数字电路与逻辑设计 课件 1-数字化处理基础

片上微控制系统原理与项目设计第一讲课程介绍片上微控制系统原理（占总成绩67%）40%期末考试20%平时作业及线上测试40%实验项目设计（占总成绩33%）数字电路的应用数字电路广泛应用于各种产品和系统中，提供计算、控制、通信等功能。作业：查找资料，汇总国产CPU、DSP、GPU、MCU厂商及产品名称。谈谈你对国产行业发展的看法。（200字）数字电路与AI数字电路为AI提供了必要的硬件基础，使得复杂的算法和数据处理任务得以在实际物理设备上实现。AI和机器学习（ML）算法需要大量的计算资源。数字电路，尤其是中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、专用集成电路（ASIC）、以及现场可编程门阵列（FPGA），提供了执行这些算法所需的高速计算能力。作业：查找资料，简述AI领域使用到的数字电路。谈谈你对AI发展的看法。（各200字）信息处理系统信息处理系统信息获取信息加工信息显示信息存储信息传输信息处理系统定出入数字处理系统数值电路数值通常用电平来表示实现R进制数的电路称为R进制电路R进制电路中需要R个不同电平。二进制电路高电平和低电平N位二进制数需要N根导线传输电路的每根导线代表一位数字信号采用高低电平表示的二进制数从外部所要获取和输出至外部的信号通常为模拟信号采用专用电路进行模拟信号与数字信号之间的转换知信号digitalsignalWhatDoes“Digital”Mean?AnalogsignalInfinitepossiblevaluesEx:voltageonawirecreatedbymicrophonevaluetimeanalogsignal3421DigitalsignalFinitepossiblevaluesEx:buttonpressedonakeypad01234valuetimePossiblevalues:1.00,1.01,2.0000009,...infinitepossibilitiesPossiblevalues:0,1,2,3,or4.That’sit.0123411ExampleofDigitizationBenefitAnalogsignal(e.g.,audio,video)maylosequalityVoltagelevelsnotsaved/copied/transmittedperfectlyDigitizedversionenablesnear-perfectsave/cpy/tran.“Sample”voltageatparticularrate,savesampleusingbitencodingVoltagelevelsstillnotkeptperfectlyButwecandistinguish0sfrom1stimeVolts0123originalsignallengthytransmission(e.g,cellphone)time0123receivedsignalHowfix--higher,lower,?lengthytransmission(e.g,cellphone)0110111011same0110111011Voltsdigitizedsignaltime01a2dVolts0123d2aLetbitencodingbe:1V:“01”2V:“10”3V:“11”timeCanfix—easilydistinguish0s/1s,restore01Buthighersamplingrateandmorebitsperencodingimprovesre-creation(orbringscloser)aDigitizedsignalnotaperfectre-creationduetoa2dandd2aSomeinputsinherentlybinaryButton:notpressed(0),pressed(1)SomeinputsinherentlydigitalJustneedencodinginbinarye.g.,multi-buttoninput:encodered=001,blue=010,...SomeinputsanalogNeedanalog-to-digitalconversionAsdoneinearlierslide:

sampleandencodewithbits0button1greenblackbluered000red010greenblackblue100greenblackblueredtemperaturesensorair0011000033degreessensorsandotherinputsDigitalSystemactuatorsandotheroutputsA2DD2AanalogphenomenaelectricsignaldigitaldatadigitaldataelectricsignaldigitaldatadigitaldatatimeVolts0123originalsignal01101110110110111011Voltsdigitizedsignaltime01a2d数字处理系统信息获取采用模数转换器（相当于人的眼睛)将模拟电压转化为数值输入数据信息显示采用数模转换器(相当于人的手)将控制数值变为相应大小的电流，从而实现对阀门的开启控制信息加工采用数字电路(相当于人的大脑)对输入数据进行存储、比较、运算等操作，计算出控制数值，产生输出数据明系统运算与逻辑数字信息处理的输入和输出均是二进制数都是由0和1构成n位输入X=(Xn-1,…,X0)Xi只能取0或1m位输出为Y=(Ym-1,…,Y0)Yi只能取0或1处理采用函数F来描述Y=F(X)输出Y的任何一位Yi都可以看成是所有输入的函数Yi=Fi(Xn-1,…,X0)反映了因变量Yi与自变量Xn-1,…,X0之间的关系由多位0或1产生一位0或1Xn-1X1X0Ym-1Y1Y00…000…010…011…110…100…00⁞⁞1…110…10懂模型运算与逻辑二进制数加法(Y1,Y0)=X1+X0X1和X0是一位加数Y1和Y0的组合值为和Y1称为进位，Y0称为本位和Y1和Y0分别看成X1和X0的函数Y1=F1(X1,X0)Y0=F0(X1,X0)逻辑函数体现了二值输入与输出之间的因果关系自变量称为逻辑输入因变量称为逻辑输出所有输入和输出只能取两个值二值逻辑二值输入与二值输出之间的关系X1X0Y1Y00000010110011110布尔逻辑

运算公式非¬真=假¬假=真与假˄假=假假˄真=假真˄假=假真˄真=真或假˅假=假假˅真=真真˅假=真真˅真=真运算公式非与或运算公式异或同或会逻辑运算与逻辑二进制数加法(Y1,Y0)=X1+X0Y1=F1(X1,X0)=X1

X0Y0=F0(X1,X0)=X1

X0X1X0Y1Y00000010110011110逻辑的电路实现逻辑函数的输入和输出都可以采用高低电平来表示高电平为逻辑1态，低电平为逻辑0态逻辑运算利用输入的电平来控制开关闭合或断开，从而产生相应的电平输出一个输入控制一个开关多个输入的逻辑运算采用多个开关的串联和并联相结合的混合电路逻辑门用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路开关电路开关构成的电路与逻辑运算之间的关系闭合和5V电位

逻辑1断开和0V电位

逻辑0ABFABFABFABF(a)0-11-0

(b)000010100111(c)000011101111非运算与运算或运算继电器电路会分析半导体电路半导体载流子带负电的自由电子带正电的空穴N型半导体自由电子浓度远大于空穴浓度多子是自由电子P型半导体空穴浓度远大于自由电子浓度多子是空穴PN结一块半导体单晶上一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体单向导电性P端电压比N端电压高，正偏，PN结导通P端电压比N端电压低，反偏，PN结截止半导体电路二极管三极管|Ub-Ue|大于某值时，c极和e极之间导通，相当于短路，否则c和e两极之间不导通，相当于断路。基射极正向偏压（Ub>Ue）基射极反向偏压（Ub<Ue）半导体逻辑电路场效应管单极性三极管MOS管绝缘栅场效应管栅源反向偏压导通栅源正向偏压导通能设计MOS逻辑电路

1001MOS逻辑电路

110101101001MOS逻辑电路

100010111000MOS逻辑电路三态门T3和T4构成非门当EN为1时，nEN为0A为1，则T2导通使B为1，否则T1导通使B为0，故B=A当EN为0时，nEN为1，无论A为何电平，T1和T2都截止，B处于悬空状态高阻状态101100101数字集成电路将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路SSI基本逻辑运算单元MSI基本逻辑门构建具有一定功能的逻辑电路LSI/VLSI存储器、微处理器、可编程逻辑器件类型

规模门电路数元器件数小规模集成电路1～101～10中规模集成电路10～100100～1000大规模集成电路100~100001