数字逻辑设计基础
数字逻辑电路基础知识整理
数字逻辑电路基础知识整理数字逻辑电路是电子数字系统中的基础组成部分，用于处理和操作数字信号。
它由基本的逻辑门和各种组合和顺序逻辑电路组成，可以实现各种功能，例如加法、减法、乘法、除法、逻辑运算等。
下面是数字逻辑电路的一些基础知识整理：1. 逻辑门：逻辑门是数字逻辑电路的基本组成单元，它根据输入信号的逻辑值进行逻辑运算，并生成输出信号。
常见的逻辑门包括与门、或门、非门、异或门等。
2. 真值表：真值表是描述逻辑门输出信号与输入信号之间关系的表格，它列出了逻辑门的所有输入和输出可能的组合，以及对应的逻辑值。
3. 逻辑函数：逻辑函数是描述逻辑门输入和输出信号之间关系的数学表达式，可以用来表示逻辑门的操作规则。
常见的逻辑函数有与函数、或函数、非函数、异或函数等。
4. 组合逻辑电路：组合逻辑电路由多个逻辑门组合而成，其输出信号仅取决于当前的输入信号。
通过适当的连接和布线，可以实现各种逻辑操作，如加法器、多路选择器、比较器等。
5. 顺序逻辑电路：顺序逻辑电路由组合逻辑电路和触发器组成，其输出信号不仅取决于当前的输入信号，还取决于之前的输入信号和系统状态。
顺序逻辑电路可用于存储和处理信息，并实现更复杂的功能，如计数器、移位寄存器、有限状态机等。
6. 编码器和解码器：编码器将多个输入信号转换成对应的二进制编码输出信号，解码器则将二进制编码输入信号转换成对应的输出信号。
编码器和解码器可用于信号编码和解码，数据传输和控制等应用。
7. 数字信号表示：数字信号可以用二进制表示，其中0和1分别表示低电平和高电平。
数字信号可以是一个比特（bit），表示一个二进制位；也可以是一个字（word），表示多个二进制位。
8. 布尔代数：布尔代数是逻辑电路设计的数学基础，它通过符号和运算规则描述了逻辑门的操作。
布尔代数包括与、或、非、异或等基本运算，以及与运算律、或运算律、分配律等运算规则。
总的来说，数字逻辑电路是由逻辑门和各种组合和顺序逻辑电路组成的，它可以实现各种基本逻辑运算和数字信号处理。
数字逻辑应用与设计知识点
数字逻辑应用与设计知识点数字逻辑应用与设计是计算机科学与工程领域的重要基础知识，它涉及到数字电路的设计、逻辑分析与应用等方面。
本文将从以下几个方面对数字逻辑应用与设计的相关知识点进行探讨。
一、数字逻辑基础知识1. 二进制与十进制：介绍二进制与十进制数制的互相转换方法，以及其在计算机中的应用。
2. 逻辑门与布尔代数：介绍逻辑门的种类与功能，并引出与逻辑门相关的布尔代数的基本规则。
3. 组合逻辑电路：讲解组合逻辑电路的设计原理、常用的逻辑门电路，以及组合逻辑电路的应用。
二、数字逻辑应用1. 编码器与解码器：介绍编码器与解码器的基本原理、种类及其应用场景。
2. 多路选择器与复用器：讲解多路选择器与复用器的基本概念、操作方式及其在电路设计中的应用。
3. 加法器与减法器：讲解全加器和全减器的结构和实现方法，并介绍加法器和减法器的级联应用。
4. 移位寄存器与计数器：介绍移位寄存器和计数器的基本原理，以及它们在数字系统中的应用。
三、数字逻辑设计1. Karnaugh图：简要介绍Karnaugh图及其在逻辑函数化简中的应用方法。
2. 时序逻辑与状态机：讲解时序逻辑电路的基本概念，引出状态机的概念和分类，并举例说明其应用。
3. 存储器与寄存器：介绍存储器的基本结构、存储方式，以及常用的寄存器类型。
4. 控制器设计：讲解控制器的设计原理与方法，引入基本的有限状态机的设计流程。
综上所述，数字逻辑应用与设计的知识点包括数字逻辑基础、数字逻辑应用和数字逻辑设计等方面。
它们是计算机科学与工程领域中不可或缺的基础知识，对于深入理解计算机原理和设计具有重要意义。
通过学习与应用这些知识点，我们可以更好地理解数字电路的工作原理，为计算机系统的设计与优化提供有力支持。
《数字逻辑基础》课件
使用逻辑代数公式对逻辑函数进行化简，通过消去多余的项和简化 表达式来得到最简结果。
卡诺图化简法
使用卡诺图对逻辑函数进行化简，通过填1、圈1、划圈和填0的方 法来得到最简结果。
