数字逻辑设计Digital Logic Design.pdf
Lecture 1 Introduction to Digital Logic Design[第1讲介绍数字逻辑设计]
![Lecture 1 Introduction to Digital Logic Design[第1讲介绍数字逻辑设计]](https://img.taocdn.com/s3/m/0798f1fdad51f01dc381f126.png)
• Teaching Assistant
– Peng Kang – Office: M314 Tech – EMAIL: pengkang2011@
• Web Page: EECS 303 Lecture 1 /~haizhou/303/
– Chapter 1 – Chapter 2
EECS 303 Lecture 1
2
Class Administration
• Lectures twice a week, Tuesday-Thursday 3:304:50PM • Instructor:
– – – – Hai Zhou Office: L461 Tech EMAIL: haizhou@ PHONE: 491-4155
Implementation
Assemble primitives into more complex building blocks Composition via wiring Choose among alternatives to improve the design Debug Faulty systems: design flaws, composition flaws, component flaws Design to make debugging easier Hypothesis formation and troubleshooting skills
EECS 303 Lecture 1
7
The Process of Design
Design Implementation Debug
Design Initial concept: what is the function performed by the object? Constraints: How fast? How much area? How much cost? Refine abstract functional blocks into more concrete realizations
姜书艳 数字逻辑设计及应用 1
课堂录像
学生听课时应精神饱满， 适时做笔记，不要趴在桌 子上或斜坐在座位上。
桌面保持适当的整洁。 课堂上应与老师进行必要
的互动。
21
Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用)
课程简介
“数字逻辑设计及应用”课程历来是我校的重要专业基 础课程之一，是研究数字系统设计的入门课程。
Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用)
习题 每次课 2—4题（基本采用教材习题）； 每章结束上交，批改后将进行针对性讲解，并
给出参考解答； 每课一题
每次内容讲解的课上布置，自备一页纸完成， 要求当堂完成上交；
课程设计 综合性考查，组合电路和时序电路各一次，要
5
普林斯顿大学的本科培养目标：
具有清楚的思维、表达和写作能力 具有以批评的方式系统推理的能力
具有形成概念和解决问题的能力 具有独立思考的能力
具有敢于创新及独立工作的能力 具有与他人合作的能力
6
普林斯顿大学的本科培养目标：
具有判断什么意味着彻底理解某种 东西的能力
具有辨识重要的东西与琐碎的东西、 持久的东西与短暂的东西的能力 熟悉不同的思维方式 具有某领域知识的深度
反馈da转换电子系统所包含的知识点及其相互关系脉冲的产生和整形组合电路时序电路单片机30数字逻辑数字逻辑设计设计数字逻辑数字逻辑设计设计微机原理及接口技术微机原理及接口技术数字系统设计数字系统设计vlsi设计vlsi设计edaeda设计设计31课程的先进性先进性主要体现在元器件和方法1947年晶体管1958年集成电路69年大规模集成电路75年超大规模集成电路20世纪80年代pld迅速发展按10倍6年集成度发展20世纪90年代模拟可编程器件20世纪90年代提出soc的概念palgalepldcpldisppldfpga21世纪初产生psocpsoc单片机sopc32内核可编程数字模块阵列可编程模拟模块阵列系统总线8位微处理器系统时钟源程序和数据存储器乘法累加压检测电路升压泵内部参考电压模拟多路开关大电流输出驱动
数字系统设计.pdf
PLD设计——CPLD与FPGA的区别
规模
CPLD规模一般比FPGA小，最多512个宏单元；FPGA则可以实现单片 1000万门。
速度
CPLD的速度可以比FPGA更高，其连线的延时固定，更适合做高速的应 用；FPGA的互连线为多段，延时不确定。
逻辑特点 CPLD适合做逻辑密集型的应用，FPGA适合做数据密集型的应用。 编程方式
ALTERA
XILINX
FPGA/CPLD生产商
ispLSI系列：1K、2K、3K、5K、8K ispLSI1016 、ispLSI2032、 ispLSI1032E、ispLSI3256A MACH系列 ispPAC系列：
LATTICE VANTIS （AMD）
CPLD
其他PLD公司： ACTEL公司： ACT1/2/3、40MX ATMEL公司：ATF1500AS系列、40MX CYPRESS公司 QUIKLOGIC公司
数字系统分类
数字系统本身实现的方法很多，一般来说，可以分为 以下几种方法： PLD（可编程逻辑器件） MCU（单片机） DSP（数字信号处理器） Embedded System（嵌入式系统） 以上几种设计方法的应用场合不同，设计方法也大 不相同，应该根据不同的应用场合、成本和设计的 难度来决定使用合适的设计方法。
SO MUCH IC！
FPGA CPLD
PLD设计——PLD设计的流程
设计输入
原理图 硬件设计语言
功能仿真
验证逻辑是否正确
综合
将原理图或者硬件描述语言翻译为网表。
时序仿真
加载器件延时文件后的仿真，验证在器 件上实现后的实际性能。
不同数字系统的应用场合（4）
Embedded System（嵌入式系统）
数字逻辑与部件设计-硬件描述语言+HDL
• 综合 Synthesis
– High Level Synthesis
– RTL Synthesis
– Logic Synthesis
• 布图 Layout
网表netlist
– 布局 (Placement)
– 布线 (Routing)
• 版图参数提取和验证
如导线电阻，导线间寄生电容
• 测试和诊断
4
begin
A1 = 1'b0; B1 = 1'b0; C1 = 1'b0; //1位二进制0
#100 A1 = 1'b1; B1 = 1'b1; C1 = 1'b1;
end
initial #200 $finish; //200ns结束
endmodule
不知其值是多少
16
Vivado2015中模拟结果
|
或
||
逻辑或
===
全等
^
异或
!==
不全等
^~
同或
AND优先级比OR高
• 缩位运算符：对单个操作数进行运算，最后返回一位数。
运算过程：首先将操作数的第一位和第二位进行与、或、非运算；
然后再将运算结果和第三位进行与、或、非运算；以此类推直至
最后一位。例子见下页...
• 拼接运算符：{s1, s2, …, sn}
2
g6
endmodule
g5
3
13
练习2. 画出下面的电路图
module Circuit_2 (A, B, C, D, F);
input A, B, C, D;
output F;
wire w, x, y, z, a, d;
数字逻辑设计实验室指导书说明书
