EDAPPT课件：第1章数字逻辑基础.pptx

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1、数字系统概述数字系统概述v用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为辑运算的电路称为数字电路数字电路。v由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称又称数字逻辑电路数字逻辑电路。 芯片计算机电源主板主板芯 片 上 的子电路逻辑门晶体管电路晶体管数字系统硬件数字系统硬件数字系统设计方法简述数字系统设计方法简述 v传统的设计方法：传统的设计方法：由由一些标准芯片加上一定的外围电路一些标准芯片加上一定的外围电路模块模块各各种功能电路种功能电路系统系统。在在设计时，缺少灵活度，设计系统所需芯片的种设计时，缺少灵活度，

2、设计系统所需芯片的种类多且数量大。类多且数量大。数字系统设计方法简述数字系统设计方法简述 v现代的设计方法：基于现代的设计方法：基于EDAEDA（电子设计自动电子设计自动化）技术的设计化）技术的设计系统设计系统设计在顶层划分功能模块、结构设计在顶层划分功能模块、结构设计用用硬件描述语言描述硬件描述语言描述, ,在在功能级仿真、功能级仿真、纠错纠错用综用综合工具将设计转化为门电路网表合工具将设计转化为门电路网表用用PLDPLD器件器件(Programmable Logic Device(Programmable Logic Device，可编程逻辑器件可编程逻辑器件) )或专用集成电路或专用集成

3、电路(ASIC)(ASIC)实现。实现。使用使用PLDPLD芯片，减少了所需芯片的种类和数量，芯片，减少了所需芯片的种类和数量，缩小了体积，降低了功耗，提高了系统的可靠性。缩小了体积，降低了功耗，提高了系统的可靠性。仿真和调试过程是在高层次上利用仿真和调试过程是在高层次上利用EDAEDA工具完成，工具完成，有利于早期发现结构设计上的错误，减少了逻辑有利于早期发现结构设计上的错误，减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的成功率。功能仿真的工作量，提高了设计的成功率。EDAEDA工具介绍工具介绍本书配套的实验设备对应的本书配套的实验设备对应的EDAEDA工具：工具：v仿真工具仿真工具Modelsi

4、mModelsimv综合工具综合工具SynplifySynplifyv集成开发环境集成开发环境Libero IDE Libero IDE ：ActelActel的的 FPGAFPGA集集成开发环境成开发环境（1 1）ModelsimModelsim（2 2）SynplifySynplify（3 3）HDL EditerHDL Editer，HDLHDL代码编辑器。代码编辑器。（4 4）SmartDesignSmartDesign，基于原理图和模块输入设计基于原理图和模块输入设计（5 5）DesignerDesigner，FPGAFPGA的高效布局布线工具的高效布局布线工具（6 6）FlashP

5、roFlashPro，编程软件编程软件第第1章章 数字数字逻辑基础逻辑基础广东工业大学计算机学院广东工业大学计算机学院数字系统处理什么信息数字系统处理什么信息 ？数字信号数字信号二进制形式的数字信号二进制形式的数字信号0110 1010本章内容v1.1 1.1 概述概述 数字信号及模拟信号数字信号及模拟信号 ，数字信号的表示方式数字信号的表示方式v1.2 1.2 数制与码制数制与码制 数制，数制，码制码制 ，数制转换，数制转换，常用编码常用编码 v1.3 1.3 数字逻辑设计基础数字逻辑设计基础 逻辑代数的基本公式和定理逻辑代数的基本公式和定理逻辑函数的表示方法逻辑函数的表示方法逻辑函数的化简

6、逻辑函数的化简逻辑门电路逻辑门电路的基本结构和常用的集成门电路的基本结构和常用的集成门电路重点重点v模拟信号与数模拟信号与数字信号字信号v数字抽象数字抽象v数字信号传输时对数字信号传输时对“0”、“1”的处理的处理1.1 概概 述述模拟量：这类物理量的变化在时间和数值上都是连续的模拟量：这类物理量的变化在时间和数值上都是连续的在一个指定的时间范围里，物理量的数值个数有在一个指定的时间范围里，物理量的数值个数有无穷多个无穷多个物理量的数值本身的数目有物理量的数值本身的数目有无穷多个无穷多个模拟信号模拟信号：表示模拟量的信号：表示模拟量的信号模拟电路：处理模拟信号的电子电路模拟电路：处理模拟信号的

