数字系统设计基础 (2)
数字系统设计知识点
数字系统设计知识点数字系统设计是计算机工程和电子工程中的重要内容，涵盖了多种关键概念和技术。
本文将介绍数字系统设计的一些基础知识点，包括数字系统的基本原理、数字电路的构建和设计、以及数字系统中常见的编码和调制技术。
一、数字系统的基本原理数字系统是由数字电路组成的，其中的信息以二进制形式表示。
数字电路由数字逻辑门组成，可以执行布尔运算。
数字系统的基本原理包括以下几个关键概念：1. 二进制系统：数字系统采用二进制表示，即使用0和1来表示逻辑状态。
二进制是一种计数系统，它只使用两个数字来表示所有的值。
2. 布尔代数：布尔代数是描述和操作逻辑关系的一种数学工具。
它基于三个基本运算：与、或和非。
布尔代数可以用于设计和分析数字逻辑电路。
3. 逻辑门：逻辑门是数字电路的基本构件，用于执行逻辑运算。
常见的逻辑门包括与门、或门、非门等。
通过组合逻辑门可以构建复杂的数字电路。
二、数字电路的构建和设计数字电路是数字系统的基础，它由逻辑门和触发器等元件组成。
数字电路的构建和设计需要考虑以下几个因素：1. 逻辑门的组合与实现：通过组合不同类型的逻辑门可以实现多种逻辑功能。
例如，与门和或门的组合可以实现任意布尔函数。
设计者需要根据具体需求选择适当的逻辑门组合。
2. 状态机设计：状态机是一种具有离散状态的数字电路。
它由状态寄存器、组合逻辑和输出逻辑组成。
设计者需要根据系统需求定义状态和转移条件，然后选择适当的触发器和逻辑门实现状态机。
3. 模时序系统设计：模时序系统是一种具有时序行为的数字电路。
它由触发器和组合逻辑构成，可以实现时序逻辑功能。
设计者需要考虑时钟信号、触发器类型和时序逻辑的实现方式。
三、编码和调制技术在数字系统设计中，编码和调制是常用的技术，用于将信息从一种形式转换成另一种形式。
1. 数字编码：数字编码用于将数字或字符等信息转换为二进制形式。
常见的数字编码包括BCD码、格雷码和ASCII码等。
不同的编码方式可以适用于不同的应用场景。
数字系统设计答案 (2)
第 2.1 节：1）为布尔函数 f = a ⋅ b + c 填写一张真值表。
的真值表如下： 答：逻辑表达式 f = a ⋅ b + c 的真值表如下： a 0 0 0 0 1 1 1 1 b 0 0 1 1 0 0 1 1 c 0 1 0 1 0 1 0 1a ⋅b + c1 0 1 0 1 1 1 02）用真值表证明布尔表达式 a ⋅ b 和 a + b 是等价的。
答：这两个表达式的真值表如下： 这两个表达式的真值表如下： a 0 0 1 1 b 0 1 0 1a ⋅ba+b1 1 1 01 1 1 0的所有组合值都具有相同的值， 因为这两个表达式对 a 和 b 的所有组合值都具有相同的值，所以这两个表达式 相等。
相等。
3）用积之和 积之和形式来表示布尔表达式的含义是什么？ 积之和积之和是指与或逻辑的布尔表达。
答：积之和是指与或逻辑的布尔表达。
与或逻辑的含义是先把输入变量或变量 的非连接到与门的输入端 几个这样的与门输出连接到一个或门的输入， 的输入端， 连接到一个或门的输入 的非连接到与门的输入端，几个这样的与门输出连接到一个或门的输入，该或 门的输出就是所谓的积之和 积之和。
门的输出就是所谓的积之和。
4）为如图 2.3 所示的与或非 与或非门填写真值表。
与或非答：该与或非门的真值表如下表所示： 该与或非门的真值表如下表所示：a 0 0 0b 0 0 0c 0 0 1d 0 1 0a ⋅b + c ⋅d1 1 10 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 11 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 11 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 10 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 05）在数字电路中，为什么要用缓冲器？缓冲器可以用来降低输出的负载， 答:缓冲器可以用来降低输出的负载，当输出必须驱动下一级逻辑门的很多个输 缓冲器可以用来降低输出的负载 入时，其负载是很重的。