03
组合逻辑电路
组合逻辑电路的分析
组合逻辑电路的输入和输出
分析组合逻辑电路的输入和输出信号，了解它们之间的关系。
交通信号灯控制系统的设计与实现
交通信号灯简介
交通信号灯是一种用于控制交通流量的电子设备，通常设置在路口或 交叉口处。
设计原理
交通信号灯控制系统的设计基于数字逻辑电路和计算机技术，通过检 测交通流量和车流方向来实现信号灯的自动控制。
实现步骤
首先确定系统架构和功能需求，然后选择合适的元件和芯片，接着进 行电路设计和搭建，最后进行测试和调整。
真值表
通过列出输入和输出信号的所有可能组合，构建组合逻辑电路的真值表，以确定输出信 号与输入信号的逻辑关系。
逻辑表达式
根据真值表，推导出组合逻辑电路的逻辑表达式，表示输入和输出信号之间的逻辑关系 。
组合逻辑电路的设计
确定逻辑功能
根据实际需求，确定所需的逻辑功能，如与、或、非等。
设计逻辑表达式
根据确定的逻辑功能，设计相应的逻辑表达式，用于描述输入和 输出信号之间的逻辑关系。
实现电路
根据逻辑表达式，选择合适的门电路实现组合逻辑电路，并完成 电路的物理设计。
常用组合逻辑电路
01
02
03
04
编码器
将输入信号转换为二进制码的 电路，用于信息处理和控制系
统。
译码器
将二进制码转换为输出信号的 电路，用于数据分配和显示系
统。
多路选择器
数字逻辑设计知识点
数字逻辑设计知识点数字逻辑设计是计算机科学中非常重要的一门学科，它主要研究数字电子电路和逻辑电路的设计与实现。
在计算机领域，数字逻辑设计是构建计算机硬件的基础，也是计算机组成与结构的重要组成部分。
本文将从基本原理、逻辑门、化简、时序逻辑等多个方面介绍数字逻辑设计的知识点。
一、基本原理数字逻辑设计的基础是布尔代数和逻辑运算。
布尔代数是由英国数学家乔治·布尔提出的算法，用于描述逻辑关系，是数字逻辑设计的重要数学基础。
逻辑运算包括与、或、非、异或等运算，通过这些运算可以构建逻辑电路。
二、逻辑门逻辑门是构成数字逻辑电路的基本组件，它们通过执行逻辑运算来实现特定的功能。
常见的逻辑门有与门、或门、非门、异或门等。
例如，与门的输出只有当所有输入都为1时才为1，否则为0；或门的输出只有当至少一个输入为1时才为1，否则为0。
逻辑门的电路图可以使用布尔代数表达式或者真值表来表示，以方便理解和分析逻辑电路的功能。
逻辑门可以通过组合逻辑和时序逻辑的方式进行组合，实现更复杂的功能。
三、化简在数字逻辑设计中，化简是一种常用的方法，用于简化逻辑电路的结构和功能。
通过化简可以减少逻辑门的使用数量，提高电路的运算速度和节省成本。
常用的化简方法包括代数化简、卡诺图和映射方法等。
代数化简通过运用布尔代数的公式和规则，将复杂的逻辑表达式简化为更简单的形式。
卡诺图是一种图形化的工具，通过将逻辑函数转化为一个由矩形方块组成的表格，从而帮助我们直观地找出简化逻辑表达式的方法。
映射方法可以将逻辑电路直接映射为门电路或者转移函数。
四、时序逻辑时序逻辑是数字逻辑设计中的重要概念，它描述了电路的状态和信号随时间变化的关系。
时序逻辑是处理时钟信号和状态转移的电路，广泛用于计算机的处理器和存储器设计中。
时序逻辑电路通常包括寄存器、触发器、计数器等。
寄存器是一种用于存储数据的电路，以二进制形式存储；触发器是一种用于存储和稳定电平信号的电路；计数器是一种用于计数和控制信号电路状态转移的电路。
第1章数字逻辑及可编程逻辑的基础知识
单元1
A0 A1 A
2
A3
图 1-6 并行数据流连接
单元2
D0 D1 D
2
D3
第1章 数字逻辑与可编程逻辑的基础知识
控制信号
输入 输入
输出 输出
图 1-7 多个单元连结在一起形成系统
第1章 数字逻辑与可编程逻辑的基础知识
输入 信号
输入 信号
输入 信号
输入 信号
控 制信 号 控 制信 号 控制 信号
串行传输方式如图1-5所示， 单元A的输出 信号X， 通过传输线传到单元B的输入端， 各位 在时间上是以顺序的方式传输的。
单元 A X 单元 A 的输出
传输线
X
