數字邏輯電路概論t概論

第一章數制和編碼

第二章邏輯代數基礎

《數字邏輯電路》課程補充材料

第三章組合邏輯電路的分析與設計

第四章同步時序電路的分析

第五章同步時序電路的設計

第六章異步時序電路的分析與設計

第七章可編程邏輯器件PLD

第八章數字系統設計第2頁,共26頁，星期六，2024年，5月緒論一、關于課程：1.課程名稱：數字邏輯電路

DigitalLogicCircuits課程主要任務：

系統地介紹數字系統設計的理論知識；培養學生解決數字電路實現問題的實踐能力；

能夠獨立的設計并實現一個具體的邏輯功能部件或數字系統。第3頁,共26頁，星期六，2024年，5月3.研究的內容：關于“數字Digital”

模擬量analogvalue和模擬電路

analogcircuit

數字量digitalvalue和數字電路digitalcircuit

?

模擬量的特點：連續不斷的物理量(隨著時間變化)。?

數字量的特點：離散的、不連續的物理量，被抽象

為在任何時刻只有兩個離散值：用

0和1、高和低、真和假、H和L、T和F，等表示。第4頁,共26頁，星期六，2024年，5月?模擬電路：處理隨時間變化的信號，信號值可以是在一定范圍內連續變化的電壓、電流或其他參量。模擬電路包括基本放大電路、功率放大電路、模擬運算電路、有源濾波器、信號發生器等。模擬電路易受外界環境因素、自身老化等因素影響。模擬電路工作在器件（如三極管）的線性工作區域。第5頁,共26頁，星期六，2024年，5月?

數字電路和數字系統：數字電路由模擬部件構成，處理的是模擬電壓和電流。實際上它的電流和電壓也是在一定范圍內連續變化的。但在數字電路和系統的設計過程中我們假設它們不是連續變化的。（忽略模擬行為特性）也就是說所謂的“數字化抽象”使得模擬行為特性在多數情況下可被忽略，因此電路可建模成好像只處理“0”和“1”一樣。數字電路工作在器件（如三極管）的非線性工作區（飽和區和截止區）。第6頁,共26頁，星期六，2024年，5月例：電子線路中的晶體管工作示意圖，如下：ViVoVILVIHVOHVOL模擬部分：放大開關部分：截止，Vi=0Vo=1開關部分：飽和，Vi=1Vo=0注意：a模擬器件和模擬系統是處理模擬信號的。b晶體管的開關特性是數字電路研究的重點，上例中物理量已邏輯約定

成邏輯量0和1。c

數字電路具有模擬電路的特性，如時間延遲問題。ViVoVcciBiCiE第7頁,共26頁，星期六，2024年，5月

這個三極管電路起到了邏輯取反的作用：Vi＝0時Vo＝1；Vi＝1時Vo＝0。可作為一個非門。

對于一個標準門（Gate），其邏輯0（1）對應輸出電壓值并不一定是某一具體電壓值，它可以是在某一電壓范圍內，而這一電壓范圍能夠被其它門識別為邏輯0（1）。見左下圖。不同器件有不同的邏輯0/邏輯1的電壓范圍。只要某器件的輸出位在另一器件輸入的邏輯0/1電壓范圍內，該輸出將起到0（或1）的作用。模擬電子電路設計：確保邏輯門輸出的邏輯信號在合適的電壓范圍內（如在下一級輸入的要求范圍內）；同時識別在合適區域內的輸入邏輯信號。數字設計：只需一定的模擬電路知識以確定設備工作在規范要求的環境中。ViVoVcciBiCiE第8頁,共26頁，星期六，2024年，5月②

關于“邏輯logic”?研究“因果”關系，即邏輯關系。輸入量、輸出量均為邏輯量；

三種基本因果關系：

邏輯與:只有決定事物結果的全部條件同時具備時，結果才會發生。

邏輯或:在決定事物結果的諸條件中只要有任一個滿足，結果就會發生。

邏輯非:只要某一條件具備了，結果便不發生；而此條件不具備時，結果就會發生。

邏輯量是邏輯狀態的表示。

在二值邏輯中，只有兩種狀態，并且這兩種狀態互不相容，分別用0－狀態和1－狀態表示。0狀態一般表示邏輯狀態的假或無效；1狀態一般表示邏輯狀態的真或有效。第9頁,共26頁，星期六，2024年，5月?通過邏輯運算，實現其邏輯關系，即邏輯代數；

