数字电路与系统设计第1章

1、1,数字电路与逻辑设计 （B0400032S）,主讲：何艳,2,数字电路与逻辑设计是计算机专业和电子信息类专业的一门重要硬件基础课，其理论性和实践性很强，尤其强调工程应用。 数字电路又是计算机硬件电路、通信电路、信息与自动化技术的基础. 而且是集成电路设计的基础！,3,教材,数字电路与系统设计,4,参考书：,数字电子技术基础 高教出版社 阎石 2006 2. 数字电路与系统 清华大学出版社 刘宝琴 1993 数字电路逻辑设计 高等教育出版社 王毓银 2005 数字电子技术基础解题指南 清华大学出版社 唐竞新,5,课程内容及课时安排,第一章 数制与码制 3学时 第二章 逻辑代数基础 8学时 第三

2、章 组合逻辑电路 10学时 第四章 触发器 6学时 第五章 时序逻辑电路 16学时 第七章 D/A和A/D转换 2学时 第八章 半导体存储器 2学时 第九章 可编程逻辑器件 1学时,6,成绩的评定,总评成绩0.3平时分（包括作业、出勤等） 0.7期末开始成绩 说明 1.作业：每周四交。 2.考试方式：笔试、闭卷。,7,答疑安排,？,时间：周三上午第三四节 地点: 教3-516,8,绪 论,9,一、电子技术的发展与应用,1.电子技术的发展电子器件的改进与创新,1904年发明电真空器件（电子管）电子管时代。 1948年发明半导体器件晶体管时代。 20世纪60年代制造出集成电路集成电路时代。,10,

3、电子管,11,第一台电子数字计算机,世界上第一台电子数字计算机“ENIAC”（Electronic Numerical Integrator And Calculator）于1946年诞生于美国宾夕法尼亚大学，共用了18,000多只电子管，1500多个继电器，重量达30余吨，占用了170平方米的房间，耗电达140千瓦以上，其运算速度仅为5000次/秒加减法运算，现具有同样功能的电子计算机，体积只有BP机那么大（而Pentium 的运算能力可达每秒钟上亿次）。,12,1946年2月14日 世界上第一台计算机诞生,13,晶体管,14,集成电路,集成电路：20世纪60年代发展起来的一种新型器件，把众

4、多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块半导体芯片（如：硅片）上，做成具有特定功能的独立电子线路。外型一般用金属圆壳或双列直插结构。集成电路具有性能好，可靠性高，体积小， 耗电少，成本低等优点。,集成度：每片集成电路中的门电路或等效门电路的数量。,SSI：1 10门； MSI：10 100门； LSI：100 1000门； VLSI：1000门以上；,15,集成电路微细加工的最小尺度,1. 集成电路微细加工的最小尺度每三年提高一个数量级，集成规模每三年增加4倍。,2.集成电路微细加工的最小尺度的演变： 20世纪80年代：微米级； 20世纪90年代初：亚微米级（0.51m）； 现在：深亚微米级（酷睿

5、i7 采用32nm制程工艺 ）； 未来：0.01 m（相当于30个原子排成一列的长度）；,16,大规模及超大规模集成电路,超高速计算机、移动通信和数字化视听产品彻底改 变了电子元器件的结构、尺寸和性能。,45纳米工艺的四核处理器已能容纳8亿个晶体管,17,2. 电子技术的应用,传统的机械行业，先进的数控机床、自动化生产线； 通信、广播、电视、雷达、医疗设备、新型武器、交通、电力、航空、宇航等领域； 日常生活的家用电器； 电子计算机及信息技术。,18,3.电子技术的分类 电子技术：研究电信号的产生、传送、接收和处理。 模拟电子技术 数字电子技术,19,二、数字电路与模拟电路,1. 基本概念 电信

