数字电路逻辑设计第一章

1、数字电子技术数字电子技术讲讲 授：刘琪芳授：刘琪芳授课班级：电子授课班级：电子12011201、电子、电子12021202联系方式：联系方式：13703546384137035463842课程简介 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。 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实验的方式，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。第一章第一章 绪绪 论论要求：要求：1 1、正确理解一些有关数字技术的基

2、本知识；、正确理解一些有关数字技术的基本知识；2 2、掌握常用的几种、掌握常用的几种数制数制以及它们之间的转换；以及它们之间的转换；3 3、掌握数字系统中常用的几种、掌握数字系统中常用的几种BCD码码。学习重点：学习重点：1 1、不同数制之间的相互转换；、不同数制之间的相互转换；2 2、用、用二进制编二进制编码表示十进制数（码表示十进制数（BCD码码）；）；3 3、算术运算与逻辑运算。、算术运算与逻辑运算。第第1 1章章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论1.1.11.1.1数字技术基本知识数字技术基本知识1.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换1.1.31.1.3二二十进制码（十进制码（

3、BCD码）码）1.1.41.1.4算术运算与逻辑运算算术运算与逻辑运算发展特点发展特点: :以电子器件的发展为基础以电子器件的发展为基础电子管时代电子管时代1906年，福雷斯特等发明了电子管；电子管年，福雷斯特等发明了电子管；电子管体积大、重量重、耗电大、寿命短。目前在体积大、重量重、耗电大、寿命短。目前在一些大功率发射装置中使用一些大功率发射装置中使用。电压控制器件电压控制器件电真空技术电真空技术数字技术的发展及其应用数字技术的发展及其应用晶体管时代晶体管时代电流控制器件电流控制器件 半导体二极管、三极管半导体二极管、三极管半导体技术器件半导体技术器件半导体集成电路半导体集成电路根据电路的结

4、构特点及其对输入信号的响应规则的不同根据电路的结构特点及其对输入信号的响应规则的不同 -数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。 从集成度不同从集成度不同 -数字集成电路可分为小规模、中规模、大规模、数字集成电路可分为小规模、中规模、大规模、甚大规模和超大规模五类。甚大规模和超大规模五类。 从电路的形式不同从电路的形式不同 -数字电路可分为集成电路和分立电路数字电路可分为集成电路和分立电路从器件不同从器件不同 -数字电路可分为数字电路可分为TTL 和和 CMOS电路电路数字集成电路的分类数字集成电路的分类集成度：集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件

5、数目每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路小规模集成电路(Small Scale IC(Small Scale IC，SSI)SSI)中规模集成电路中规模集成电路(Medium Scale IC(Medium Scale IC，MSI)MSI)大规模集成电路大规模集成电路(Large Scale IC(Large Scale IC，LSI)LSI)超大规模集成电路超大规模集成电路(Very Large Scale IC(Very Large Scale IC，VLSI)VLSI)特大规模集成电路特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC(Ultra Large Sca

6、le IC，ULSI)ULSI)巨大规模集成电路巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC(Gigantic Scale IC，GSIGSI）划分集成电路规模的标准划分集成电路规模的标准数字集成电路的特点数字集成电路的特点1) 电路简单电路简单, ,便于大规模集成便于大规模集成, ,批量生产批量生产2) 可靠性、稳定性和精度高可靠性、稳定性和精度高, ,抗干扰能力强抗干扰能力强 3) 体积小体积小, ,通用性好通用性好, ,成本低成本低. . 4) 具可编程性具可编程性, ,可实现硬件设计软件化可实现硬件设计软件化 5) 高速度高速度 低功耗低功耗 6) 加密性好加密性好 电路设计方

