姜书艳 数字逻辑设计及应用 1

数字逻辑设计及应用

任课教师：姜书艳电子科技大学自动化工程学院（主楼）C2-209房间jshuy@

95/wlxt/course.aspx?courseid=0669DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)1Wellbegunishalfdone.Anearlybirdcatchestheworm.DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)2

志存高远追求卓越崇尚学术追求真理彰显个性多样成才--王亚非积极改造主观世界主动适应外围环境--王志强3自立：自己依靠自己自己决定自己未来的发展方向自律：要有自己管束自己的意识4认真学习专业知识积极参加学生工作注重培养思维方式和思考方法注重培养自己的领导能力专注专业，全面发展5具有清楚的思维、表达和写作能力具有以批评的方式系统推理的能力具有形成概念和解决问题的能力具有独立思考的能力具有敢于创新及独立工作的能力具有与他人合作的能力普林斯顿大学的本科培养目标：6具有判断什么意味着彻底理解某种东西的能力具有辨识重要的东西与琐碎的东西、持久的东西与短暂的东西的能力熟悉不同的思维方式具有某领域知识的深度普林斯顿大学的本科培养目标：7具有观察不同学科、文化、理念相关之处的能力具有一生求学不止的能力普林斯顿大学的本科培养目标：8研究型大学本科教育的实质是：教育我们的学生成为具有好奇心反思和怀疑精神并至少能在一个知识领域中进行专门和集中学习的人哈佛大学的教学理念：9不仅学生从老师那里学习而且老师也从学生那里学习在一所研究型大学研究与教学有一种辩证的关系

斯坦福大学10课程设置中讲座式为主而小组讨论的方式很少这样影响学生的收获斯坦福大学校长约翰·汉尼斯：11中国大学本科教育缺乏：1.跨学科的广度2.对批判性思维的培养耶鲁大学校长理查德·莱文：12所有对学生产生深远影响的重要的具体事件有4/5发生在课外

耶鲁大学131.自由教育与应试教育的差别2.学以致知与学以致用的差别3.求新与求多的差别中西文化教育的差异：14西方文化：求新、求异、求变中国文化:求多不求新求同不求异求稳不求变中西文化教育的差异：15强调实践应用突出系统概念强化软硬件联系注重知识面的宽度和广度注重解决实际问题能力的培养大小班结合授课16注重学生人文素质的培养培养学生终身学习能力倡导个性发展大小班结合授课17以学生为中心课内与课外相结合科学与人文相结合教学与科研相结合大小班结合授课18小团队的实验室和研讨会的研究活动是重要的教学模式一切为了学生的成长一切从学生的实际出发一切让学生自主选择、自我负责大小班结合授课19理论教学+实践教育+文化育人科学精神与人文精神融合专业教育与素质教育融合课内培养与课外培养融合共性发展与个性发展融合大小班结合授课20学生听课时应精神饱满，适时做笔记，不要趴在桌子上或斜坐在座位上。桌面保持适当的整洁。课堂上应与老师进行必要的互动。课堂录像21课程简介

“数字逻辑设计及应用”课程历来是我校的重要专业基础课程之一，是研究数字系统设计的入门课程。通过本课程的学习，使学生掌握数字逻辑电路的基本理论和基本分析设计方法，为学习后续课程准备必要的电路知识。本课程在培养学生严肃认真的科学作风和抽象思维能力、分析计算能力、总结归纳能力等方面起重要作用。在本课程中，将介绍数字逻辑电路的分析设计方法和基本的系统设计技巧；培养同学综合运用知识提出问题、分析、解决问题、评价问题的能力和在工程性设计方面的基本素养。通过实验和课程设计、课外上机实验等的方式，使同学深入了解和掌握数字逻辑电路的设计分析方法和电路的运用过程。DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)22课程安排：64学时教材：数字设计—原理与实践（第4版影印版）

JohnF.Wakerly

高等教育出版社2007参考书：

1.数字逻辑设计及应用，姜书艳主编，清华大学出版社，20072.数字电子技术基础（第5版），阎石主编，高等教育出版社，20073.数字设计—原理与实践（第4版），JohnF.Wakerly，林生等译，机械工业出版社，20074.数字电路与系统（第2版），刘宝琴等编著，清华大学出版社，20075.数字电路逻辑设计（第3版），王毓银主编，高等教育出版社，2006DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)23相关学习网站：95/wlxt/course.aspx?courseid=0669

