00《数字逻辑》概述

不同的工艺具有不同的特性：
工艺类型 电阻晶体管逻辑（RTL） 二极管晶体管逻辑（DTL） 晶体管晶体管逻辑（TTL） 发射极耦合逻辑（ECL） 负金属氧化物半导体（pMOS） 正金属氧化物半导体（nMOS） 互补金属氧化物半导体（CMOS） 镓砷化物（GaAs） 电源消耗 高 高 中 高 中 中 低 高 速度 低 低 中 高 低 中 中 高 封装 分离 分离,SSI SSI,MSI SSI,MSI,LSI MSI,LSI MSI,LSI,VLSI SSI,MSI,LSI,VLSI SSI,MSI,LSI
数字电路—数字逻辑电路—数字逻辑
数字电路与模拟电路的区别
• • • • • 工作的信号不同 半导体器件的工作状态不同 半导体所要满足的外部电路条件不同 研究的方法不同 电路的结构不同
2.
数字电路特点（与模拟电路相比）
（1）数字电路的基本工作信号是用1和0表示 的二进制的数字信号，反映在电路上就是 高电平和低电平。 （2）晶体管处于开关工作状态，抗干扰能力 强、精度高。 （3）通用性强。结构简单、容易制造，便于 集成及系列化生产。 （4）具有“逻辑思维”能力。数字电路能对 输入的数字信号进行各种算术运算和逻辑 运算、逻辑判断，故又称为数字逻辑电路。
数字电路又称二值数字逻辑。它们可以用电 子器件的开关特性来实现。产生离散信号 电压或数字电压。 离散信号电压或数字电压通常用逻辑电平来 表示。例如，逻辑电平与电压值的关系可 用下表来描述：
电压(V) +5 0 二值逻辑 1 0 电 平 H(高电平) L(低电平)
优点：更多的灵活性，更快，更精确； 容易实现存储、误差监测和修正；容 易最小化。
教学目标
使学生了解组成数字计算机和其他数字系统 的各种数字电路,能熟练地运用基本知识和 理论对各类电路进行分析，并能根据客观 提出的设计要求用合适的集成电路芯片完 成各种逻辑部件的设计。通过本课程的学 习，要求学生掌握对数字系统硬件进行分 析、设计和开发的基本技能。
课程地位
• 电子、信息、计算机等专业的技术基础课。 数字系统、数字电路的硬件技术理论基础。 《数字逻辑》是后续课程《计算机组成原 理》、《微机原理与接口技术》等的基础。
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根据电路集成度规模模分类可分为
类别 小规模集成电路 （SSI） 中规模集成电路 （MSI） 大规模集成电路 （LSI） 集成度 TTL系列（1～10）门/片 MOS系列（10～100）元件/片 TTL系列（10～100）门/片 MOS系列（100～1000）元件/片 TTL系列（100～1000）门/片 MOS系列（1000～10000）元件/片 应用电路 通常为基本逻辑单元电路，如 逻辑门电路,触发器等。 通常为逻辑功能部件，如译码 器、编码器、计数器等。 通常为一个小的数字系统或子 系统，如CPU、存储器等。 通常可构成一个完整的数字系 统，如单片微处理机。
模拟信号
• 模拟信号: 时间和数值上都是连续变化的 物理量时间上连续，任意时刻有一个相对 的值。数值上连续：可以是在一定范围内 的任意值。 • 例如：温度信号、工频电压信号，三角波、 正弦波等。 • 真实的世界是模拟的。
缺点：很难度量； 容易受噪声的干扰； 难以保存。 优点：用精确的值表示事物。
数字逻辑电路的分类
根据电路功 能特点分类
组合逻辑电路(combinational logic circuit)：在任意时刻 组合逻辑电路 产生的稳定输出仅取决于该时 刻电路输入值有关，而与电路 过去的输入值无关。 时序逻辑电路(sequential logic circuit)：在任意时刻 时序逻辑电路 产生的稳定输出不仅取决于该时 刻电路输入值有关，而且与电路 过去的输入值有关。
《数字逻辑》 Digital Logic
计算机科学系 陈 利
Email:lichen2182@ QQ：403609111
数字系统
