数字电子技术（第五版） 课件 第0章 数字逻辑概论

第0章数字逻辑设计概论两类信号模拟信号数字信号幅度和相位都连续的信号，或着说是幅度和时间方面都连续的信号幅度和相位都离散的信号，或着说是幅度和时间方面都离散的信号1.模拟信号与数字信号两类信号模拟信号数字信号幅度和相位都连续的信号，或着说是幅度和时间方面都连续的信号幅度和相位都离散的信号，或着说是幅度和时间方面都离散的信号1.模拟信号与数字信号过渡信号时间连续、幅值离散的信号；或时间离散、幅值连续的信号两类信号模拟信号数字信号幅度和相位都连续的信号，或着说是幅度和时间方面都连续的信号幅度和相位都离散的信号，或着说是幅度和时间方面都离散的信号两类电路模拟电路数字电路工作在模拟信号下的电子电路工作在数字信号下的电子电路1.模拟信号与数字信号◆在数码技术中一般都采用二进制：0和1；◆数字电路易于集成化；◆抗干扰能力强，精度高，逻辑关系确定，电路调试方便；◆易保存，保密性好；◆通用性好，可采用标准化的逻辑部件来构成各种各样的数字系统，而且是很多电子系统的改进和升级的方向。

简单地说，数字电子技术是一门研究数字信号的编码、运算、记忆、计数、存储、测量和传输的科学技术。数字电子技术有以下特点：2.数字电子技术的特点

数字电路在研究的对象和方法上都跟模拟电路有很大的不同，表1把它们作了一个简单的对比。表1模拟电路与数字电路的比较内

容模拟电路数字电路工作信号

模拟信号数字信号管子工作状态

放大状态饱和导通或截止（开关）基本单元电路

放大器逻辑门、触发器研究对象放大性能逻辑功能基本分析方法图解法、微变等效电路法真值表、卡诺图、状态转换图、布尔代数EDA分析方法PSpice、orCAD、Multisim等HDL、MAXplusII、QuartusII等2.数字电路的特点按照逻辑功能的不同特点：组合逻辑电路任一时刻的输出仅与该时刻的输入信号有关，而与电路原有的输出状态无关。时序逻辑电路任一时刻的输出状态不仅与该时刻的输入状态有关，还与电路原有的输出状态有关。数字逻辑电路3.数字电路的分类表2数字集成电路按集成度分类按照数字电路集成度的不同，逻辑电路通常分为SSI、MSI、LSI、VLSI及至ULSI、GSI、SOC等。工艺SSIMSILSIVLSIULSIGSISoC元件数＜102102~103103~104104~106106~107＞107＞5×107门数＜1010~102102~103103~105105~106＞106＞5×106年代1961196619711980199020002003典型产品集成门触发器计算器加法器8bMCUROMRAM16-32bitMCUDSPP3CPUP4CPU4.数字系统与产品实例门电路和触发器；集成电路；可编程逻辑器件和超大规模专用集成电路数字系统的发展公式法/卡诺图化简计算机辅助设计硬件描述语言（HDL）软件综合与仿真数字系统设计技术的发展综合考虑逻辑功能和电路性能5.数字电路及其设计技术的发展1.可编程逻辑器件的发展历史通用型逻辑功能简单，且固定不变，具有很强的通用性，如74系列、CC4000系列等；搭建复杂数字系统时体积、重量、功耗等均较大专用型数字集成电路为某种专门用途设计的集成电路，即ASIC，能减小体积、重量、功耗等，提高可靠性；用量不大时，设计及制作成本高、周期长逻辑功能特点可编程逻辑器件（PLD）可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice，简称PLD)

，是20世纪70年代发展起来的一种通用大规模集成电路，主要应用于LSI和VLSI电路设计中，它采用软件和硬件相结合的方法设计所需功能的数字系统。

PLD虽然是一种通用器件，但其逻辑功能是由用户通过器件编程来设定的，用户可将一个数字系统集成在一片PLD上，做成片上系统（SystemonChip,SoC）。(1)PLD硬件发展历史

20世纪70年代初期，出现了可编程只读存储器(PROM)、紫外线可擦除只读存储器(EPROM)和电可擦除只读存储器(EEPROM)等；

70年代末和80年代初中期，出现了可编程逻辑器件(PLD)，此阶段典型的PLD一般均由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，如：PAL(可编程阵列逻辑)GAL(通用阵列逻辑)PLA（可编程逻辑阵列）(1)PLD硬件发展历史

