数字逻辑电路 概论t

1、概论概论第一章第一章 数制和编码数制和编码第二章第二章 逻辑代数基础逻辑代数基础数字逻辑电路课程补充材料数字逻辑电路课程补充材料第三章第三章 组合逻辑电路的分析与设计组合逻辑电路的分析与设计第四章第四章 同步时序电路的分析同步时序电路的分析第五章第五章 同步时序电路的设计同步时序电路的设计第六章第六章 异步时序电路的分析与设计异步时序电路的分析与设计第七章第七章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD第八章第八章 数字系统设计数字系统设计绪绪 论论一、关于课程：一、关于课程：1. 课程名称：课程名称：数字逻辑电路数字逻辑电路 Digital Logic Circuits2. 课程主要任务：课程主要

2、任务： 系统地介绍系统地介绍数字系统设计数字系统设计的的理论知识理论知识； 培养学生解决培养学生解决数字电路实现问题数字电路实现问题的实践能力；的实践能力； 能够独立的设计并实现一个具体的能够独立的设计并实现一个具体的逻辑功能部逻辑功能部件件或或数字系统数字系统。3. 研究的内容：研究的内容：关于关于“数字数字Digital” 模拟量模拟量 analog value 和和 模拟电路模拟电路 analog circuit 数字量数字量 digital value 和和 数字电路数字电路 digital circuit 模拟量的特点：模拟量的特点：连续不断连续不断的物理量的物理量(随着时间变化随着

3、时间变化)。 数字量的特点：数字量的特点：离散的、不连续离散的、不连续的物理量，被抽象的物理量，被抽象 为在任何时刻只有两个离散值：用为在任何时刻只有两个离散值：用 0和和 1、 高和低高和低、真和假真和假、 H 和和 L 、 T 和和 F ，等表示。等表示。 模拟电路：模拟电路： 处理随时间变化的信号，信号值可以是在一定范围内连处理随时间变化的信号，信号值可以是在一定范围内连续变化的电压、电流或其他参量。续变化的电压、电流或其他参量。 模拟电路包括模拟电路包括基本放大电路基本放大电路、功率放大电路功率放大电路、模拟运算模拟运算电路电路、有源滤波器有源滤波器、信号发生器信号发生器等。等。 模拟

4、电路易受外界环境因素、自身老化等因素影响。模拟电路易受外界环境因素、自身老化等因素影响。 模拟电路工作在器件（如三极管）的模拟电路工作在器件（如三极管）的线性工作区域线性工作区域。 数字电路和数字系统：数字电路和数字系统： 数字电路由模拟部件构成，处理的是模拟电压和电流。数字电路由模拟部件构成，处理的是模拟电压和电流。 实际上它的电流和电压也是在一定范围内连续变化的。但实际上它的电流和电压也是在一定范围内连续变化的。但在数字电路和系统的设计过程中我们假设它们不是连续变在数字电路和系统的设计过程中我们假设它们不是连续变化的。（忽略模拟行为特性）化的。（忽略模拟行为特性） 也就是说所谓的也就是说所

5、谓的“数字化抽象数字化抽象”使得模拟行为特性在多数使得模拟行为特性在多数情况下可被忽略，因此电路可建模成好像只处理情况下可被忽略，因此电路可建模成好像只处理“0”和和“1”一样。一样。 数字电路工作在器件（如三极管）的数字电路工作在器件（如三极管）的非线性工作非线性工作区（区（饱和饱和区区和和截止区截止区）。）。 例：电子线路中的晶体管工作示意图，如下：例：电子线路中的晶体管工作示意图，如下：ViVoVILVIHVOHVOL模拟部分：模拟部分：放大放大开关部分：开关部分：截止，截止，Vi=0Vo=1开关部分：开关部分：饱和，饱和，Vi=1Vo=0EiEi注意：注意：a a 模拟器件和模拟系统是

