数字逻辑ByHuangzb02数字集成电路简介V07OK

数字逻辑与数字系统,(2015-2016第一学期（秋季）),主讲：黄智濒博士,计算机类本科生授课内容,联系方式：vastyellowQQ：574832909教三楼1017,第2章：数字集成电路与数字系统概述,第一节.数字集成电路第二节.VHDL与EDA,第一节.数字集成电路,第2章：数字集成电路与数字系统概述,逻辑门电路数字集成电路的分类（标准）数字集成电路的命名数字集成电路的使用特性,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成电路（Digitalelectronics,ordigital(electronic)circuits）：数字集成电路，也称数字电路,与模拟电路相对，它主要进行数字信号的处理（即信号以0与1两个状态表示），因此抗干扰能力较强。数字集成电路的供应商将元器件和连线集成于同一半导体的供应商芯片上而制成的数字逻辑电路。是由许多的逻辑门（logicgates）组成的复杂电路。,Intel80486DX2,HitachiJ100A,Abinaryclock,hand-wiredonbreadboards,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成逻辑门的实现：逻辑门电路（门电路、逻辑器件）晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流,因此晶体管可做为电流的开关，开关速度可以非常之快。晶体管(transistor)泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管等。,GateCircuit,指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路,用半导体器件来实现（晶体管、场效应管）,最基本的电路：与、或、非门,是构成数字电路的基本单元之一,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成逻辑门的实现：逻辑门电路（门电路、逻辑器件）晶体管主要分为两大类：双极性结型晶体管（bipolarjunctiontransistor,BJT）（俗称三极管)因同时涉及电子和空穴两种载流子的流动，因此它被称为双极性的；p-n结二极管一般都是由BJT进行不同型式的连接而构成的（常常称为集成二极管）场效应晶体管（FieldEffectTransistor，FET）仅涉及单一种类载流子的漂移作用,GateCircuit,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成逻辑门的实现：晶体管主要分为两大类：双极性结型晶体管（bipolarjunctiontransistor,BJT）（俗称三极管）双极性晶体管是电子学历史上具有革命意义的一项发明，其发明者威廉肖克利、约翰巴丁和沃尔特布喇顿被授予了1956年的诺贝尔物理学奖。锗晶体管，硅晶体管,砷化镓晶体管NPN型晶体管,PNP型晶体管,异质结双极性晶体管BJT是非对称器件;发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度各不相同,GateCircuit,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成逻辑门的实现：晶体管主要分为两大类：双极性结型晶体管（bipolarjunctiontransistor,BJT）（俗称三极管）分立元件的逻辑门电路利用分立的三极管/二极管构成的逻辑门电路TTL门电路（Transistor-TransistorLogic(三极管三极管逻辑）TTL门电路是以双极型三极管作为开关器件的小规模集成电路。TTL逻辑器件分成54系列和74系列两大类，54系列工作环境温度、电源工作范围比74系列宽,GateCircuit,TTL集成门电路工作速度高，驱动能力强，但功耗大，集成度低,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成逻辑门的实现：晶体管主要分为两大类：场效应晶体管（FieldEffectTransistor，FET）一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管,GateCircuit,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成逻辑门的实现：晶体管主要分为两大类：场效应晶体管（FieldEffectTransistor，FET）它属于电压控制型半导体器件。噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成等优点。,GateCircuit,场效应管的分类,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型/总是导通的）,结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名,绝缘栅型场效应管（IGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成逻辑门的实现：晶体管主要分为两大类：两大类晶体管的比较：,GateCircuit,晶体管,场效应管,结构,NPN型、PNP型,结型耗尽型N沟道P沟道,绝缘栅增强型N沟道P沟道,绝缘栅耗尽型N沟道P沟道,C与E一般不可倒置使用,D与S有的型号可倒置使用,载流子多子扩散少子漂移多子运动,输入量电流输入电压输入,控制,电流控制,电压控制,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成逻辑门的实现：晶体管主要分为两大类：两大类晶体管的比较：,GateCircuit,晶体管,场效应管,噪声较大较小,温度特性受温度影响较大较小,输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上,静电影响不受静电影响易受静电影响,集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成电路：根据包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路，12个门以下/片中规模集成MSI电路，1299门/片大规模集成（LSI）电路，1009999门/片超大规模集成VLSI电路，1万99999门/片特大规模集成（ULSI）电路，10万门以上/片,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成电路：根据电路的功能，数字集成电路可分为：1）门电路与门/与非门、或门/或非门、非门等。2）触发器锁存器R-S触发器、D触发器、J-K触发器3）编码器译码器二进制十进制译码器、BCD7段译码器等。4）计数器二进制、十进制、N进制计数器等。5）运算电路加/减运算电路、奇偶校验发生器、幅值比较器等。6）时基定时电路单稳态电路、延时电路等。7）模拟电子开关数据选择器8）寄存器基本寄存器、移位寄存器（单向、双向）。9）存储器RAM、ROM、E2PROM、FlashROM等10）CPU,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成电路：数字集成电路的命名数字集成电路的型号组成一般由前缀、编号、后缀三大部分组成，前缀代表制造厂商，编号包括产品系列号、器件系列号，后缀一般表示温度等级、封装形式等。,表TTL74系列数字集成电路型号的组成及符号的意义,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成电路：数字集成电路的命名数字集成电路的型号组成一般由前缀、编号、后缀三大部分组成，前缀代表制造厂商，编号包括产品系列号、器件系列号，后缀一般表示温度等级、封装形式等。