数字逻辑电路精品课件第1章

现代数字系统设计主要是以PLD为硬件载体。目前用得最多的PLD是
CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）和
FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）。PLD，尤
其是FPGA的显著优点是：高速度(ns级)，高可靠性，且具有加密功能，不易
酷睿i7
长征火箭
天宫一号
气象卫星云图
如今新一代电子系统设计师可设计和制造一系列的产品，帮助人们
进行生产过程控制(Production Process Control)，通信 (Communication)，娱乐(Entertainment)，探索太空奥妙和预测天 气。
9。
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1.2.1．数字信号和模拟信号
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英语术语表
英文 EDA
PLD
HDL
中文 电子设计 自动化
可编程逻 辑器件
解释
EDA技术就是以计算机为工具、以PLD作为目标开发 器件，设计者在EDA软件平台（QuatusII、ISE）上， 用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自 动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局 、布线和仿真，直至对于特定目标芯片（PLD）的适 配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
在我们生活的周围中存在许多物理量，我们分析它们的信号
波形可以发现有两种性质不同的物理量，即：模拟信号和数 字信号。
u(t)
u(t)
0
(t)
模拟信号
在时间上、数值上均连续的信号 数值随时间作连续变化的信号
10
0
(t)
数字信号
在时间上和数值上均离散的信号， 也就是在时间上是断续的、在数值 上也是不连续的信号
笔记本电脑
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数字式仪表
手机
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数字电路的优点
便于高度集成化、集成生产，通用性强，使用方便。如计算 机
工作可靠性高、抗干扰能力强。如数字通信 易于存储、加密、压缩、传输和再现
以数字电路作为主要组件的数字系统是当今电子系统的发展趋势 。
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1.2.3．数字系统
1
了解数字逻辑设计与应用发展简史
2 了解模拟信号、电路与数字信号、电路、系统
赖ຫໍສະໝຸດ Baidu亮@小木虫
3 了解数字系统的设计方法
4
了解数字系统设计软、硬件载体
5 了解8位模型计算机基本结构与原理
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内容提要
数字逻辑设计与应用发展简史 模拟与数字 典型数字系统实例---模型计算机
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地址寄存器MAR 地址寄存器MAR用来保存当前CPU所访问的主存储器单元 的地址，由于主存储器与CPU之间存在操作速度上的差别， 所以必须使用地址寄存器来保存地址信息，直到主存储器 的读／写操作完成为止。D触发器知识在教材第七章介绍， 寄存器内容在教材第八章介绍。
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数据寄存器DR 数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一 个数据字。相关知识在教材第七、八章介绍。
数字逻辑设计基础
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课程简介
“数字逻辑设计基础”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。
。
通过本课程的学习，使学生掌握数字逻辑电路的基本理论和基本分析方法， 为学习后续课程准备必要的电路知识。
本课程在培养学生严肃认真的科学作风和抽象思维能力、分析计算能力、 总结归纳能力等方面起重要作用。
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1.2.2．数字电路和模拟电路
模拟电路：用于传递、处理模拟信号的电子线路。模拟电路已经渗 透到各个领域，如无线电通信、工业自动控制、电子仪器仪表、以 及文化生活中的电视、录音、录像等家用电器中。
电子仪表
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模拟制式电视
录音机
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1.2.2．数字电路和模拟电路
