数字电路与系统设计精.ppt

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1、数字电路与系统设计第1页，本讲稿共78页目目 录录n第1章 数制与码制n第2章 逻辑代数基础n第4章 组合逻辑电路n第5章 触发器n第6章 时序逻辑电路n第9章 半导体存储器n第10章 可编程逻辑器件n第11章硬件描述语言（VHDL）n第12章 数字系统设计基础 返回封面返回封面第2页，本讲稿共78页第第1章章 数制与码制数制与码制n1.0 绪论n1.1 数制n1.2 码制n第1章 习题返回目录返回目录第3页，本讲稿共78页1.0 1.0 绪论绪论n一、数字电子技术的发展与应用 n二、数字电子技术的优点 n三、模拟信号和数字信号 n四、二进制代码“1”和“0”的波形表示 n五、本课程的研究内容

2、 n六、学习方法 n七、参考教材返回第返回第1章目录章目录第4页，本讲稿共78页1.1 数制n一、十进制（Decimal）n二、二进制（Binary）n三、十六进制（Hexadecimal）n四、八进制（Octal）n五、数制转换返回第返回第1章目录章目录第5页，本讲稿共78页1.2 码制（编码的制式）n一、二进制码 n二、二十进制（BCD）码n三、字符、数字代码返回第返回第1章目录章目录第6页，本讲稿共78页第第1 1章章 习题习题n1.1(1)(2)(3)(4)n1.3(1)(2)n1.4(1)(2)(3)n1.5(1)(2)(3)n1.6(1)(2)(3)n1.7(1)(2)(3)n1.

3、8(1)(2)(3)n1.9(1)(2)n1.10 (1)(2)n1.11(1)(2)(3)(4)(5)(6)n1.12返回第返回第1章目录章目录第7页，本讲稿共78页第2章 逻辑代数基础 n2.1 概述 n2.2 逻辑代数中的运算 n2.3 逻辑代数的公式 n2.4 逻辑代数的基本规则 n2.5 逻辑函数的表达式 n2.6 逻辑函数的化简 n第2章 习题返回目录返回目录第8页，本讲稿共78页2.1 概述 n一、三种基本逻辑关系n二、逻辑变量n三、逻辑函数及其表示方法返回第返回第2章目录章目录第9页，本讲稿共78页2.2 逻辑代数中的运算 n一、三种基本逻辑n二、复合逻辑运算返回第返回第2章目

4、录章目录第10页，本讲稿共78页2.3 逻辑代数的公式 n一、基本公式 n二、异或、同或逻辑的公式 n三、常用公式 返回第返回第2章目录章目录第11页，本讲稿共78页2.4 逻辑代数的基本规则 n一、代入规则n二、反演规则 n三、对偶规则 返回第返回第2章目录章目录第12页，本讲稿共78页2.5 逻辑函数的表达式 n一、常见表达式 n二、标准表达式 n1.最小项、最小项表达式 n2.最大项、最大项表达式n3.最小项和最大项的性质 n4.几个关系式 n5.由一般表达式写最小(大)项表达式的方法n6.由真值表写最小（大）项表达式的方法 返回第返回第2章目录章目录第13页，本讲稿共78页2.6 逻辑

5、函数的化简 n一、化简的意义和最简的标准 n1.化简的意义（目的）n2.化简的目标 n3.最简的标准 n二、公式法n1.与或式的化简 n2.或与式的化简 返回第返回第2章目录章目录第14页，本讲稿共78页2.6 逻辑函数的化简n三、卡诺图化简法 n1.逻辑函数的卡诺图表示 n2.卡诺图的运算n3.卡诺图化简法n四、非完全描述逻辑函数的化简n1.约束项、任意项、无关项及非完全描述逻辑函数 n2.非完全描述逻辑函数的化简n3.无关项的运算规则返回第返回第2章目录章目录第15页，本讲稿共78页2.6 逻辑函数的化简n五、最简与或式的转换n1.转换成两级与非式n2.转换成两级或非式n3.转换成与或非式