：电子科技大学/互动教学空间/网络学堂/自动化工程学院/数字逻辑设计及应用[姜书艳]/onekey/:包含教材中的所有图表、占教材中半数以上的部分习题解答:部分习题解答/programs.univ：Xilinx的大学计划，提供了大量的产品资料、课程资料以及用于数字设计实验课程的芯片和插件/education/university：Aldec的教育计划，提供了Aldec自己的软件包和第三方的兼容工具以及原型系统。DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)24内容安排：32次课内容讲解29次，习题讲解3次第1，2章3次引言，数制与编码第3章4次数字电路器件基础第4，6章11次组合电路分析与设计第5章1次Verilog语言第7，8章11次时序电路分析与设计第9章1次存储器和可编程器件补充内容1次DAC和ADCDigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)25习题每次课2—4题（基本采用教材习题）；每章结束上交，批改后将进行针对性讲解，并给出参考解答；每课一题每次内容讲解的课上布置，自备一页纸完成，要求当堂完成上交；

课程设计综合性考查，组合电路和时序电路各一次，要求两周内完成后上交；小论文针对某个专题，查阅相关资料，撰写自己的认识。DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)26教学考核方式平时作业及随堂考核成绩：15%课程设计：10%小论文若干篇，5%期中考试：30%期末考试：40%DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)27第1章作业

读书报告：数字技术的发展历程要求：根据数字技术的发展历程，分析本课程应该重点学习哪些内容？学完本课程后，你应该具备哪些方面的能力？提示：仔细阅读教材第一章内容，同时可以在网上查阅一些相关资料，结合自己的思考，完成2000字以上的读书报告。中、英文均可。提交日期：第三周第一次课以前提交方式：电子版发到QQ邮箱：

770581831@28传感器接收器信号发生器隔离电路滤波器阻抗变换放大器运算电路信号转换电路比较器采样保持功率放大器A/D转换执行机构计算机数字系统不同的闭环系统将引入各种不同的反馈！反馈D/A转换电子系统所包含的知识点及其相互关系脉冲的产生和整形组合电路时序电路单片机29数字逻辑设计微机原理及接口技术数字系统设计VLSI设计本课程与后续课程的关系EDA设计30课程的先进性先进性主要体现在“元器件”和“方法”1947年晶体管1958年集成电路69年大规模集成电路75年超大规模集成电路20世纪80年代PLD迅速发展按10倍/6年集成度发展20世纪90年代模拟可编程器件20世纪90年代提出SoC的概念PALGALEPLDCPLDispPLDFPGA21世纪初产生PSoCPSoC单片机SOPC318位微处理器、系统时钟源、程序和数据存储器乘法累加器、低电压检测电路、升压泵、内部参考电压、模拟多路开关、大电流输出驱动……计数器、定时器、脉宽调制器、伪随机序列发生器、缓冲器、反相器、全双工串行通信接口……可编程增益放大器、仪用放大器、滤波器、电压比较器、双音频拨号器等A/D、D/A转换器PSoC

结构32Chapter1Introduction(引言)1.1AboutDigitalDesign(关于“数字设计”)

