第一章数字逻辑基础知识

数字系统
2、数字信号 世界上存在的各种物理量，按其变化规律可 分为两类：模拟量和数字量 1） 模拟量 定义：在时间上和数量上都是连续变化的物理量 称模拟量，表示模拟量的信号称模拟信号。 例： 锯齿波信号 正弦波信号
u
u t
另如：声音、温度等。
t
数字系统
2、数字信号 物理量：模拟量和数字量 1）模拟量

模拟电路：直接对模拟信号进行处理的电子线 路。（模拟电路：模拟信号的产生、放大、处 理的运用电路。） 在模拟电子技术中，电子线路主要处理的是模 拟信号。（利用晶体管的放大功能）

数字系统 2） 数字量： 定义

在时间上和数量上都是离散变化的物理量， 断续的物理量称数字量， 表示数字量的信号称为数字信号。

数字逻辑电路的分类及研究方法


研究方法：分析和设计
分析(analysis)对一个现成的数字逻辑电路，研究它 的工作性能和逻辑功能称之。（已知逻辑电路，求逻 辑功能） 逻辑设计（逻辑综合）(logic design)：根据提出的 逻辑功能，在给定条件下构造出实现预定功能的逻辑 电路称之。（已知逻辑功能，求逻辑电路）

1.1.2 为什么要使用数字系统

与模拟电路相比，数字逻辑电路有如下特点：
1）电路的基本工作信号是二值信号。 2）对电路的研究主要关心输出和输入之间的逻辑关系。 3）电路结构简单、功耗低、便于集成制造和系列化生产。 产品价格低廉、使用方便、通用性好。 4）数字系统工作速度快、精度高、功能强、可靠性好、 抗干扰性强、保密性好、通用性强等。 5）不仅能完成数值运算，还可以进行逻辑运算和判断。 这在控制系统中是不可缺少。

拟采用的教学方法：讲课为主，习题课为辅， 自学为辅。课堂结合传统板书和多媒体手段 进行教学。 考核内容：理论和实验相结合。 考核方式：实行综合考核方式，即期末考试 成绩占80~70%，平时作业、出勤、提问情况 和口试成绩占20~30%，最终评定学生的成绩。

教材及参考书
教材： 《数字逻辑》第四版 欧阳星明 华中科技大学出版社 主要参考书： 《数字逻辑》 蒋大宗 电子工业出版社 《数字逻辑电路》皇甫正贤 南京大学出版社 《数字逻辑与数字系统》 王永军等 电子工业出版社 《数字逻辑与数字集成电路》王尔乾 清华大学出版社 《数字逻辑与数字系统》 白中英等 科学出版社 《Digital Design—Principles & Practices》 John F.Wakerly 高教出版社 《Logic and Computer Design Fundamentals》 M.Morris Mano, Charles R.Kime 电子工业出版社 《Digital Logic－Applications And Design》John M.Yarbrough 机械工业出版社 《Fundamentals of Degital Logic with VHDL Design》Stephen Brown，Zvonko Vranesic 机械工 业出版社
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第一章 基本知识
目 录
1.1 概述 1.2 数制及其转换 1.3 带符号二进制数的代码表示 1.4 几种常用的编码


数字逻辑电路的分类及研究方法


4）按电路有无记忆功能来分：组合逻辑电路和时序逻 辑电路 组合逻辑电路（Combinational Logic）：如果一个逻 辑电路在任何时刻的稳定输出仅取决于该时刻的输入， 而与电路过去的输入无关的逻辑电路，则称之。如： 全加器、译码器、数据选择器等。 时序逻辑电路（Sequential Logic）：如果一个逻辑 电路在任何时刻的稳定输出不仅取决于该时刻的输入， 而且与过去的输入相关的逻辑电路，则称之。如：计 数器、寄存器、移位寄存器等。 常用的记忆元件是触发器(flip-flop)。 时序逻辑电路按照是否有统一的时钟信号进行划分， 可分为同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路。
数字系统
3. 数字（逻辑）电路