LAB BROCHUREDigital Logic Design Lab DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGCONTENTS...................................................................................................................... Lab Venue 3............................................................................................. Lab Objectives & Courses 3 Lab Description & Experiments 4....................................................................................................................................................................................... Hardware Experiments 5 ....................................................................................................... Verilog Experiments 6 Lab Resources 7...............................................................................................................DLD Lab Venue: Computer Interfacing Lab First Floor, Electrical DepartmentLab VenueThe Digital Logic Design Lab (DLD Lab) is one of the most important and well equipped lab of the Department of Electrical Engineering at University of Engineering and Technology, Lahore. This lab is conducted at the Computer Interfacing Lab situated at the first floor of the Electrical Engineering Department.Scope of the LabThe DLD Lab is for undergraduate coursework related to the course EE131. It is one of the core modules of B. Sc. Electrical Engineering therefore the lab has a significant importance in the department.Related CoursesThis lab is designed such that thestudents get a hands on familiaritywith the concepts they come acrossin the course EE131 that is the DigitalSystems course. This is anundergraduate course which dealswith the basics of digital systemsdesign and is a core module of theB. Sc. Electrical Engineeringcoursework as it provides theprerequisites for advance courses indigital electronics. Because of thesignificance of this course the DLDLab has been carefully designed tomeet the course requirement.Brief Overview of the LabThe Lab is well equipped withboth hardware and software facilitiesrequired by the students to performthe necessary experiments designedfor this lab. Details of the labequipment has been discussed in aproceeding section.Experiments are designed insuch a way that the students becomewell aware of the concepts they learnin the theory sessions. A list ofexperiments that are conducted inthis lab has also been mentioned in aproceeding section.Experiments are related to bothdigital hardware and VerilogProgramming.Objectives & CoursesLab Description & ExperimentsLab DescriptionThe Experiments in the Lab have been divided into two major portions:•Hardware Labs•Hardware Description Language (Verilog) LabsHardware Labs have been designed to familiarize students with the Combinational Digital Logic Design and Sequential Digital Logic Design through the implementation of Digital Logic Circuits using ICs of basic logic gates and some simple digital logic circuits.HDL (Verilog) Labs havebeen designed tofamiliarize students with theHDL based Digital DesignFlow. These labs introducestudents with differentlevels of coding available inVerilog i.e. Gate level,Dataflow level andBehavioral level. Xilinx ISE7.1 tools have been used inthese labs. Finally, theskills learnt in the HDLlabs are employed toimplement some digitallogic circuits on Spartan-3FPGA, using Xilinx StarterKit Development Board.Expected OutcomesWith the help of the twothreads of the labmentioned above, studentswill have clearunderstanding of all thethree paradigms ofimplementation of digitallogic circuits:•Implementation