西安石油大学数据逻辑课件第一章概述课件

《数字逻辑I》

西安石油大学计算机学院通信工程系

网络与接口教研室康磊《数字逻辑Ⅰ》学时：64

学分：3.5

实验：12学时教材：《数字电路及Verilog设计》康磊等编西安电子科技大学出版社课程体系类型：专业基础课先导课：模拟电子技术后续课：计算机组成原理微机原理及应用单片机原理嵌入式系统参考文献1.夏宇闻.Verilog数字系统设计教程].北京航空航天大学出版社，2003.7

2.王毓银.数字电路逻辑设计—脉冲与数字电路（3版）.北京：高等教育出版社.1999.课程要求考勤：抽查点名。3次迟到或早退合1次旷课，若旷课次数超过总点名次数的1/3，取消考试资格。请假必须要有请假条，并且有辅导员的签字。实验：实验前预习（预习报告），无预习报告者不得进行实验；实验时遵守实验室规章制度；实验后提交实验报告。2次无故不做实验者，不允许参加考试。作业：按时提交，迟交作业者不予批改，作业成绩记入平时成绩。若发现抄袭，成绩以0分记。成绩评定方法：期末考试成绩占总成绩的70%，平时成绩占30%。

第1章数字系统设计概述1.1数字系统的基本概念

数字信号数字电路数字系统1.2数字系统的设计方法

设计方法：自底向上，自顶向下设计流程1.3EDA技术基础

大规模可编程逻辑器件、硬件描述语言EDA软件开发工具、实验开发系统

1、模拟信号模拟信号的特点：在时间和数值上连续变化的信号。－－时间上连续，幅值上也连续例如：温度、正弦电压。t1.1数字系统的基本概念

一、信号（模拟信号、数字信号）2、数字信号数字信号：在时间和数值上都不连续、是离散变化的。

例如：对工厂生产的产品进行计数。t10数字电路中的数字信号：

数字量:只用1和0两种数码组成。

表示：高电平、低电平有脉冲、无脉冲01011101处理模拟信号的电路——模拟电路处理数字信号的电路——数字电路有较强的稳定性、可靠性和抗干扰能力；具有算术运算能力和逻辑运算能力，可进行逻辑推理和逻辑判断；

——逻辑运算是其最基本的运算形式，也称数字逻辑电路电路结构简单，便于制造和集成；使用方便灵活。1、数字电路的优点（二进制）1.1数字系统的基本概念

二、数字电路处理模拟信号的电路——模拟电路处理数字信号的电路——数字电路2、数字电路基本元件及分类集成电路IC分类逻辑门电路实现基本逻辑运算的电子电路如与门、或门、非门等触发器能够存储并记忆1位二进制信息的逻辑部件小规模集成电路SSI（SmallScaleIntegratedCircuit）

中规模集成电路MSI（MiddleScaleIntegratedcircuit）

大规模集成电路LSI（LargeScaleIntegratedcircuit）

超大规模集成电路VLSI（VeryLargeScaleIntegratedcircuit）

甚大规模集成电路ULSI（UltraLargeScaleIntegratedcircuit）巨大规模集成电路GSI（Giga

Scale

Integration）

集成度：每块芯片或芯片每单位面积中包含的晶体管的数量

集成电路IC分类

TTL电路：采用双极型晶体管为主要电子器件，问世较早，在长期的使用过程中逐渐演化为一种电路标准。

CMOS电路：采用NMOS和PMOS两种互补的金属-氧化物半导体场效应晶体管作为主要电子器件，具有显著的低功耗，高密度等特性。这些特性对大规模集成电路的设计与制造非常重要，CMOS电路开始逐渐取代TTL电路的主导地位，发展成为目前主流的电路形式。制造工艺电路构成时所采用的主要元件3.数字电路的研究方法工作信号——数字信号主要研究对象——电路输入/输出之间的逻辑关系主要分析工具——逻辑代数主要描述工具——逻辑表达式、真值表、卡诺图、逻辑电路图、时序波形图、状态转换图、硬件描述语言等。1.1数字系统的基本概念