①用数字信号去实现运算、控制、测量的科学； ②研究输入和输出之间的逻辑关系。 ③用来处理数字信号的电子线路。 ④研究数值的逻辑加工和运算的电路。 ⑤由于数字电路的各种功能是通过逻辑运算和逻辑判 断来实现，所以数字电路又称为数字逻辑电路，或者 逻辑电路，简称数字逻辑。 数字系统习惯上被称为数字逻辑系统或数字逻辑电路。 最具代表性的设备就是数字电子计算机。 数字电路－数字逻辑电路－逻辑电路－数字逻辑

数字逻辑电路的分类及研究方法

2）按集成度的大小来分： 所谓集成度大小是指同一块集成芯片上制作的逻辑门 电路和元器件数量的多少。一块集成电路芯片所容纳 的逻辑门数量反映了芯片的集成度，集成度越高，单 片芯片所实现的逻辑功能就越强。
类别 SSI 集成度 1-10门/片或10-100元 件/片 10-100门/片或1001000元件/片 100-1000门/片或100010000元件/片 1000门/片或10000元件 /片以上

特点
⑴、时间上是不连续的； ⑵、数值的增减变化都是某一个最小数量单 位的整数倍。
例：
数字信号 u t
Βιβλιοθήκη Baidu
数字系统
2） 数字量 输入数字信号有两种：电位型和脉冲型 电位型：用高低不同的电位信号表示数字 “1”和“0”， 脉冲型：用有无脉冲表示数字“1”和 “0”
脉冲是一个突然的变化过程，电压或电流信号 ，有矩形脉冲、尖脉冲、矩形波、锯齿波
电路规模与范围
通常为逻辑单元电路。如： 各种逻辑门电路、集成触发 器； 通常为逻辑功能部件。如： 译码器、编码器、数据选择 器、计数器、寄存器、移位 寄存器； 通常可构造一个小的数字逻 辑系统。如：微处理器、中 央控制器、存储器、串并行 接口电路； 通常可构造一个完整的数字 系统。如：在一硅片上集成 一个完整的微处理机。
1.1 概 述

1.1.1 数字系统 1.1.2 为什么要使用数字系统 1.1.3 数字系统的由来 1.1.4 数字逻辑电路的分类及研究方法
数字系统(DIGITAL
SYSTEMS)
1、数字系统的含义：

数字系统是一个能对数字信号进行加工、 传递和存储的实体，它由实现各种功能 的数字逻辑电路相互连接而成。 如：数字计算机就是一种最具代表性的 数字系统。
数字电路与逻辑设计
《Digital Circuits and Logic Design》
主讲教师： 董 晨
课程教学总体安排 学习本课程的目的、作用和本课程的地位 学习本课程的基本要求 学时安排与课程内容设置 教学方法与成绩评定 教材及参考书

学习本课程的目的、作用和本课程的地位


在数字电子技术中，电子线路主要处理的是数 字信号。（利用晶体管的截止和饱和功能）
数字系统
3） 模拟信号和数字信号之间的联系 当数字系统要与模拟信号发生联系时， 必须经过模/数（A/D）和数/模（D/A） 转换电路对信号类型进行转换。 例如：ADSL方式上网
Asymmetric Digital Subscriber Loop , 即“非对称数字用户线路”。 以普通电话线路做为传输介质，在普通双绞铜 线上实现下行高达24Mbit/s传输速度；上行高 达3.5Mbit/s的传输速度 。