6、处理模拟信号的。模拟器件和模拟系统是处理模拟信号的。b b 晶体管的开关特性是数字电路研究的重点，上例中物理量已逻辑约定晶体管的开关特性是数字电路研究的重点，上例中物理量已逻辑约定 成逻辑量成逻辑量 0 0 和和 1 1。c c 数字电路具有数字电路具有模拟电路模拟电路的特性，如的特性，如时间延迟时间延迟问题问题。ViVoVcciBiCiE 这个三极管电路起到了这个三极管电路起到了逻辑取反逻辑取反的作用：的作用：ViVi0 0时时VoVo1 1；ViVi1 1时时VoVo0 0。可作为一个。可作为一个。 对于一个标准门（对于一个标准门（GateGate），其逻辑），其逻辑0 0（1 1）对）对

7、应输出电压值并不一定是某一具体电压值，它可应输出电压值并不一定是某一具体电压值，它可以是在某一以是在某一电压范围电压范围内，而这一电压范围能够被内，而这一电压范围能够被其它门识别为逻辑其它门识别为逻辑0 0（1 1）。见左下图。）。见左下图。 不同器件有不同的逻辑不同器件有不同的逻辑0/0/逻辑逻辑1 1的电压范围的电压范围。只要某器件的输出位在另一器件输入的逻辑只要某器件的输出位在另一器件输入的逻辑0/10/1电电压范围内，该输出将起到压范围内，该输出将起到0 0（或（或1 1）的作用。）的作用。模拟电子电路设计：模拟电子电路设计：确保逻辑门输出的确保逻辑门输出的逻辑信号在合适的电压范围内（

8、如在下逻辑信号在合适的电压范围内（如在下一级输入的要求范围内）；同时识别在一级输入的要求范围内）；同时识别在合适区域内的输入逻辑信号。合适区域内的输入逻辑信号。数字设计：数字设计：只需一定的模拟电路知识以只需一定的模拟电路知识以确定设备工作在规范要求的环境中。确定设备工作在规范要求的环境中。ViVoVcciBiCiE 关于关于“逻辑逻辑 logic” 研究研究“因果因果”关系，即逻辑关系。输入量、输出量均关系，即逻辑关系。输入量、输出量均为为逻辑量逻辑量； 三种基本因果关系：三种基本因果关系： 逻辑逻辑与与: :只有决定事物结果的全部条件同时具备时，结果才会发生。只有决定事物结果的全部条件同时

9、具备时，结果才会发生。 逻辑逻辑或或: :在决定事物结果的诸条件中只要有任一个满足，结果就会在决定事物结果的诸条件中只要有任一个满足，结果就会发生。发生。 逻辑逻辑非非: :只要某一条件具备了，结果便不发生；而此条件不具备时，只要某一条件具备了，结果便不发生；而此条件不具备时，结果就会发生。结果就会发生。 逻辑量是逻辑状态的表示。逻辑量是逻辑状态的表示。 在在二值逻辑二值逻辑中，只有两种状态，并且这两种状态互不相容，分别中，只有两种状态，并且这两种状态互不相容，分别用用0 0状态和状态和1 1状态表示。状态表示。 0 0状态一般表示逻辑状态的假或无效；状态一般表示逻辑状态的假或无效；1 1状态

10、一般表示逻辑状态的状态一般表示逻辑状态的真或有效。真或有效。 通过通过逻辑运算逻辑运算，实现其，实现其逻辑关系逻辑关系，即，即逻辑代数逻辑代数； 把把与与、或或、非非看作是逻辑变量间的最基本运算，可将逻辑关系写成：看作是逻辑变量间的最基本运算，可将逻辑关系写成：YA BYABYA 二值逻辑二值逻辑只有决定结果的两个条件只有决定结果的两个条件A A和和B B同时具备，同时具备，即同时有效：即同时有效：A=1A=1，B=1B=1，则结果会发生，即，则结果会发生，即结果有效：结果有效：Y=1Y=1。若两者中只有一个有效：若两者中只有一个有效：A=1,B=0A=1,B=0或或A=0,B=1A=0,B=

