《ch北邮数电》课件

《ch北邮数电》课件简介本课件是数字电路基础课程的教学材料,由北京邮电大学编制。它全面介绍数字电路的基本概念、分析方法和设计技术,为学生奠定扎实的数电基础。第一章绪论本章将介绍数字系统的基础概念,包括数制转换、编码方式、数字信号特征以及布尔代数基础。这些基础知识将为后续的数字电路设计奠定基础。1.1数字系统概述系统架构数字系统由输入设备、数字处理单元和输出设备组成。输入信号被转换为数字信号进行处理和传输。最终结果以数字形式输出。应用领域数字系统广泛应用于计算机、通信、控制、信号处理等领域,在工业、科研、教育等方面发挥着重要作用。特点优势抗干扰能力强可靠性高易于实现自动控制可以进行复杂的数据处理数制转换1二进制0和1的组合2十进制我们日常使用的数制3十六进制适用于计算机和嵌入式系统不同的数字系统有不同的表示方式,需要进行相互转换。学习数制转换是掌握数字系统基础知识的关键一环。我们将深入理解二进制、十进制和十六进制这三种常用数制,并掌握它们之间的转换方法。码制二进制码二进制码是最基本的数字编码方式,使用0和1两个数字表示信息。它简单易用,适用于计算机和电子设备的数字逻辑处理。BCD码BCD码是一种将十进制数字转换为二进制形式的编码方式。它使用4个二进制位表示0到9这10个数字,常用于数字显示和计算。格雷码格雷码是一种二进制编码,相邻编码只有一位不同。它在数模转换和错误检测中有广泛应用,可以最大程度地减少误码。ASCII码ASCII码是用于计算机内部信息交换的标准编码,覆盖了大小写字母、数字和常用符号。它为文本信息的电子传输和存储提供了统一的基础。数字信号1连续信号与离散信号连续信号是随时间连续变化的信号,而离散信号则以固定的时间间隔采样。数字系统处理离散信号。2模拟-数字转换将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的过程包括采样和量化。3数字信号特点数字信号具有抗干扰性强、传输稳定性好、易于存储和处理等优点。4数字信号应用数字信号广泛应用于通信、计算机、多媒体等领域,是现代电子技术的基础。布尔代数基础逻辑运算符布尔代数包括AND、OR、NOT等基本逻辑运算符。这些运算符可用于表示各种逻辑关系。真值表真值表是描述逻辑运算结果的重要工具。通过真值表可以清楚地展示各种输入组合对应的输出。代数化简布尔代数有丰富的化简规则,可以简化复杂的逻辑表达式,提高电路设计效率。逻辑门电路基本逻辑运算可通过AND、OR、NOT等逻辑门电路实现,为数字电路设计奠定基础。组合逻辑组合逻辑电路是一种基于逻辑门的电路设计,其输出只取决于当前输入,而不依赖于之前的状态。本章介绍组合逻辑的基本概念、设计方法以及实现技术。基本逻辑门与门与门是最基本的逻辑门之一。当两个输入都为1时，输出才为1。或门或门也是基本逻辑门。只要有一个输入为1，输出就为1。非门非门是最简单的逻辑门。它可以将输入反转，使输出与输入相反。异或门异或门是当两个输入不同时，输出才为1。这是一种特殊的逻辑门。组合逻辑设计1需求分析明确输入输出逻辑功能需求,确定电路的构建目标。2逻辑电路设计运用布尔逻辑和真值表方法设计电路逻辑结构。3电路简化采用化简算法优化逻辑电路,减少门电路数量。4电路实现选择合适的逻辑门电路器件实现最终的电路设计。组合逻辑简化Karnaugh图Karnaugh图是一种直观有效的组合逻辑简化方法。通过将真值表分组,可以找到最小项表达式。逻辑表达式化简使用AND、OR、NOT等基本逻辑运算,可以将复杂逻辑表达式简化为更短更清晰的形式。布尔代数变换利用布尔代数公式如分配律、结合律等,可以对逻辑表达式进行等价变换以达到简化的目的。ESPRESSO算法ESPRESSO是一种基于覆盖和最小化的组合逻辑优化算法,可以快速找到最优的逻辑表达式。实现技术1集成电路技术利用集成电路制造技术可以将大量逻辑门集成在一块硅片上,实现复杂的数字电路。2电路板设计合理的电路板设计能够最大限度地减少线路延迟和噪音干扰,提高电路性能。3PCB制造工艺现代PCB制造使用无铅化和高密度互连等先进工艺,可以实现微型化和低成本生产。4接口标准常见的接口标准如TTL、CMOS等提供了数字电路之间的通信标准,便于互连设计。时序逻辑时序逻辑是数字电路设计的核心之一,涉及触发器、计数器、移位寄存器等重要概念。了解时序逻辑的基本原理,可以帮助我们设计出更复杂、更高效的数字系统。基本概念状态和状态变迁时序电路具有内部状态,通过输入信号的变化而发生状态变迁。状态和状态变迁是理解时序逻辑的关键。同步和异步同步电路以时钟信号为依归,异步电路则不需要时钟信号就可以工作。两种方式各有优缺点。组合逻辑和时序逻辑组合逻辑电路的输出只取决于当前输入,时序逻辑电路的输出取决于当前输入和过去状态。时序特性时序电路必须考虑信号的传播延迟、建立时间和保持时间等时序特性,以确保正确工作。触发器时钟驱动触发器是由时钟脉冲驱动的电路,用于存储和传递数字信号。数据存储触发器可以临时存储数据,并在下一个时钟到来时更新输出。