把與、或、非看作是邏輯變量間的最基本運算，可將邏輯關系寫成：二值邏輯只有決定結果的兩個條件A和B同時具備，即同時有效：A=1，B=1，則結果會發生，即結果有效：Y=1。若兩者中只有一個有效：A=1,B=0或A=0,B=1，則結果不會發生，即無效：Y=0。若兩者均無效：A=0,B=0，則結果不發生：Y=0。A=1,B=1則Y=1A=1,B=0則Y=1A=0,B=1則Y=1A=0,B=0則Y=0決定Y的只有一個條件AA=0則Y=1A=1則Y=0?邏輯是由邏輯量、邏輯關系和邏輯運算所組成的集合。?邏輯分為許多類型，其中最簡單的是二值邏輯運算，也稱二值布爾代數，又稱開關代數。如：真/假、開/關、高/低、有/無，1/0，等。（第2章）第10頁,共26頁，星期六，2024年，5月由若干邏輯部件構成，能夠對數字信息進行加工、傳送及存儲的物理設備。由于這種邏輯加工(即邏輯運算)是建立在一套完整的邏輯理論(即邏輯代數)基礎上，這種科學的嚴密性保證了系統的準確性和可靠性，并易于控制。④關于“數字邏輯電路digitallogiccircuit”通過討論數字電路中輸入信號與輸出信號之間的邏輯關系，運用數字邏輯的基本原理和基本方法，設計出實現特定邏輯要求的邏輯器件（電路），最終完成一個完整的數字系統。③關于“數字系統digitalsystem”第11頁,共26頁，星期六，2024年，5月利用TTL等模擬器件的截止區和飽和區特性，將器件的輸入/輸出電壓分別歸為邏輯0和邏輯1。然后利用TTL器件的不同連接形成實現二值邏輯的不同運算（與、或、非）的邏輯部件，進而實現更復雜的邏輯運算，從而實現邏輯功能。模擬電壓/電流0、1邏輯量與或非門更復雜邏輯數字系統TTL開關特性多個TTL連接多個門連接不同邏輯功能第12頁,共26頁，星期六，2024年，5月⑤數字電路與模擬電路相比有什么優點呢？穩定性好

設計得好的數字電路，若給定一組確定的輸入，總會給出相同的輸出結果（邏輯關系）。而模擬電路則表現得總是不太穩定，其輸出還受溫度、電源電壓、器件老化等諸多因素影響。速度快

目前的數字器件運行速度非常快。晶體管的開關速度已經小于10ps。用這樣快速的晶體管制造的復雜數字電路系統可以在2ns中對輸入產生響應。也就是說在一秒鐘內可以產生500兆次輸出。（2ns＝10ps×200）集成度高且成本低

數字電路可以在一個很小的空間里提供許多功能。常用的電路均可以設計成集成電路芯片，且生產成本很小。現在市場上有許多用過就丟棄的計算器、手表、會唱歌的圣誕卡片等都是這一類產品。第13頁,共26頁，星期六，2024年，5月設計容易

數字設計，即邏輯設計，輸入輸出要求合乎邏輯，并不需要特別的數學技巧。尤其是規模小的數字電路的邏輯特性很容易明白，也不需要很深入地了解諸如電容、晶體管和許多其他器件的微積分模型。功能靈活

當把實際問題簡化為數字形式，就可以通過空間和時間上的一系列邏輯步驟加以處理。例如：很容易設計一個數字電路對一段錄音進行加密，只有知道密碼的人才能聽出。但若只用模擬電路的技術要做到這點就很困難。可編程性