6、号：指随时间变化的电压和电流。 模拟信号：在时间和幅值上都为连续的信号。 数字信号：在时间和幅值上都为离散的信号。 模拟电路：处理和传输模拟信号的电路。 数字电路：处理和传输数字信号的电路。,20,模拟信号： 时间上连续：任意时刻有一个相对的值。 数值上连续：可以是在一定范围内的任意值。 例如：电压、电流、温度、声音等。 现实的世界是模拟的。,21,数字信号： 时间上离散：只在某些时刻有定义。 数值上离散：变量只能是有限集合的一个值，常用0、1二进制数表示。 例如：开关通断、电压高低、电流有无。,22,2. 数字电路的分类 （1）按电路结构分类 组合逻辑电路：电路的输出信号只与当时的输入信号有

7、关，而与电路原来的状态无关。 时序逻辑电路：电路的输出信号不仅与当时的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。,23,（2）按集成电路规模分类 集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）,24,3. 数字电路特点（与模拟电

8、路相比）,（1）数字电路的基本工作信号是用1和0表示的二进制的数字信号，反映在电路上就是高电平和低电平。 （2）晶体管处于开关工作状态，抗干扰能力强、精度高。,25,（4）具有“逻辑思维”能力。数字电路能对输入的数字信号进行各种算术运算和逻辑运算、逻辑判断，故又称为数字逻辑电路。,（3）通用性强。结构简单、容易制造，便于集成及系列化生产。,26,三、 数字电路的学习方法,（1）逻辑代数是分析和设计数字电路的重要工具，应熟练掌握。 （2）重点掌握各种常用数字逻辑电路的逻辑功能、外部特性及典型应用。对其内部电路结构和工作原理不必过于深究。 （3）掌握基本的分析方法。,27,（4）本课程实践性很强。

9、应重视习题、基础实验和综合实训等实践性环节。 （5）注意培养和提高查阅有关技术资料和数字集成电路产品手册的能力。,28,第1章 数制与码制,29,1.1 数制（计数体制）,累加计数制：计多大的数要使用与所计数目相等的各不相同的符号。 进位计数制：十进制、二进制等。,30,设一个R进制的数N，该数制的三要素为： 数码：0R-1，进位规律：逢R进一，借1当R。 基数：数码的进制数R，也称为底数。 位权：Ri，数码在一个数中的位置不同，其大小就不同。i是数码所在的位置，称为数位。,数制的基础知识,31,数可以写成如下展开式（n位整数，m位小数）：,32,一、十进制（Decimal）,数码：09，逢1

10、0进1，借1当10 位权：10i 基数：10 例如：,33,二、二进制（Binary）,数码：0、1，逢2进1，借1当2 位权：2i 基数：2,例如：（1011）=123+121+120=,34,三、十六进制（Hexadecimal）,数码：09、AF（1015），逢16进1，借1当16 位权：16i 基数：16 例如：,4BE.2=4162+11161+14 160+216-1,35,五、数制转换：,非十进制十进制 2，8，16 10,方法：按位权展开相加法,解： (11.01)B = 121 + 120 + 0 2-1 + 1 2-2,例1：(11.01)B= (?)D,= (3.25)D

11、,（3E8）16=3 162+ 14161+8 =（1000）10,36,2. 十进制 非十进制,方法：基数乘除法（整数部分用除基数取余法；小数部分用乘基数取整法）,例2：(57)D= (?)B,例3：(0.6875)D = (?)B,37,例2. 解：,57,2,28,2,14,2,7,2,3,2,1,2,0,余数,1,0,0,1,1,1,有效位,k0(最低位),k5(最高位),k1,k2,k3,k4,直到商为0为止。 所以：(57)D= (111001)B,38,例3. 解：,0.6875,整数,1.3750,1,0.7500,0,1,1.5000,1.0000,1,有效位,k-1(最高位