单元 B
单元 B 的输出
图 1-5 连接两个单元的串行数据流路径
第1章 数字逻辑与可编程逻辑的基础知识
并行传输方式是将一个字中所有各个数据位同时 传输， 并行信号流路径只是简单地由几条分开的串行 路径组成的， 每条串行线用于传输一个bit, 如图1-6所 示为4 bit的并行传输链。 信号流还可扩展到任意位数。
Y=A+B 只要逻辑输入A或B中有一个为“1”， 输出Y就为“1”, 而当输 入全为“0”时, 输出才为“0”, 即“有1出1， 全0出0”。
第1章 数字逻辑与可编程逻辑的基础知识
3. 非运算
决定事物的条件具备了， 结果却不发生， 而此条
件不具备时， 结果一定发生， 这样的因果关系叫非逻
辑。 逻辑函数表达式为
第1章 数字逻辑与可编程逻辑的基础知识
1.1.3 单元与层次 层次设计方法：采用最基本的简单数字单元来构成 较复杂的单元。
图 1-3 层次设计的级别
第1章 数字逻辑与可编程逻辑的基础知识
《数字逻辑基础》课件
• 数字逻辑概述 • 数字逻辑基础概念 • 组合逻辑电路 • 时序逻辑电路 • 数字逻辑电路的实现
01
数字逻辑概述
数字逻辑的定义
01
数字逻辑是研究数字电路和数字 系统设计的理论基础，它涉及到 逻辑代数、逻辑门电路、组合逻 辑和时序逻辑等方面的知识。
02
数字逻辑是计算机科学和电子工 程学科的重要分支，为数字系统 的设计和分析提供了基本的理论 和方法。
详细描述
布尔代数是逻辑代数的一个分支，它研究的是逻辑变量和逻辑运算的规律。布尔代数包括基本的逻辑 运算，如与、或、非等，以及一些复合运算，如异或、同或等。布尔代数在数字电路设计中有广泛应 用。
逻辑函数的表示方法
总结词
逻辑函数是指一种特定的函数，它将输 入的逻辑值映射到输出的逻辑值。
VS
详细描述
逻辑函数是指一种特定的函数，它将输入 的逻辑值映射到输出的逻辑值。在数字电 路中，逻辑函数通常用真值表、逻辑表达 式、波形图等形式来表示。理解逻辑函数 的表示方法对于数字电路设计和分析非常 重要。
数字逻辑电路的测试与验证
测试目的
确保电路功能正确、性能稳定。
测试方法
采用仿真测试和实际测试两种方法。
验证手段
逻辑仿真、时序仿真和布局布线仿真等。
谢谢您的聆听
THANKS
逻辑门电路
总结词
逻辑门电路是实现逻辑运算的电路，它是数字电路的基本单 元。
详细描述
逻辑门电路是实现逻辑运算的电路，它是数字电路的基本单 元。常见的逻辑门电路有与门、或门、非门等。这些门电路 可以实现基本的逻辑运算，并能够组合起来实现更复杂的逻 辑功能。
精品文档-数字逻辑与EDA设计(丁磊)-第1章
23
1.2 数 制 与 码 制 1.2.1 数制
数制也称计数制，是指用一组固定的符号和统一的规则来 表示数值的方法。由于按进位的方法进行计数，故也称进位计 数制。在日常生活中，人们普遍采用十进制计数方式，而在数 字系统中，最广泛使用的是二进制计数方式。
学习数制，必须首先掌握数码、基数和位权这三个概念。 数码：数制中为表示基本数值大小所使用的不同数字符号。 例如，十进制有10个数码：0～9；二进制有2个数码：0、1。
1.1.2 数字抽象 数字系统是一个能对数字信号进行处理和传输的实体，由
各种能实现特定功能的数字逻辑电路相互连接组合而成。在数 字系统中，表示信息所使用的都是离散型的信号。
早期机械式的数字系统，如Charles Babbage(查儿 斯·巴贝奇)设计的分析机(现代电子计算机的前身)，使用蒸 汽作动力，用10个齿轮分别表示0～9十个数字，是一个具有 10个离散值变量的数字系统。
15
1．不归零编码(NRZ) 不归零编码(NRZ)的编码规则是：“1”和“0”都分别由 不同的电平状态来表现，用正电平表示“1”，用负电平表示 “0”，除此之外，没有中性状态及其他状态。图1-3为不归 零编码示意图。不归零编码发送能量大，直流分量小，抗干扰 能力比较强，但使用这种编码需要另外传输同步信号。 2．NRZ-Inverted(NRZI)编码图 NRZ-Inverted(NRZI)的编码规则是：如果输入为0，则输 出保持它的前一个值；如果输入为1，则输出为前一个输出值 的相反值。因此，只要输入为0，输出就会保持不变；如果输 入为1，输出就会发生翻转。图1-4为NRZ-Inverted编码示意 图。使用这种编码也同样需要另外传输同步信号。