《数字系统设计基础》课件
了解微处理器的指令执行流程和流水线架构，学习如何提高指令的执行效率。
中断和异常处理
掌握中断和异常处理的原理和方法，了解它们在微处理器中的作用。
PCIe和USB等，了解它们的特点和
应用。
3
总线结构
了解计算机总线系统的基本结构和组 成部分，包括数据总线、地址总线和 控制总线。
总线控制
学习总线控制的原理和方法，了解总 线争用和仲裁机制，以及总线的传输 速度和容量。
微处理器架构设计
微处理器基础
介绍微处理器的基本概念和组成部分，包括运算器、控制器和寄存器等。
中央处理器及其指令系统
指令集架构
介绍计算机指令集的类型 和特点，包括精简指令集 （RISC）和复杂指令集 （CISC）。
指令编码和格式
了解指令的编码方式和格 式，学习如何解析和执行 不同类型的指令。
流水线处理
熟悉流水线处理的原理和 优缺点，了解它在提高指 令执行效率方面的作用。
Hale Waihona Puke 输入输出系统输入设备
时钟信号和时序控制
介绍时钟信号的作用和产 生方法，以及时序控制在 数字系统中的应用。
计数器
学习计数器的原理和设计 方法，掌握计数器的工作 原理和时序特性。
计算机的基本组成部分
中央处理器
了解中央处理器的功能和组成 结构，以及CPU在计算机系统 中的作用。
内存
熟悉计算机内存的种类和层次 结构，了解内存在数据存储和 读写过程中的作用。
输入输出设备
掌握计算机输入输出设备的种 类和功能，了解它们在计算机 系统中的作用。
存储器系统
1
主存储器
介绍主存储器的工作原理和组织结构，包括RAM和ROM的特点和应用。
《verilog_数字系统设计课程》（第二版）思考题答案
《verilog_数字系统设计课程》（第⼆版）思考题答案绪论1.什么是信号处理电路？它通常由哪两⼤部分组成？信号处理电路是进⾏⼀些复杂的数字运算和数据处理，并且⼜有实时响应要求的电路。
它通常有⾼速数据通道接⼝和⾼速算法电路两⼤部分组成。
2.为什么要设计专⽤的信号处理电路？因为有的数字信号处理对时间的要求⾮常苛刻，以⾄于⽤⾼速的通⽤处理器也⽆法在规定的时间内完成必要的运算。
通⽤微处理器芯⽚是为⼀般⽬的⽽设计的，运算的步骤必须通过程序编译后⽣成的机器码指令加载到存储器中，然后在微处理器芯⽚控制下，按时钟的节拍，逐条取出指令分析指令和执⾏指令，直到程序的结束。
微处理器芯⽚中的内部总线和运算部件也是为通⽤⽬的⽽设计，即使是专为信号处理⽽设计的通⽤微处理器，因为它的通⽤性也不可能为某⼀特殊的算法来设计⼀系列的专⽤的运算电路⽽且其内部总线的宽度也不能随便的改变，只有通过改变程序，才能实现这个特殊的算法，因⽽其算法速度也受到限制所以要设计专⽤的信号处理电路。
3.什么是实时处理系统？实时处理系统是具有实时响应的处理系统。
4.为什么要⽤硬件描述语⾔来设计复杂的算法逻辑电路？因为现代复杂数字逻辑系统的设计都是借助于EDA⼯具完成的，⽆论电路系统的仿真和综合都需要掌握硬件描述语⾔。
5.能不能完全⽤C语⾔来代替硬件描述语⾔进⾏算法逻辑电路的设计？不能，因为基础算法的描述和验证通常⽤C语⾔来做。
如果要设计⼀个专⽤的电路来进⾏这种对速度有要求的实时数据处理，除了以上C语⾔外，还须编写硬件描述语⾔程序进⾏仿真以便从电路结构上保证算法能在规定的时间内完成，并能通过与前端和后端的设备接⼝正确⽆误地交换数据。
6.为什么在算法逻辑电路的设计中需要⽤C语⾔和硬件描述语⾔配合使⽤来提⾼设计效率？⾸先C语⾔很灵活，查错功能强，还可以通过PLI编写⾃⼰的系统任务，并直接与硬件仿真器结合使⽤。
C语⾔是⽬前世界上应⽤最为⼴泛的⼀种编程语⾔，因⽽C程序的设计环境⽐Verilog HDL更完整，此外，C语⾔有可靠地编译环境，语法完备，缺陷缺少，应⽤于许多的领域。
第8章数字系统设计基础PPT课件
1. 加法器：74283
2. M，Q，A：寄存器 型号 74194 位数：4