數字邏輯的設計完全可以用硬件描述語言HDL來編程，還可以編寫它的可綜合模型、仿真模型，并通過運行程序來驗證設計的正確性，然后把它下載到CPLD或FPGA上，或者作成專用的IC。第14頁,共26頁，星期六，2024年，5月硬線邏輯：由與門、或門、觸發器、MSI、LSI等基本邏輯部件構成的邏輯系統。4.本課程在學科體系中的地位第15頁,共26頁，星期六，2024年，5月4.本課程在學科體系中的地位重點研究這些基本邏輯部件——“邏輯門”的外部功能；并由“門”構建更大的功能級模塊部件，如加法器、運算器或控制器等。第16頁,共26頁，星期六，2024年，5月綜上所述“數字邏輯電路”是一門集數字電子技術、邏輯分析方法、計算機組成科學為一體的專業課程，研究在計算機體系結構、數字系統中部件級的分析和設計方法。第17頁,共26頁，星期六，2024年，5月5.

數字系統的層次化結構設計：邏輯部件簡單的數字系統，如汽車尾燈、交通燈控、廣告燈箱等較復雜的數字系統，如單片機工控、測試等帶有簡單編程的系統。復雜的數字系統，如計算機系統，要研究其“組成”和“系統結構”。第5級復雜系統：從第2級到第4級的功能部件第4級更復雜的功能邏輯單元，如微處理器(VLSI)第3級功能邏輯單元，如加法器、計數器、乘法器(MSI與LSI)第2級功能邏輯單元，如門，與門、非門，及觸發器(SSI)第1級電子元件，如晶體管、二極管、電阻、電容(元件級)SSI：等效包含1到20個門。MSI：等效包含20到200個門。LSI：等效包含200到200000或更多的門。VLSI：具有超過1000000個晶體管的IC一定是VLSI。第18頁,共26頁，星期六，2024年，5月數字系統層次化結構結構域復雜系統：從第2級到第4級的功能部件系統級：CPU、存儲器更復雜的功能邏輯單元，如微處理器算法級：控制器、網表功能邏輯單元，如加法器、計數器、乘法器RTL級：ALU、寄存器、MUX功能邏輯單元，如門，與門、非門，及觸發器邏輯級：門、觸發器電子元件，如晶體管、二極管、電阻、電容電路級：晶體管描述部件或系統的三個充分必要條件，也就是從不同角度充分描述部件或系統：行為域、結構域、物理域。第19頁,共26頁，星期六，2024年，5月行為域：強調行為，說明電路功能，即電路的輸入/輸出關系，但與該行為

的實現無關。結構域：對組成電路的各部件及部件間的拓撲連接關系進行描述，給出互

連功能部件的層次關系。物理域：提供生產和制造物理實體所需要的信息，如幾何布局或拓撲約束

等，即空間的物理布局和物理特性，沒有任何功能部件的概念。第20頁,共26頁，星期六，2024年，5月第21頁,共26頁，星期六，2024年，5月二、教材及參考書目：

數字邏輯（第三版）.鮑家元毛文林張琴編著.北京：高等教育出版社.2011.6《DigitalDesign--Principles&Practices(ThirdEdition)》.JohnF.Wakerly.北京：高等教育出版社.2001年《DigitallogicalCircuitAnalysis&Design》.VictorP.Nelson.北京：清華大學出版社.1997年

MIT開放式課程鏡像網站——課程編號6.111/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-111Spring2004/CourseHome/index.htm

/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-111Spring-2006/CourseHome/index.htm

第22頁,共26頁，星期六，2024年，5月三、全書各章總述概論

總述《數字邏輯電路》課程的主要任務、研究目的、研究的內容，以及學習方法。第一章數制和編碼

數字系統主要處理二進制數據（binarydigits－0s和1s）。數字系統設計者應在二進制數據和現實生活中的數、事件、條件之間建立一種聯系。也就是要知道如何在二進制數字系統中表示并處理我們日常熟悉的數值量（如非二進制數據、事件、條件等）。

主要介紹：不同進位計數制之間的相互轉換；二進制帶符號數的代碼表示（用數據位表示符號）及其加減運算；十進制的常用二進制代碼；可靠性編碼（具有檢錯、糾錯能力的編碼）。第23頁,共26頁，星期六，2024年，5月第二章邏輯代數基礎

邏輯代數是二值邏輯運算中的基本數學工具，它廣泛應用于數字系統的分析和設計中。

數字