Anothername“LogicDesign”.ThegoalofdesignistoBuildSystem.DigitalDesignisengineering,andengineeringmeans“ProblemSolving”.Only5%-10%istheCreativepartofDesign.Muchoftherestisjust“TurningtheCrank（曲柄）”.ImportantThemes（主题）inDigitalDesign（P2)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)3334WhyStudyDigitalDesign?Look“underthehood（覆盖）”ofcomputersSolidunderstanding-->betterprogrammerwhenawareofhardwareresourceissues1995Portablemusicplayers1997Satellites1999Cellphones2001DVDplayersVideorecordersMusicalinstruments2003CamerasTVs???20052007Yearsshownaboveindicatewhendigitalversionbegantodominate(Notthefirstyearthatadigitalversionappeared)1.13435WhyStudyDigitalDesign?ElectronicdevicesbecomingdigitalEnabledbysmallerandmorecapablechipsEnables:Betterdevices:cameras,cars,medicaldevices,TVs...Newdevices:smartphones,robots,..Knownas“embeddedsystems”ThousandsofnewdeviceseveryyearDesignersneeded:Potentialcareerdirection1.13536WhatDoes“Digital”Mean?AnalogsignalInfinite(无限）possiblevaluesEx:voltageonawirecreatedbymicrophoneanalogsignal34212digitalsignalDigitalsignalFinitepossiblevaluesEx:buttonpressedonakeypad1.236WhatDoes“Digital”Mean?AnalogsignalInfinitepossiblevaluesEx:voltageonawirecreatedbymicrophonevaluetimevaluetimeanalogsignaldigitalsignalDigitalsignalFinitepossiblevaluesEx:buttonpressedonakeypad01234Possiblevalues:1.00,1.01,2.0000009,...infinitepossibilitiesPossiblevalues:0,1,2,3,or4.That’sit.1.2371.2AnalogversusDigital

(模拟与数字)模拟量：其变化在时间或数值上是连续的数字量：其变化在时间和数量上都是离散的数值大小是某一个最小数量单位的整数倍DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)381.2AnalogversusDigital

(模拟与数字)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)Realsignal:voice,music,movingpicture…Analogsignal:voltagechangedwithtimeDigitalsignal:samplingvaluesfromanalog

3940DigitalSignalswithOnlyTwoValues:BinaryBinary

digitalsignal--onlytwopossiblevaluesTypicallyrepresentedas0and

1One

binarydigitisabitWe’llonlyconsiderbinarydigitalsignalsvaluetime104041DigitalSignalswithOnlyTwoValues:BinaryBinaryispopularbecauseTransistorsthebasicdigitalelectriccomponent,operateusingtwovoltages(moreinChpt.3)Storing/transmittingoneoftwovaluesiseasierthanthreeormore(e.g.,loudbeeporquietbeep,reflectionornoreflection)4142ExampleofDigitizationBenefitAnalogsignal(e.g.,audio,video)maylosequalityVoltagelevelsnotsaved/copied/transmittedperfectlytimeVolts0123originalsignallengthytransmission(e.g,cellphone)time0123receivedsignalHowfix（确定）--higher,lower,?lengthytransmission(e.g,cellphone)0110111011same0110111011Voltsdigitizedsignaltime01a2dVolts0123d2atimeCanfix—distinguish（辨别）0s/1s,restore01Highersamplingrateandmorebitsperencodingimprovesre-creationNotaperfectre-creationduetoa2dandd2aLetbitencodingbe:1V:“01”2V:“10”3V:“11”4243ExampleofDigitizationBenefitDigitizedversionenablesnear-perfectsave/cpy/tran.

“Sample”voltageatparticularrate,savesampleusingbitencodingVoltagelevelsstillnotkeptperfectlyButwecandistinguish0sfrom1stimeVolts0123originalsignallengthytransmission(e.g,cellphone)time0123receivedsignalHowfix--higher,lower,?lengthytransmission(e.g,cellphone)0110111011same0110111011Voltsdigitizedsignaltime01a2dVolts0123d2atimeCanfix—distinguish0s/1s,restore01Highersamplingrateandmorebitsperencodingimprovesre-creationaNotaperfectre-creationduetoa2dandd2a43原始信号衰减放大模拟信号在传输过程中失真数字信号仍然可以保持0、11.2AnalogversusDigital

(模拟与数字)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)441.2AnalogversusDigital

(模拟与数字)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)TheproblemforAnalogsignalEasytobedisturb(干扰）ShiftwithtemperatureHardtoberecordedCannotexpressabstractinformation451.2AnalogversusDigital

(模拟与数字)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)TheadvantageofdigitalsignalOneachdataline,thesignalisverysimpleNotinfluencedbycircumstanceanddeviceCanberecordedandtransmittedeasilyAnyinformationcanbecode461.2AnalogversusDigital

(模拟与数字)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)Digitalsystem

Anyinputsandoutputscanonlybe1or0!Uselogictodetermineeachoutput:1or0?