例子：54LS21/DM54LS21/DM74LS21仙童公司生产的54系列低功耗肖特基电路双路4输入与门仙童公司生产的74系列低功耗肖特基电路双路4输入与门,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成电路：集成电路的封装类型,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成电路：集成电路的使用特性负载能力扇出系数No是指与非门的输出连接到下级与非门输入端时，能带同类型与非门的个数。扇出系数是说明与非门带动负载的能力。TTL电路的扇出系数No为810,CMOS电路的扇出系数No达2025。扇入系数Nr是指一个门所具有的输入端个数，一般情况下，输入端个数在制造门时已确定。一般TTL电路的扇入系数Nr为15，最多不超过8，若片输入端数多于实际要求的数目，可将芯片多余输入端接高电平(+5平(GND)。模块的扇入扇出系数设计得好的系统，上层模块有较高的扇出，下层模块有较高的扇人。,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成电路：集成电路的使用特性负载能力延迟特性平均传输延迟时间是反映门电路工作速度的一个重要参数。以与非门为例，在输入端加上一个正方波，则需经过一定的时间间隔才能从输出端得到一个负方波。,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成电路：集成电路的使用特性负载能力延迟特性功耗特性动态功耗指电容充放电功耗和短路功耗,是由电路的翻转造成的。静态功耗指某稳定状态下消耗的功率，是电源电压与电源电流之乘积。电路有两个稳态，则有导通功耗和截止功耗，电路静态功耗取两者平均值，称为平均静态功耗。空载导通功耗Pon当输出端空载，门电路输出端为低电平时电路的功耗空载截止功耗Pofff当输出端空载，门电路输出端为高电平时电路的功耗,V是供电电压，C是等价电容，A是翻转概率，F是工作频率,Vcc是供电电压，N是晶体管个数，K是N,P型晶体管的比例，Ileak是漏电电流,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节.数字集成电路,数字集成电路：集成电路的使用特性负载能力延迟特性功耗特性空脚处理,为了保证门电路可靠工作，未使用的输入端要接入一个固定逻辑电平。,与门将不用端接逻辑“1”（VCC）,或门将不用端接逻辑“0”(GND),第二节.VHDL与EDA,第2章：数字集成电路与数字系统概述,EDA技术概述EDA技术的主要内容EDA软件系统的构成VHDL编程语言,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第二节.VHDL与EDA,数字系统设计方法发展阶段：计算机辅助设计CAD阶段计算机辅助工程设计CAE阶段,20世纪70年代，属于EDA技术发展初期。利用计算机、二维图形编辑与分析的CAD工具，完成布图布线等高度复杂性的繁杂工作。典型设计软件Tango布线软件，主要用于进行布图布线、电路性能的模拟仿真、集成电路版图编辑等工作。,20世纪80年代，出现了低密度的可编程逻辑器件（PLA（ProgrammableArrayLogic）和GAL（GenericArrayLogic），相应的开发工具主要解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。80年代后期，由于可编程逻辑器件CPLD、FPGA的发展和相应的开发软件的进步，EDA工具已经可以进行初级的设计描述、综合、优化和设计结果验证。,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第二节.VHDL与EDA,数字系统设计方法发展阶段：电子设计自动化（EDA）阶段EDA=ElectronicDesignAutomation,20世纪90年代，可编程逻辑器件迅速发展（由最初的几百门几千门发展到现在的数万门数十万门），并且出现功能强大的全线EDA工具，使用具有较强抽象描述能力的硬件描述语言（VHDL、VerilogHDL）及高性能综合工具，使过去单一功能电子产品开发转向系统级电子产品开发（即SOC:SystemOnaChip：单片系统、或片上系统集成；SOPC:SystemOnaProgrammableChip：片上可编程系统）。工程设计师开始实现“概念驱动工程”（ConceptDriverEngineering,CDE）的梦想。,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第二节.VHDL与EDA,EDA技术的概念：EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionLanguage)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术的定义,（1）广义定义：,半导体工艺设计自动化、可编程器件设计自动化、电子系统设计自动化、印制电路板设计自动化、仿真与测试、故障诊断自动化、形式验证自动化,EDA技术包括：,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第二节.VHDL与EDA,EDA技术的概念：EDA技术的定义,以大规模可编程器件为设计载体，以硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）为系统逻辑功能描述的主要表达方式，依赖功能强大的计算机，大规模可编程器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，自动完成从软件方式描述的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合与优化、布局布线、以及逻辑仿真与测试，直至完成对于特定目标芯片的适配、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多学科融合的新技术。,（2）狭义定义：,EDA技术的主要内容,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第二节.VHDL与EDA,实现载体：大规模可编程逻辑器件（PLD:ProgrammableLogicDevice）,描述方式：硬件描述语言（HDL:HardDescriptionLanguage）VHDL、VerilogHDL等,设计工具：开发软件、开发系统,硬件验证：实验开发系统,VHDL编程语言VHDL-VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage;起源于八十年代，由美国国防部开发,1987年实现标准化(IEEE1076（VHDL87）),1993年进行了修正（VHDL93）,1995年，我国国家技术监督局推荐VHDL做为电子设计自动化硬件描述语言的国家标准。,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第二节.VHDL与EDA,EDA技术的主要内容实现载体：大规模可编程逻辑器件描述方式：硬件描述语言设计工具：开发软件、开发系统,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第二节.VHDL与EDA,QuartusII集成开发环境9.1版,EDA技术的主要内容实现载体：大规模可编程逻辑器件描述方式：硬件描述语言设计工具：开发软件、开发系统,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第二节.VHDL与EDA,ISE集成开发环境,EDA技术的主要内容实现载体：大规模可编程逻辑器件描述方式：硬件描述语言设计工具：开发软件、开发系统,第2章：数字集成电路与数字系统概述/第二节.VHDL与EDA,ispLEVER集成开发环境,EDA技术的主要内容实现载体：大规模可编程逻辑器件描述