3. C：D 触发器
4. CNT：计数器 型号 74163 功能：清0，计数
功能：
3.ASM 图 控制信号 S1：启动信号 S2：寄存器 Q 的 Q0 位 S3：计数器的溢出信号
4. 控制器
CLR、ADD 和 SHIFT 作 为对处理器发出的命令
当乘数的第 i 位为 0 时，第 i 位的部分积为被乘数左移 i–1 位。
【例1】
【例 1】 的M：被乘数寄存器 Q：乘数寄存器 A：累加器 C：进位寄存器 CNT：计数器
CAQ串联得到 2 r +1位的右移 位寄存器
算法：被乘数不动，部 分积之和向右移动。
5. 处理器的实现的实现（以4×4为例） 操作表
寄存器 M 控制用手动开关，寄存器 Q 的 M1 控制用手动开关
操作函数 从处理器操作表得： 寄存器A：M1=ADD + CLR；M0=ADD + CLR + SHIFT
与门G2：B1= CLR 与门G1：B0 = ADD 寄存器Q：M0 = SHIFT 计数器 CNT：CR = CLR；SH = SHIFT
8.4.1 简单计算机构成 1. 功能：(1)加法运算，(2)数据存取，(3)手动输入程序 2. 存储器：存储容量 268RAM；地址 6位；数据线 8位 3. CPU：4条指令：存数、加法、取数、条件转移。
4、计算机逻辑图
说明：(1)当k=1时，运行程序； (2)当k=0时，手动输入程序和数据到RAM中。 (3)当reset 端输入一个负脉冲时，程序开始运行。
8.4.2 CPU设计
1、基本设想： (1).IR为指令寄存器
数字系统设计的基础知识
05
数字系统的测试与验证
测试策略与技术
单元测试
对数字系统的各个模块进行独立测试，确保 每个模块的功能正常。
系统测试
对整个数字系统进行测试，确保系统满足设 计要求和功能需求。
集成测试
将各个模块组合在一起进行测试，确保模块 之间的接口正常工作。
验收测试
在数字系统交付之前，对系统进行全面测试， 确保系统能够满足用户需求。
案例分析：数字钟的设计需要高精度的计时和稳定的时钟源。石英晶体振荡器的选择对数字钟的准确性 和稳定性至关重要。此外，数字钟还需要考虑功耗和尺寸，以便于在各种应用场景中实现。
案例三：数字信号处理系统的设计
01
总结词：高效灵活
02
详细描述：数字信号处理系统是一种用于处理和分析信号 的数字系统。它通常由输入预处理电路、数字信号处理器 和输出后处理电路组成。数字信号处理器执行信号的滤波 、频谱分析、去噪等处理操作。
数字系统的发展历程
电子管时代
20世纪初，电子管作为数字系统的基 本元件，实现了计算机的初步发展。
02
晶体管时代
20世纪50年代，晶体管取代电子管成 为数字系统的基本元件，推动了计算 机小型化、便携化的发展。
01
互联网时代
21世纪初，互联网技术的普及和发展， 使得数字系统在信息传输和处理方面 发挥着越来越重要的作用。
03
的计数器用于控制指令的执行顺序。
存储器
存储器是数字系统中用于存储大量二进制数据的元件。
存储器由多个存储单元组成，每个存储单元可以存储一个二进制位。
存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等类型，在计算 机和其他数字系统中有着广泛的应用，如计算机的内存和硬盘等。
数字系统的设计基础72页PPT
3
第10章：数字系统硬件设计概述
10.1传统的硬件设计方法 ▪ 传统的设计方法是自下而上的设计方法 ▪ 采用通用的元器件 ▪ 后期进行仿真，浪费大，设计周期长 ▪ 主要设计文件是电路原理图，可读性差，文件量大
数字系统的设计基础
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
5 74LS08
D15
1S 4 74LS151 5
0.1S 3 10mS 2 1mS 1
I0 I1 I2 I3
Z 6
Z
0.1mS 15 I4
10uS 14 I5 13 I6 12 I7
11
10 9
A B C
7E
6 74LS90 12
7
2 3
MS1 MS2
MR1 MR2