7、电子电路1.1.1 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号数字量数字量 ：这类物理量的变化在时间和数值上都是离散的：这类物理量的变化在时间和数值上都是离散的在一个指定的时间范围里，物理量的数值个数是在一个指定的时间范围里，物理量的数值个数是有限的有限的物理量的数值本身的数目是物理量的数值本身的数目是有限的有限的数字信号数字信号：表示数字量的信号：表示数字量的信号数字电路：直接对数字量进行处理的电子线路数字电路：直接对数字量进行处理的电子线路 1.1.1 数字信号及模拟信号数字信号及模拟信号采样：采样：以相等的时间间隔，将以相等的时间间隔，将时间上连续的模拟信号截取成时间上连续的模拟信号截取成时间

8、上离散的数字信号时间上离散的数字信号量化：量化：将采样得到的瞬间幅度将采样得到的瞬间幅度值离散化，也就是用有限个幅值离散化，也就是用有限个幅度值近似表示原来连续变化的度值近似表示原来连续变化的幅度值幅度值 编码：编码：按照一定的规律，把量按照一定的规律，把量化后的值用二进制数字表示。化后的值用二进制数字表示。 在数字电路中存储、处理和传在数字电路中存储、处理和传输：模拟信号输：模拟信号 数字信号数字信号采样、量化、编码采样、量化、编码1.1.1 数字信号及模拟信号数字信号及模拟信号大部分数字系统使用二进制处理信息，这是由大部分数字系统使用二进制处理信息，这是由于：于： （1）电路容易实现：）电

9、路容易实现： 只有两个数码（两种状态只有两个数码（两种状态 ） 高、低电平分别表示高、低电平分别表示“1”和和“0”（2）物理上容易实现存储：）物理上容易实现存储： 磁极的取向、表面的凹凸磁极的取向、表面的凹凸 （3）便于运算）便于运算（4）便于逻辑判断：）便于逻辑判断： 与与“真真(True)”、“假假(False)”相对应相对应 1.1.2 数字抽象数字抽象数字信号：数字信号：用电位高低用电位高低来表示：来表示：用脉冲有无用脉冲有无来表示：来表示：1.1.2 数字抽象数字抽象目前的数字系统中，常用前一种方式表示数字目前的数字系统中，常用前一种方式表示数字信号。信号。 用自然二进制（高电平用

10、自然二进制（高电平 “1”，低电平，低电平 “0” ） 编码的数字信号不适合于在信道中直接传输：编码的数字信号不适合于在信道中直接传输： 这种类型的数字信号往往存在直流分量和低这种类型的数字信号往往存在直流分量和低频分量，而具有电容耦合电路的设备或频带频分量，而具有电容耦合电路的设备或频带低端受限的信道会过滤掉这些分量；低端受限的信道会过滤掉这些分量； 当出现连续的当出现连续的“0”或或“1”数据时，数字信号数据时，数字信号会出现长时间的低电平或高电平，接收端无会出现长时间的低电平或高电平，接收端无法获取定时信息法获取定时信息(即同步信息即同步信息)； 接收端无法判断是否包含错码。接收端无法判

11、断是否包含错码。 1.1.3 数字信号传输时对数字信号传输时对0、1的处理的处理 数字信号在传输时需要数字信号在传输时需要选择其他的编码方式，选择其他的编码方式，常用的有以下四种常用的有以下四种 ： 1不归零编码不归零编码(NRZ) v正电平表示正电平表示“1” 负电平表示负电平表示“0”v无中性状态、其他状态无中性状态、其他状态 v发送能量大，直流分量发送能量大，直流分量小，抗干扰能力比较强小，抗干扰能力比较强v需要另外传输同步信号需要另外传输同步信号 1.1.3 数字信号传输时对数字信号传输时对0、1的处理的处理2NRZ-Inverted (NRZI) 翻转不归零翻转不归零编码编码 v输入