5 图1-1 模拟信号与数字信号
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。
数字逻辑设计基础
D触发器
亚稳态的解决方案
使用单一时钟
跨时钟域使用多级触发器级联
使用格雷码
更多：请查阅相关异步FIFO的例子
组合逻辑电路
组合逻辑电路是由各种逻辑门电路组成的 电路，其特点是：输出信号随输入信号变 化，中间间隔时间为该组合逻辑电路的延 时。
单个逻辑门就是最简单的组合逻辑电路
组合逻辑电路——竞争与冒险
hold time不满足，就可能产生亚稳态，此时触发器输出 端Q在有效时钟沿之后比较长的一段时间处于不确定的 状态，在这段时间里Q端毛刺、振荡、固定的某一电压 值，而不是等于数据输入端D的值。这段时间称为决断 时间（resolution time）。经过resolution time之后Q端 将稳定到0或1上，但是究竟是0还是1，是随机的，与输 入没有必然的关系。
状态机
经典状态机案例——交通灯
在一个智能交通路口，如果没有行人，车 道上将一直绿灯，人行道一直红灯；如果 有行人按下路边按钮，车道将在30秒后变 为黄灯，3秒后变为红灯，此时人行道变 为绿灯；30秒后，人行道变为红灯，车道 变为绿灯。请画出状态转换图
状态机
状态机的写法
利用verilog语言，状态机一般有一段式、 两段式、三段式三种写法
冒险(risk)：信号在器件内部通过连线和逻辑单 元时，都有一定的延时。延时的大小与连线的 长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的 制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。信 号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由 于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生 变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出 有先后顺序，并不是同时变化,往往会出现一些 不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为"毛刺"。 如果一个组合逻辑电路中有"毛刺"出现，就说明 该电路存在冒险。
数字逻辑电路设计知识点汇总
数字逻辑电路设计知识点汇总数字逻辑电路是电子信息类专业的重要基础课程，它在计算机、通信、控制等领域有着广泛的应用。
下面为大家汇总一下数字逻辑电路设计的主要知识点。
一、数制与编码数制是用来表示数量的规则，常见的数制有二进制、八进制、十进制和十六进制。
二进制是数字逻辑电路中最常用的数制，因为它只有 0 和 1 两个数字，便于用电子器件的导通和截止来表示。
编码则是用特定的代码来表示信息。
例如，BCD 码（Binary Coded Decimal）用四位二进制数来表示一位十进制数；格雷码（Gray Code）相邻两个编码之间只有一位发生变化，常用于减少数字电路中的误差。
二、逻辑代数基础逻辑代数是数字逻辑电路的理论基础，它包括基本逻辑运算（与、或、非）、逻辑函数的表示方法（真值表、逻辑表达式、逻辑图、卡诺图等）以及逻辑函数的化简。
与运算只有当所有输入都为 1 时，输出才为 1；或运算只要有一个输入为 1 ，输出就为 1；非运算则是将输入取反。
逻辑函数的化简是为了得到更简单、更经济的电路实现。
常用的化简方法有公式法和卡诺图法。
三、门电路门电路是实现基本逻辑运算的电子电路，包括与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等。