Q0 Q1 Q2 Q3
9 8 11
MR1 MR2
Q0 9
Q1 Q2 Q3
8 11
14
D3
1
CLK0 CLK1
第13章 数字系统设计基础
相应的仿真验证问题。
表13-1 传统设计方法和EDA设计方法的比较
传统设计方法 自下而上 手动设计 软、硬件分离 原理图方式设计 系统功能固定 不宜仿真 难测试修改 模块难移植共享 设计周期长 EDA设计方法 自上而下 自动设计 打破软硬件屏障 原理图、硬件描述语言等多种设计方式 系统功能易改变 易仿真 易测试修改 设计工作标准化，模块可移植共享 设计周期短
控制信号 条件信号
输出电路
输出信号
输入指令 使能信号
控制器
时钟信号
输出指令
时钟电路
图13-2
数字系统结构框图
● 输入/输出电路是整个数字系统对外信号交流的接 口，是完成将物理量转化为数字量或将数字量转化为物 理量的功能部件。 ● 数据处理器主要完成数据的采集、存储、运算和传 输等功能。 ● 控制器是执行数字系统算法的核心，具有记忆功能， 一般为时序系统。控制器负责规定算法的步骤，在每一 个计算步骤给数据处理器发出命令信号，同时接收来自 数字处理器的状态变量，确定下一个计算步骤，以确保 算法按正确的次序实现。
（5）在高速运算和控制方面，状态机更有其巨大的优势。
（6）高可靠性。
应用实例1
自动售货机
投币信号 处理模块
投币信号
功能控制模块
输出信号（饮料、找钱）
图13-5 自动售货机控制系统方框图
设定逻辑变量： 设投币信号A、B为输入逻辑变量，投入一枚一元硬币时 用A=1表示，未投入时A=0。投入一枚五角硬币用B=1表示， 未投入时B=0； 设矿泉水和找钱为两个输出变量，分别用Z和Y表示，给 出矿泉水时Z=1，不给时Z=0，找回一枚五角硬币时Y=1，不 找时Y=0。
13.5.1 状态机的基本构成及描述方式
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第2章 逻辑代数与逻辑函数 图2-2 或逻辑举例
第2章 逻辑代数与逻辑函数 表2-2 或逻辑举例状态
第2章 逻辑代数与逻辑函数
3. 如图2-3所示开关电路表示了一个简单的非逻辑电路。电源 通过开关A和灯泡并联电路向灯泡供电，当开关A断开时，灯泡 亮； 反之，当开关A闭合时，灯泡则不亮。该电路 功能表如表2-3所示。这种因果关系是：当某一条件具备时，事 情不会发生； 而此条件不具备时，事情反而发生。这种逻辑关
第2章 逻辑代数与逻辑函数 必须指出，逻辑加的运算和二进制加法的规则是不同的。
A+0=A
A+1=1
A+A=A
2.
逻辑乘(与运算)
Y=A·B
逻辑乘的意义是：只有A和B都为1时，函数值才为1。它表
示与逻辑关系，因而，逻辑乘又称为与运算。逻辑乘的运算规
则为
0·0=0
0·1=0
1·0=01·1=1 Nhomakorabea第2章 逻辑代数与逻辑函数
第2章 逻辑代数与逻辑函数 表2-7 与非逻辑的真值表
第2章 逻辑代数与逻辑函数
2) 或非运算 或和非的复合运算称为或非运算。它是将输入变量先进行 或运算，然后再进行非运算。 其逻辑表达式为
Y AB
或非逻辑的真值表如表2-8 由真值表可见，对于或非逻辑，只要输入变量中有 一个为1，输出就为0。或者说，只有输入变量全部为0时，输出 才为1。其逻辑符号如图2-5(b)所示。
A·0=0 A·1=A A·A=A 3. 逻辑非(非运算)
YA
逻辑非的意义是：函数值为输入变量的反。它表示非逻辑
0 1
1 0
第2章 逻辑代数与逻辑函数
A A
A A 1 A A 0
4. 在数字系统中，除应用与、 或、 非三种基本逻辑运算之 外，还广泛应用与、 或、 非的复合逻辑。最常见的复合逻辑 运算有与非、 或非、 与或非、 异或和同或运算。
第2章 逻辑代数与逻辑函数 图2-3 非逻辑举例
第2章 逻辑代数与逻辑函数 表2-3 非逻辑举例状态表
第2章 逻辑代数与逻辑函数
