数字逻辑电路 概论t
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噪声容限 输入 逻辑1 Invalid
电压 输出 逻辑1
模拟电子电路设计：确保逻辑门输出的 逻辑信号在合适的电压范围内（如在下 一级输入的要求范围内）；同时识别在 合适区域内的输入逻辑信号。 数字设计：只需一定的模拟电路知识以 确定设备工作在规范要求的环境中。
逻辑0
逻辑0
② 关于“逻辑 logic”
– 数字电路由模拟部件构成，处理的是模拟电压和电流。
– 实际上它的电流和电压也是在一定范围内连续变化的。但
在数字电路和系统的设计过程中我们假设它们不是连续变 化的。（忽略模拟行为特性） – 也就是说所谓的“数字化抽象”使得模拟行为特性在多数 情况下可被忽略，因此电路可建模成好像只处理“0”和
“1”一样。
• 模拟电路：
– 处理随时间变化的信号，信号值可以是在一定范围内连
续变化的电压、电流或其他参量。 – 模拟电路包括基本放大电路、功率放大电路、模拟运算 电路、有源滤波器、信号发生器等。 – 模拟电路易受外界环境因素、自身老化等因素影响。 – 模拟电路工作在器件（如三极管）的线性工作区域。
• 数字电路和数字系统：
MIT开放式课程镜像网站——课程编号6.111
http://www.core.org.cn/OcwWeb/Electrical-Engineering-andComputer-Science/6-111Spring2004/CourseHome/index.htm http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-andComputer-Science/6-111Spring-2006/CourseHome/index.htm
• 可编程性
数字逻辑的设计完全可以用硬件描述语言HDL来编程， 还可以编写它的可综合模型、仿真模型，并通过运行程序来 验证设计的正确性，然后把它下载到CPLD或FPGA上，或者 作成专用的IC。
4. 本课程在学科体系中的地位
CPLD技术及应用 „ „
（ 由此开始 ）
单片机技术 系统结构 嵌入式系统 网络技术 „„ 计算机控制系统 微机原理
• 通过逻辑运算，实现其逻辑关系，即逻辑代数；
把与、或、非看作是逻辑变量间的最基本运算，可将逻辑关系写成：
Y A BY A BY A
二值逻辑
•只有决定结果的两个条件A和B同时具备， 即同时有效：A=1，B=1，则结果会发生，即 结果有效：Y=1。 •若两者中只有一个有效：A=1,B=0或 A=0,B=1，则结果不会发生，即无效：Y=0。 •若两者均无效：A=0,B=0，则结果不发生： Y=0。
概论 第一章 数制和编码 第二章 逻辑代数基础 《数字逻辑电路》课程补充材料 第三章 组合逻辑电路的分析与设计 第四章 同步时序电路的分析 第五章 同步时序电路的设计 第六章 异步时序电路的分析与设计 第七章 可编程逻辑器件PLD 第八章 数字系统设计
绪
一、关于课程：
论
1. 课程名称：数字逻辑电路
结构域 系统级：CPU、存储器
更复杂的功能逻辑单元，如微处 理器
功能逻辑单元，如加法器、计数 器、乘法器
算法级：控制器、网表
RTL级：ALU、寄存器、MUX
功能逻辑单元，如门，与门、非 门，及触发器
电子元件，如晶体管、二极管、 电阻、电容
逻辑级：门、触发器
电路级：晶体管
描述部件或系统的三个充分必要条件，也就是从不同角度充分 描述部件或系统：行为域、结构域、物理域。
YA
决定Y的只有一个条件A •A=0则Y=1 •A=1则Y=0
③ 关于“数字系统 digital system”
由若干逻辑部件构成，能够对数字信息进行加工、传送及
存储的物理设备。
由于这种逻辑加工(即逻辑运算)是建立在一套完整的逻辑 理论(即逻辑代数)基础上，这种科学的严密性保证了系统的准 确性和可靠性，并易于控制。