6、返回第返回第2章目录章目录第16页，本讲稿共78页第2章 习题n2.1(1)(2)(3)n2.4(1)(2)(3)n2.10(1)(2)n2.11(1)(2)n2.12(1)(3)(4)n2.13(1)n2.14返回第返回第2章目录章目录第17页，本讲稿共78页第4章 组合逻辑电路 n4.1 SSI构成的组合逻辑电路的分析和设计n4.2 中规模集成组合逻辑电路n4.3竞争和冒险n第4章 习题返回目录返回目录第18页，本讲稿共78页4.1 SSI构成的组合逻辑电路的分析和设计n一、组合电路的分析n1.分析目的n2.分析步骤 n二、组合电路的设计 n1.设计目的n2.设计步骤（双轨输入情况下）返回

7、第返回第4章目录章目录第19页，本讲稿共78页4.2 中规模集成组合逻辑电路n一、编码器 n1.二进制编码器 n2.二十进制优先编码器74147n二、译码器 n1.二进制译码器 n2.二十进制译码器 n3.数字显示译码器 返回第返回第4章目录章目录第20页，本讲稿共78页4.2 中规模集成组合逻辑电路n三、数据选择器 n1.四选一数据选择器n2.八选一数据选择器 n3.数据选择器的扩展 n4.用数据选择器设计组合逻辑电路 n四、数据比较器 n1.四位并行数据比较器7485 n2.数据比较器的应用举例 返回第返回第4章目录章目录第21页，本讲稿共78页4.2 中规模集成组合逻辑电路n五、全加器n

8、1.四位串行进位全加器n2.四位超前进位全加器n3.全加器的应用举例返回第返回第4章目录章目录第22页，本讲稿共78页4.3 竞争和冒险 n一、竞争和冒险的概念 1.竞争 2.冒险 n二、冒险的判别方法n1.逻辑冒险的判别 (1)代数法 (2)卡诺图法 n2.功能冒险的判别n三、冒险的消除方法 n1.增加多余项，消除逻辑冒险n2.加滤波电容 3.加取样脉冲 返回第返回第4章目录章目录第23页，本讲稿共78页 第4章 习题n4.2 4.4 4.7(3)4.12 n4.14(1)(4)4.15(1)4.18n例1 4.20 4.21返回第返回第4章目录章目录第24页，本讲稿共78页第5章 触发器（

9、Flip Flop）n5.1 概述 n5.2 基本SRFF(SDRDFF)n5.3 钟控电位触发器（钟控触发器）n5.4 常用触发器n5.5 CMOS FF n5.6 触发器逻辑功能的转换n第5章 触发器习题返回目录返回目录第25页，本讲稿共78页5.1 概述 n一、触发器概念 n二、触发器的分类 n1.按是否受控于时钟脉冲(CP Clock Pulse)n2.按实现的逻辑功能 返回第返回第5章目录章目录第26页，本讲稿共78页5.2 基本SRFF(SDRDFF)n一、与非门构成的基本SRFF n1.电路构成n2.逻辑功能n3.逻辑功能的表示方法 n二、或非门构成的基本SRFF n1.电路构成

10、n2.逻辑功能的表示方法 返回第返回第5章目录章目录第27页，本讲稿共78页5.3 钟控电位触发器（钟控触发器）n一、钟控SRFF(SR锁存器)n1.电路构成n2.钟控原理n3.逻辑功能 n二、钟控DFF(D锁存器)n1.电路构成 n2.逻辑功能返回第返回第5章目录章目录第28页，本讲稿共78页5.3 钟控电位触发器（钟控触发器）n三、钟控触发器的触发方式与空翻 n1.触发方式（工作方式）n2.空翻返回第返回第5章目录章目录第29页，本讲稿共78页5.4常用触发器 n一、维持阻塞型DFF n1.电路结构n2.工作原理n3.功能描述n4.动态特性（脉冲工作特性）n二、主从SREF n1.电路结构

11、n2.工作原理n3.功能描述返回第返回第5章目录章目录第30页，本讲稿共78页5.4常用触发器 n三、JKFF n1.主从JKFF n2.边沿JKFF n四、TFF和TFF n1.TFF n2.TFF返回第返回第5章目录章目录第31页，本讲稿共78页5.5 CMOS FF n一、CMOS DFF n1.电路结构n2.工作原理n二、CMOS JKFF 返回第返回第5章目录章目录第32页，本讲稿共78页5.6 触发器逻辑功能的转换n一、转换模型 n二、公式法 n三、列表图解法返回第返回第5章目录章目录第33页，本讲稿共78页第5章 触发器习题n5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 n5.6 5.