1. 2. 3. 4. 5. 数字技术的发展及应用 数字信号与模拟信号 数字电路的概念 数字系统的概念 数字电路分类
数字技术的发展及应用
• 科学研究中，先进的仪器设备； • 传统的机械行业，先进的数控机床、自动 化生产线； • 通信、广播、电视、雷达、医疗设备、新 型武器、交通、电力、航空、宇航等领域； • 日常生活的家用电器； • 电子计算机及信息技术。
数字电路的应用
1.数字计算机； 2.数控装置； 3.数字仪表； 4.数字通信； 5.其他：电子门铃、数码相机等。
数字系统：能对数字信号进行加 工、传输和储存的实体，它由实 现各种功能的数字逻辑电路相互 连接而成。
数字通信系统：抗干扰能力强，保密性
好，容量大；

数字化测量：精度高，功能完备，具有
数控测试功能； 数字设备精度高、功能完备、智能化； 计算机：最具代表性的数字系统，具有 极强的信息处理和控制能力。
0 和 1 ：抽象化了的符号，可以表示数值0 和1,例如在二进制数中可以表示具有二值 特征的事物、变量的状态。如:开关的闭合 与断开、条件的出现与不出现、灯的亮与 熄灭等；在数字电路中，表示电平的高低。
数字电路
对数字信号进行传递、变换、运算、存储以 及显示等处理的电路称为数字电路。由于 数字电路不仅能对信号进行数值运算，而 且具有逻辑运算和逻辑判断的功能，所以 又称为数字逻辑电路或逻辑电路。
当前数字电路设计的趋势
• • • • • • • 越来越大的设计 越来越短的推向市场的时间 越来越低的价格 大量使用计算机辅助设计工具（EDA技术） 多层次的设计表述 大量使用复用技术 IP（Intellectual Property）
课程性质
《数字逻辑》是计算机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 的基本知识，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。
超大规模集成电路 TTL系列>1000门/片 （VLSI） MOS系列>1万元件/片
电路的实现方法--电子工艺
电阻晶体管逻辑（RTL） 二极管晶体管逻辑（DTL） 晶体管晶体管逻辑（TTL） 发射极耦合逻辑（ECL） 负金属氧化物半导体（pMOS） 正金属氧化物半导体（nMOS） 互补金属氧化物半导体（CMOS） 镓砷化物（GaAs）
/v
C 4 B 3 A 2
1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t/m s 0000 0100 0000 0011 0000 0010
数字信息
字母、字符、数字、图形、影象、声音等都 是信息。最常用的数字信息是一种二值信 息,它只有0 、1 两种数值或特征值。 例如：字母A 用ASCII码表示为1000001， 字符& 用ASCII码表示为0100110，数值8用 二进制表示为1000。
占空比 q -----表示脉冲宽度占整个周期的百分比
q

tw T
100%
例：周期性数字脉冲波高电平持续时间为6ms，低电平持
续时间为10ms, 则，占空比 q = 6ms / (6+10)ms =37.5%
模拟量的数字表示
模拟量可以用数字0、1的编码来表示，这里 的编码所指的是数字0、1的字符串，这种 编码就是二进制码 , 数字0、1的字符串是 由模数转换器得来。
数字电路的分类
电路规模分类
集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目。 小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）

O
t
模拟电路
模拟电路：处理和传输模拟信号的电路。 三极管工作在线性放大区。
数字信号
• 数字信号: 时间和数值上都是离散的信号。 • 时间上离散：只在某些时刻有定义。 • 数值上离散：变量只能是有限集合的一个 值，某个最小单位的整倍数。 • 例如：开关通断、电压高低、电流有无。