TTL （TransistorTransistor Logic）门电路和 CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor）门电路是常见的两种类型。
TTL 门电路速度快，但功耗较大；CMOS 门电路功耗低，但速度相对较慢。
在实际设计中，需要根据具体的性能要求选择合适的门电路类型。
四、组合逻辑电路组合逻辑电路的输出仅取决于当前的输入，没有记忆功能。
常见的组合逻辑电路有编码器、译码器、加法器、数据选择器、数据分配器等。
例如，加法器是实现两个数相加的电路，半加器和全加器是加法器的基本单元。
译码器则是将输入的二进制编码转换为特定的输出信号。
五、时序逻辑电路时序逻辑电路的输出不仅取决于当前的输入，还与电路的过去状态有关，具有记忆功能。
一章数字逻辑基础
“代码”。
❖ 建立这种代码与十进制数值、字母、符号旳一
一相应关系称为“编码”。
❖ 若所需编码旳信息有N项，则需用旳二进制数码
位数n应满足：2n≥N。
19
❖自然二进制码：
二进制数码每 位旳值称位“权” 或“位权”，各为 8、4、2、1。
b3b2b1b0
23222120
代码对应旳十进制数
余3码
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
23
b3b2b1b0
23222120
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
自然二进制码
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
千百 十 个 103 102 101 100
9
例1. 3.1 试用位权来表达十进制数4567。 4567=4×103+5×102+6×101+7×100
❖ 十进制数旳体现式：
N D Ki 10i i
式中：Ki为基数“10”旳第i次幂旳系 数。
10
1.3.2 二进制
❖ 只有0、1两个数码。
❖ 计数规律是“逢二进一”。 ❖ 二进制是以2为基数旳计数体制。 ❖ 二进制旳位权：…… 23 22 21 20 ❖ 二进制数旳体现式：
2）二进制数旳基本运算规则简朴，运算操 作简便。
➢ 缺陷： 用二进制表达一种数时位数多，使用不以 便，不习惯。 如（49）D=（110001）B。
13
➢送入计算机时，将十进制数转换成二进制，运算结 束后，将二进制转换成十进制输出。
数字电路与逻辑设计基础知识要点
数字电路与逻辑设计基础知识要点数字电路是电子技术中重要的基础知识之一，广泛应用于计算机、通信和控制系统等领域。
本文将介绍数字电路与逻辑设计的基础知识要点，包括数字信号、布尔代数、逻辑门电路和组合逻辑电路等内容。
希望通过本文的介绍，读者能够对数字电路与逻辑设计有一个初步的了解。
一、数字信号数字信号是电子设备中常见的一种信号类型，它只能取离散的数值，通常用0和1表示。
数字信号与模拟信号相对，模拟信号可以连续变化。
数字信号可以通过数字电路进行处理和传输，具有较高的抗干扰能力和稳定性。
二、布尔代数布尔代数是一种数学工具，用于描述和分析逻辑关系。
它是以英国数学家布尔命名的，用来处理逻辑问题。
布尔代数运算包括与、或、非等基本运算，通过这些运算可以建立逻辑关系的数学模型。
三、逻辑门电路逻辑门电路是数字电路中最基本的构建单元，它通过逻辑运算实现特定的逻辑功能。
常见的逻辑门包括与门（AND）、或门（OR）、非门（NOT）、异或门（XOR）等。
逻辑门电路可以根据输入信号的不同进行相应的逻辑运算，并得出输出结果。
四、组合逻辑电路组合逻辑电路是由多个逻辑门组合而成的电路，它根据输入信号进行逻辑运算，得出输出信号。
组合逻辑电路的输出只与当前的输入有关，与之前的输入无关。
常见的组合逻辑电路包括译码器、编码器、多路选择器等。
五、时序逻辑电路时序逻辑电路是在组合逻辑电路的基础上引入了时钟信号的电路。
时序逻辑电路的输出不仅和当前的输入有关，还与之前的输入和时钟信号有关。