11、1，则结果不会发生，即无效：，则结果不会发生，即无效：Y=0Y=0。若两者均无效：若两者均无效：A=0,B=0A=0,B=0，则结果不发生：，则结果不发生： Y=0 Y=0。A=1,B=1A=1,B=1则则Y=1Y=1A=1,B=0A=1,B=0则则Y=1Y=1A=0,B=1A=0,B=1则则Y=1Y=1A=0,B=0A=0,B=0则则Y=0Y=0决定决定Y Y的只有一个条件的只有一个条件A AA=0A=0则则Y=1Y=1A=1A=1则则Y=0Y=0YA BYABYA 逻辑是由逻辑是由逻辑量逻辑量、逻辑关逻辑关系系和和逻辑运算逻辑运算所组成的集所组成的集合。合。 逻辑分为许多类型，其中逻辑分为

12、许多类型，其中最简单的是最简单的是二值二值逻辑运算，逻辑运算，也称二值布尔代数也称二值布尔代数，又称又称开关代数。如：真开关代数。如：真/假、开假、开/关、高关、高/低、有低、有/无，无，1/0，等。（第等。（第2章）章） 由若干逻辑部件构成，能够对数字信息进行加工、传送及由若干逻辑部件构成，能够对数字信息进行加工、传送及存储的物理设备。存储的物理设备。 由于这种逻辑加工由于这种逻辑加工(即即逻辑运算逻辑运算)是建立在一套完整的逻辑是建立在一套完整的逻辑理论理论(即即逻辑代数逻辑代数)基础上，这种科学的严密性保证了系统的准基础上，这种科学的严密性保证了系统的准确性和可靠性，并易于控制。确性和可

13、靠性，并易于控制。 关于关于“数字逻辑电路数字逻辑电路 digital logic circuit”通过讨论数字电路中输入信号与输出信号之间的逻辑关系，通过讨论数字电路中输入信号与输出信号之间的逻辑关系，运用数字逻辑的基本原理和基本方法，设计出实现特定逻辑要运用数字逻辑的基本原理和基本方法，设计出实现特定逻辑要求的逻辑器件（电路），最终完成一个完整的数字系统。求的逻辑器件（电路），最终完成一个完整的数字系统。 关于关于“数字系统数字系统 digital system” 利用利用TTL等模拟器件的截止区和饱和区特性，将器件的输等模拟器件的截止区和饱和区特性，将器件的输入入/输出电压分别归为逻辑输

14、出电压分别归为逻辑 0 和逻辑和逻辑 1 。然后利用。然后利用TTL器件的器件的不同连接形成实现二值逻辑的不同运算（与、或、非）的逻辑不同连接形成实现二值逻辑的不同运算（与、或、非）的逻辑部件，进而实现更复杂的逻辑运算，从而实现逻辑功能。部件，进而实现更复杂的逻辑运算，从而实现逻辑功能。 模拟电压模拟电压/ /电流电流0 0、1 1逻辑量逻辑量与或非门与或非门更复杂逻辑更复杂逻辑数字系统数字系统TTLTTL开关特性开关特性多个多个TTLTTL连接连接多个门连接多个门连接不同逻辑功能不同逻辑功能数字电路与模拟电路相比有什么优点呢？数字电路与模拟电路相比有什么优点呢？ 稳定性好稳定性好 设计得好的

15、数字电路，若给定一组确定的输入，总会给设计得好的数字电路，若给定一组确定的输入，总会给出相同的输出结果（逻辑关系）。而模拟电路则表现得总出相同的输出结果（逻辑关系）。而模拟电路则表现得总是不太稳定，其输出还受温度、电源电压、器件老化等诸是不太稳定，其输出还受温度、电源电压、器件老化等诸多因素影响。多因素影响。 速度快速度快 目前的数字器件运行速度非常快。晶体管的开关速度已目前的数字器件运行速度非常快。晶体管的开关速度已经小于经小于10ps。用这样快速的晶体管制造的复杂数字电路系用这样快速的晶体管制造的复杂数字电路系统可以在统可以在2ns中对输入产生响应。也就是说在一秒钟内可以中对输入产生响应。