三、数字系统数字系统：能够存储、传输、处理以二进制形式表示的离散数据的逻辑模块/子系统的集合。

组成框图：与功能模块电路的区别：组成结构中包含了控制电路

典型例子：数字计算机①所需要的芯片个数多、占用电路板体积大、功耗大、可靠性差、难于实现复杂的逻辑功能；②逻辑功能固定，一旦完成设计，很难再进行更改主要用于20世纪80年代之前1、标准芯片一、三类芯片通用、具有固定逻辑功能的器件，如门电路、译码器、计数器等设计方法：先选择芯片，依据芯片功能特点进行设计缺点：优点：符合工程人员设计习惯1.2数字系统的设计方法①作为通用芯片，可批量生产，成本低；但又可编程配置实现不同的电路，设计后能实现专用集成电路ASIC的功能。②大多数的PLD器件允许多次编程，便于系统修改、升级、维护。③集成度高，可以实现更复杂的逻辑电路。如：FPGA，④使用PLD设计的电路具有功耗低、体积小、可靠性高等优点。PLD器件成为了设计数字系统的一类主流器件。2、可编程逻辑器件PLD1.2数字系统的设计方法

一、三类芯片具有通用的逻辑结构。但内部包含大量的可编程开关，用户编程配置这些开关为不同的状态，就能实现不同的逻辑功能。编程配置过程可以由最终的电路产品用户借助编程工具实现，而不必由芯片制造厂商来完成

优点：①设计和开发周期长，产品投放市场时间长；②生产过程中可能要经过多次反复的尝试，成本高，风险大。为降低成本，通常需要生产足够的数量，以降低每片的平均价格。通常用于微处理器、信号处理等大规模专用集成电路设计

3、定制芯片1.2数字系统的设计方法

一、三类芯片生产方法：将设计好的电路交付半导体器件制造厂商，由厂商选择合适的技术生产满足特定性能指标芯片

缺点：优点：针对特定的应用需求生产、优化。更好的性能，实现更大规模电路类型：

全定制芯片：由设计者完全决定芯片内的晶体管数量、晶体管的放置位置、相互之间的连接方式等

半定制芯片：在厂商预构建的一些电路的基础上，设计版图，再交付生产厂家进行生产

由于从底层独立模块的设计开始，系统的整体性能不易把握；而且只有在系统设计完成后，才能进行整体测试，一旦发现错误或系统不能满足某些指标要求，修改起来比较困难。

1、设计方法1.2数字系统的设计方法

二、设计过程自底向上缺点：优点：符合硬件工程师的设计习惯

传统的使用标准芯片设计数字系统所采用的主要方法划分后的基本模块往往不标准，制造成本可能很高。

1、设计方法1.2数字系统的设计方法

二、设计过程自顶向下缺点：优点：易于对系统的整体结构和行为特性进行控制。便于多个设计者同时进行设计，用系统工程的方法对设计进行管理；便于修改维护

从系统的概念设计开始，依据系统功能需求，将整个系统划分为若干个相对独立的子系统，……直至便于逻辑设计和实现的基本模块。

设计关键：模块的合理划分

划分过程可以不考虑硬件的功能特性，完全可以依据系统的功能需求进行，但划分应遵循以下的基本原则：①各模块相对独立，功能集中，易于实现；②模块间接逻辑关系明确，接口简单，连线少。2、设计流程（自顶向下）——PCB1.2数字系统的设计方法

二、设计过程①明确设计要求，确定系统的整体设计方案。②将系统划分为多个功能相互独立的子系统/模块。③选择芯片，独立设计各个子系统/模块。④定义各子系统/模块间的互连线路，将所有模块组合成完整系统。⑤对设计完成的电路进行功能仿真，检测其逻辑功能是否正确。⑥进行电路板的物理设计，包括确定电路板上每个芯片的物理位置、芯片之间的相互连接模式等。如Protel。⑦对物理映射后的电路进行时序仿真。⑧制作原型板，测试，投产。EDA的概念1.3EDA技术基础