usingICs for basic logic gatesand simple circuits•Implementationthrough the Developmentof Dedicated IC(ASIC)•Implementationthrough ReconfigurableLogic (i.e. FPGA)This makes studentsadept in basic conceptsinvolved in digital logicdesign. The lab contributesa lot to the basic learning ofdigital systems.This shows theindispensability of theDLD Lab.List of ExperimentsList of experiments isgiven on page 5 and 6. Asmentioned before the labhas two major portionstherefore there are two listsof experiments one relatedto the hardware labs andthe other related to thehardware descriptionlanguage (verilog) labs. Allthese experiments aremandatory and each lab isfollowed by speciallydesigned assignments.A Lab DemonstrationA Digital Chip (inside view)TITLE TOPICS1To Verify the Behavior of Logic Gates using Truth Table and Familiarization with Digital Integrated Circuits Basic Logic Gates, Truth Table, Integrated Circuits2Implementation of Boolean Function using Logic Gates and Introduction to Hierarchical Design of Digital Logic Circuits Boolean Functions,Boolean Algebra,Hierarchical Design of Digital Logic Circuits3Familiarization with the Different Portions of the Datasheet fora Digital IC and Using the Datasheet to Gather RelevantInformation to Utilize the IC as a Component in another DigitalLogic Circuit Datasheet of a Digital Logic IC, Hierarchical Design of Digital Logic Circuits4Implementation of 8 bit Binary Comparator using 4 bit Binary Comparators Binary Comparator,Hierarchical Design of Digital Logic Circuits5Implementation of 4bit into 3bit Binary Multiplier using 4bit Binary Adders Binary Multiplication,Hierarchical Design of Digital Logic Circuits6Implementation of BCD Adder using 4bit Binary Adders, 4 to 7 Segment Decoder and 2Digit 7 Segment Display BCD addition,Hierarchical Design of Digital Logic Circuits7Implementing a Full Adder using(a) Decoder(b) Multiplexer Implementation of Boolean function using Decoder,Implementation of Boolean function using Multiplexer8Flip Flops Different Types of Flip Flops9To study the fundamentals of basic counters and to construct various types of counters CountersHardware ExperimentsTITLE TOPICS1Introduction to HDL based Digital Design Methodology HDL based Digital Design Flow usingVerilog,Introduction to Outsourcing Business Model2Introduction to Basic Syntax of Verilog and Gate level Modelingthrough implementation of half adder at gate level and itssimulation using Xilinx ISE tools Basic Concepts of Verilog, Modules and Ports, Gatelevel coding in Verilog,3Introduction to the concepts of Instantiation and HierarchicalDesign in Verilog through the implementation of full adderusing the previously designed half adder modulesHierarchical Design in Verilog4Introduction to the Concept of Vectors and Introduction to Dataflow modeling through implementation of half adder andfull adder at dataflow level Vectors in Verilog,Dataflow level coding in Verilog5Consolidation of the concepts of Dataflow level modeling and Introduction to the concept of Synthesis by the CAD tool Dataflow level coding in Verilog, Logic Synthesis6Introduction to Behavioral modeling through implementation ofhalf adder and full adder at behavioral level.Behavioral level coding in Verilog7Introduction to if else statement and case statement inBehavioral modeling through implementation of Multiplexerif else and case statements in Verilog8Introduction to the Concepts of Sequential Circuit anda TestBench module (Stimulus