行为域 ：强调行为，说明电路功能，即电路的输入/输出关系，但与该行为 的实现无关。 结构域 ：对组成电路的各部件及部件间的拓扑连接关系进行描述，给出互 连功能部件的层次关系。 物理域 ：提供生产和制造物理实体所需要的信息，如几何布局或拓扑约束 等，即空间的物理布局和物理特性，没有任何功能部件的概念。
来自百度文库
Vi
iB
这个三极管电路起到了逻辑取反的作用：Vi Vcc ＝0时Vo＝1；Vi＝1时Vo＝0。可作为一个非门。 对于一个标准门（Gate），其逻辑0（1）对 iC Vo应输出电压值并不一定是某一具体电压值，它可 以是在某一电压范围内，而这一电压范围能够被 其它门识别为逻辑0（1）。见左下图。 iE 不同器件有不同的逻辑0/逻辑1的电压范围。 只要某器件的输出位在另一器件输入的逻辑0/1电 压范围内，该输出将起到0（或1）的作用。
二、教材及参考书目：
数字逻辑（第三版）.鲍家元 毛文林 张琴编著.北京：高等教 育出版社.2011.6
《 Digital Design -- Principles & Practices (Third Edition)》. John F. Wakerly.北京：高等教育出版社.2001年 《Digital logical Circuit Analysis & Design》. Victor P. Nelson.北京：清华大学出版社.1997年
• 研究“因果”关系，即逻辑关系。输入量、输出量均
为逻辑量；
三种基本因果关系： 逻辑与:只有决定事物结果的全部条件同时具备时，结果才会发生。 逻辑或:在决定事物结果的诸条件中只要有任一个满足，结果就会 发生。 逻辑非:只要某一条件具备了，结果便不发生；而此条件不具备时， 结果就会发生。
逻辑量是逻辑状态的表示。 在二值逻辑中，只有两种状态，并且这两种状态互不相容，分别 用0－状态和1－状态表示。 0状态一般表示逻辑状态的假或无效；1状态一般表示逻辑状态的 真或有效。
三、全书各章总述
概论 总述《数字逻辑电路》课程的主要任务、研究目 的、研究的内容，以及学习方法。 第一章 数制和编码 数字系统主要处理二进制数据（binary digits－0s和 1s）。数字系统设计者应在二进制数据和现实生活中的 数、事件、条件之间建立一种联系。也就是要知道如何 在二进制数字系统中表示并处理我们日常熟悉的数值量 （如非二进制数据、事件、条件等）。 主要介绍：不同进位计数制之间的相互转换；二进 制带符号数的代码表示（用数据位表示符号）及其加减 运算；十进制的常用二进制代码；可靠性编码（具有检 错、纠错能力的编码）。
Digital Logic Circuits
2. 课程主要任务：
系统地介绍数字系统设计的理论知识；
培养学生解决数字电路实现问题的实践能力；
能够独立的设计并实现一个具体的逻辑功能部
件或数字系统。
3. 研究的内容：
① 关于“数字Digital”
模拟量 analog value 和 模拟电路 analog circuit 数字量 digital value 和 数字电路 digital circuit • • 模拟量的特点：连续不断的物理量(随着时间变化)。 数字量的特点：离散的、不连续的物理量，被抽象 为在任何时刻只有两个离散值：用 0和 1、 高和低、真和假、 H 和 L 、 T 和 F ，等表示。
④ 关于“数字逻辑电路 digital logic circuit”
通过讨论数字电路中输入信号与输出信号之间的逻辑关系， 运用数字逻辑的基本原理和基本方法，设计出实现特定逻辑要
求的逻辑器件（电路），最终完成一个完整的数字系统。
利用TTL等模拟器件的截止区和饱和区特性，将器件的输 入/输出电压分别归为逻辑 0 和逻辑 1 。然后利用TTL器件的 不同连接形成实现二值逻辑的不同运算（与、或、非）的逻辑 部件，进而实现更复杂的逻辑运算，从而实现逻辑功能。
功能逻辑单元，如门，与门、非门，及触发器 (SSI) 电子元件，如晶体管、二极管、电阻、电容 (元件级)
设计：逻辑部件