7、法电路设计方法伴随器件变化从传统走向现代伴随器件变化从传统走向现代a)a)传统的设计方法：传统的设计方法：b)b)现代的设计方法：现代的设计方法：采用自下而上的设计方法；由人工组装采用自下而上的设计方法；由人工组装, ,经反复调试、验证、经反复调试、验证、修改完成。所用的元器件较多，电路可靠性差修改完成。所用的元器件较多，电路可靠性差, ,设计周期长。设计周期长。现代现代EDA技术技术实现硬件设计软件化。采用从上到下设计方实现硬件设计软件化。采用从上到下设计方法，电路设计、法，电路设计、 分析、仿真分析、仿真 、修订、修订 全通过计算机完成。全通过计算机完成。EDA技术以计算机为基本工具、借助

8、于软件设计平台，自动完技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台，自动完成数字系统的仿真、逻辑综合、布局布线等工作。最后下载到成数字系统的仿真、逻辑综合、布局布线等工作。最后下载到芯片，实现系统功能。使硬件设计软件化。芯片，实现系统功能。使硬件设计软件化。1、设计：、设计：在计算机上利用软件平台进行设计在计算机上利用软件平台进行设计原理图设计原理图设计VerlogHDL语言设计语言设计状态机设计状态机设计设计方法设计方法EDA（Electronics Design Automation)技术技术3 3、下载、下载2 2、仿真、仿真4 4、验证结果、验证结果实验板实验板下载线下载线数字技术数字技

9、术1基本概念基本概念 数字量数字量：在时间上和数值都是离散的物理量，而且每次增减变化总在时间上和数值都是离散的物理量，而且每次增减变化总是发生在一系列离散的瞬间，数量大小和每次的增减变化都是某一个是发生在一系列离散的瞬间，数量大小和每次的增减变化都是某一个最小单位的整数倍。最小单位的整数倍。 数字信号数字信号：表示数字量的信号。表示数字量的信号。第一章第一章 绪绪 论论1.1.11.1.1数字技术基本知识数字技术基本知识数字信号表示方法数字信号表示方法(a) (a) 电位型：高电平表示电位型：高电平表示“1 1”，低电平表示，低电平表示“0 0”。 (b) (b) 脉冲型：有脉冲表示脉冲型：有

10、脉冲表示“1 1”，无脉冲表示，无脉冲表示“0 0”。第一章第一章 绪绪 论论占空比占空比 Q - - 表示脉冲宽度占整个周期的百分比表示脉冲宽度占整个周期的百分比上升时间上升时间t tr r 和下降时间和下降时间t tf f -从脉冲幅值的从脉冲幅值的10%到到90% 上升上升 下降所经历的时间下降所经历的时间( ( 典型值典型值ns ) )脉冲宽度脉冲宽度 (tw )- 脉冲幅值的脉冲幅值的50%50%的两个时间所跨越的时间的两个时间所跨越的时间周期周期 (T) - - 表示两个相邻脉冲之间的时间间隔表示两个相邻脉冲之间的时间间隔 tr脉冲宽度脉冲宽度 tw 0.5V 4.5V 2.5V

11、幅值幅值=5.0V 0.0V 5.0V tf0.5V 2.5V 4.5V 实际脉冲波形及主要参数实际脉冲波形及主要参数时序图时序图-表明各个数字信号时序关系的多重波形图。表明各个数字信号时序关系的多重波形图。 由于各信号的路径不同，这些信号之间不可能严格保持同步由于各信号的路径不同，这些信号之间不可能严格保持同步关系。为了保证可靠工作，各信号之间通常允许一定的时差，但关系。为了保证可靠工作，各信号之间通常允许一定的时差，但这些时差必须限定在规定范围内，各个信号的时序关系用时序图这些时差必须限定在规定范围内，各个信号的时序关系用时序图表达。表达。学习数字电路的意义？学习数字电路的意义？声音、图画