12、7 5.8 5.10 5.11n5.12 5.13 5.14 5.15 5.16n5.17 5.18 5.19 5.20 5.21返回第返回第5章章目录目录第34页，本讲稿共78页第6章 时序逻辑电路 n6.1 概述n6.2 时序电路的分析n6.3 时序电路的设计n6.4 寄存器和移存器n6.5 计数器n6.6 序列码发生器n6.7 顺序脉冲发生器n第6章习题 返回目录返回目录第35页，本讲稿共78页6.1 概述 n一、组合电路 n1.结构特点 n2.功能特点n二、时序电路 n1.结构特点 n2.功能特点n3.工作描述 n4.分类 返回第返回第6章目录章目录第36页，本讲稿共78页6.2 时序

13、电路的分析 n一、分析方法 n1.分析电路结构n2.写出四组方程n3.作状态转移表、状态转移图或波形图n4.电路的逻辑功能描述n二、分析举例 n例6.2.1 n例6.2.2 n例6.2.3 返回第返回第6章目录章目录第37页，本讲稿共78页6.3 时序电路的设计 n一、同步时序电路的设计 n1.设计步骤n2.设计举例 n(1)作原始状态转移表或原始状态转移图；n(2)化简原始状态转移表；n(3)状态编码（状态分配）；n(4)设计各触发器的激励函数和电路的输出函数。返回第返回第6章目录章目录第38页，本讲稿共78页6.4 寄存器和移存器 n一、寄存器 n1.寄存单元（一位数码寄存器）n2.MSI

14、寄存器74175 n二、移位寄存器 n1.概述 n2.MSI移位寄存器 返回第返回第6章目录章目录第39页，本讲稿共78页6.5 计数器 n1.计数器的概念 n2.应用n3.基本结构 n4.分类 n一、二进制计数器 n1.同步计数器（由SSI构成）n2.异步计数器（由SSI构成）n3.MSI二进制计数器返回第返回第6章目录章目录第40页，本讲稿共78页6.5 计数器 n二、十进制计数器 n1.74LS90n2.74LS160 n三、任意进制计数器 n1.用触发器和逻辑门设计任意进制计数器n2.用MSI二、十进制计数器构成任意进制计数器 n3.MSI任意进制计数器 返回第返回第6章目录章目录第4

15、1页，本讲稿共78页6.5 计数器 n四、移存型计数器 n1.概述 n2.分析与设计 n3.典型电路 返回第返回第6章目录章目录第42页，本讲稿共78页6.6 序列码发生器 n一、概述 n1.概念 n2.作用 n3.序列码发生器结构类型 n二、计数型序列码发生器的设计n1.已知序列码 n2.已知序列长度 n三、移存型序列码发生器的设计 n1.已知序列码 n2.已知序列长度 返回第返回第6章目录章目录第43页，本讲稿共78页6.7 顺序脉冲发生器n一、概述n1.顺序脉冲概念n2.顺序脉冲发生器概念及分类n3.顺序脉冲发生器的设计n二、举例返回第返回第6章目录章目录第44页，本讲稿共78页第6章习

16、题n6.8 6.2 n例1 6.3 n例2 6.4 n6.12(1)6.17 n6.22(b)6.25(1)(2)n6.35(1)6.40 返回第返回第6章目录章目录第45页，本讲稿共78页第9章 半导体存储器 n9.0 概述 n9.1 只读存储器（ROM）n9.2 随机存储器(RAM)n第9章 习题返回目录返回目录第46页，本讲稿共78页9.0 概述n一、半导体存储器概念n二、重要指标 n1.存储量n2.存取速度n三、分类 n1.按存取方式分类返回第返回第9章目录章目录第47页，本讲稿共78页9.1 只读存储器（ROM）n一.ROM的分类n1.按存储内容写入方式来分n2.按使用器件类型来分