简单的数字系统，如汽车尾灯、交通灯控、 广告灯箱等 较复杂的数字系统，如单片机工控、测试等 带有简单编程的系统。 复杂的数字系统，如计算机系统，要研究其 “组成”和“系统结构”。
数字系统层次化结构 复杂系统：从第2级到第4 级的功 能部件
• 速度快
目前的数字器件运行速度非常快。晶体管的开关速度已 经小于10ps。用这样快速的晶体管制造的复杂数字电路系 统可以在2ns中对输入产生响应。也就是说在一秒钟内可以 产生500兆次输出。（2ns＝10ps×200）
• 集成度高且成本低
数字电路可以在一个很小的空间里提供许多功能。常用 的电路均可以设计成集成电路芯片，且生产成本很小。现 在市场上有许多用过就丢弃的计算器、手表、会唱歌的圣 诞卡片等都是这一类产品。
– 数字电路工作在器件（如三极管）的非线性工作区（饱和 区和截止区）。
iE
例：电子线路中的晶体管工作示意图，如下： Vo Vcc VOH iC Vo iB Vi VOL iE VIL VIH
开关部分：
截止，Vi=0 Vo=1 模拟部分： 放大
Vi
开关部分：
饱和，Vi=1 Vo=0
注意： a 模拟器件和模拟系统是处理模拟信号的。 b 晶体管的开关特性是数字电路研究的重点，上例中物理量已逻辑约定 成逻辑量 0 和 1。 c 数字电路具有模拟电路的特性，如时间延迟问题。
TTL开关特性 模拟电压/电流
多个TTL连接
多个门连接
不同逻辑功能 数字系统
0、1逻辑量
与或非门
更复杂逻辑
⑤数字电路与模拟电路相比有什么优点呢？
• 稳定性好
设计得好的数字电路，若给定一组确定的输入，总会给 出相同的输出结果（逻辑关系）。而模拟电路则表现得总 是不太稳定，其输出还受温度、电源电压、器件老化等诸 多因素影响。
• 逻辑是由逻辑量、逻辑关 系和逻辑运算所组成的集 合。 • 逻辑分为许多类型，其中 最简单的是二值逻辑运算，
Y A B
•A=1,B=1则Y=1 •A=1,B=0则Y=1 Y A B•A=0,B=1则Y=1 •A=0,B=0则Y=0
也称二值布尔代数，又称
开关代数。如：真/假、开 /关、高/低、有/无，1/0， 等。（第2章）
专 业
„
课
微机原理 数字逻辑系统 „ 离散数学 „ 电路 电工原理 模电 „ 硬线逻辑：由与 门、或门、触发 高数 器、MSI、LSI 等 英语 物理 线性代数 „ 基本逻辑部件构 成的逻辑系统。
电信类专业基础课 专业
电类专业基础课 公共基础课
4. 本课程在学科体系中的地位
重点研究这些 基本逻辑部 CPLD技术及应用 „ „ 件——“逻辑门” 的外部功能； 并由“门”构 单片机技术 系统结构 嵌入式系统 网络技术 „„ 建更大的功能 级模块部件， 计算机控制系统 微机原理 „ 如加法器、运 算器或控制器 微机原理 数字逻辑系统 „ 离散数学 „ 等。
第 5级 第 4级 第 3级 第 2级 第 1级
SSI：等效包含1到20个门。 MSI：等效包含20到200个门。 LSI：等效包含200到200000或更多的门。 VLSI：具有超过1000000个晶体管的 IC 一定是VLSI。
复杂系统：从第2级到第4 级的功能部件 更复杂的功能逻辑单元，如微处理器 功能逻辑单元，如加法器、计数器、乘法器 (VLSI) (MSI与LSI)
（ 由此开始 ）
专 业 课
电信类专业基础课 专业
电路 电工原理 模电 „ 高数 英语 物理 线性代数 „
电类专业基础课 公共基础课
综上所述
“数字逻辑电路”是一门集 数字电子技术、 逻辑分析方法、计算机组成科学 为一体的专业 课程，研究在 计算机体系结构、数字系统中部 件级的分析和设计方法。
5. 数字系统的层次化结构
• 设计容易
数字设计，即逻辑设计，输入输出要求合乎逻辑，并不 需要特别的数学技巧。尤其是规模小的数字电路的逻辑特性很 容易明白，也不需要很深入地了解诸如电容、晶体管和许多其 他器件的微积分模型。
• 功能灵活
当把实际问题简化为数字形式，就可以通过空间和时间 上的一系列逻辑步骤加以处理。例如：很容易设计一个数字电 路对一段录音进行加密，只有知道密码的人才能听出。但若只 用模拟电路的技术要做到这点就很困难。