Block)Sequential circuits in Verilog, Concept of Testbench module in Verilog9Behavioral Level Coding of Basic Sequential Circuits andConsolidation of the concepts of TestBench module (StimulusBlock)Sequential circuits in Verilog10Introduction to Field Programmable Gate Array(FPGA) and Steps involved in its Programming Need for Reconfigurable Logic, Xilinx ISE Tools for Programming the Xilinx FPGAsVerilog ExperimentsLab ResourcesHardware ResourcesThe lab is fully equipped with all the hardware required to conduct the above mentioned experiments. The hardware resources of the lab are:•Pentium-IV PCs (with MS WinXp OS)•Hardware trainers for logic circuit design and analysis•Electronic Chips of all digital gates•Spartan-III FPGA board kits•Power SuppliesThese resources allowthe students to have ahands on experience ofbasic digital logic designconcepts. This activitygreatly leverages what thestudents learn in the theorysessions.Software ResourcesThe lab also consists ofthe software resourcesrequired by the studentsnamely:•Veriwell•ModelSim•Xilinx IDE•MatlabSoftware resources areequally important ashardware resources are.These software resourcesare sufficient for thestudents to performexperiments. Thesesoftwares provide thestudents with thenecessary platform to workon HDL that is the Verilog.These softwares are alsorequired to work with thesophisticated hardwareslike Spartan-III FPGAboards.The lab has all theresources whether relatedto hardware or software sothat the students becomeadept in the basic field ofdigital electronics.Students areencouraged to use the labresources to performactivities andexperiments which helpthem strengthen theirconcepts.Lab StaffLike other labs of thedepartment there is atrained and able staffconsisting of skilled labtechnicians that take careof the lab equipment.They also guidestudents about handlingthe lab equipment and theprecautionary measuresrequired for the studentswhile working in the lab.A Digital Circuit BoardA SimulationDIGITAL LOGIC DESIGN LAB1st Floor, Department of Electrical Engineering UNIVERSITY OF ENGINEERING & TECHNOLOGY, LAHORE-54890, PAKISTAN..pkurl:Ph: + 92 42 9029229, Fax: + 92 42 9250224Computer Interfacing Lab。
姜书艳数字逻辑设计及应用17
Two Types (逻辑电路分为两大类)： Combinational Logic Circuit
（组合逻辑电路） Sequential Logic Circuit （时序逻辑电路）
3
Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用)
锁存器清0：Qn+1=0 QLn+1=1
QL 1
即使S,R无效（=0） 锁存器仍能锁定0态
a. 原态：Qn=0，QLn=1
1
新态：Qn+1=0，QLn+1=1 R
b. 原态：Qn=1，QLn=0
10
新态：Qn+1=0，QLn+1=1
Q
14
Q_L
Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用)
Metastable Behavior (亚稳态特性)
Apply a definite Pulse Width from a Stable
state to the Other.
(从一个“稳态”转换到另一个“稳态” 需加一定宽度的脉冲（足够的驱动）)
—— The Basic Building Blocks of most Sequential Circuits.
(大多数时序电路的基本构件)
Flip-Flops（ F/F,触发器）
只在时钟信号的有效边沿改变其输出状态
17
Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用)
数字逻辑与部件设计-组合逻辑设计
C
0
1
0
1
E
0
0
1
0
10
SOP & POS Form
• SOP – sum-of-products
O
0
0
1
1
C
0
1
0
1
E
0
0
1
0
minterm
O C
O C
O C
O C
ഥ = ()
=
ത + )
′ = (ത ҧ +
• POS – product-of-sums
O
0
0
1
1
C
Outputs determined by current values of inputs
时序逻辑 Sequential Logic
Has memory
Outputs determined by previous and current values of inputs
Rules of Combinational Composition
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y
0
1
0
1
maxterm
maxterm name
A
A
A
A
+
+
+
+
B
B
B
B
M0
M1
M2
M3
ഥ + ) = (, )
= (, ) = ( + )(
9
Boolean Equations Example
姜书艳 数字逻辑设计及应用
Equations
1 Circuits
2
4
6
3
5
Truth table
c' F = c'(h+p)
h+p
24
24
.