12、为输入为0：输出保持：输出保持v输入为输入为1，输出翻转，输出翻转 v需要另外传输同步需要另外传输同步信号信号 1.1.3 数字信号传输时对数字信号传输时对0、1的处理的处理3归零编码归零编码v整个码元分两部分整个码元分两部分前半部分为数据：高电平前半部分为数据：高电平- “1” ，低电平，低电平- “0”后半部分归零位后半部分归零位v自带了同步信号，但当出现长串自带了同步信号，但当出现长串“0”时，将丢失时，将丢失同步信号同步信号 1.1.3 数字信号传输时对数字信号传输时对0、1的处理的处理4曼彻斯特编码曼彻斯特编码 v每一位的中间有每一位的中间有一电平的跳变一电平的跳变 从高到低跳变表示

13、从高到低跳变表示“0”从低到高跳变表示从低到高跳变表示“1” v位中间的跳变位中间的跳变作时钟信号作时钟信号作数据信号作数据信号 1.1.3 数字信号传输时对数字信号传输时对0、1的处理的处理差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 v每位开始时：每位开始时：有跳变：有跳变：“0”无跳变：无跳变：“1”v位中间的跳变位中间的跳变仅作时钟信号仅作时钟信号1.1.3 数字信号传输时对数字信号传输时对0、1的处理的处理v数制数制 十进制数十进制数 ，二进制数二进制数 ，八进制数八进制数 ，十六进制数十六进制数 ，数制数制之间的转换之间的转换 v码制码制 数字的存储形式数字的存储形式 ，原码原码 ，反码反码

14、，补码补码 v常用编码常用编码 顺序二进制编码，格雷码顺序二进制编码，格雷码 （循环码循环码 ），），独热码，二独热码，二十十进制编码（进制编码（BCD码）码） ，ASCII码码 1.2 数数 制制 与与 码码 制制1.2.1 数制数制v数制（计数制数制（计数制/进位计数制进位计数制)：是指用一组固定：是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。的符号和统一的规则来表示数值的方法。v数制有三个概念：数码、基数和位权。数制有三个概念：数码、基数和位权。数码：数制中为表示基本数值大小所使用的不同数码：数制中为表示基本数值大小所使用的不同数字符号。十进制数数字符号。十进制数09；二进制数；二进

15、制数0、1基数：数制中所使用数码的个数。十进制数基数基数：数制中所使用数码的个数。十进制数基数10；二进制数基数；二进制数基数2。位权：数制中某位置上的数字位权：数制中某位置上的数字1所表示数值的大所表示数值的大小。小。1.2.1 数制数制v1. 十进制数十进制数(Decimal)数码数码09；基数基数10；位权位权10i。小数点左边，右至左的位权依次是：。小数点左边，右至左的位权依次是：100、101、102、103小数点右边，左至右的位权依次是：小数点右边，左至右的位权依次是：10-1、10-2、10-3、10-4 (826.78)10=8102+2101+6100+710-1+810-2

16、1.2.1 数制数制v2. 二进制数二进制数(Binary)数码数码0、1；基数是基数是2；位权位权2i。 (1011.101)2=123+022+121+120+12-1+02-2+12-31.2.1 数制数制v3. 八进制数八进制数(Octal)数码数码07； 基数是基数是8；位权位权8i。(723.24)8=782+281+380+28-1+48-21.2.1 数制数制v4. 十六进制数十六进制数(Hexadecimal)数码数码09及及AF；基数是基数是16；位权位权16i。 (2D9.A8)16=2162+13161+9160+1016-1+816-2任意一个任意一个N进制数的位权展开式为：进制数的位权展开式为：其中其中：k i 为各位置上的数码，为各位置上的数码，N i 为位权。为位权。1.2.1 数制数制v5. 数制之间的转换数制之间的转换(1)非十进制数转换成十进制数。非十进制数转换成十进制数。方法：将非十进制数按位权展开后求和。方法：将非十进制数按位权展开后求和。【例例1-1】(1011.101)2=123+022+121+120+12-1+02-2+12-3 =8+