4748HowDoWeEncodeDataasBinaryforOurDigitalSystem?SomeinputsinherentlybinaryButton:notpressed(0),pressed(1)SomeinputsinherentlydigitalJustneedencodinginbinarye.g.,multi-buttoninput:encodered=001,blue=010,...0button1greenblackbluered000red010greenblackblue100greenblackblueredsensorsandotherinputsDigitalSystemactuatorsandotheroutputsA2DD2Aanalogphenomenaelectricsignaldigitaldatadigitaldataelectricsignaldigitaldatadigitaldata4849HowDoWeEncodeDataasBinaryforOurDigitalSystem?SomeinputsanalogNeedanalog-to-digitalconversionsampleandencodewithbitstemperaturesensorair0011000033degreessensorsandotherinputsDigitalSystemactuatorsandotheroutputsA2DD2Aanalogphenomenaelectricsignaldigitaldatadigitaldataelectricsignaldigitaldatadigitaldata491.2AnalogversusDigital

(模拟与数字)DigitalCircuitsoverAnalogOnes(数字系统及其优越性)ReproducibilityofResults[结果再现性（稳定可靠、精度更高）]Easeofdesign,Flexibility,andFunctionality(易于设计，灵活性和功能性)Programmability[可编程性（HDL硬件描述语言）]Speed,Economy,andSteadilyAdvancingTechnology(快速、经济、稳步发展的技术)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)5051DigitizationBenefit:CanStoreonDigitalMediaStoreonCD,USBdrive,etc.Nodeterioration（衰减）.5152DigitizedAudio:CompressionBenefitDigitizedaudiocanbecompressede.g.,MP3sACDcanholdabout20songsuncompressed,butabout200compressedCompressionalsodoneondigitizedpictures(jpeg),movies(mpeg),andmoreDigitizationhasmanyotherbenefitstoo5253DigitizedAudio:CompressionBenefit000000000000000000000000001111111111111110000001111Examplecompressionscheme: 00means0000000000 01means11111111111XmeansX00000153Future:MaybeEverythingwillbeDigitized…54541.3DigitalDevices

(数字器件)Gates（门电路）：

——Themostbasicdigitaldevices(ANDGate,ORGate,andNOTGateorInverter)[最基本的数字器件（与、或、非门或反相器]Flip-flops（触发器）：

——Adevicethatstoreseither0or1(一种能存储0或1的器件)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)551.3DigitalDevices

(数字器件)Figure1-1DigitalDevices(a)ANDGate(b)ORGate(c)NOTGateorInverterDigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)56Basicdeviceindigitalsystem

BufferTruthtableDiagramEquation57Basicdeviceindigitalsystem

NOTgate(inverter,INV)TruthtableDiagramEquation58ANDgate

diagramequationTruthtableBasicdeviceindigitalsystem

59ORgate

Basicdeviceindigitalsystem

equationdiagramTruthtable60NANDNORBasicdeviceindigitalsystem

61XORBasicdeviceindigitalsystem

62QuestionHowmanykindsofoutputcombinationsof2inputveriablesare，exceptANDORNANDNORXORlogic?(除了与、或、与非、或非、异或逻辑运算以外，两个输入变量的逻辑运算还有多少种输出组合？）63NumberofPossibleBooleanFunctionsHowmanypossiblefunctionsof2variables?22rowsintruthtable,2choicesforeach2(22)=24=16possiblefunctionsNvariables2Nrows2(2N)possiblefunctionsa0011b01010or12choices0or12choices0or12choices0or12choicesF24=16possiblefunctions64Thetargetofdigitaldesign

Gatesdesign

DesignbasicdevicebytransistorsFunctionaldesign

Designfunctionalcircuitsbybasicdevicecombinationallogiccircuitssequentiallogiccircuits651.3DigitalDevices

(数字器件)CombinationalCircuits（组合电路）

Device(器件)Define(定义)SequentialCircuits（时序电路）

Device(器件)Define(定义)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)661.4ElectronicAspectsofDigitalDesign

(数字设计的电子技术)HowtorealizeLogic0and1inaRealcircuit?(逻辑上的0和1在物理上如何实现？)Whatistherangeofanalogvaluewitheachlogicvalue(0or1)[什么电平范围对应逻辑0（或1）？]Howtoproduceandfigureoutthesignalinaproperrange?(如何正确产生和识别处于适当范围的信号？)TheassociationbetweenDigitalandAnalog(数字与模拟之间的关系)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)671.5SoftwareAspectsofDigitalDesign