17、n二.ROM的结构 n三.ROM的工作原理 n四、ROM的逻辑关系n1.属于组合逻辑电路n2.阵列图 返回第返回第9章目录章目录第48页，本讲稿共78页9.1 只读存储器（ROM）n五、ROM的应用 n1.实现组合逻辑函数 n2.字符发生器 n六、固定ROM(MROM)n七、可编辑只读存储器(PROM)n八、可改写可编程只读存储器(EPROM)返回第返回第9章目录章目录第49页，本讲稿共78页9.2 随机存储器(RAM)n一、静态RAM(SRAM)n二、存储容量的扩展 n1.位扩展 n2.字扩展 n三、动态RAM(DRAM)返回第返回第9章目录章目录第50页，本讲稿共78页第9章 习题n9.2

18、 n9.7 返回第返回第9章目录章目录第51页，本讲稿共78页第10章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 n10.1 PLD概述 n10.2 PLD的基本结构 n10.3 PLD的表示方法 n10.4 PLD的分类 n10.5 可编程逻辑阵列（PLA）n10.6 可编程阵列逻辑（PAL）n10.7 通用阵列逻辑（GAL）n10.8 现场可编程门阵列FPGA返回目录返回目录第52页，本讲稿共78页10.1 PLD概述 n一、概念 n二、开发环境 n三、开发过程 返回第返回第10章目录章目录第53页，本讲稿共78页10.2 PLD的基本结构 n一、PLD实现各种逻辑功能的依据n二、基于与或阵列结构的P

19、LD的总体结构返回第返回第10章目录章目录第54页，本讲稿共78页10.3 PLD的表示方法 n一、缓冲电路 n二、与门、或门及连接表示 n三、多路选择器 返回第返回第10章目录章目录第55页，本讲稿共78页10.4 PLD的分类 n一、按集成度分类 n二、按编程方法分类 返回第返回第10章目录章目录第56页，本讲稿共78页10.5 可编程逻辑阵列（PLA）n一、PLA基本结构 n二、PLA应用举例 返回第返回第10章目录章目录第57页，本讲稿共78页10.6 可编程阵列逻辑（PAL）n一、专用输出结构n二、可编程输入/输出结构 n三、寄存器输出结构n四、异或输出结构 返回第返回第10章目录章

20、目录第58页，本讲稿共78页10.7 通用阵列逻辑（GAL）n一、GAL16V8电路结构n二、GAL16V8的OLMC n1.OLMC的结构 n2.GAL16V8的结构控制字n3.OLMC的配置n三、GAL16V8的行地址结构 n四、GAL应用举例 返回第返回第10章目录章目录第59页，本讲稿共78页10.8 现场可编程门阵列可编程门阵列FPGAFPGA n一、FPGA的基本结构 n二、CLB和IOB n1.XC2000系列的CLBn2.XC2000系列的IOBn三、IR n1.金属线n2.开关矩阵n3.可编程连接点返回第返回第10章目录章目录第60页，本讲稿共78页第十一章 硬件描述语言VH

21、DLn11.1 概述n11.2 VHDL基本结构n11.3 VHDL语言元素n11.4 VHDL常用编程语句n11.5 基本逻辑电路设计返回目录返回目录第61页，本讲稿共78页11.1 概述n一、硬件描述语言（HDL）n二、VHDL的发展概况n三、用VHDL设计硬件电路的过程返回第返回第11章目录章目录第62页，本讲稿共78页11.2 VHDL基本结构n一、元件（componentcomponent)n二、VHDL基本结构n11.2.1 实体（ENTITY）n11.2.2 结构体（ARCHITECTURE）n11.2.3 配置（CONFIGURATION）n11.2.4 库（LIBRARYLI

22、BRARY）n11.2.5 包（PACKAGE）返回第返回第11章目录章目录第63页，本讲稿共78页11.3 VHDL语言元素n11.3.1 VHDL词法规则与标识符 n11.3.2 数据对象和数据类型 n11.3.3 运算符(operator)返回第返回第11章目录章目录第64页，本讲稿共78页11.4 VHDL常用编程语句n11.4.1 顺序（SEQUENTIALSEQUENTIAL）描述语句n一、条件语句（if）n二、开关语句（case）n11.4.2 并发（CONCURENTCONCURENT）描述语句n一、进程语句n二、信号赋值语句n三、when else语句 n四、with sel