Converting among Representations
More common conversions
Truth table to equation (which we can then convert to circuit)
.
Review of 4.1 Switching Algebra (开关代数内容回顾)
4、 n-Variable Theorems (n变量定理)
Generalized Idempotency
(广义同一律)
X+X+…+X=X
Shannon’s Expansion TheF o(rX e1m,X Xs2·, X ,·X …n)· X = X
AB F
(负逻辑)： F = A+B
Negative-Logic Convention
AB F
LL L
LH L
HL L
5
HH H
00 0 01 0 10 0 11 1
11 1
10 1
01 1
00 0
.
Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用)
补充：逻辑函数及其表示方法
commonly used
11
11
.
2.5
Boolean Algebra
Boolean algebra precedence, highest precedence first.
Digital Logic Circuit
数字逻辑电路 模电
2003,Autumn
… …
计算机专业基础课
离散数学
Wu Haijun,Nanjing University
6
课程性质与教学目标 课程性质：“ 数字逻辑” 是计算机各专业必修的一
门重要技术基础课。该课程在介绍有关数字系统基本知识、 基本理论、及常用数字集成电路的基础上，重点讨论数字逻 辑电路分析与设计的基本方法。
n
Personal computers, computer networks, WWW, etc.
p
Next generation:
n n n
New user interfaces (voice activation, etc.) New computational paradigm (parallel processing, neural network, etc.) Parallel processing, artificial intelligence, optical processing, visual programming, gigabit networks, etc.
2003,Autumn Wu Haijun,Nanjing University
7
About Course(1)
p
Time and Place:
n n
Tuesday 9:00am-11:50am Pu III－226 (Even week) Thursday 2:00pm-3:50pm Pu III－226 Bei Zhongying, Yue Yi , Zheng Yan, Digital Logic and Digital System, Science Press,2003 V. P. Nelson, H. T. Nagle, B. D. Carroll, and J. D. Irwin Digital Logic Circuit Analysis & Design, Prentice-Hall, 1995. John M. Yarbrough digital Logic Application and Design, PWS, 1997. Prototype board and TTL components
数字逻辑设计课程设计
数字逻辑设计课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握数字逻辑设计的基本概念、原理和方法，培养学生运用数字逻辑设计解决实际问题的能力。
1.掌握数字逻辑的基本概念和术语。
2.理解数字逻辑电路的组成和功能。
3.熟悉数字逻辑电路的设计方法和步骤。
4.了解数字逻辑电路的应用领域。
5.能够运用数字逻辑设计方法设计简单的数字电路。
6.能够使用电子设计自动化工具进行数字电路的设计和仿真。
7.能够分析数字电路的性能指标，并进行优化设计。
情感态度价值观目标：1.培养学生的创新意识和团队合作精神。
2.培养学生的动手能力和实践能力。
3.培养学生的科学思维和问题解决能力。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括数字逻辑的基本概念、数字逻辑电路的组成、设计方法和步骤，以及数字逻辑电路的应用领域。
1.数字逻辑的基本概念：数字逻辑电路的定义、数字逻辑电路的种类、数字逻辑电路的特点。
2.数字逻辑电路的组成：逻辑门、逻辑电路、逻辑函数、逻辑代数。
3.数字逻辑电路的设计方法：组合逻辑电路设计、时序逻辑电路设计、数字电路的优化设计。
4.数字逻辑电路的应用领域：数字系统、数字电路在计算机中的应用、数字电路在其他领域的应用。
三、教学方法本课程的教学方法主要包括讲授法、讨论法、案例分析法、实验法等。
1.讲授法：通过教师的讲解，使学生掌握数字逻辑设计的基本概念和原理。
2.讨论法：通过小组讨论，培养学生的团队合作精神和创新意识。
3.案例分析法：通过分析实际案例，使学生了解数字逻辑电路的应用领域和设计方法。
4.实验法：通过动手实验，培养学生的实践能力和问题解决能力。
四、教学资源本课程的教学资源包括教材、参考书、多媒体资料、实验设备等。
1.教材：选用权威、实用的教材，如《数字逻辑设计》。