12、、温度、压力等声音、图画、温度、压力等模拟信号模拟信号: :时间连续、取值也连续；正弦波、三角波等；时间连续、取值也连续；正弦波、三角波等；模模/数转换数转换数数/模转换模转换数字电路数字电路( (数电数电) ) 模拟信号在时间上和取值上都是连续的，在取值上可以是某一范模拟信号在时间上和取值上都是连续的，在取值上可以是某一范围内的任何值，与数字信号的围内的任何值，与数字信号的“离散瞬间、取值突变离散瞬间、取值突变”不同。不同。回顾与思考回顾与思考：数字信号与模拟信号有何区别？：数字信号与模拟信号有何区别？原始信号衰减放大 模拟信号在传输过程中失真模拟信号在传输过程中失真 数字信号仍然可以保持数

13、字信号仍然可以保持 0 0、1 12.2.数字电路数字电路数字系统：数字系统：一个能对数字信号进行加工、传输和存储的实体，一个能对数字信号进行加工、传输和存储的实体，由实现各种功能的数字电路相互连接而成。由实现各种功能的数字电路相互连接而成。 数字信号工作的电路。由于数字电路的各种功能是通数字信号工作的电路。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，所以又称数字逻辑电路或过逻辑运算和逻辑判断来实现，所以又称数字逻辑电路或逻辑电路。逻辑电路。789456123#.0编码器编码器寄存器寄存器 A译码器译码器 A编码转编码转换器换器 A比较器比较器ABA=B计数器计数器加法器加法器ABC

14、寄存器寄存器 B编码转编码转换器换器 B译码器译码器 BMUX50550550译码器译码器 C寄存器寄存器 CDEMUX输入每只瓶子药输入每只瓶子药片数量的键区片数量的键区现场显示每只瓶子的预定数现场显示每只瓶子的预定数每只瓶子预定药片数的二进制代码每只瓶子预定药片数的二进制代码现场显示所有瓶子现场显示所有瓶子的药片总数的药片总数当前总数当前总数每只瓶子当前数每只瓶子当前数的二进制代码的二进制代码高电平关闭高电平关闭阀门，传送阀门，传送带向前运行带向前运行阀门阀门传感器传感器传送带控传送带控制制当下一个瓶子就位时，脉冲使计当下一个瓶子就位时，脉冲使计数器清零数器清零传感器因每传感器因每次加次加

15、1产生产生的脉冲的脉冲新的总数新的总数药片总数的二进制代码以串行形式被传药片总数的二进制代码以串行形式被传输，用以远程显示和计算机总量控制输，用以远程显示和计算机总量控制改变顺序控制输入改变顺序控制输入 药片计数和装瓶系统药片计数和装瓶系统 十进制数十进制数 十进制数采用十进制数采用0 0、1 1、9 9十个不同的数码；在计数时，采用十个不同的数码；在计数时，采用“逢十进一逢十进一”及及“借一当十借一当十”。某个数码处于十进制数的不同。某个数码处于十进制数的不同数位时，代表的数值是不同的。数位时，代表的数值是不同的。位权位权：235=5235=51 1+3+31010+2+2100100；35

16、2=2352=21 1+5+51010+3+3100100101210121211012210121010101010() 0 11 0.nnmnnmnnmNaaa a a aaaaaaaaa式中，式中，ai为十进制数的任意一个数码；为十进制数的任意一个数码；n、m为正整数，为正整数，n表示整表示整数部分数位，数部分数位，m表示小数部分数位。表示小数部分数位。1.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换按位权展开：按位权展开： 任意进制的数值都可以按位权展开。对于任意进制的数值都可以按位权展开。对于R(R2)进制计进制计数，共有数，共有0、1、(R-1)个不同的数码，那么一个个不同的数码，那么

17、一个R进制进制的数按位权可展开为：的数按位权可展开为：121012101212121012() .RnmnmnnnmnRRNaaa a a aaaaaaRRRRRaaa“逢逢R进一进一”的计数叫做的计数叫做“R进制进制”计数，计数，R称为计数制称为计数制的基数，或称为计数的模值的基数，或称为计数的模值(mod)。用。用(N)R表示表示R进制数进制数N。1.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换二进制数二进制数 二进制数只有二进制数只有0和和1两个数码，在计数时两个数码，在计数时“逢二进一逢二进一”及及“借借一当二一当二”。基数为。基数为2，每个数位的权值均为，每个数位的权值均为2的幂次方。二