(数字设计的软件技术)Softwaretoolshelptoimprovethedesigner’sproductivity,thecorrectnessandqualitydesigns.(软件工具有助于提高设计的效率、正确性和质量。)SeveralSoftwareTools(几种软件工具P9）Pspise,multisim,电路仿真----模拟电路Ise,MaxPlusII,

QuatusII,Moldelsim仿真----数字电路protel,powerPCB，制版软件----布版布线DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)681.6IntegratedCircuits

（集成电路，IC）Wafer(单晶硅片）－》Die(模片）DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)691.6IntegratedCircuits

（集成电路，IC）Wafer(单晶硅片）－》Die(模片）

DualIn-line-pinPackage(DIP,双列直插式封装)(P13)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)701.6IntegratedCircuits

（集成电路，IC）Wafer(单晶硅片）－》Die(模片）

DualIn-line-pinPackage(DIP,双列直插式封装)(P13)Small-ScaleIntegration(SSI，小规模集成):1-20GatesMedium-ScaleIntegration(MSI，中规模集成):

20-200GatesLarge-ScaleIntegration(LSI，大规模集成):

200-1,000,000GatesVeryLarge-ScaleIntegration(VLSI，超大规模集成):Over1,000,000TransistorsDigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)71DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)几种7400系列SSIIC的引脚图721.7ProgrammableLogicDevices

(可编程逻辑器件)ProgrammableLogicArray(PLA,可编程逻辑阵列)ProgrammableArrayLogic(PAL,可编程阵列逻辑)ProgrammableLogicDevice(PLD,可编程逻辑器件)ComplexPLD(CPLD,复杂可编程逻辑器件)Field-ProgrammableGateArray(FPGA,现场可编程门阵列）DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)731.7ProgrammableLogicDevices

(可编程逻辑器件)大型可编程逻辑元件的扩展方法DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)741.8Application-SpecificICs

[专用集成电路（ASIC）]

Semi-CustomIC(半定制IC)Non-RecurringEngineering(NRE)Cost(非再现工程成本）:$10,000-$500,000CustomIC(全定制IC）NRECost:Over$500,000DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)751.9Printed-CircuitBoards

(PCB,印制电路板)

Printed-WiringBoards(PWB,印制线路板)Surface-MountTechnology(SMT,表面安装技术)Multi-ChipModule(MCM,多芯片模块）SoC,NoC(SystemonChip,NetworkonChip)(片上系统，片上网络)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)76印制电路板

(PCB,Printed-CircuitBoards)DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)771.10DigitalDesignLevels

（数字设计层次）

DevicePhysicsLevel(器件物理层）

ICManufacturingProcessLevel

（IC制造过程级）

TransistorLevel(晶体管级）

GatesStructureLevel(门电路结构级）

LogicDesignLevel（逻辑设计级）

OverallSystemDesign

（整体系统设计）DigitalLogicDesignandApplication(数字逻辑设计及应用)78ImplementingDigitalSystems:ProgrammingMicroprocessorsVs.DesigningDigitalCircuitsMicroprocessorsacommonchoicetoimplementadigitalsystemEasytoprogramCheap(aslowas$1)ReadilyavailableDesiredmotion-at-nightdetectorProgrammedmicroprocessorCustomdesigneddigitalcircuit1.37980ImplementingDigitalSystems:ProgrammingMicroprocessorsVs.DesigningDigitalCircuitsI3I4I5I6I7I2I1I0P3P4P5P6P7P2P1P0voidmain(){while(1){P0=I0&&!I1;//F=aand!b,}}0Fba101016:007:057:069:009:01timeProgrammedmicroprocessor1.38081DigitalDesign:WhenMicroprocessorsAren’tGoodEnoughWithmicroprocessorssoeasy,cheap,andavailable,whydesignadigitalcircuit?MicroprocessormaybetooslowOrtoobig,powerhungry,orcostlyWingcontrollercomputationtask:50msonmicroprocessor5msascustomdigitalcircuitIf