2.参考书：提供相关的参考书籍，如《数字电路与逻辑设计》。
3.多媒体资料：制作课件、教学视频等，以丰富教学手段和学生的学习体验。
4.实验设备：提供数字逻辑电路设计所需的实验设备，如逻辑门电路、数字电路仿真器等。
姜书艳 数字逻辑设计及应用(1)
VIHmin
(L=3.6V, H=4.4V)
VILmax
4
HIGH (高态) VOHmin ABNOMAL (不正常状态)
LOW (低态) VOLmax
Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用)
Review of Chapter 3
Wired AND (线与)
NAND and NOR (与非和或非)
7
2.1
Introduction
Let’s learn to design digital circuits, starting with a simple form of circuit:
Combinational circuit
Outputs depend solely on the present combination of the circuit inputs’ values
Prove (证明)： A·D + A’·C + C·D + A·B’·C·D = A·D + A’·C = A ·( 1·D + 1’·C + C·D + 1·B’·C·D ) + A’ ·( 0·D + 0’·C + C·D + 0·B’·C·D ) = A ·( D + C·D + B’·C·D ) + A’ ·( C + C·D ) = A·D·( 1 + C + B’·C ) + A’·C·( 1 + D ) = A·D + A’·C
Sequential Logic Circuit〔时序逻辑电路〕
Outputs depends not only on the current Inputs but also on the Past sequence of Inputs. (任一时刻的输出不仅取决与当时的输入， 9 还取决于过去的输入序列)
数字逻辑设计入门
直接说正题，帮助一下刚刚入门的朋友们，也算是学习IC设计的一个总结吧。
一、首先要知道自己在干什么？数字电路(fpga/asic)设计就是逻辑电路的实现，这样子说太窄了，因为asic还有不少是模拟的，呵呵。
我们这里只讨论数字电路设计。
实际上就是如何把我们从课堂上学到的逻辑电路使用原理图(很少有人用这个拉)，或者硬件描述语言(Verilog/VHDL)来实现，或许你觉得这太简单了，其实再复杂的设计也就是用逻辑门电路搭起来的。
你学习逻辑电路的时候或许会为卡拉图，触发器状态推倒公式而感到迷惑，但是其实有一点可以放心的是，实际设计中只要求你懂得接口时序和功能就可以了，用不着那么复杂得推倒公式，只要你能够用语言把逻辑关系表述清楚就可以了，具体这个逻辑关系采用什么门电路搭的，可以不关心，综合工具(synthesis tool)可以帮你处理。
当然你要知道基本门电路的功能，比如D触发器，与门，非门，或门等的功能(不说多的，两输入的还是比较简单的)。
－－－一句话，采用verilog或者VHDL描述设计对象的逻辑功能，这就是数字电路设计的任务！说到这里入门必须要两个基本功：逻辑电路基础，硬件描述语言。
有了这两个基本功，就算你其他都不会也能找到工作，呵呵，或许你会说，现在面试要问fpga，要问时序分析，有那么简单么？其实这些东西在你有了这两个基本功之后，其他的都可以慢慢学习。
注意硬件描述语言和逻辑电路的学习可以同步学习，而且要牢记，学习硬件描述语言进步取决于你对电路的理解和你对仿真器的使用。
为什么这样子说呢？因为硬件描述语言RTL(寄存器传输级)主要是用来给综合工具综合成电路的，所以要满足特定的coding style，这些coding style 将对应这特定的逻辑，比如时序电路应该怎么写，组合电路怎么写，这是有一定约束的，为此若你对逻辑电路比较熟悉，你就知道自己写代码大体综合后会采用什么门电路来组成；另外，写代码就要仿真，这是不可以避免的－－－不仿真，你怎么知道自己写的代码符合设计的要求呢？能够熟练使用仿真器，你就有了调试代码的基本能力，否则，写再多的代码也没有用。
姜书艳 数字逻辑设计及应用(2)
2、Fan-OUT (扇出)
CMOS: 74HCT
TTL: 74LS
IOH = – 4 mA IOL = 4 mA IIH = 1 A IIL = – 1 A
IOH = – 400 A IOL = 8 mA IIH = 20 A IIL = – 0.4 mA
74HCT Drives 74LS ▪ HIGH Fan-Out
22
编辑ppt
Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用)
Basic CML Circuit (基本CML电路)
Low Output
VCC = 5.0V
Differential Output (差分输出)
输出低态 R1
VCC = +5V
Push-Pull Output ( 推拉式输出 )
二极管与门 D1A
A
B D1B
分 相 1.0V 器
高 Q2
导通
0.7V
输入 保护
Q3 Q4
Z Q5
导 通 Q6
13
编辑ppt
Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用)
Logic Families ( 逻辑系列 )
[低功耗（LS）] A Advanced (高级)
（AS、ALS）
F Fast Speed (快速 )
对称输出驱动