时序逻辑电路常用于计算机中的存储器和控制电路等。
六、存储器存储器是计算机系统中的重要组件，用于存储和读取数据。
常见的存储器包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
随机存取存储器用于暂时存储数据，而只读存储器用于存储程序和数据的固定信息。
七、数字信号处理数字信号处理是数字电路应用领域中的一种技术，用于对数字信号进行处理和分析。
常见的数字信号处理技术包括滤波、编码、解码、调制、解调等。
计算机数字逻辑基础.ppt
数字逻辑
• 数字系统归根到底是对“0”和“1”进行处理， 它们是通过电子开关电路（如门电路、触发器等） 实现的。这些开关电路具有下列基本特点：
• 从线路内部看是开关导通，或是开关截止；从线 路的输入输出看，或是高电平，或是低电平。
由这3种基本逻辑运算，就可以构造出任何 逻辑运算来。显而易见，逻辑代数是一种比普 通代数简单得多的代数系统。
例如，普通代数中的变量取值可为正、负无穷大之 间的任意数，而逻辑代数中的变量取值只能为0或1： 普通代数中的变量运算包括加、减、乘、除、乘方、 开方等许多种，而逻辑代数中的变量运算只有 “与”、“或”、“非”3种。
•4 计数器
பைடு நூலகம்
本逻辑部件包括全 加器、译码器、奇
•5 寄存器
偶校验器、计数器、 寄存器等。
例子、利用“与非门”实现一位二进制加法
A B
低位 A B
进位（高位）
输入 A 0 0 1 1 输入 B 0 1 0 1 输出 P 00 01 01 高10
1、全加器
• 什么叫全加器？为了说明这个问题，我们先来分析 两个二进制数的相加过程。设有两个4位二进制数相 加，其竖式如下：
• 组合逻辑器件和时序逻辑器件两大类。
• 如果该器件的输出状态仅与当时的输入状态 有关，而与过去的输入状态无关，则称为组合逻 辑器件，组合逻辑电路的基本单元为门电路，常 用的组合逻辑器件有加法器、算术逻辑运算单元 （ALU）、译码器等；
• 如果逻辑器件的输出状态不但与当时的输入
有关，而且还与电路在此刻以前的状态有关，则
称为时序逻辑器件，时序逻辑器件内必须包含能 存储信息的记忆元件——触发器，它是构成时序 逻辑电路的基础，常用的时序逻辑器件有计数器、 寄存器等。
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状态机
经典状态机案例——交通灯
在一个智能交通路口，如果没有行人，车 道上将一直绿灯，人行道一直红灯；如果 有行人按下路边按钮，车道将在30秒后变 为黄灯，3秒后变为红灯，此时人行道变 为绿灯；30秒后，人行道变为红灯，车道 变为绿灯。请画出状态转换图
状态机
状态机的写法
利用verilog语言，状态机一般有一段式、 两段式、三段式三种写法
数字逻辑设计基础
pengball
主要内容
基础知识回顾
实验
设计流程
交通灯实验
MOS逻辑门电路
MOS晶体管
MOS逻辑门电路
增强型NMOS管工作原理
MOS逻辑门电路
反相器
练习：用mos管搭建一个2输入与门
MOS逻辑门电路
数字电路的基本元素就是0/1，mos晶体管 组成的组合逻辑电路能很好的体现出数字 电路的二进制特性
D触发器
亚稳态的解决方案
使用单一时钟
跨时钟域使用多级触发器级联
子
组合逻辑电路
组合逻辑电路是由各种逻辑门电路组成的 电路，其特点是：输出信号随输入信号变 化，中间间隔时间为该组合逻辑电路的延 时。
单个逻辑门就是最简单的组合逻辑电路
组合逻辑电路——竞争与冒险
竞争(Competition): 在组合逻辑电路中，某个输入 变量通过两条或两条以上的途径传到输出端，由于 每条途径延迟时间不同，到达输出门的时间就有先 有后，这种现象称为竞争。把不会产生错误输出的 竞争的现象称为非临界竞争。把产生暂时性的或永 久性错误输出的竞争现象称为临界竞争。
组合逻辑电路——竞争与冒险
组合逻辑电路——竞争与冒险