电压 输出 逻辑1
模拟电子电路设计：确保逻辑门输出的 逻辑信号在合适的电压范围内（如在下 一级输入的要求范围内）；同时识别在 合适区域内的输入逻辑信号。 数字设计：只需一定的模拟电路知识以 确定设备工作在规范要求的环境中。
逻辑0
逻辑0
② 关于“逻辑 logic”
– 数字电路由模拟部件构成，处理的是模拟电压和电流。
– 实际上它的电流和电压也是在一定范围内连续变化的。但
在数字电路和系统的设计过程中我们假设它们不是连续变 化的。（忽略模拟行为特性） – 也就是说所谓的“数字化抽象”使得模拟行为特性在多数 情况下可被忽略，因此电路可建模成好像只处理“0”和
“1”一样。
• 模拟电路：
– 处理随时间变化的信号，信号值可以是在一定范围内连
续变化的电压、电流或其他参量。 – 模拟电路包括基本放大电路、功率放大电路、模拟运算 电路、有源滤波器、信号发生器等。 – 模拟电路易受外界环境因素、自身老化等因素影响。 – 模拟电路工作在器件（如三极管）的线性工作区域。
• 数字电路和数字系统：
MIT开放式课程镜像网站——课程编号6.111
http://www.core.org.cn/OcwWeb/Electrical-Engineering-andComputer-Science/6-111Spring2004/CourseHome/index.htm http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-andComputer-Science/6-111Spring-2006/CourseHome/index.htm
• 可编程性
数字逻辑的设计完全可以用硬件描述语言HDL来编程， 还可以编写它的可综合模型、仿真模型，并通过运行程序来 验证设计的正确性，然后把它下载到CPLD或FPGA上，或者 作成专用的IC。
4. 本课程在学科体系中的地位
CPLD技术及应用 „ „
（ 由此开始 ）
单片机技术 系统结构 嵌入式系统 网络技术 „„ 计算机控制系统 微机原理
• 通过逻辑运算，实现其逻辑关系，即逻辑代数；
把与、或、非看作是逻辑变量间的最基本运算，可将逻辑关系写成：
Y A BY A BY A
二值逻辑
•只有决定结果的两个条件A和B同时具备， 即同时有效：A=1，B=1，则结果会发生，即 结果有效：Y=1。 •若两者中只有一个有效：A=1,B=0或 A=0,B=1，则结果不会发生，即无效：Y=0。 •若两者均无效：A=0,B=0，则结果不发生： Y=0。
概论 第一章 数制和编码 第二章 逻辑代数基础 《数字逻辑电路》课程补充材料 第三章 组合逻辑电路的分析与设计 第四章 同步时序电路的分析 第五章 同步时序电路的设计 第六章 异步时序电路的分析与设计 第七章 可编程逻辑器件PLD 第八章 数字系统设计
绪
一、关于课程：
论
1. 课程名称：数字逻辑电路
结构域 系统级：CPU、存储器
更复杂的功能逻辑单元，如微处 理器
功能逻辑单元，如加法器、计数 器、乘法器
算法级：控制器、网表
RTL级：ALU、寄存器、MUX
功能逻辑单元，如门，与门、非 门，及触发器
电子元件，如晶体管、二极管、 电阻、电容
逻辑级：门、触发器
电路级：晶体管
描述部件或系统的三个充分必要条件，也就是从不同角度充分 描述部件或系统：行为域、结构域、物理域。
YA
决定Y的只有一个条件A •A=0则Y=1 •A=1则Y=0
③ 关于“数字系统 digital system”
由若干逻辑部件构成，能够对数字信息进行加工、传送及
存储的物理设备。
由于这种逻辑加工(即逻辑运算)是建立在一套完整的逻辑 理论(即逻辑代数)基础上，这种科学的严密性保证了系统的准 确性和可靠性，并易于控制。