数字电路相对于模拟电路的这一系列的优点，使它在 计算机自动控制、数字通信及仪器仪表等各个领域中 得到广泛的应用。
1.1.3 数字系统的由来

具有二值性的量的信号，即不是“有”就是“无”， 不是“是”就是“非”，不是“真”就是“伪”，不 是“高”就是“低”。 开关理论。一个开关只能有两种状态，不是“通”就 是“断”。 1847年英国数学家乔治•布尔（George.Boole）提出的 布尔代数(Boolean Algebra)。 1938年克劳德•香农（C.E.Shannon）将布尔代数的有 关理论应用于开关电路。 数字逻辑元件从上世纪40年代的真空电子管，50年代 的晶体管及60年代的小规模集成电路SSI(small-scale integration)发展到目前的中规模集成电路MSI （medium -scale integration) 、大规模集成电路 LSI(large-scale integration)以至超大规模集成电 路VLSI(very large-scale integration)。
计算机科学与技术、信息安全专业必修的一门重要 专业基础课和主干课程。 主要目的是使学生了解从对数字系统提出的要求开 始，直到用集成电路实现所需逻辑功能为止的完整 过程，为数字计算机和其它数字系统的硬件设计奠 定坚实的基础。 是一门理论与实践结合密切的硬件基础课程。 先修课程：《计算机导论》、《基础电路与电子学》 后继课程：《计算机组成原理》、《汇编程序设 计》、《微机与接口技术》、《计算机系统结构》、 《数据通信与计算机网络》、《嵌入式系统》、 《EDA》等等。

学习本课程的基本要求

1．掌握数字电路的基本概念、基本理论和基本 知识； 2．熟悉逻辑电路工作原理、特性和功能； 3．掌握用布尔代数、状态理论对数字逻辑电路 进行分析和设计；尤其中、大规模集成电路的 分析和设计；重点在于组合逻辑电路和同步时 序逻辑电路的应用。 4．掌握计算机系统中的基本部件的分析和设计 方法，并能熟悉选择使用逻辑元部件； 5．（实验环节）熟练掌握实验步骤、实验内容， 培养调试和动手实践的能力，培养学生具有正 确运用数字集成电路的能力。

学时安排

总学时48 周学时4 第1周至第12周完成教学内容 课程内容围绕组合逻辑电路和时序逻辑电路 两大部分，结合实验展开。 理论课顺序：基础知识－逻辑代数－组合电 路－触发器－时序电路－可编程逻辑器件 实验课安排：48学时（第6~17周完成实验内 容）
课程内容设置



教学方法与成绩评定
MSI
LSI
VLSI
数字逻辑电路的分类及研究方法

3）按构成电路的半导体器件来分（了解）: 双 极型电路和单极型电路 双极型数字集成电路是指以双极型晶体管（二 极管、三极管）为基本器件的集成电路称之。 属于这一类的有TTL、ECL、I2L等； 单极型数字集成电路是指以MOS单极型晶体管 为基本器件的集成电路称之。属于这一类的有 NMOS、PMOS、CMOS。
复杂数字系统， 含第2级到第4级的逻辑部件 复杂逻辑功能部件， 如微处理器等 逻辑功能部件， 如加法器、计数器等 基本逻辑器件， 如逻辑门、触发器等 电子元件，如二级管、 三级管、电阻、电容等
VLSI级

MSI、 LSI级
SSI级

1.1.4 数字逻辑电路的分类及研究方法
1．分类 1）按电路组成结构来分：分立元件电路 和集成电路 分立元件电路是将元件和器件用导线连 接起来的电路； 集成电路(integrated circuits)是将元 件、器件和导线均用半导体工艺集成制 作在同一块硅片上构成的电路。
ULSI（Ultra-Large Scale Integration ）

1.1.4 数字逻辑电路的分类及研究方法

数字集成电路(digital integrated circuits)是 数字系统功能实现的物质 基础。它的基本逻辑单元 是逻辑门电路。 逻辑门(logic gates):数 字逻辑电路以能完成独立 逻辑功能的一组电子元件 和器件所组成的线路为基 本单元，这种基本单元称 之。 数字系统的层次结构图：

1.2 数制及其转换
1.2.1 进位计数制
数制(number systems)


数制是人们对数量计数的一种统计规律。一种 进位计数制包含着基数和位权两个基本因素。 基数：指计数制中所用到的数字的个数。R包 含0、1、2、…R－1，进位规律是逢R进一，称 为R进位计数制，简称R进制。 位权：指在一种进位计数制表示的数中，用来 表明不同数位上数值大小的一个固定常数。不 同数位有不同的位权。