14
编辑ppt
Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用)
3.12 CMOS/TTL Interfacing (接口)
Need Consider: Noise Margin, Fan-out, Capacitance Loads
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
数字逻辑设计——绪论
13
数字的出现
数字的出现
数字在各个古代文明中都独立的存在 数字都采用十进制数 阿拉伯数字
Digit的词义
人的手指或脚趾 指宽 阿拉伯数字符号从0到9中的任意一个 用于计算系统中的符号
数字逻辑设计——绪论
14
早期的计算用具
数字逻辑设计——绪论
11
构造计算机的装置
电子装置
处理器 存储器
机械装置
用于磁盘读写的寻道手臂
光学装置
CDROM
数字逻辑设计——绪论
12
计算的历史
计算机历史只有50年多年？
不对！ 数字电子计算机的历史只有50多年！ 计算机革命发生在过去的50多年中而且还正在进行
计算和计算机的历史源远流长…… 把握历史
数字逻辑设计——绪论
17
二进制的早期应用
1844 Samuel Morse 电报
编码和解码
航海信号灯
信号灯的开和关表示信息
1876 Alexander Bell 电话
AT&T公司 电话开关网络的发展 继电器(relay)的应用
数字逻辑设计——绪论
18
继电器（机电计算机）
Konrad Zuse’s Z-1 (1935) 1937，Howard Aiken Model-K 1937，George Slibitz of Bell Laboratory
数字逻辑设计——绪论
27
Moore 定律
Dr. Gordon E. Moore is Chairman Emeritus of Intel Corporation. He co-founded Intel in 1968, serving initially as Executive Vice President. He became President and Chief Executive Officer in 1975 and held that post until being elected Chairman and Chief Executive Officer in 1979. He remained CEO until 1987 and served as Chairman until being named Chairman Emeritus in 1997.
18000个真空管（电子管）
Presper Eckert John Mauchly
数字逻辑设计——绪论
20
晶体管（第二代数字电子计算机）
1947.12.23 Bell Labs
John Bardeen Walter Brattain William Shockley 发明晶体管(Transistor) 1956年诺贝尔物理学奖
数字逻辑设计——绪论
32
功耗问题(Power)
数字逻辑设计——绪论
33
课程代码： 00831730
绪 论
佟冬 Microprocessor R&D Center tongdong@
/courses/digital/2004fall
Jack Kilby 用线连接5个元件 2000年诺贝尔物理学奖
Robert Noyce，仙童(Fairchild) 1959，德州仪器(TI)，Jack Kilby
Flip-flop IC
双极型晶体管(TTL, ECL)
数字逻辑设计——绪论
22
第三代（续）
1961，仙童
第一个单片平面集成电路，set/reset flip-flop
数字逻辑设计——绪论
16
数字计算机的数学基础
1850s, George Boole
将逻辑表述映射到符号 采用数学的方法处理逻辑推理
“An investigation into the Laws of Thought” 1938s, Claude Elwood Shannon
将布尔代数和硬件开关相联系 第一次提出bit（比特）
必须使用作业本
考试(80%)
期中考试(30%) 期末考试(50%)
相关的实验课程
数字逻辑实验
数字逻辑设计——绪论
6
助教
孙含欣
sunhanxin@
冯毅
fengyi@
王逵
wangkui@
林桦
linhua@
25
Intel微处理器的发展
数据来源： Intel ,2002 数字逻辑设计——绪论
26
第四代（续）
CMOS工艺的发展
0.25um, 0.18um, 0.13um 90nm, 65nm, 30nm 铜连线技术(IBM)
Pentium IV
10 Million Gates 42 Million Transistor 217mm2 52 watts
计算机(Computer)
A computer is a device capable of solving problems or manipulating information, according to a prescribed sequence of instructions(or program), using some mechanical or electrical process.（教材）
1951 William Shockley invents the junction transistor（结型晶体管）. 1954 Texas Instruments
silicon transistor.
