数字逻辑电路 概论t

二、教材及参考书目：
数字逻辑（第三版）.鲍家元 毛文林 张琴编著.北京：高等教 育出版社.2011.6
《 Digital Design -- Principles & Practices (Third Edition)》. John F. Wakerly.北京：高等教育出版社.2001年 《Digital logical Circuit Analysis & Design》. Victor P. Nelson.北京：清华大学出版社.1997年
• 研究“因果”关系，即逻辑关系。输入量、输出量均
为逻辑量；
三种基本因果关系： 逻辑与:只有决定事物结果的全部条件同时具备时，结果才会发生。 逻辑或:在决定事物结果的诸条件中只要有任一个满足，结果就会 发生。 逻辑非:只要某一条件具备了，结果便不发生；而此条件不具备时， 结果就会发生。
逻辑量是逻辑状态的表示。 在二值逻辑中，只有两种状态，并且这两种状态互不相容，分别 用0－状态和1－状态表示。 0状态一般表示逻辑状态的假或无效；1状态一般表示逻辑状态的 真或有效。

MIT开放式课程镜像网站——课程编号6.111
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专 业
„
课
微机原理 数字逻辑系统 „ 离散数学 „ 电路 电工原理 模电 „ 硬线逻辑：由与 门、或门、触发 高数 器、MSI、LSI 等 英语 物理 线性代数 „ 基本逻辑部件构类专业基础课 公共基础课
4. 本课程在学科体系中的地位
重点研究这些 基本逻辑部 CPLD技术及应用 „ „ 件——“逻辑门” 的外部功能； 并由“门”构 单片机技术 系统结构 嵌入式系统 网络技术 „„ 建更大的功能 级模块部件， 计算机控制系统 微机原理 „ 如加法器、运 算器或控制器 微机原理 数字逻辑系统 „ 离散数学 „ 等。
行为域 ：强调行为，说明电路功能，即电路的输入/输出关系，但与该行为 的实现无关。 结构域 ：对组成电路的各部件及部件间的拓扑连接关系进行描述，给出互 连功能部件的层次关系。 物理域 ：提供生产和制造物理实体所需要的信息，如几何布局或拓扑约束 等，即空间的物理布局和物理特性，没有任何功能部件的概念。
结构域 系统级：CPU、存储器
更复杂的功能逻辑单元，如微处 理器
功能逻辑单元，如加法器、计数 器、乘法器
算法级：控制器、网表
RTL级：ALU、寄存器、MUX
功能逻辑单元，如门，与门、非 门，及触发器
电子元件，如晶体管、二极管、 电阻、电容
逻辑级：门、触发器
电路级：晶体管
描述部件或系统的三个充分必要条件，也就是从不同角度充分 描述部件或系统：行为域、结构域、物理域。
• 逻辑是由逻辑量、逻辑关 系和逻辑运算所组成的集 合。 • 逻辑分为许多类型，其中 最简单的是二值逻辑运算，
Y A B
•A=1,B=1则Y=1 •A=1,B=0则Y=1 Y A B•A=0,B=1则Y=1 •A=0,B=0则Y=0
也称二值布尔代数，又称
开关代数。如：真/假、开 /关、高/低、有/无，1/0， 等。（第2章）
Vi
iB
这个三极管电路起到了逻辑取反的作用：Vi Vcc ＝0时Vo＝1；Vi＝1时Vo＝0。可作为一个非门。 对于一个标准门（Gate），其逻辑0（1）对 iC Vo应输出电压值并不一定是某一具体电压值，它可 以是在某一电压范围内，而这一电压范围能够被 其它门识别为逻辑0（1）。见左下图。 iE 不同器件有不同的逻辑0/逻辑1的电压范围。 只要某器件的输出位在另一器件输入的逻辑0/1电 压范围内，该输出将起到0（或1）的作用。
• 可编程性
数字逻辑的设计完全可以用硬件描述语言HDL来编程， 还可以编写它的可综合模型、仿真模型，并通过运行程序来 验证设计的正确性，然后把它下载到CPLD或FPGA上，或者 作成专用的IC。
4. 本课程在学科体系中的地位
CPLD技术及应用 „ „
（ 由此开始 ）
单片机技术 系统结构 嵌入式系统 网络技术 „„ 计算机控制系统 微机原理
（ 由此开始 ）
专 业 课
电信类专业基础课 专业
电路 电工原理 模电 „ 高数 英语 物理 线性代数 „
电类专业基础课 公共基础课
综上所述
“数字逻辑电路”是一门集 数字电子技术、 逻辑分析方法、计算机组成科学 为一体的专业 课程，研究在 计算机体系结构、数字系统中部 件级的分析和设计方法。
5. 数字系统的层次化结构
Digital Logic Circuits
2. 课程主要任务：
系统地介绍数字系统设计的理论知识；
培养学生解决数字电路实现问题的实践能力；
能够独立的设计并实现一个具体的逻辑功能部