16、也就是说在一秒钟内可以产生产生500兆次输出。（兆次输出。（2ns2ns10ps10ps200200） 集成度高且成本低集成度高且成本低 数字电路可以在一个很小的空间里提供许多功能。常用数字电路可以在一个很小的空间里提供许多功能。常用的电路均可以设计成集成电路芯片，且生产成本很小。现的电路均可以设计成集成电路芯片，且生产成本很小。现在市场上有许多用过就丢弃的计算器、手表、会唱歌的圣在市场上有许多用过就丢弃的计算器、手表、会唱歌的圣诞卡片等都是这一类产品。诞卡片等都是这一类产品。 设计容易设计容易 数字设计，即逻辑设计，输入输出要求合乎逻辑，并不数字设计，即逻辑设计，输入输出要求合乎逻辑，并不需

17、要特别的数学技巧。尤其是规模小的数字电路的逻辑特性很需要特别的数学技巧。尤其是规模小的数字电路的逻辑特性很容易明白，也不需要很深入地了解诸如电容、晶体管和许多其容易明白，也不需要很深入地了解诸如电容、晶体管和许多其他器件的微积分模型他器件的微积分模型。 功能灵活功能灵活 当把实际问题简化为数字形式，就可以通过空间和时间当把实际问题简化为数字形式，就可以通过空间和时间上的一系列逻辑步骤加以处理。例如：很容易设计一个数字电上的一系列逻辑步骤加以处理。例如：很容易设计一个数字电路对一段录音进行加密，只有知道密码的人才能听出。但若只路对一段录音进行加密，只有知道密码的人才能听出。但若只用模拟电路的技术

18、要做到这点就很困难。用模拟电路的技术要做到这点就很困难。 可编程性可编程性 数字逻辑的设计完全可以用硬件描述语言数字逻辑的设计完全可以用硬件描述语言HDL来编程，来编程， 还可以编写它的可综合模型、仿真模型，并通过运行程序来还可以编写它的可综合模型、仿真模型，并通过运行程序来 验证设计的正确性，然后把它下载到验证设计的正确性，然后把它下载到CPLD或或FPGA上，或者上，或者作成专用的作成专用的IC。硬线逻辑：硬线逻辑：由与由与门、或门、触发门、或门、触发器、器、MSI、LSI等等基本逻辑部件构基本逻辑部件构成的逻辑系统。成的逻辑系统。4. 本课程在本课程在学科体系学科体系中的地位中的地位4.

19、 本课程在本课程在学科体系学科体系中的地位中的地位重点研究重点研究这些这些基本逻辑部基本逻辑部件件“逻辑门逻辑门”的外部功能的外部功能；并由并由“门门”构构建更大的建更大的功能功能级模块部件级模块部件，如加法器、运如加法器、运算器或控制器算器或控制器等。等。综上所述综上所述 “数字逻辑电路数字逻辑电路”是一门集是一门集 数字电子技术、数字电子技术、逻辑分析方法、计算机组成科学逻辑分析方法、计算机组成科学 为一体的专业为一体的专业课程，研究在课程，研究在 计算机体系结构、数字系统计算机体系结构、数字系统中中部部件级件级的分析和设计方法。的分析和设计方法。5. 数字系统的层次化结构数字系统的层次化

20、结构设计：逻辑部件设计：逻辑部件 简单的数字系统，如汽车尾灯、交通灯控、简单的数字系统，如汽车尾灯、交通灯控、 广告灯箱等广告灯箱等 较复杂的数字系统，如单片机工控、测试等较复杂的数字系统，如单片机工控、测试等 带有简单编程的系统。带有简单编程的系统。 复杂的数字系统，如计算机系统，要研究其复杂的数字系统，如计算机系统，要研究其 “组成组成”和和“系统结构系统结构”。第第5级级复杂系统复杂系统：从第：从第2级到第级到第4 级的功能部件级的功能部件第第4级级更复杂的功能逻辑单元更复杂的功能逻辑单元，如微处理器，如微处理器(VLSI)第第3级级功能逻辑单元功能逻辑单元，如加法器、计数器、乘法器，如