数字逻辑设计——绪论
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集成电路(第三代数字电子计算机)
集成电路 (Integrated Circuit, IC) 1958，德州仪器(TI)
数字逻辑设计——绪论
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课程介绍
课程名称：数字逻辑设计 课程类型：本科生必修课 学生专业：计算机和微电子 学时与学分：48学时/16周，3学分 主讲教师：佟冬
办公室地址：理科楼群1# 1818房间 电话：62765828/9-802
预备知识：数学，物理，逻辑
数字逻辑设计——绪论
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授课方式
授课时间
周一（双 周） 8:00-9:50（电教112 ） 周四（单双周）10:10-12:00（电教112）
The number of transistors per integrated circuit would double every 18 month. 这个论断是在第一块平面集成电路产生4年以后的 1965年做出的。 当时认为这个发展趋势将持续到1975年。 事实上，这个发展规律在目前仍是正确的。 按目前发展趋势，这个规律仍将有效至少20年。
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System-on-Chip (SoC)
数字逻辑设计——绪论
数据来源： Synopsys公司
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设计方法和工具的发展
手工——物理层设计 CAD ——门级和开关级 EDA ——硬件描述语言
综合工具 验证工具 布局布线工具
开创一个新的工业
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集成电路设计和验证的问题
主要参考书
数字逻辑应用与设计，by J. M. Yarbrough， 机械工业出版社（中文版） Digital Design Principles and Practices, by J. F. Wakerly，第三版，高等教育出版社 （影印版）
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课程考核
作业和课程参与(20%)
课程网址
/courses/digital/2004fall
答疑时间
E-mail答疑 平时答疑：和助教联系具体的时间 考试答疑
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教材和参考书
教材
Digital Logic Circuit Analysis & Design, by N. P. Nelson, 清华大学出版社（影印版）
使用继电器设计自动计算器
1944, IBM/Harvard Mark-I
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真空管（第一代数字电子计算机）
1904 John A Fleming diode vacuum tube 1906 Lee de Forest three-electrode vacuum tube 第一台数字电子计算机-ENIAC
计算的出现
计算的需求 原始的计算方法 最早的“计算机”——算盘（按位记数法）
1612-1614 John Napier 对数的发明
数字和带数字的木条进行计算
计算尺
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机械计算器具
1642-1643 Blaise Pascal
加法机
19世纪Charles Babbage
齿轮 差分机(difference engine) 构思了一台由存储装置和 算术装置组成的机器 由于工艺水平的限制 没有最终实现 第一台计算机
课程代码：00831730
数字逻辑设计 Digital Logic Design
佟冬 Microprocessor R&D Center tongdong@
http://mpΒιβλιοθήκη /courses/digital/2004fall
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欢迎进入数字世界！
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学习收获
掌握数字电路设计的基础理论 了解实现数字电路的工艺器件原理 掌握数字电路的分析方法 重点掌握数字电路设计方法和实现方法 培养对硬件设计的兴趣 了解数字系统设计的近况 了解用可编程器件实现数字电路的方法
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计算的历史（硬件部分）