以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门技术

EDA技术的主要内容大规模可编程逻辑器件

硬件描述语言

EDA软件开发工具

实验开发系统：通常用于电路或系统设计的测试与验证。构成：可编程逻辑器件；

编程/下载电路；

输入/输出电路，如按键、开关、发光二极管、7段数码管、液晶显示屏等；

信号产生电路，如时钟、脉冲、高低电平等；

接口电路以及开发系统的扩展接口等。1.3EDA技术基础

1、什么是HDL1.3EDA技术基础

一、硬件描述语言HDL特点：用软件方法描述数字电路和系统，便于设计输入；允许描述系统行为，实现自顶向下的分层次设计，允许各个层次的仿真验证。降低设计成本，缩短设计周期。是一种以文本形式描述数字电路和数字系统的语言。专门用于描述逻辑电路和系统的硬件结构或行为特性描述级别：

行为级：不考虑实现硬件的具体结构

寄存器传输级RTL：用数字系统内部的寄存器、以及各寄存器（组）间二进制信息传输的数据通路（可以直接传送，或经过数据处理部件的加工）来描述数字系统。与逻辑电路都有明确的对应关系

门电路级：是用构成数字系统的逻辑门以及逻辑门之间的连接模型来描述数字系统。与逻辑电路都有明确的对应关系1、什么是HDL——几个概念1.3EDA技术基础

一、硬件描述语言HDL

综合将高层次描述的电路或系统转化为能与器件的基本结构相映射的一系列物理单元（如逻辑门）以及这些单元之间的互连，这个过程就是综合。——形成网表文件

布局布线/适配综合之后，需要针对特定的目标器件，利用其内部资源进行合理布局，并布线连接各逻辑模块，这一过程称为适配或布局布线。

2、VHDL和Verilog1.3EDA技术基础

一、硬件描述语言HDL

VHDL

V：是英文缩写VHSIC（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）的第一个字母，因此，其中文翻译应为甚高速集成电路硬件描述语言（VHSICHardwareDescriptionLanguage）。VHDL最初由美国军方组织开发，诞生于1982年，在1987年底被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。

Verilog于1983年初创于GDA（GatewayDesignAutomation）公司。1989年，Cadence公司收购GDA公司，Verilog成为了Cadence公司专有的HDL。在1990年，Cadence公司决定开放Verilog，而成立了一个公司和大学的联盟机构OVI（OpenVerilogInternational），并将Verilog移交给了该机构。这极大地促进了Verilog的发展，在1995年，Verilog被IEEE采纳成为了一种标准的硬件描述语言。

verilogVHDL逻辑描述层次设计者要求综合过程综合器要求高级描述语言适用于行为级和RTL级的描述最适于描述电路的行为低级描述语言适用于RTL级和门级电路的描述最适于描述门级电路可以不了解电路的结构细节，所作工作较少必须了解电路的结构细节，所作工作较多行为级→RTL级→门级几乎不能直接控制门电路的产生RTL级→门级易于控制电路资源高低1.3EDA技术基础

一、硬件描述语言HDL——VHDL和Verilog3、使用Verilog设计数字系统的优点1.3EDA技术基础

一、硬件描述语言HDL

1）自顶向下的分层次设计2）方便简单的设计输入3）电路和系统设计的兼容性4）成熟电路模块的共享和可重用性1.3EDA技术基础

二、EDA软件开发工具1、设计输入将数字电路或系统的概念设计输入计算机。1）原理图输入原理图编辑环境；绘制逻辑电路图的各类工具；基本器件库（标准器件）；厂家设计的较复杂逻辑模块（器件）。2）HDL输入文本编辑环境。HDL输入方法简单、方便，更适合于描述复杂的大型数字电路和系统。Altera的QuartusⅡLattice的ispEXPERTXilinx的ISE套件1.3EDA技术基础

二、EDA软件开发工具2、综合与优化将高层次描述的电路或系统转化为能与器件的基本结构相映射的一系列物理单元（如逻辑门）以及这些单元之间的互连，这个过程就是综合。综合器：完成综合过程的软件输入：原理图或HDL描述的电路输出：用来描述转化后的物理单元及其互连结构的文件，这个文件称为网表文件。综合器的综合过程必须针对某一PLD生产厂家的某一产品，因此综合后的电路是硬件可实现的。优化：综合器能够根据设计者性能参数定义的要求，自动选择更利于满足该性能指标的实现方式。

1.3EDA技术基础

二、EDA软件开发工具3、布局布线/适配布局布线工具，也称为适配器，用于精确定义如何在一个给定的目标芯片上实现所设计的电路或系统。

布局：为综合器产生网表文件中的各个