行为域 ：强调行为，说明电路功能，即电路的输入/输出关系，但与该行为 的实现无关。 结构域 ：对组成电路的各部件及部件间的拓扑连接关系进行描述，给出互 连功能部件的层次关系。 物理域 ：提供生产和制造物理实体所需要的信息，如几何布局或拓扑约束 等，即空间的物理布局和物理特性，没有任何功能部件的概念。
来自百度文库
Vi
iB
这个三极管电路起到了逻辑取反的作用：Vi Vcc ＝0时Vo＝1；Vi＝1时Vo＝0。可作为一个非门。 对于一个标准门（Gate），其逻辑0（1）对 iC Vo应输出电压值并不一定是某一具体电压值，它可 以是在某一电压范围内，而这一电压范围能够被 其它门识别为逻辑0（1）。见左下图。 iE 不同器件有不同的逻辑0/逻辑1的电压范围。 只要某器件的输出位在另一器件输入的逻辑0/1电 压范围内，该输出将起到0（或1）的作用。
二、教材及参考书目：
数字逻辑（第三版）.鲍家元 毛文林 张琴编著.北京：高等教 育出版社.2011.6
《 Digital Design -- Principles & Practices (Third Edition)》. John F. Wakerly.北京：高等教育出版社.2001年 《Digital logical Circuit Analysis & Design》. Victor P. Nelson.北京：清华大学出版社.1997年
• 研究“因果”关系，即逻辑关系。输入量、输出量均
为逻辑量；
三种基本因果关系： 逻辑与:只有决定事物结果的全部条件同时具备时，结果才会发生。 逻辑或:在决定事物结果的诸条件中只要有任一个满足，结果就会 发生。 逻辑非:只要某一条件具备了，结果便不发生；而此条件不具备时， 结果就会发生。
逻辑量是逻辑状态的表示。 在二值逻辑中，只有两种状态，并且这两种状态互不相容，分别 用0－状态和1－状态表示。 0状态一般表示逻辑状态的假或无效；1状态一般表示逻辑状态的 真或有效。
三、全书各章总述
概论 总述《数字逻辑电路》课程的主要任务、研究目 的、研究的内容，以及学习方法。 第一章 数制和编码 数字系统主要处理二进制数据（binary digits－0s和 1s）。数字系统设计者应在二进制数据和现实生活中的 数、事件、条件之间建立一种联系。也就是要知道如何 在二进制数字系统中表示并处理我们日常熟悉的数值量 （如非二进制数据、事件、条件等）。 主要介绍：不同进位计数制之间的相互转换；二进 制带符号数的代码表示（用数据位表示符号）及其加减 运算；十进制的常用二进制代码；可靠性编码（具有检 错、纠错能力的编码）。
Digital Logic Circuits
2. 课程主要任务：
系统地介绍数字系统设计的理论知识；
培养学生解决数字电路实现问题的实践能力；
能够独立的设计并实现一个具体的逻辑功能部
件或数字系统。
3. 研究的内容：
① 关于“数字Digital”
模拟量 analog value 和 模拟电路 analog circuit 数字量 digital value 和 数字电路 digital circuit • • 模拟量的特点：连续不断的物理量(随着时间变化)。 数字量的特点：离散的、不连续的物理量，被抽象 为在任何时刻只有两个离散值：用 0和 1、 高和低、真和假、 H 和 L 、 T 和 F ，等表示。
④ 关于“数字逻辑电路 digital logic circuit”
通过讨论数字电路中输入信号与输出信号之间的逻辑关系， 运用数字逻辑的基本原理和基本方法，设计出实现特定逻辑要
求的逻辑器件（电路），最终完成一个完整的数字系统。
利用TTL等模拟器件的截止区和饱和区特性，将器件的输 入/输出电压分别归为逻辑 0 和逻辑 1 。然后利用TTL器件的 不同连接形成实现二值逻辑的不同运算（与、或、非）的逻辑 部件，进而实现更复杂的逻辑运算，从而实现逻辑功能。
功能逻辑单元，如门，与门、非门，及触发器 (SSI) 电子元件，如晶体管、二极管、电阻、电容 (元件级)
设计：逻辑部件
简单的数字系统，如汽车尾灯、交通灯控、 广告灯箱等 较复杂的数字系统，如单片机工控、测试等 带有简单编程的系统。 复杂的数字系统，如计算机系统，要研究其 “组成”和“系统结构”。