件或数字系统。
3. 研究的内容：
① 关于“数字Digital”
模拟量 analog value 和 模拟电路 analog circuit 数字量 digital value 和 数字电路 digital circuit • • 模拟量的特点：连续不断的物理量(随着时间变化)。 数字量的特点：离散的、不连续的物理量，被抽象 为在任何时刻只有两个离散值：用 0和 1、 高和低、真和假、 H 和 L 、 T 和 F ，等表示。
第 5级 第 4级 第 3级 第 2级 第 1级
SSI：等效包含1到20个门。 MSI：等效包含20到200个门。 LSI：等效包含200到200000或更多的门。 VLSI：具有超过1000000个晶体管的 IC 一定是VLSI。
复杂系统：从第2级到第4 级的功能部件 更复杂的功能逻辑单元，如微处理器 功能逻辑单元，如加法器、计数器、乘法器 (VLSI) (MSI与LSI)
• 速度快
目前的数字器件运行速度非常快。晶体管的开关速度已 经小于10ps。用这样快速的晶体管制造的复杂数字电路系 统可以在2ns中对输入产生响应。也就是说在一秒钟内可以 产生500兆次输出。（2ns＝10ps×200）
• 集成度高且成本低
数字电路可以在一个很小的空间里提供许多功能。常用 的电路均可以设计成集成电路芯片，且生产成本很小。现 在市场上有许多用过就丢弃的计算器、手表、会唱歌的圣 诞卡片等都是这一类产品。
• 设计容易
数字设计，即逻辑设计，输入输出要求合乎逻辑，并不 需要特别的数学技巧。尤其是规模小的数字电路的逻辑特性很 容易明白，也不需要很深入地了解诸如电容、晶体管和许多其 他器件的微积分模型。
• 功能灵活
当把实际问题简化为数字形式，就可以通过空间和时间 上的一系列逻辑步骤加以处理。例如：很容易设计一个数字电 路对一段录音进行加密，只有知道密码的人才能听出。但若只 用模拟电路的技术要做到这点就很困难。
– 数字电路工作在器件（如三极管）的非线性工作区（饱和 区和截止区）。
iE
例：电子线路中的晶体管工作示意图，如下： Vo Vcc VOH iC Vo iB Vi VOL iE VIL VIH
开关部分：
截止，Vi=0 Vo=1 模拟部分： 放大
Vi
开关部分：
饱和，Vi=1 Vo=0
注意： a 模拟器件和模拟系统是处理模拟信号的。 b 晶体管的开关特性是数字电路研究的重点，上例中物理量已逻辑约定 成逻辑量 0 和 1。 c 数字电路具有模拟电路的特性，如时间延迟问题。
④ 关于“数字逻辑电路 digital logic circuit”
通过讨论数字电路中输入信号与输出信号之间的逻辑关系， 运用数字逻辑的基本原理和基本方法，设计出实现特定逻辑要
求的逻辑器件（电路），最终完成一个完整的数字系统。
利用TTL等模拟器件的截止区和饱和区特性，将器件的输 入/输出电压分别归为逻辑 0 和逻辑 1 。然后利用TTL器件的 不同连接形成实现二值逻辑的不同运算（与、或、非）的逻辑 部件，进而实现更复杂的逻辑运算，从而实现逻辑功能。
• 通过逻辑运算，实现其逻辑关系，即逻辑代数；
把与、或、非看作是逻辑变量间的最基本运算，可将逻辑关系写成：
Y A BY A BY A
二值逻辑
•只有决定结果的两个条件A和B同时具备， 即同时有效：A=1，B=1，则结果会发生，即 结果有效：Y=1。 •若两者中只有一个有效：A=1,B=0或 A=0,B=1，则结果不会发生，即无效：Y=0。 •若两者均无效：A=0,B=0，则结果不发生： Y=0。
功能逻辑单元，如门，与门、非门，及触发器 (SSI) 电子元件，如晶体管、二极管、电阻、电容 (元件级)
设计：逻辑部件
简单的数字系统，如汽车尾灯、交通灯控、 广告灯箱等 较复杂的数字系统，如单片机工控、测试等 带有简单编程的系统。 复杂的数字系统，如计算机系统，要研究其 “组成”和“系统结构”。
数字系统层次化结构 复杂系统：从第2级到第4 级的功 能部件
概论 第一章 数制和编码 第二章 逻辑代数基础 《数字逻辑电路》课程补充材料 第三章 组合逻辑电路的分析与设计 第四章 同步时序电路的分析 第五章 同步时序电路的设计 第六章 异步时序电路的分析与设计 第七章 可编程逻辑器件PLD 第八章 数字系统设计
绪
一、关于课程：
论
1. 课程名称：数字逻辑电路
噪声容限 输入 逻辑1 Invalid
电压 输出 逻辑1
模拟电子电路设计：确保逻辑门输出的 逻辑信号在合适的电压范围内（如在下 一级输入的要求范围内）；同时识别在 合适区域内的输入逻辑信号。 数字设计：只需一定的模拟电路知识以 确定设备工作在规范要求的环境中。