川大电子《数字电子技术》课件-ch

数字电子技术本课程涵盖了数字电子电路的基本原理、设计方法和应用。它涉及逻辑门、组合电路、时序电路、存储器等核心概念和器件。数字电路基本概念1数字信号数字信号以离散的电压或电流水平表示信息，通常是0或1。2逻辑门逻辑门是数字电路的基本构建模块，它们执行逻辑运算。3逻辑代数逻辑代数用于分析和设计数字电路，它定义了逻辑运算。4组合逻辑组合逻辑电路的输出仅取决于当前输入，没有记忆功能。数制及其相互转换十进制最常见的数制，日常生活使用。十个不同的数字(0-9)每位数字的权值为10的幂次二进制计算机内部使用，仅使用0和1。每位数字的权值为2的幂次转换成十进制，需要将每一位数字乘以其权值并相加八进制简化二进制表达，使用0-7八个数字。每位数字的权值为8的幂次可用于方便地将二进制数转换成八进制十六进制方便表达较大的二进制数，使用0-9和A-F十六个数字。每位数字的权值为16的幂次可用于方便地将二进制数转换成十六进制布尔代数基础布尔代数的基本概念布尔代数是现代数字电子技术的基础，用于描述逻辑关系和逻辑运算。布尔代数的基本运算布尔代数的基本运算包括与、或、非三种逻辑运算，分别对应逻辑门电路中的与门、或门、非门。布尔代数的应用布尔代数在数字电路设计、计算机科学、人工智能等领域有着广泛的应用，是数字电子技术不可或缺的一部分。逻辑门电路逻辑门电路是数字电路的基本单元，用于实现基本的逻辑运算。常见的逻辑门电路类型包括：与门、或门、非门、异或门、与非门、或非门等。逻辑门电路通过输入信号的组合来产生相应的输出信号，是构成复杂数字电路的基础。逻辑门电路设计1确定逻辑功能首先，需要明确电路的逻辑功能，即输入与输出之间的关系。2选择逻辑门根据逻辑功能，选择合适的逻辑门，例如与门、或门、非门等。3连接逻辑门将选定的逻辑门按照电路功能进行连接，构成完整的逻辑电路。4测试验证最后，对设计的逻辑电路进行测试，确保其能实现预期功能。组合逻辑电路组合逻辑电路组合逻辑电路的输出仅取决于当前输入信号。逻辑门组合逻辑电路由基本逻辑门组成，如与门、或门、非门等。布尔表达式可以用布尔代数描述组合逻辑电路的逻辑关系。真值表真值表可以列出组合逻辑电路在所有输入组合下的输出状态。组合逻辑设计实例加法器设计加法器是常用的组合逻辑电路，可实现二进制数的加法运算。译码器设计译码器将二进制编码转换为特定的输出信号，例如用于地址选择或数据选择。比较器设计比较器用于比较两个输入信号的大小关系，可用于控制逻辑或数据处理。编码器设计编码器将特定的输入信号转换为二进制编码，例如将键盘按键编码为数字。组合逻辑电路分析组合逻辑电路分析是理解其工作原理和功能的关键步骤。通过分析可以确定电路的功能，并识别可能存在的逻辑错误和潜在问题。方法描述真值表列出所有可能的输入组合及其对应的输出值。卡诺图将真值表转换为图形化表示，方便识别逻辑表达式。逻辑表达式用逻辑运算符表示电路的功能。时序逻辑电路时序逻辑电路定义时序逻辑电路输出不仅与当前输入有关，还与电路过去的状态有关。这种电路通常包含存储元件，用来保存电路过去的状态。时序逻辑电路的输出值与输入值和电路先前状态有关。状态的变化由时钟信号控制，因此也称为同步逻辑电路。时序逻辑电路特点时序逻辑电路具有记忆功能，可以存储信息。电路输出不仅受当前输入信号控制，还受电路之前状态的影响。时序逻辑电路常用于构建计数器、寄存器、移位寄存器、存储器等数字系统，广泛应用于电子设备的控制、通信和数据处理。触发器11.基本概念触发器是构成时序逻辑电路的基本单元，具有记忆功能，能够存储一位二进制信息。22.工作原理触发器由若干个逻辑门电路组成，通过输入信号控制其状态变化，实现数据存储和状态翻转。33.