21、加法器、计数器、乘法器(MSI与与LSI)第第2级级功能逻辑单元功能逻辑单元，如门，与门、非门，及触发器，如门，与门、非门，及触发器 (SSI)第第1级级电子元件电子元件，如晶体管、二极管、电阻、电容，如晶体管、二极管、电阻、电容(元件级元件级)SSISSI：等效包含：等效包含1 1到到2020个门。个门。MSIMSI：等效包含：等效包含2020到到200200个门。个门。LSILSI：等效包含：等效包含200200到到200000200000或更多的门。或更多的门。VLSIVLSI：具有超过：具有超过10000001000000个晶体管的个晶体管的 IC IC 一定是一定是VLSIVLSI。

22、数字系统层次化结构数字系统层次化结构结构域结构域复杂系统：从第2级到第4 级的功能部件系统级系统级：CPU、存储器更复杂的功能逻辑单元，如微处理器算法级算法级：控制器、网表功能逻辑单元，如加法器、计数器、乘法器RTL级级：ALU、寄存器、MUX功能逻辑单元，如门，与门、非门，及触发器逻辑级逻辑级：门、触发器电子元件，如晶体管、二极管、电阻、电容电路级电路级：晶体管描述部件或系统的三个充分必要条件，也就是从不同角度充分描述部件或系统的三个充分必要条件，也就是从不同角度充分描述部件或系统：描述部件或系统：行为域、结构域、物理域行为域、结构域、物理域。行为域行为域 ：强调行为，说明电路功能，即电路的

23、输入：强调行为，说明电路功能，即电路的输入/ /输出关系，但与该行为输出关系，但与该行为 的实现无关。的实现无关。结构域结构域 ：对组成电路的各部件及部件间的拓扑连接关系进行描述，给出互：对组成电路的各部件及部件间的拓扑连接关系进行描述，给出互 连功能部件的层次关系。连功能部件的层次关系。物理域物理域 ：提供生产和制造物理实体所需要的信息，如几何布局或拓扑约束：提供生产和制造物理实体所需要的信息，如几何布局或拓扑约束 等，即空间的物理布局和物理特性，没有任何功能部件的概念。等，即空间的物理布局和物理特性，没有任何功能部件的概念。二、教材及参考书目二、教材及参考书目： Digital logic

24、al Circuit Analysis & Design. Victor P. Nelson.北京：清华大学出版社.1997年 三、全书各章总述三、全书各章总述概论概论 总述总述数字逻辑电路数字逻辑电路课程的主要任务、研究目课程的主要任务、研究目的、研究的内容，以及学习方法。的、研究的内容，以及学习方法。第一章第一章 数制和编码数制和编码 数字系统主要处理二进制数据（数字系统主要处理二进制数据（binary digits0s和和1s）。数字系统设计者应在二进制数据和现实生活中的）。数字系统设计者应在二进制数据和现实生活中的数、事件、条件之间建立一种联系。也就是要知道如何数、事件、条件之间建立一

25、种联系。也就是要知道如何在二进制数字系统中表示并处理我们日常熟悉的数值量在二进制数字系统中表示并处理我们日常熟悉的数值量（如非二进制数据、事件、条件等）。（如非二进制数据、事件、条件等）。 主要介绍：不同进位计数制之间的相互转换；二进主要介绍：不同进位计数制之间的相互转换；二进制带符号数的代码表示（用数据位表示符号）及其加减制带符号数的代码表示（用数据位表示符号）及其加减运算；十进制的常用二进制代码；可靠性编码（具有检运算；十进制的常用二进制代码；可靠性编码（具有检错、纠错能力的编码）。错、纠错能力的编码）。第二章第二章 逻辑代数基础逻辑代数基础 逻辑代数是二值逻辑运算中的基本数学工具，它广逻辑代数是二值逻辑运算中的基本数学工具，它广泛应用于数字系统的分析和设计中。泛应用于数字系统的分析和设计中。 数字系统所要完成的某种功能，都可以归纳成逻辑数字系统所要完成的某种功能，都可以归纳成逻辑关系关系，通过逻辑代数表达成逻辑函数的形式