上述三种基本逻辑可以用逻辑代数来描述。设定变量A和B 对应两个开关的状态，开关闭合的状态用“1”表示，开关断开 的状态用“0”表示； 设变量Y与灯泡的状态对应，灯泡亮用 “1”表示，不亮用“0”表示。根据上述设定，可得到与、 或、 非三种基本逻辑关系的图表分别如表2-4~表2-6所示。这种图表
第2章 逻辑代数与逻辑函数 图2-1 与逻辑举例
第2章 逻辑代数与逻辑函数 表2-1 与逻辑举例状态表
第2章 逻辑代数与逻辑函数
如图2-2所示，并联开关电路表示了一个简单的或逻辑电路。 电源通过开关A和B向灯泡供电，只要开关A或B中有一个或者二 个都闭合时，灯泡就会亮； 而当A和B同时断开 时，灯泡才不亮。该电路功能表如表2-2所示。这样可得出另一 种因果关系：当决定某一事件的所有条件中，只要有一个或几 个条件具备，该事件就会发生，这样的因果关系叫做或 逻辑关系，简称或逻辑。
(1) 与逻辑： (2) 或逻辑： (3) 非逻辑：
Y=A·B=AB Y=A+B
。 YA
第2章 逻辑代数与逻辑函数
在数字逻辑电路中，把实现与逻辑关系的基本单元电路称 做与门，实现或逻辑的基本单元电路称做或门，实现非逻辑的 基本单元电路称做非门(或反相器)。逻辑电路中，采用了一些 逻辑图形符号，表示上述三种基本逻辑关系。这些图形符号也 用于表示相应的门电路。如图2-4所示，图中第一行符号是目前 国家标准局规定的符号，第二行符号是一些国外资料及书刊常 用符号。
第2章 逻辑代数与逻辑函数 图2-4 基本逻辑的逻辑符号
第2章 逻辑代数与逻辑函数
与门的逻辑符号中，符号“&”表示与运算，“&” 在英文中是“and”的速写； 或门的逻辑符号中，符号“≥1” 表示或运算，表示输入中有一个及一个以上的“1” ，输出就 为“1”； 非门的逻辑符号中，用小圆圈“°”表示非运算， 符号中的“1”
第2章 逻辑代数与逻辑函数 表2-4 与逻辑真值表
第2章 逻辑代数与逻辑函数 表2-5 或逻辑真值表
第2章 逻辑代数与逻辑函数 表2-6 非逻辑真值表
第2章 逻辑代数与逻辑函数
在逻辑代数中，把与、 或、 非看做逻辑变量间的三种最 基本的逻辑运算，并以符号“·”
表示与运算，在不引起混淆的前提下，“·”常被省略； 符号“+”表示或运算； 用变量上方的符号“-”表示非运算。 因此，三种基本逻辑关系，用数学表达式来描述，可以写成如
第2章 逻辑代数与逻辑函数
2.1.1 在二值逻辑中，最基本的逻辑有与逻辑、 或逻辑、 非逻
1. 如图2－1所示串联开关电路表示了一个简单的与逻辑电路。 电源通过开关A和B向灯泡供电，只有开关A和B同时闭合时，灯 泡才亮； A和B中只要有一个断开或二者都断开， 灯泡则不亮。该电路功能表如表2－1所示。对于此例，可以得 出这样一种因果关系：当决定某一事件(如灯亮)的条件(如开关 合上)全部具备时，该事件才会发生。这样的因果关系称为与逻
第2章 逻辑代数与逻辑函数
第2章 逻辑代数与逻辑函数
2.1 逻辑代数 2.2 逻辑代数的常用公式和规则 2.3 逻辑函数及其表示方法 2.4 逻辑函数的化简 习题
第2章 逻辑代数与逻辑函数
2.1 逻 辑 代
逻辑代数有其自身独立的规律和运算法则，不同于普通代 数，但逻辑代数中也是用字母来表示变量。逻辑代数中的变量 称为逻辑变量，逻辑变量的取值仅为“0”和“1”，逻辑代数 中的“0”和“1”表示两种不同的逻辑状态，如是和非、 有和 无、 开和关、
第2章 逻辑代数与逻辑函数
1) 与非运算 与和非的复合运算称为与非运算。它是将输入变量先进行 与运算，然后再进行非运算。 其逻辑表达式为
Y AB
与非逻辑的真值表如表2-7所示。由真值表可见，对于与非 逻辑，只要输入变量中有一个为0，输出就为1。或者说，只有 输入变量全部为1时，输出才为0。其逻辑符号如图 2-5(a)
第2章 逻辑代数与逻辑函数
2.1.2 基本逻辑运算 最基本的逻辑运算有三种：逻辑加、 逻辑乘、 逻辑非。 1. 逻辑加(或运算) Y=A+B 逻辑加的意义是: A或者B只要有一个为1，则函数值就为1。
它表示或逻辑关系，因而，逻辑加又称为或运算。逻辑加的运
0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1