数字系统层次化结构 复杂系统：从第2级到第4 级的功 能部件
• 速度快
目前的数字器件运行速度非常快。晶体管的开关速度已 经小于10ps。用这样快速的晶体管制造的复杂数字电路系 统可以在2ns中对输入产生响应。也就是说在一秒钟内可以 产生500兆次输出。（2ns＝10ps×200）
• 集成度高且成本低
数字电路可以在一个很小的空间里提供许多功能。常用 的电路均可以设计成集成电路芯片，且生产成本很小。现 在市场上有许多用过就丢弃的计算器、手表、会唱歌的圣 诞卡片等都是这一类产品。
– 数字电路工作在器件（如三极管）的非线性工作区（饱和 区和截止区）。
iE
例：电子线路中的晶体管工作示意图，如下： Vo Vcc VOH iC Vo iB Vi VOL iE VIL VIH
开关部分：
截止，Vi=0 Vo=1 模拟部分： 放大
Vi
开关部分：
饱和，Vi=1 Vo=0
注意： a 模拟器件和模拟系统是处理模拟信号的。 b 晶体管的开关特性是数字电路研究的重点，上例中物理量已逻辑约定 成逻辑量 0 和 1。 c 数字电路具有模拟电路的特性，如时间延迟问题。
TTL开关特性 模拟电压/电流
多个TTL连接
多个门连接
不同逻辑功能 数字系统
0、1逻辑量
与或非门
更复杂逻辑
⑤数字电路与模拟电路相比有什么优点呢？
• 稳定性好
设计得好的数字电路，若给定一组确定的输入，总会给 出相同的输出结果（逻辑关系）。而模拟电路则表现得总 是不太稳定，其输出还受温度、电源电压、器件老化等诸 多因素影响。
• 逻辑是由逻辑量、逻辑关 系和逻辑运算所组成的集 合。 • 逻辑分为许多类型，其中 最简单的是二值逻辑运算，
Y A B
•A=1,B=1则Y=1 •A=1,B=0则Y=1 Y A B•A=0,B=1则Y=1 •A=0,B=0则Y=0
也称二值布尔代数，又称
开关代数。如：真/假、开 /关、高/低、有/无，1/0， 等。（第2章）
专 业
„
课
微机原理 数字逻辑系统 „ 离散数学 „ 电路 电工原理 模电 „ 硬线逻辑：由与 门、或门、触发 高数 器、MSI、LSI 等 英语 物理 线性代数 „ 基本逻辑部件构 成的逻辑系统。
电信类专业基础课 专业
电类专业基础课 公共基础课
4. 本课程在学科体系中的地位
重点研究这些 基本逻辑部 CPLD技术及应用 „ „ 件——“逻辑门” 的外部功能； 并由“门”构 单片机技术 系统结构 嵌入式系统 网络技术 „„ 建更大的功能 级模块部件， 计算机控制系统 微机原理 „ 如加法器、运 算器或控制器 微机原理 数字逻辑系统 „ 离散数学 „ 等。
第 5级 第 4级 第 3级 第 2级 第 1级
SSI：等效包含1到20个门。 MSI：等效包含20到200个门。 LSI：等效包含200到200000或更多的门。 VLSI：具有超过1000000个晶体管的 IC 一定是VLSI。
复杂系统：从第2级到第4 级的功能部件 更复杂的功能逻辑单元，如微处理器 功能逻辑单元，如加法器、计数器、乘法器 (VLSI) (MSI与LSI)
（ 由此开始 ）
专 业 课
电信类专业基础课 专业
电路 电工原理 模电 „ 高数 英语 物理 线性代数 „
电类专业基础课 公共基础课
综上所述
“数字逻辑电路”是一门集 数字电子技术、 逻辑分析方法、计算机组成科学 为一体的专业 课程，研究在 计算机体系结构、数字系统中部 件级的分析和设计方法。
5. 数字系统的层次化结构
• 设计容易
数字设计，即逻辑设计，输入输出要求合乎逻辑，并不 需要特别的数学技巧。尤其是规模小的数字电路的逻辑特性很 容易明白，也不需要很深入地了解诸如电容、晶体管和许多其 他器件的微积分模型。
• 功能灵活
当把实际问题简化为数字形式，就可以通过空间和时间 上的一系列逻辑步骤加以处理。例如：很容易设计一个数字电 路对一段录音进行加密，只有知道密码的人才能听出。但若只 用模拟电路的技术要做到这点就很困难。