12、),k-2,k-3,k-4(最低位),直到小数部分为0或已达到精度要求为止。 所以：(0.6875)D = (0.1011)B,39,3. 小数的精度及转换位数的确定,n位R进制小数的精度,R-n,例1：(0.12)10 的精度为,10-2,例2：(0.101)2 的精度为,2-3,转换位数的确定,2-n 0.1，,解：设二进制数小数点后有n位小数，,则其精度为 2-n，由题意知：,例3：(0.39)10 = ( ? )2 ，要求精度达到 0.1。,解得 n 10。,所以 (0.39)10 = (0.0110001111)2 。,40,例4：（0.4526）10=( ? )2，要求转换后的精度

13、不低于原精度。,解：原精度为10-4 ，设转换后为n位小数，则 10-42-n，解得：n (4lg10)/lg2=13.3 所以，n至少取14位。 （0.4526）10=(0.01110011111 )2,41,(2) 二进制、八进制、十六进制间转换,特点：三种进制的基数都是2的正整数幂。,方法：直接转换。,例1：(101011.1)2 = ( ? )8 = ( ? )16,解：(101011.1)2 = (101 011 . 100)2 = (53.4)8,(101011.1)2 = (10 1011. 1000)2 = (2B.8)16,42,1.2 码制（编码的制式）,1.2.1 二进制

14、码,n位码元,2n个对象,用文字、符号或数码来表示各个特定对象的 过程称为编码，编码所得的每组符号称为代码。,43,(2) 格雷码,循环码：格雷码的一种，特点为首尾代码也只有一位对应码元不同。,码间距为1的一种代码。,例1: 0011和 0010 码间距为1,例2: 0011和 1111 码间距为2,循环码的构成规律：反射特性,(1) 自然二进制码,44,1位,0,2位,1,1,0,3位,10,11,01,00,45,(3) 奇（偶）校验码,信息码,校验位,0000,0,0000,1,偶校验,奇校验,发送方,接收方,错,对,检错结果,46,(1) 引入BCD码的原因：,习惯用十进制，而数字系统

15、只处理二进制,(2)分类,1)有权码：有固定位权,8421BCD、5421BCD、2421BCD、631-1BCD,2)无权码：无固定位权,余3BCD、余3循环 BCD、格雷BCD、8421奇校BCD,1.2.2 二十进制（BCD）码,47,8421码,0000,0001,0010,0011,1001,余3码,0011,0100,0101,0110,1100,循环码,0000,0001,0011,余3循环码,0010,48,(3)多位十进制数的表示,代码间应有间隔,例：( 380 )10 = ( ? )8421BCD,解：( 380 )10 = ( 0011 1000 0000 )8421BC

16、D,(4)数制与BCD码间的转换,例1：( 0110 0010 0000 )8421BCD =,( 620 )10,例2：( 0001 0010 )8421BCD = ( ? )2,解：( 0001 0010 )8421BCD = ( 12 )10 = ( 1100 )2,49,(5) 8421 BCD的加减法运算,1)加法运算,例1：( 0010 )8421BCD + ( 0011 )8421BCD = ( ? )8421BCD,0010,0011,0101,所以 ( 0010 )8421BCD+( 0011 )8421BCD=( 0101 )8421BCD,50,例2：( 0001 )84

17、21BCD + ( 1001 )8421BCD = ( ? )8421BCD,0001,1001,1010,0110,0001 0000,( 0001 )8421BCD+( 1001 )8421BCD=( 0001 0000 )8421BCD,所以,非法码,加6修正,51,例3：( 1000 )8421BCD + ( 1000 )8421BCD = ( ? )8421BCD,1000,1000,1 0000,0110,0001 0110,( 1000 )8421BCD+( 1000 )8421BCD=( 0001 0110 )8421BCD,所以,个位产生进位,加6修正,52,结论：两个8421BCD码相加，若相加结果中出现 了8421BCD码的非法码或在相加过程中，在BCD数位上出现了向高位的进位，则应对非法码及产生进位的代码进行“加6(即二进制数0110)修正”。,53,2)减法运算,例1：( 0110 )8421BCD ( 0001 )8421BCD = ( ? )8421BCD,0110,0001,0101,( 0110 )8421BCD ( 0001 )8421BCD=( 0101 )8