数字电路：用于传递、处理数字信号的电子线路。数字电路能够实 现对数字信号的传输、逻辑运算、控制、记数、寄存、显示及脉冲 信号的产生和转换。数字电路被广泛地应用于数字电子计算机、数 字通信系统、数字式仪表、数字控制装置及工业逻辑系统等领域。
Gottfried
Charles Babbage
十九世纪英国数学家Charles Babbage动手制造了一台用于计算航 行时间表的自动计算机器(Automatic Count Machine)，虽然由于当 时的技术限制该机器存在可靠性的问题，但该机器被公认为是现代 计算机的先驱。
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指令寄存器IR和指令译码器 指令寄存器IR用来保存当前正在执行的一条指令。当执行 一条指令时，先把它从主存储器中取到数据寄存器中，然 后再传送到指令寄存器。如果IR中存储的是操作码，就送 入指令译码器，译码器将操作码译成相应的操作指令。相 关知识在教材第六、七、八章介绍。
节拍发生器 节拍发生器用于产生节拍脉冲信号，以便控制模型计算机 按固定节拍有序地工作。相关知识在教材第八章介绍。
1.1数字逻辑设计与应用技术发展简介
数字系统(Digital System)的历史可以追溯到十七世纪1642年Blaise Pascal设计了一台机械的数值加法器(Mechanical Value Adder)而在 1671年，德国数学家Gottfried更是发明了一台可进行乘法与除法的 机器
Blaise Pascal
时钟信号源 时钟信号源用于产生固定频率的方波脉冲。相关知识在教 材第九章介绍。
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译码显示电路 用以显示总线运行数据。可经总线缓冲以后用LED显示， 也可以将总线数据经七段显示译码后用数码管实现。相关 知识在教材第六章介绍。
操作控制器 在模型计算机中，操作控制器的任务是按照时间节拍，并 根据指令译码器输出的各个指令的不同操作要求，向各个 功能部件发出一系列有序的控制命令。相关知识在教材第 12、13章介绍。
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8位模型计算机原理框图
外部数据总线 DBUS
dbus 内部数据总线
SUMI SUMO
ARI 地址寄存器 地址线 存储器
（MAR ） ABUS （M）
PCI 程序计数器 （PC）
CLK
时钟信号源
DRO 数据寄存器 DRI （DR）
译码显示
累加器（A ）
AO AI
ALU
指令寄存器 ( IR)和译码器
计方法及其优点。 [题 1-3] 简述数字系统设计硬件载体。 [题 1-4] 简述数字系统设计软件载体。 [题 1-5] 简述8位模型计算机基本结构与原理。
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本章小结
本章简单介绍了数字逻辑设计与应用技术的发展，模拟信号、电路 与数字信号、电路，数字系统设计方法，数字系统设计的硬件载体、 软件载体和八位模型机。
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1.3.1模型计算机
计算机是典型的数字系统，它能对输入的信息进行处理、运算。但 是，计算机内部结构非常复杂，为了便于分析、设计，我们以计算 机实际结构为基础，将其简化，构成了简易的8位模型计算机。该模 型计算机由存储器、时钟信号源、节拍发生器、操作控制器、程序 计数器、地址寄存器、数据寄存器、累加器、算术逻辑单元、指令 寄存器、指令译码器和译码显示电路等十一个功能部件组成。
而另一位英国数学家George Boole提出了一种特殊的代数，也就是 我们所说的布尔代数(Boole Algebra)，它是现代数字逻辑设计的核 心。
George Boole
Claude Shannon
贝尔实验室
20世纪30年代，贝尔实验室(Bell Lab)的Claude Shannon为了实现 电话交换(Telephone Exchanges)的自动化，继承了布尔早期的工 作，在一篇现在还堪称经典的论文中提出了现在用于数字逻辑设计 的现代交换代数
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随着电子学的发展，从1947年半导体三极管(Transistors)的发明以 及 真空管(Vacuum Tube)的诞生，到20世纪60年代集成电路的发明， 都推动了数字逻辑和计算机的发展。
。
继电器
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电子管
ENIAC
晶体管
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现代电子系统从1946年Van Neumann等人设计提出计算机经典体 系结构，20世纪70年代初英特尔设计出第一个微处理器，数字系统 正以惊人的速度发展。2000年Pentium-4拥有约4 千多万个晶体管， 而发展到现在INTEL的酷睿i7四核处理器已经达到7.31亿个晶体管。