18、进制的幂次方。二进制数可以按位权展开为：数可以按位权展开为：1212121012121012012222222) 2( .nnmnnmnnmNaaa a a aaaaaaaaa式中，式中，ai为第为第i位的数码：位的数码：“0”或或“1”，2i为为第第i位的权值，位的权值，n和和m均均为正整数为正整数。2101232212021202121(1101.01) 例例如如：1.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换188()iniimNa1 10 01 18 88 84 48 86 68 81 1( (1 16 6. .4 4) ) 例例如如：八进制和十六进制八进制和十六进制 八进制数有八进制数

19、有07八个数码，基数为八个数码，基数为8，八进制数表示为：，八进制数表示为： 十六进制数有十六进制数有09、AF十六个数码符号，其中十六个数码符号，其中AF六个六个符号依次表示符号依次表示1015，基数为，基数为16：11616()niimiNa1 10 01 11 16 61 16 61 12 21 16 66 61 16 61 10 0( (A A6 6. .C C) ) 例例如如：1.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换不同进制数的转换不同进制数的转换(1) (1) 将将R进制数转换成十进制数进制数转换成十进制数将将R进制数转换为等值的十进制数，只要将进制数转换为等值的十进制数，只要

20、将R进制数按位权进制数按位权展开，再按十进制运算规则相加即可。展开，再按十进制运算规则相加即可。例例1 1：将下列各进制数转换成十进制数。：将下列各进制数转换成十进制数。(D8.A)16 13161 816010161 (216.625)10(207.04)8 282 0817800814 82 (135.0625)10(101.01)2 122 0211200211 22 (5.25)101.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换(2) (2) 将十进制数转换成将十进制数转换成R进制数进制数将十进制数的整数部分和小数部分分别进行转换，然后合将十进制数的整数部分和小数部分分别进行转换，然后合

21、并起来。并起来。整数部分的转换采用整数部分的转换采用“R除取余除取余”法，小数部分的转换法，小数部分的转换采用采用“R乘取整乘取整”法。法。整数部分的转换步骤：整数部分的转换步骤：R除取余，由低到高产生相应位。除取余，由低到高产生相应位。 将给定的十进制整数除以将给定的十进制整数除以R，余数作为，余数作为R进制数的最低位进制数的最低位（LSB）。）。 用上一步的商再除以用上一步的商再除以R，余数作为次低位。，余数作为次低位。 重复步骤，记下余数，直至最后商为重复步骤，记下余数，直至最后商为0 0。最后的余数即为。最后的余数即为R进制数的最高位（进制数的最高位（MSB）。）。 1.1.21.1.

22、2数制及其转换数制及其转换例例2 2：将：将（217）10 转换成二进制数转换成二进制数解：解： 2 217 2 108 余余1 LSB b0 2 54 余余0 b1 2 27 余余0 b2 2 13 余余1 b3 2 6 余余1 b4 2 3 余余0 b5 2 1 余余1 b6 0 余余1 MSB b7（217）10 =（11011001）21.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换例例3 3：将十进制数：将十进制数（53）10 转换成八进制数。转换成八进制数。解：由于基数为解：由于基数为8，逐次除以，逐次除以8取余数：取余数： 8 53 8 6 余余5 LSB b0=5 0 余余6 MS

23、B b1=6 所以所以 （53）10 =（65）81.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换小数部分的转换步骤：小数部分的转换步骤：R乘取整，由高到低产生相应位乘取整，由高到低产生相应位。 将小数部分乘以将小数部分乘以R，取乘积的整数部分作为，取乘积的整数部分作为R进制小数部分进制小数部分的最高位；的最高位； 将将乘积的小数部分继续乘以乘积的小数部分继续乘以R，取乘积的整数部分作为，取乘积的整数部分作为R进进制小数部分的次高位；制小数部分的次高位； 重复步骤重复步骤，直至最后乘积为直至最后乘积为0 0或达到一定的精度为止。或达到一定的精度为止。 例例4：求（：求（0.3125）10 =（ ）

