，需要有與十進制位對于一個多位的十進制數，需要有與十進制位數相同的幾組數相同的幾組BCD代碼來表示。代碼來表示。 BCD2421 236810 BCD8421 536410 0010 .0011 1100 11102 .8630101 .0011 0110 01005 .463 不能省略！不能省略！不能省略！不能省略！例例2：用用BCD代碼表示十進制數代碼表示十進制數202

17、2-7-7二、可靠性編碼二、可靠性編碼1.格雷碼（格雷碼（Gray碼）碼） 格雷碼是一種典型的循環碼。格雷碼是一種典型的循環碼。循環碼特點：循環碼特點： 相鄰性相鄰性：任意兩個相鄰：任意兩個相鄰碼組間僅有一位的狀態不同。碼組間僅有一位的狀態不同。 循環性循環性：首尾兩個碼組：首尾兩個碼組也具有相鄰性。也具有相鄰性。 十進制數十進制數格雷碼格雷碼十進制數十進制數格雷碼格雷碼000008110010001911012001110111130010111110401101210105011113101160101141001701001510002022-7-7兩位格雷碼兩位格雷碼001100001

18、11100 000000111111 11三位格雷碼三位格雷碼四位格雷碼四位格雷碼0 00 11 11 01 01 10 10 00110 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 00 0 00 0 10 1 10 1 01 1 01 1 11 0 11 0 0一一 種種 典典 型型 的的 格格 雷雷 碼碼2022-7-7 2. 2. 奇偶校驗碼奇偶校驗碼 2022-7-7十進制數十進制數8421BCD奇校驗碼奇校驗碼8421BCD偶校驗碼偶校驗碼 信息位信息位 校驗位校驗位 信息位信息位 校驗位校驗位00 0 0 0 10 0 0 0 01

19、0 0 0 1 00 0 0 1 120 0 1 0 00 0 1 0 130 0 1 1 10 0 1 1 040 1 0 0 00 1 0 0 150 1 0 1 10 1 0 1 060 1 1 0 1 0 1 1 0 0 70 1 1 1 00 1 1 1 181 0 0 0 01 0 0 0 191 0 0 1 11 0 0 1 08421BCD8421BCD奇偶校驗碼奇偶校驗碼3. ASCII3. ASCII碼碼（American Standard Cord for Information Interchange） ASCII碼，即美國信息交換標準代碼。采用碼，即美國信息交換標準代

20、碼。采用7位二進制編碼，用來表示位二進制編碼，用來表示27（即（即128）個字符。）個字符。2022-7-71.5 基本邏輯運算基本邏輯運算邏輯函數：各種事物邏輯關系的數學描述，又稱邏 輯表達式，值為0 或1。如：CBACBBAFCABCBABFA邏輯變量：A、B、C等，值為0或1。 其中：A為原變量， 為反變量。邏輯運算：“與” “或” “ 非”2022-7-71. 與運算（邏輯乘）（與運算（邏輯乘）（AND）Y一、基本邏輯運算一、基本邏輯運算2022-7-72022-7-7與運算符，也有用與運算符，也有用 “” “”、“”“”、“&”&”表示表示與門邏輯符號與門邏輯符號&a

21、mp;AYBYABAYB2022-7-72. 或運算（邏輯加）或運算（邏輯加） （OR）BYA2022-7-7或運算真值表或運算真值表2022-7-7或運算真值表或運算真值表或運算符，也可用或運算符，也可用“”、“”表示表示或門邏輯符號或門邏輯符號1 1 ABYYAB + + ABY2022-7-73. 3. 非運算（邏輯反）（非運算（邏輯反）（NOTNOT）AY2022-7-7“”非邏輯運算符非邏輯運算符非運算真值表非運算真值表非門邏輯符號非門邏輯符號1AYYAAY2022-7-7二、復合邏輯運算二、復合邏輯運算1. 1. 與非運算（與非運算（NANDNAND）與非邏輯真值表與非邏輯真值表A

22、BABY Y &AYBYAB與非門邏輯符號與非門邏輯符號AYB2022-7-7 或非邏輯真值表或非邏輯真值表2. 2. 或非運算（或非運算（NORNOR）BAY或非門邏輯符號或非門邏輯符號1 1 ABYYAB+ + ABY2022-7-7與或非門邏輯符號與或非門邏輯符號3. 與或非運算（與或非運算（AND-OR-NOT）ABCDYYDCAB1 1&CDABY與或非邏輯真值表與或非邏輯真值表YDCAB+ +2022-7-7 4. 異或運算（異或運算（XOR）異或邏輯真值表異或邏輯真值表BABABAY異或門邏輯符號異或門邏輯符號YAB=1AYBAYB 2022-7-7 5. 同或運算（同或運算（XNOR）同或邏輯真值表同或邏輯真值表ABBABAY異或與同或互為反運算異或與同或互為反運算：BA BA BABA 同或門邏輯符號同或門邏輯符號=AYBYABA YB2022-7-7與運算A0=0, A1=A或運算A+0=A, A+1=1非運算AA=0, A+A=1總結：總結：異或運算的特點: X，Y取值相同，Z為0； X，Y取值不同，Z為1。 A1=AA0=A 奇數個1異或得1， 偶數個1異或得0。 若C= A B， 則A=C B，B=A C； A(B C)=(AB) (AC)2022-7-7新