23、ect语句 n五、元件说明语句、元件例化语句返回第返回第11章目录章目录第65页，本讲稿共78页11.5 基本逻辑电路设计n11.5.1 组合逻辑电路设计 n11.5.2 时序逻辑电路设计 返回第返回第11章目录章目录第66页，本讲稿共78页第12章 数字系统设计基础 n12.0 数字系统概念及设计方法n12.1 概述n12.2 寄存器传输语言(RTL)n12.3 数字系统设计的其他描述工具 n12.4 数字系统设计举例n12.5 PLD在数字系统设计中的应用n12.6 VHDL实现数字系统举例返回目录返回目录第67页，本讲稿共78页12.0 数字系统概念及设计方法n一、数字系统概念 n二、数

24、字系统设计的任务 n三、数字系统的设计方法 n1.自底向上法（Bottom-up）n2.自顶向下法（Top-Down）n3.以自顶向下法为主导，并结合使用自底向上法（TD&BU Combined）返回第返回第12章目录章目录第68页，本讲稿共78页12.1 概述n一、数字系统的基本模型n1.基本模型 n2.数据处理器 n3.控制器n二、数字系统时序约定 n1.同步数字系统n2.最小时钟周期n3.异步输入信号转换成同步输入信号 返回第返回第12章目录章目录第69页，本讲稿共78页12.1 概述n三、数字系统的设计步骤 n1.系统设计 n2.逻辑设计n3.电路设计n4.物理设计 返回第返回第12章

25、目录章目录第70页，本讲稿共78页12.2 寄存器传输语言(RTL)n1.寄存器传输操作 n2.寄存器传输语言 n3.寄存器的表示方法 n一、传输操作 n二、算术操作 n三、逻辑操作 n四、移位操作 n五、条件控制语句 返回第返回第12章目录章目录第71页，本讲稿共78页12.3 数字系统设计的其他描述工具 n一、方框图 n1.作用n2.构成要素 n二、算法流程图 n1.作用n2.基本符号 返回第返回第12章目录章目录第72页，本讲稿共78页12.3 数字系统设计的其他描述工具 n三、算法状态机图（ASM图）n1.作用n2.符号 n3.ASM块 n4.ASM图与状态转移图 n5.各种逻辑框之间

26、的时间关系 n6.ASM图的建立 n7.由ASM图推导处理器明细表和控制器状态转移图（表）返回第返回第12章目录章目录第73页，本讲稿共78页12.4 数字系统设计举例 n例12.4.1 4位数字乘法器的设计n一、系统设计n1.明确设计任务n2.确定系统的初始结构图n二、逻辑设计和电路设计 n1.导出ASM图n2.数据处理器的设计返回第返回第12章目录章目录第74页，本讲稿共78页12.4 数字系统设计举例 n3.控制器的设计n(1)传统设计方法（用SSI)n(2)用数据选择器、寄存器、译码器的方法（用MSI)n(3)用每态一个触发器的方法（用SSI)n(4)用PLA的方法（用LSI)返回第返

27、回第12章目录章目录第75页，本讲稿共78页12.5 PLD在数字系统设计中的应用 n一、使用PLD器件的优点 n二、用GAL实现数字系统 n例12.5.1交通灯管理系统的设计n一、系统设计 n1.系统初始结构图返回第返回第12章目录章目录第76页，本讲稿共78页12.5 PLD在数字系统设计中的应用 n二、逻辑设计和电路设计 n1.导出ASM图n2.数据处理器的设计n3.控制器的设计n三、物理设计 返回第返回第12章目录章目录第77页，本讲稿共78页12.6 VHDL实现数字系统举例 n一、根据状态转移图设计控制器n二、根据ASM图设计控制器n三、根据ASM图设计数字系统n例1 n例2 n例3 n例4 返回第返回第12章目录章目录第78页，本讲稿共78页