主要类型常见的触发器类型包括RS触发器、D触发器、JK触发器和T触发器，它们具有不同的结构和特性。44.应用领域触发器在计数器、寄存器、存储器等数字电路中广泛应用，是数字电子系统的重要组成部分。计数器计数器计数器是数字电路中的重要组成部分，其作用是统计脉冲信号出现的次数。计数器类型计数器分为同步计数器和异步计数器，同步计数器所有触发器都由同一个时钟信号触发，异步计数器各触发器由前一级触发器的输出信号触发。计数器应用计数器广泛应用于各种电子设备中，例如计时器、频率计、分频器等。寄存器存储信息寄存器是一组触发器，用于存储和传递数据。数据访问通过地址或其他控制信号访问寄存器中的信息，快速访问数据。类型多样常见的类型包括通用寄存器、特殊功能寄存器、累加器、移位寄存器。数据操作寄存器在计算机系统中用于存储程序指令、数据和中间计算结果。移位寄存器移位寄存器概述移位寄存器是一种数字电路，用于存储和移动数据。工作原理移位寄存器通过时钟信号控制，每次时钟脉冲将数据移位一位。串行输入/输出移位寄存器可以串行输入数据，并以串行或并行方式输出数据。应用移位寄存器广泛应用于通信、控制、数据处理等领域。存储器存储器的基本概念存储器是用来存储信息的电子元件，是计算机系统的核心组件之一。它可以存储程序、数据和其他信息，并能够被CPU访问和修改。存储器分类存储器主要分为两类：主存储器和辅助存储器。主存储器是直接与CPU交互的存储器，速度快，容量小，价格昂贵。辅助存储器是用来长期保存数据的存储器，速度慢，容量大，价格便宜。存储器基本概念存储器功能存储器是计算机系统中用于存储数据和指令的部件，是计算机中不可或缺的组成部分。存储器类型存储器可以分为主存储器和辅助存储器两种。主存储器是计算机直接访问的存储器，速度快，但容量有限。辅助存储器是用于存储大量数据的存储器，速度慢，但容量大。ROMROM(Read-OnlyMemory)是一种非易失性存储器，其内容在制造或编程后无法更改。ROM存储器中的数据在断电后仍然保留。ROM通常用于存储固件、引导程序、系统配置信息等。这些数据是不可更改的，并且需要在系统启动时可用。RAM随机存取存储器（RAM）是计算机中用于存储程序和数据的关键部件。RAM是一种易失性存储器，意味着当电源关闭时，存储在RAM中的数据会丢失。半导体存储器分类按存储介质分类主要包括两种：半导体随机存取存储器（RAM）和半导体只读存储器（ROM）。按存取方式分类包括静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。按存储单元结构分类包括单晶体存储器和多晶体存储器。按存储容量分类包括字节型存储器、字型存储器、块型存储器等。存储器性能指标存储器性能指标决定了存储器的数据读写速度和存储容量。影响因素包括访问时间、带宽、容量和功耗。存储器的应用11.计算机系统存储器是计算机系统中不可或缺的部分，用于保存程序和数据，包括指令和数据。例如，CPU需要从存储器中获取指令和数据，并将结果写入存储器。22.数字电路设计在数字电路设计中，存储器用于存储数据和状态信息，例如，寄存器、计数器和缓存。它们在实现各种数字系统中发挥着至关重要的作用。33.数据存储与管理存储器广泛应用于数据存储和管理，例如硬盘驱动器、闪存驱动器和云存储，这些设备使用存储器来存储大量数据。44.嵌入式系统嵌入式系统中的存储器通常用于保存程序代码、配置参数、传感器数据和其他信息。它们在各种应用中发挥关键作用，例如智能手机和汽车控制系统。数字系统设计实例数字系统设计是将数字电路与计算机科学知识相结合，用于解决现实世界中的各种问题。例如，自动控制系统、数据处理系统、通信系统等等。