竞争冒险(Competition risk)产生原因：由 于延迟时间的存在，当一个输入信号经过 多条路径传送后又重新会合到某个门上， 由于不同路径上门的级数不同，或者门电 路延迟时间的差异，导致到达会合点的时 间有先有后，从而产生瞬间的错误输出。
组合逻辑电路——竞争与冒险
D触发器
D触发器分为电平触发和边沿触发两种。 在数字电路中所说的D触发器一般指的就 是边沿触发D触发器。
D触发器
建立时间和保持时间（以上升沿触发的D 触发器为例）
建立时间Tsetup：D端锁存的信号需要最迟在 时钟上升沿到来前一段时间（Tsetup）就稳 定输入到D端；
保持时间Thold：D端锁存的信号需要在时钟 上升沿到来之后一段时间（Thold）之内保持 信号的稳定。
但是，数字电路并不仅仅是由组合逻辑构 成，数字电路的另一个重要组成部分就是 存储器。
D触发器
在数字电路中，常用的存储原件有两种， 一种是由晶体管构成的锁存/触发器，另 外一种是由电容的充放电构成的大规模存 储器，如RAM、ROM等。
D触发器
D触发器是在双稳态电路的基础上构建起来 的存储原件。下图中的RS触发器是一种基本的双 稳态电路。
时序逻辑电路
当数字电路需要实现复杂的功能时，很多 时候需要用寄存器记录下当前的状态作为 下次逻辑运算的输入，此时数字电路的输 出不仅仅与当前输入有关，还与数字电路 内部的当前状态有关
时序逻辑电路
时序逻辑电路既包含了逻辑计算功能，又 包含了记录当前电路状态的功能，所以， 其普遍结构可以简化为下图所示：
逻辑电路中常用器件及设计方法
逻辑电路中常用器件
D触发器
FIFO
RAM
逻辑门 多路选择器（MUX） ……
状态机
状态机：包含一组状态集（states）、一 个起始状态（start state）、一组输入符 号集（alphabet）、一个映射输入符号和 当前状态到下一状态的转换函数 （transition function）的计算模型。
冒险(risk)：信号在器件内部通过连线和逻辑单 元时，都有一定的延时。延时的大小与连线的 长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的 制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。信 号的高低电平转换也需要一定的过渡时间。由 于存在这两方面因素，多路信号的电平值发生 变化时，在信号变化的瞬间，组合逻辑的输出 有先后顺序，并不是同时变化,往往会出现一些 不正确的尖峰信号，这些尖峰信号称为"毛刺"。 如果一个组合逻辑电路中有"毛刺"出现，就说明 该电路存在冒险。
消除方法：
1、修改设计法:
a、代数法，在产生冒险现象的逻辑表达式上，加上冗余项或乘 上冗余因子； b、卡诺图法，将卡诺图中相切的圈用一个多余的圈连接起来。
2、选通法: 在电路中加入选通信号，在输出信号稳定后， 选通允许输出，从而产生正确输出。 3、滤出法: 由于冒险脉冲是一个非常窄的脉冲，一二可 以在输出端接一个几百微法的电容，将其滤出掉。
D触发器
建立时间和保持时间不满足时，D触发器 可能会进入亚稳态。 亚稳态：在同步系统中，如果触发器的setup time /
hold time不满足，就可能产生亚稳态，此时触发器输出 端Q在有效时钟沿之后比较长的一段时间处于不确定的 状态，在这段时间里Q端毛刺、振荡、固定的某一电压 值，而不是等于数据输入端D的值。这段时间称为决断 时间（resolution time）。经过resolution time之后Q端 将稳定到0或1上，但是究竟是0还是1，是随机的，与输 入没有必然的关系。
时序逻辑电路
上图中，存储电路可以使D触发器，也可 以是FIFO、RAM等存储器件。但是无论是 何种存储器件，其必然会将数据存储一段 时间，而最小的存储时间，通常就是数字 电路的时钟周期。
时序逻辑电路
同步时序电路：电路中只有一个时钟
异步时序电路：电路中有不同的时钟
在异步时序电路中，很容易出现亚稳态现 象。为了防止亚稳态的出现，通常不建议 使用异步时序电路。如果必须要有异步时 序电路，需要做严格的防止亚稳态的处理。