数字逻辑设计 - 基础理论知识

数字系统设计Digital

System

Design©

Digital

System

Design32015

ZDMC

–

Lec.

#1课程简介

参考书

阎石,

数字电子技术基础,第5版,

高等教育出版社,

2006.

R

J.

Tocci

et

al.,

Digital

Systems

Principles

and

Applications,

Tenth

Edition,

2006.

R.H.Katz,

G.Borriello,

Contemporary

Logic

Design,

second

edition,电子工业出版社,

2005.

M.M.Mano,

Michael

D.Ciletti,

Digital

Design,

Fourth

Edition,

数字设计(第四版),

电子工业出版社,

2008.

–

/mano

补充材料，见网页

/liupeng/教学工作

数字系统设计考核

平时30%(作业,

测验,

上课,

期中考试)

期末考试70%答疑

信电楼307房间/周五下午3:00-4:30©

Digital

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Design42015

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–

Lec.

#1课程结构

基础理论知识(必备)

数字系统和编码、布尔代数门电路数字电路分析与设计

组合电路

时序电路控制器和微码多节拍微处理器设计测试和验证脉冲电路©

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Design52015

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–

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#1数字系统-设计抽象级别(Design

Abstraction

Levels）n+n+SGD+

GATECIRCUIT

DEVICEMODULESYSTEM©

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Design62015

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#1设计准则

（Design

Metrics）

如何评价数字电路的性能

(Figure

of

Merit)

成本Cost可靠性Reliability可扩展性Scalability速度Speed

(delay,

operating

frequency)功耗Power

dissipation能耗Energy

to

perform

a

function©

Digital

System

Design72015

ZDMC

–

Lec.

#1

同步数字系统

(Digital

Systems)同步数字硬件系统Synchronous

Digital

Hardware

SystemsA

series

of

numbers

is

used

to

represent

the

waveform,

rather

than

a

voltage

or

current,

as

in

analog

systems.

同步（Synchronous）:

“Clocked”

-

all

changes

in

the

system

are

controlled

by

a

global

clock

and

happen

at

the

same

time

(not

asynchronous)

数字（Digital）:

All

inputs/outputs

and

internal

values

(signals)

take

on

discrete

values

(not

analog).

Example

digital

representation:

acoustic

waveform©

Digital

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Design82015

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#1数字系统例子-1

数字计算机-

最小化成本

最大化能效

计算器©

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–

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#1数字系统例子-2

数字手表

最小化功耗.

电池可维持数年

可穿戴设备©

Digital

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Design数字系统设计例子-3

The

TROJAN

PROOF

CHIP102015

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–

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#1©

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Design112015

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–

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#1设计折中

设计规范-

功能性描述.

–性能（速度）

–成本（复杂性）

–功耗（能量消耗）

作为设计人员必须在约束条件下实现预期的

功能。©

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#1设计表达©

Digital

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Design132015

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#1

AnalogBasebandDigital

Baseband

(DSP

+

MCU)

PowerManagement

SmallSignal

RFPower

RFCellPhoneSystem-on-a-Chip

design

:

integrates

processors,External

IO©

Digital

System

Design14Blue

Gene/QCompute

chip

360

mm²Cu-45

technology

(SOI)

~

1.47

B

transistors16

user

+

1

service

processors

plus

1

redundant

processor

all

processors

are

symmetric

each

4-way

multi-threaded

64

bits

PowerISA™

1.6

GHz

L1

I/D

cache

=

16kB/16kB

L1

prefetch

engines

each

processor

has

Quad

FPU

(4-wide

double

precision,

SIMD)

peak

performance

204.8

GFLOPS@55WCentral

shared

L2

cache:

32

MB

eDRAM

multiversioned

cache

will

support

transactional

memory,

speculative

execution.

supports

atomic

opsDual

memory

controller

16

GB

external

DDR3

memory

1.33

Gb/s

2

*

16

byte-wide

interface

(+ECC)Chip-to-chip

networking

Router

logic

integrated

into

BQC

chip.

PCIe

Gen2

interface2015

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–

Lec.

#1memory

and

networking

logic

into

a

single

chip

©

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Design162015

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#1目标

数字电路设计的基础理论

数字系统分析方法

数字系统设计方法

数字系统实现和测试方法

数字系统设计和解决问题的基本技能

电路图

硬件描述语言

语言描述问题©

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#1逻辑代数基础（复习）©

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#1逻辑代数概述

基本概念-布尔代数

逻辑：

事物的因果关系

逻辑运算的数学基础：

逻辑代数

在二值逻辑中的变量取值：

0/1

用简单(0/1)代数描述复杂性事物©

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Design192015

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Lec.

#1逻辑代数中的三种基本运算或（OR）非（NOT与（AND）

）1）以A=1表示开关A合上，A=0表示开关A断开；2）以Y=1表示灯亮，Y=0表示灯不亮；三种电路的因果关系不同：©

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Design202015

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–

Lec.

#1

与

-AND

条件同时具备，结果发生

Y=

A

AND

B

=

A&B

=

A·B

=

AB

真值表/truth

table图形符号A0011B0101Y0001国标国际©

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–

Lec.

#1

或-OR

条件之一具备，结果发生

Y=

A

OR

B

=

A+B

真值表图形符号A0011B0101Y0111©

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Design222015

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#1

真值表图形符号非-NOT(反相器)

条件不具备，结果发生

Y

A

NOT

AA01Y10©

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Design232015

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#1几种常用的复合逻辑运算1

与非-NAND

或非-NOR与或非AND-NOR©

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Design242015

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Lec.

#1几种常用的复合逻辑运算2

异或-EXCLUSIVE

OR

Y=

A

BA0011B0101Y0110©

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Design252015

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–

Lec.

#1几种常用的复合逻辑运算3

同或-EXCLUSIVE

NOR

/符合

Y=

A

⊙BA0011B

0

1

0

1Y1001©

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Design262015

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#1逻辑代数的基本公式和常用公式

基本公式

运算规则：交换律、结合律、分配律、重叠律、互补

律、反演律、还原律、逆；

常用公式

符号的优先级：1）括号，2）非，3）与，4）或。©

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Design272015

ZDMC

–

Lec.

#1基本公式

根据与、或、非的定义，得布尔恒等式序号公式序号公式101112131415161718

1′

=

0;

0′=

1

1

+

A=

1

0

+A=A

A+A=A

A

+

A′

=

1

A

+B

=

B

+

AA

+

(B

+C)

=

(A

+

B)

+

C

A

+

B

C

=

(A

+B)(A

+C)

(A+

B)

′

=

A′B′123456789

0

A

=

0

1

A

=

A

AA=A

A

A′=

0

AB=BA

A

(B

C)

=

(A

B)

CA

(B

+C)

=

A

B

+

A

C

(A

B)

′

=

A′

+

B′

(A

′)

′

=

A证明方法：推演

真值表©

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Design282015

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–

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#1公式（17）的证明（公式推演法）：A+BC=(A+B)(A+C)

右

(A

B)(A

C)

A

AB

AC