这些系统的设计需要综合考虑硬件、软件、算法和系统架构等多个因素，并运用数字电路、编程语言、系统分析等相关技术进行实现。可编程逻辑器件可编程逻辑门电路可编程逻辑器件（PLD）包含可编程逻辑门，允许用户自定义电路功能。集成电路形式PLD通常以集成电路形式提供，包含多个逻辑门和可编程连接。数字电路设计PLD广泛应用于数字电路设计，可实现各种功能，例如逻辑运算、数据处理、时序控制等。PLD器件的体系结构1可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列(PLA)2可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列(PLA)3可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列(PLA)4可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列(PLA)PLD器件的体系结构可以分为两种类型:可编程逻辑阵列(PLA)和可编程逻辑阵列(PLA)。PLA结构采用二维阵列实现逻辑功能，每个连接点都可编程，实现灵活性和可定制性。PAL结构采用一维阵列，连接点可编程，相比PLA更加简单易用，但灵活性稍差。PLD编程技术1编程语言VHDL、Verilog2编程工具EDA工具3编程方法基于文本的编程4编程目标逻辑功能实现PLD编程技术是指通过编程语言或工具将用户设计的逻辑功能映射到PLD器件的内部结构，并实现特定功能的流程。VHDL硬件描述语言硬件描述语言VHDL是一种用于描述数字电路的硬件描述语言，支持在不同抽象层次上对电路进行建模。它允许设计师以更易理解的方式表达设计意图。电路设计使用VHDL可以方便地描述各种逻辑门、触发器、计数器、存储器等电路，并进行仿真和验证。可读性与传统的电路图相比，VHDL更加简洁，便于理解和维护，提高了设计效率。可移植性VHDL可以用于描述不同类型的硬件平台，例如FPGA和ASIC，具有较好的可移植性。VHDL语言基本概念语法结构VHDL语言具有严谨的语法规则，确保代码的正确性和可读性。硬件描述VHDL语言以文本形式描述硬件电路的结构和行为，方便设计和验证。电路仿真VHDL语言支持电路仿真，可以模拟电路的行为并进行功能验证。电路合成VHDL语言支持电路合成，将代码转换为可制造的硬件电路。VHDL设计流程1设计输入创建VHDL代码文件2功能仿真验证电路功能3综合将VHDL代码转换成逻辑门电路4布局布线将逻辑门电路映射到芯片上5时序仿真验证电路的时序特性VHDL设计流程包括设计输入、功能仿真、综合、布局布线和时序仿真等步骤。这些步骤以层层递进的方式进行，最终将VHDL代码转换为可以在实际硬件上运行的电路。在设计过程中，需要反复进行仿真和验证，以确保电路设计满足预期需求。VHDL应用实例VHDL语言可以用于设计各种数字电路系统。例如，可以使用VHDL设计数字电路系统，例如计数器、加法器、乘法器、存储器等。通过使用VHDL，可以更容易地设计和验证数字电路系统，并减少设计错误。数字电路设计实验环境硬件平台常见的硬件平台包括FPGA开发板、CPLD开发板，以及基于微处理器的实验平台，例如ARM开发板。软件工具常见的软件工具包括EDA工具，例如Altera的QuartusII、Xilinx的Vivado，以及仿真工具，例如ModelSim、Verilog仿真软件。实验内容典型的实验内容包括逻辑门电路实验、组合逻辑电路实验、时序逻辑电路实验、存储器实验，以及数字系统设计实验等。实验步骤设计实验步骤包括电路设计、代码编写、仿真测试、硬件下载，以及功能验