80年代中后期，出现了高集成密度PLD，如：EPLD(可擦除可编程逻辑器件)CPLD(复杂可编程逻辑器件)FPGA（现场可编程门阵列）目前，PLD的发展趋势是高速、高密、灵活和更强的功能、更高的性能。PROM：与阵列固定、或阵列可编程PLA：与阵列和或阵列均可编程PAL：与阵列可编程、或阵列固定GAL：具有可编程输出逻辑宏单元(OLMC)SPLDCPLDFPGA：一个芯片上集成多个可编程的互连SPLD

：现场可编程门阵列（非“与-或阵列”）(2)PLD硬件分类及特点(3)PLD软件发展历史用于PLD编程的开发系统包括硬件和软件两部分，硬件部分包括计算机和专门的编程器，软件部分有各种编程软件，这些软件功能强大，编程简单，一般均可在PC机上运行；新一代在系统可编程(insystemprogrammable,isp)器件的编程更为简单，编程时只需将计算机运行产生的编程数据直接写入PLD即可。二、硬件描述语言

应用硬件描述语言设计数字系统的优点是：（1）用HDL描述电路的行为或结构，实现细节由软件自动完成，从而减少了工作量，缩短了设计周期；（2）硬件描述与具体的实现工艺无关，因而代码重用(Code-Reuse)率比原理图设计方法高。硬件描述语言(Hardware

Description

Language,简称为HDL)是用形式化方法来描述数字电路行为与结构的计算机语言。常用的硬件描述语言：1.VerilogHDL;

2.VHDL;3.SystemVerilog；4.SystemC。（1）能够形式化抽象地描述电路的行为和结构；（2）支持层次化描述；（3）借用高级语言来描述电路的行为；（4）具有电路仿真与验证机制以测试设计的正确性；（5）支持电路描述由高层次到低层次的综合转换；（6）硬件描述和实现工艺无关；（7）便于文档管理；（8）易于理解和重用。1.VerilogHDL和VHDL共同的特点：（1）VerilogHDL语法相对自由，而VHDL基于ADA语言开发，语法严谨；（2）VerilogHDL是易学易用，具有广泛的设计群体。（3）VerilogHDL在系统级描述方面比VHDL略差一些，而在门级、开关级电路描述方面强得多。但是，随着SystemVerilog产生和发展，VerilogHDL在系统级描述方面的能力大大增强。2.VerilogHDL和VHDL对比：SystemVerilog在VerilogHDL的基础上，进一步扩展了VerilogHDL语言的功能，提高了Verilog的抽象建模的能力。另一个显著特点是能够和芯片验证方法学结合在一起，作为实现方法学的一种语言工具，大大增强模块复用性、提高芯片开发效率，缩短开发周期。3.

SystemVerilog三、EDA软件Intel公司的集成开发环境有原Altera公司早期的MAX+plusII和目前广泛使用的QuartusII。Xilinx公司的集成开发环境有广泛使用的ISE和支持“AllProgrammable”概念的新版软件Vivado。1.集成开发环境

集成开发环境（IntegratedDevelopmentEnvironment，简称IDE）是可编程逻辑器件厂商，如Intel、Xilinx、Lattice和Actel等，针对自己公司的器件提供的集成开发环境，支持从设计输入，编译、综合与适配，以及编程与配置等开发流程的全部工作。目前，多数PLD厂商提供的IDE支持第三方仿真工具，例如，在Intel公司的QuartusII集成开发环境中，可以调用Modelsim或者Active-HDL进行仿真分析。仿真软件用于对HDL设计进行仿真测试，以检查逻辑设计的正确性，包括布局布线前的功能仿真和布局布线后的、包含了门延时和布线延时等信息的时序仿真。目前广泛应用的仿真软件有Mentor公司的Modelsim和Aldec公司的Active-HDL等。2.仿真软件目前，业界流行的FPGA综合工具有Synplicity公司（已经被Synopsys公司收购）的SynplifyPro以及Altera公司的QuartusII和Xilinx公司的XST，ASIC综合工具有Synopsys公司的DesignCompilerII和Candence公司的RTLCompiler。

综合工具用于将HDL或者其它方式描述的设计电路转换成能够在可编程逻辑器件或者ASIC中实现的网表文件，是由软件设计转换成硬件实现的关键环节。3.综合工具STEP-MXO-C小脚丫开发板（Lattice）1.开发环境LatticeDiamond（需要下载软件并安装、破解，大概2G左右）小脚丫WebIDE在线编译（需要网络，/）2.开发语言VerilogHDLVHDL图形输入按提示注册完后登录3.在线编译操作方法/注册创建项目创建项目项目名称设备型号项目标签描述权限输入项目信息新建文件输入VerilogHDL代码，单击【保存】单击【逻辑综合】等待编译和综合完成，如有错误需要回到设计文件进行修改点击【管脚分配】，在想要分配的