状态变化触发器有两种基本状态,通过不同的输入可以在两种状态之间切换。时序逻辑分析时序网络时序逻辑网络采用触发器和存储元件，在时钟驱动下进行信息存储和状态转换。状态分析确定系统的初始状态和状态转移过程，分析每个状态的入射和出射条件。时序图分析利用时序图描述网络的状态变化和触发器响应，有助于理解网络的工作原理。设计优化根据性能指标对网络进行优化设计，如减少使用触发器、降低延迟等。3.4计数器基本计数器计数器是一种基本的时序逻辑电路,使用二进制数系统记录计数事件的发生次数。通过连续的触发器实现简单的二进制计数。上下计数器通过添加控制逻辑,可以实现上下计数,即可以计数递增也可以递减。这种计数器在实际应用中非常常见。同步计数器所有触发器同时响应时钟信号的计数器称为同步计数器,它能够提高计数速度,但电路结构会更加复杂。移位寄存器基本结构移位寄存器是由一系列串联的触发器组成的数字逻辑电路。每个触发器存储一位数据，数据可以在各个触发器之间移位。工作原理移位寄存器可实现数据的串行输入、串行输出、并行加载等功能。根据操作需求可配置为左移或右移。应用场景移位寄存器广泛应用于数字信号处理、数字通信、微处理器等领域。如移位计数器、移位缓冲器、移位变换电路等。时序逻辑设计1建立状态图根据系统要求确定状态和转移条件2选择触发器根据设计需求选择合适的触发器3设计组合逻辑根据状态图设计输入、输出的组合逻辑电路4实现电路根据设计将电路实现在芯片或其他硬件上时序逻辑设计是数字系统设计的核心部分。首先需要根据系统需求建立状态图，确定系统的各种状态及它们之间的转移条件。然后选择合适的触发器作为状态存储元件。接下来设计输入和输出的组合逻辑电路。最后将设计方案实现在芯片或其他硬件上。整个设计过程需要严谨的分析和反复推敲。第四章存储器本章将深入探讨数字系统中不可或缺的存储器组件。从基础的随机存取存储器(RAM)到只读存储器(ROM)及其衍生形式,再到存储系统的整体架构,为您展示存储器的广泛应用。RAM随机存取存储器RAM是最常见的主存储器类型,可以快速读写数据,但数据在断电后会丢失。静态RAM静态RAM利用触发器电路保存数据,无需刷新即可保持数据,但容量较小。动态RAM动态RAM采用电容储存数据,容量大但需要定期刷新。广泛应用于主内存。只读存储器(ROM)固化数据ROM用于存储不需要修改的数据,如操作系统、BIOS等,数据在出厂时即已写入.掩膜式ROM通过掩膜工艺在制造过程中固化数据,生产效率高,成本低,但不可编程.PROM和EPROMPROM和EPROM可以由用户编程,EPROM还可以通过紫外线擦除重新编程.EPROM和EEPROM1EPROM(ErasableProgrammableROM)可通过紫外线擦除和重新编程的只读存储器。具有良好的数据保持性和可靠性。适用于需要偶尔更新的场合。2EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableROM)采用电子方式擦除和编程的可擦除可编程只读存储器。允许单独擦除和编程单个字节或位，更加灵活。3应用场景EPROM和EEPROM广泛应用于需要可编程和可修改存储的各类电子设备中，如微控制器、显卡、电源管理等。存储系统存储器类型包括RAM、ROM、EPROM和EEPROM等不同种类的存储器件。每种存储器有各自的特点和应用场景。存储系统总线存储系统通过地址总线、数据总线和控制总线与处理器等其他部件进行信息交换。合理设计总线能提高系统性能。存储器层次包括寄存器、高速缓存、主存储器和外部存储器等多个层次。各层次之间有效利用能够提高系统整体性能。可编程逻辑器件可编程逻辑器件是一种灵活的电子器件,它能够通过编程来实现各种复杂的数字逻辑功能。这为电子设计工程师提供了广阔的创造空间,使得电子产品的研发更加高效和创新。可编程逻辑器件-PLD1可编程逻辑阵列（PLA）PLA是最早的可编程逻辑器件之一,可实现任何布尔函数,以矩阵的形式组织输入和输出。2可编程逻辑设备（PLD）PLD是一种可在电路板上编程的集成电路,包括PAL、GAL、CPLD等,具有高集成度和灵活性。3可编程阵列逻辑（PAL）PAL是第一代PLD,由AND阵列和OR阵列组成,可编程并可实现复杂的逻辑功能。4通用阵列逻辑（GAL）GAL是一种在线可编程的PLD,利用EEPROM技术,具有更好的可编程性和可重复性。CPLD什么是CPLDCPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)是一种复杂的可编程逻辑器件,具有多个可配置逻辑块和互连资源。它可以用于实现复杂的数字逻辑电路。CPLD的特点CPLD具有快速响应速度、低功耗、可编程性强等特点,广泛应用于各种电子产品的设计中。CPLD的编程CPLD可通过专门的编程软件和设备进行编程,用户可根据需求编写逻辑电路并下载到CPLD中。编程过程简单高效。FPGA可编程逻辑门阵列FPGA是一种可编程的逻辑器件,由大量可编程的逻辑门和可编程的互连资源组成。