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2 数字系统设计硬件载体
传统数字系统电路设计的硬件载体按电路结构不同，可分为分立电路和 中小规模集成电路两种。分立电路是由二极管、三极管、电阻、电容等元件 组成的电路。中小规模集成电路是以半导体晶体材料为基片，经加工制造， 将元件、有源器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上，执行某种电 子功能的微型化电路。传统数字逻辑电路设计主要是以中小规模数字集成电 路为硬件载体。
由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的I／O单 元阵列构成，包含丰富的逻辑门、寄存器和I／O资源 。一片PLD芯片就可以实现数千片甚至更多个标准数 字集成电路所实现的系统。
硬件描述 指对硬件电路进行行为描述、寄存器传输描述或者结
语言
构化描述的一种新兴语言。
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习题
[题 1-1] 简述模拟信号、电路与数字信号、电路的区别。 [题 1-2] 简述数字系统的设计方法，指明现代数字系统设
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设计输入方式
设计输入方式主要分为图形输入法和文本输入法
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现代数字系统设计方法的开发流程
现代数字系统设计主要依靠的是EDA技术。现代数字系统设计主要依托于 计算机辅助的设计，设计者先在装有EDA软件的计算机上用图形输或文本 输入方式把要设计的数字系统的模型搭建好，然后利用相关的EDA软件将 用图形或文本表达的设计思想自动转化为目标芯片PLD所能识别的网表文件， 最终通过相应的下载工具下载到目标芯片里，让目标芯片按照即定的逻辑执 行相应的功能。
被人仿冒制作，具有无限次编程的能力，且高密度集成，体积小，功能强大，
易学易用，开发周期短，投资费用低。
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3 数字系统设计软件载体
EDA软件
EDA软件是进行数字系统设计的强有力的工具。基于自顶向下的现代数字系统 设计的绝大部分工作是在EDA软件的强有力支持下完成的。常用的EDA软件有 QuartusII、ISE、Modelsim等。工作可靠性高、抗干扰能力强。
累加器A 累加器A是一个通用寄存器，当运算器的算术逻辑单元 ALU执行算术或逻辑运算时，为算术逻辑单元ALU提供一 个工作区。相关知识在教材第七、八章介绍。
算术逻辑单元ALU 算术逻辑单元ALU是数据加工处理部件，用来实现基本的 算术、逻辑运算功能。相关知识在教材第六、七、八章介 绍。
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IRI 节拍发生器
操
作
控
控
制
制 器
信 号
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1.3.2 模型计算机各功能部件
存储器M
模型计算机是按照事先编写的程序进行运算的，首先将编写好的 程序写入存储器，计算机在运行过程中对存储器进行读写操作。 EPROM工作原理在本教材第十章介绍。
程序计数器PC 程序计数器的作用是确定模型计算机将要执行的下一条指 令的地址。74LSl61等计数器内容在教材第八章介绍。
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在本课程中，将介绍数字逻辑电路的分析设计方法和基本的系统设计技巧； 培养同学综合运用知识分析解决问题的能力和在工程性设计方面的基本素 养。通过实验和课外上机的方式，使同学深入了解和掌握数字逻辑电路的 设计分析方法和电路的运用过程。
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第一章 概 述
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本章目标
1 数字系统的设计方法
数字系统的设计方法主要有直接设计法、自顶向下设计法、自底向上设计 法三种设计方法。直接设计法和自底向上的设计法又统称为传统设计法， 其主要依赖手工、经验以及现有的通用元器件，设计后期才能进行仿真和 调试。自顶向下的设计法又称为现代设计法，其主要依靠的是EDA（电子 设计自动化）技术，设计的早期就能进行仿真与调试。数字系统设计方法 之所以能成为当今主流的系统设计方法，是依赖它拥有丰富的软硬件载体 的支持。
数字系统的基本设计方法有直接设计法、自顶向下设计法、自底向 上设计法三种。数字系统设计方法之所以能成为当今主流的系统设 计方法，是依赖它拥有丰富的软硬件载体的支持。传统数字逻辑电 路设计主要是以中小规模数字集成电路为硬件载体。现代数字系统 设计主要是以PLD为硬件载体。