24、2 解：解： 0.3125 2 = 0.625 整数为整数为0 b-1 0.625 2 = 1.25 整数为整数为1 b-2 0.25 2 = 0.5 整数为整数为0 b-3 0.5 2 = 1.0 整数为整数为1 b-4所以所以（0.3125）10 =（0.0101）21.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换 例例5 5：将：将（0.39）10 转换成二进制数，要求精度达到转换成二进制数，要求精度达到0.1%。 解：要求精度为解：要求精度为0.1%，因为，因为2-9 (1/512) 1/1000 2-10(1/1024)， 所以需要精确到二进制小数第所以需要精确到二进制小数第10位。位。

25、0.39 2 =0.78 整数为整数为0 b-1 = 00.78 2 =1.56 整数为整数为1 b-2 = 10.56 2 =1.12 整数为整数为1 b-3 = 10.12 2 =0.24 整数为整数为0 b-4 = 00.24 2 =0.48 整数为整数为0 b-5 = 00.48 2 =0.96 整数为整数为0 b-6 = 00.96 2 =1.92 整数为整数为1 b-7 = 10.92 2 =1.84 整数为整数为1 b-8 = 10.84 2 =1.68 整数为整数为1 b-9 = 10.68 2 =1.36 整数为整数为1 b-10=1所以所以（0.39）10 =（0.0110

26、001111）21.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换例例6 6：将：将(0.39)10转换成八进制数，要求精度达到转换成八进制数，要求精度达到0.1%。解：要求精度为解：要求精度为0.1%，因为，因为8-3(1/512) 1/1000 8-4(1/4096), 所以需要精确到八进制小数的第所以需要精确到八进制小数的第4位。位。0.39 8 = 3.12 整数为整数为3 b-1=3 0.12 8 = 0.96 整数为整数为0 b-2=0 0.96 8 = 7.68 整数为整数为7 b-3=7 0.68 8 = 5.44 整数为整数为5 b-4=5 所以所以（0.39）10 =（0.307

27、5）81.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换1.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换将一个带有整数和小数的十进制数转换为将一个带有整数和小数的十进制数转换为R进制数时：进制数时：将整数部分和小数部分分别进行转换，然后将结果合并。将整数部分和小数部分分别进行转换，然后将结果合并。 例：将十进制数例：将十进制数(217.3125)10转换成二进制数。转换成二进制数。 按例按例2和例和例4分别进行转换，并将结果合并，得到：分别进行转换，并将结果合并，得到： （217.3125）10 =（11011001.0101）2 。(3) (3) 基数为基数为2k的各进制之间的相互转换：二、八、十六的

28、各进制之间的相互转换：二、八、十六由于由于3位二进制数构成位二进制数构成1位八进制数，位八进制数，4位二进制数构成位二进制数构成1位位十六进制数，以二进制数为桥梁，即可方便地完成基数为十六进制数，以二进制数为桥梁，即可方便地完成基数为2k的的各进制之间的转换。各进制之间的转换。 二进制与八进制之间的转换二进制与八进制之间的转换 3 3位二进制数构成位二进制数构成1 1位八进制数，所以它们之间可位八进制数，所以它们之间可以直接转换。以直接转换。 例如：（例如：（101011100101）2 （101 011 100 101）2 =（5345）8 （1100101）2 = （001 100 101

29、）2 =（145）8小数从高位开始组合小数从高位开始组合: (0.11001) 2 = (0.110 010)2 =(0.62)8 （6574）8 =（110 101 111 100）21.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换整数部分从低位开始组合整数部分从低位开始组合 二进制与十六进制之间的转换二进制与十六进制之间的转换 4 4位二进制数构成位二进制数构成1 1位十六进制数，它们之间可位十六进制数，它们之间可 以直接转换。以直接转换。 例如：例如： （9A7E）16 =（1001 1010 0111 1110）2 （10111010110）2 = (0101 1101 0110)2=（5