• 在数字电路中，常用数字“0”和“1”来表 示。这里的“0”和“1”，不是十进制数中 的数字，而是逻辑0和逻辑1 。 • 逻辑“0”和逻辑“1”表示彼此相关又互相 对立的两种状态。例如，“是”与“非”、 “真”与“假”、“开”与“关”、“低” 与“高”等等 。因而常称为数字逻辑。
划分集成电路规模的标准
数字集成电路 类 别 MOS ＜10
2 3 5 7
IC
2 3 5 7 9
双极IC ＜100 100～500 500～2000 ＞2000
模拟集成电路 ＜30 30～100 100～300 ＞300
SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI
10 ～10 10 ～10 10 ～10 10 ～10 ＞10
数字逻辑电路中研究的主要问题
主要问题：电路输出信号状态与输入信号状态之 间的逻辑关系。 研究的内容分为两个方面： 逻辑电路分析：了解一个给定电路的所能 实现的逻辑功能。 逻辑电路设计：根据实际问题提出的功能要 求，构造实现指定功能的电路 分析和设计数字逻辑电路的理论基础是逻辑代数。
器件
小、中、大、超大规模通用集成电路
根据电路功 数字逻辑电路的分类 能特点分类 单输出组合逻辑电路
组合逻辑电路 多输出组合逻辑电路 同步时序逻辑电路 (synchronous sequential logic circuit) 异步时序逻辑电路 (asynchronous sequential logic circuit)
时序逻辑电路
数字电路
数字电路：处理和传输数字信号的电路。 三极管工作在开关状态，即饱和区或截止区。 数字化时代：
音乐：CD、MP3 电影：MPEG、RM、DVD 数字电视 数字照相机 数字摄影机 手机
• 所处理的信息都是离散元素（数字、字母、 符号等）。 • 用二进制表示离散量
–运算简单 –可用两个具有稳定状态的元件表示 –节省成本 –可采用布尔代数作为研究工具
数字信号的两种形式
电平型
脉冲型
周期T和频率f
数字信号的波形及其参数
除周期T和频率f外，主要参数： (1)脉冲宽度tw：表示脉冲作用的时间。 (2)占空比q：表示脉冲宽度占整个周期的比 例。 (3)上升时间tr：从脉冲幅值的10%上升到90% 所需要的时间。 (4)下降时间tf:从脉冲幅值的90%下降到10% 所需要的时间 。
数字系统的特点
（1）应用灵活，易于实现算法； （2）提供更强大的处理速度； （3）描述更精确，范围更广； （4）易于信息存储和取回； （5）允许内置错误检测和校验机制； （6）有助于最小化。
20世纪90年代开始，整个社会进入数字化、 信息化、知识化时代，数字技术与国民经 济和社会生活的关系日益密切。计算机、 计算机网络、通信、电视及音像传媒、自 动控制、医疗、测量等无一不纳入数字技 术并获得较大技术进步。 例：Internet 、程控电话、移动通信、可 视电话、会议电视、数字电视、数字相机、 VCD 、DVD等等。
SSI — MSI — LSI — VLSI
可编程器件 门阵列片 可编程门阵列片（FPGA） 在系统编程（ISP）的用户片
本课程学习内容
逻辑设计目标
实现逻辑功能 满足性能指标 综合考虑各项因素：
规模、电源、功耗、价格、可靠性、速度、 易实现、易维修、美观等。 设计不唯一，最佳设计方案应随新技术的不 断推出而变化。
电子技术的发展
电子器件的改进与创新
• 1904年发明电真空器件（电子管）——电 子管时代。 • 1948年发明半导体器件——晶体管时代。 • 20世纪60年代制造出集成电路——集成电 路时代。
3.电子技术的分类
电子技术主要研究电信号的产生、传送、接 收和处理。 模拟电子技术 数字电子技术
电信号指随时间变化的电压和电流。 模拟信号：在时间和幅值上都为连续的信号。 数字信号：在时间和幅值上都为离散的信号。 模拟电路：处理和传输模拟信号的电路。 数字电路：处理和传输数字信号的电路。
数字逻辑
计算机组成原理