30、D6）16 八进制与十六进制之间的转换八进制与十六进制之间的转换 需要以二进制为桥梁需要以二进制为桥梁例例7 7：将：将（BE.9D）16转换成八进制数转换成八进制数 解解: (: (BE.9D)16= (1011 1110.1001 1101)2 = (010 111 110.100 111 010)2 = (276. 472)81.1.21.1.2数制及其转换数制及其转换1.1.31.1.3二二- -十进制码（十进制码（BCD代码）代码） BCD码码: : 以二进制表示十进制数的代码，称为以二进制表示十进制数的代码，称为BCD码，码， 即（即（Binary Coded Decimal）。）

31、。 二进制代码的位数二进制代码的位数m与需要编码的信息的个数与需要编码的信息的个数N之间应满之间应满 足以下关系：足以下关系：2m-1N2m 即：满足即：满足2 2mN的最小的的最小的m。 由于十进制数共有由于十进制数共有09十个数码，满足十个数码，满足2 2m10的最小的的最小的m是是4，因此需要因此需要4位二进制代码来表示位二进制代码来表示1 1位十进制数。位十进制数。 BCD码在形式上是码在形式上是4位的代码。位的代码。BCD码十码十进制数码进制数码8421码码余余3码码2421码码5121码码6311码码单位间单位间距码距码余余3循环循环码码移存码移存码0000000110000000

32、000110000001000011000101000001000100100001011000102001001010010001001010011011101003001101100011001101110010010110014010001110100011101100110010000115010110001011100010010111110001116011010011100110010000101110111117011110101101110110100100111111108100010111110111011011100111011009100111001111111111

33、00111010101000常用的常用的BCDBCD代码代码 有权有权BCDBCD码码即代码中的每位二进制数码都有确定的位权值。如表即代码中的每位二进制数码都有确定的位权值。如表1-31-3中的中的84218421码、码、24212421码、码、51215121码、码、631-1631-1码等。码等。对于有权对于有权BCDBCD码，可以根据位权展开求得所代表的十进制数。码，可以根据位权展开求得所代表的十进制数。例如：例如：BCDBCD码分码分有权码有权码和和无权码无权码两大类。两大类。 10 BCD1-316 10 BCD2421 10 BCD8421 8)1(1103161110171120

34、412111017112141800111 无权无权BCDBCD码码即代码没有确定的位权值，不能按照位权展开求解所代表即代码没有确定的位权值，不能按照位权展开求解所代表的十进制数。如表的十进制数。如表1-31-3中的余码、单位间距码、余循环码中的余码、单位间距码、余循环码等。这些代码都有其特点，适用于不同的场合。等。这些代码都有其特点，适用于不同的场合。用用BCDBCD代码表示十进制数代码表示十进制数对于一个多位的十进制数，需要有与十进制位数相同的几对于一个多位的十进制数，需要有与十进制位数相同的几组组BCDBCD代码来表示。例如：代码来表示。例如： BCD2421 236810 BCD842

35、1 536410 0010 .0011 1100 11102 .8630101 .0011 0110 01005 .463 不能省略！不能省略！不能省略！不能省略！4. 4. 其它常用代码其它常用代码 奇偶校验码奇偶校验码：是一种具有检错能力，可以检测一位错误的代码。：是一种具有检错能力，可以检测一位错误的代码。它由信息位和校验位两部分组成。校验位数码的编码方式是：它由信息位和校验位两部分组成。校验位数码的编码方式是：“奇奇校验校验”时，使校验位和信息位所组成的每组代码中含有奇数个时，使校验位和信息位所组成的每组代码中含有奇数个1 1；“偶校验偶校验”时，使校验位和信息位所组成的每组代码中含有偶数个时，使校验位和信息位所组成的每组代码中含有偶数个1