数字系统设计(扫盲篇)
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.pdf
PLD设计——CPLD与FPGA的区别
规模
CPLD规模一般比FPGA小，最多512个宏单元；FPGA则可以实现单片 1000万门。
速度
CPLD的速度可以比FPGA更高，其连线的延时固定，更适合做高速的应 用；FPGA的互连线为多段，延时不确定。
逻辑特点 CPLD适合做逻辑密集型的应用，FPGA适合做数据密集型的应用。 编程方式
ALTERA
XILINX
FPGA/CPLD生产商
ispLSI系列：1K、2K、3K、5K、8K ispLSI1016 、ispLSI2032、 ispLSI1032E、ispLSI3256A MACH系列 ispPAC系列：
LATTICE VANTIS （AMD）
CPLD
其他PLD公司： ACTEL公司： ACT1/2/3、40MX ATMEL公司：ATF1500AS系列、40MX CYPRESS公司 QUIKLOGIC公司
数字系统分类
数字系统本身实现的方法很多，一般来说，可以分为 以下几种方法： PLD（可编程逻辑器件） MCU（单片机） DSP（数字信号处理器） Embedded System（嵌入式系统） 以上几种设计方法的应用场合不同，设计方法也大 不相同，应该根据不同的应用场合、成本和设计的 难度来决定使用合适的设计方法。
SO MUCH IC！
FPGA CPLD
PLD设计——PLD设计的流程
设计输入
原理图 硬件设计语言
功能仿真
验证逻辑是否正确
综合
将原理图或者硬件描述语言翻译为网表。
时序仿真
加载器件延时文件后的仿真，验证在器 件上实现后的实际性能。
不同数字系统的应用场合（4）
Embedded System（嵌入式系统）
数字系统设计原理和方法
论述数字系统设计的原理和方法一、数字系统原理数字系统，即有一些逻辑单元构成的具备数字运算和逻辑处理的一类算术系统，完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路。
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数字电路，或数字系统。
由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。
数字电路一般分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。
组合逻辑电路简称组合电路，它由最基本的的逻辑门电路组合而成。
特点是：输出值只与当时的输入值有关，即输出惟一地由当时的输入值决定。
电路没有记忆功能，输出状态随着输入状态的变化而变化，类似于电阻性电路，如加法器、译码器、编码器、数据选择器等都属于此类。
时序逻辑电路简称时序电路，它是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路（输出到输入）或器件组合而成的电路，与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。
时序电路的特点是：输出不仅取决于当时的输入值，而且还与电路过去的状态有关。
它类似于含储能元件的电感或电容的电路，如触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、储存器等电路都是时序电路的典型器件。
数字电路是以二进制逻辑代数为数学基础，使用二进制数字信号，既能进行算术运算又能方便地进行逻辑运算（与、或、非、判断、比较、处理等），因此极其适合于运算、比较、存储、传输、控制、决策等应用。
以二进制作为基础的数字逻辑电路，简单可靠，准确性高。
集成度高，体积小，功耗低是数字电路突出的优点之一。
电路的设计、维修、维护灵活方便，随着集成电路技术的高速发展，数字逻辑电路的集成度越来越高，集成电路块的功能随着小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）的发展也从元件级、器件级、部件级、板卡级上升到系统级。
电路的设计组成只需采用一些标准的集成电路块单元连接而成。
对于非标准的特殊电路还可以使用可编程序逻辑阵列电路，通过编程的方法实现任意的逻辑功能。
第3章数字系统的设计
第3章 数字系统的设计
2. 自底向上法 自底向上法是根据系统功能要求，从具体的器件、
逻辑部件或者相似系统开始，凭借设计者熟练的技巧 和丰富的经验通过对其进行相互连接、修改和扩大， 构成所要求的系统。
第3章 数字系统的设计
3.1.3 数字系统设计的一般过程 数字系统设计分为系统级设计和逻辑级设计两个阶
第3章 数字系统的设计
3.1 数字系统设计概述
3.1.1 数字系统的组成 人们常常把数字系统划分成两个部分——数字处理器
和控制器，如图3.1所示。
第3章 数字系统的设计
输入信号
控制器
状态信号 控制信号
输入数据
数字处理器 …
数字处理器 …
输出数据
数字处理器
图3.1 数字系统
第3章 数字系统的设计
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。也可以说，控制器决定数字处理器的操作及 操作序列。控制器是我们完成数字系统设计的难点和重 点所在。
第3章 数字系统的设计
1. 寄存器间的信息传输操作 传送语句： P：A←B
该语句表示在控制函数P的控制下，寄存器B的内 容传输给寄存器A，箭头“←”表示传输方向，从源寄 存器指向目标寄存器。
扫盲班教案(数学)
扫盲班教案(数学)一、教案概述：本教案针对扫盲班学生，主要目标是帮助学生掌握基本的数学知识和技能。
通过本课程的学习，学生将能够识别数字、进行基本的加减法运算，并理解数学的基本概念。
二、教学目标：1. 学生能够识别1-100的数字。
2. 学生能够进行基本的加减法运算。
3. 学生能够理解数的概念，如奇数、偶数、大于小于等。
三、教学内容：1. 数字的识别与书写：教授学生如何正确识别和书写1-100的数字。
2. 加减法运算：通过实际操作和练习，让学生掌握加减法的基本运算方法。
3. 数的概念：通过实例和练习，让学生理解奇数、偶数、大于小于等基本数学概念。
四、教学方法：1. 采用直观教学法，通过实物、图片等引导学生直观地认识数字和进行运算。
2. 采用分组合作学习法，让学生在小组内进行讨论和实践，增强学生的参与感和合作意识。
3. 采用激励评价法，鼓励学生积极参与学习，并及时给予表扬和鼓励，增强学生的自信心。
五、教学评估：1. 定期进行小测试，检查学生对数字的识别和书写能力。
2. 设计实际的加减法运算题目，检查学生的运算能力。
3. 通过观察学生的课堂表现和作业完成情况，了解学生对数的概念的理解程度。
六、教学资源：1. 数字卡片：用于教授数字的识别和书写。
2. 加减法算术题卡：用于练习加减法运算。
3. 教学挂图：用于展示数的概念。
4. 练习本：用于学生完成课堂作业和练习。
5. 教学视频或课件：用于辅助教学，增加学生的学习兴趣。
七、教学步骤：1. 数字的识别与书写：使用数字卡片，引导学生逐个认识和书写数字。
2. 加减法运算：通过实际操作题卡，让学生进行加减法运算练习。
3. 数的概念：通过教学挂图和实例，让学生理解和掌握奇数、偶数、大于小于等基本数学概念。
八、教学实践：1. 数字游戏：设计数字接龙、数数等游戏，让学生在游戏中巩固数字的识别和书写能力。
2. 加减法竞赛：组织小竞赛，让学生在竞争中提高加减法运算速度和准确性。
扫盲班教案(数学)
扫盲班教案(数学)一、教学目标1. 让学生掌握基本的数学运算方法，如加、减、乘、除等。
2. 培养学生对数学的兴趣和自信心，激发他们继续学习数学的积极性。
3. 提高学生的逻辑思维能力和解决问题的能力。
二、教学内容1. 第一课：数字0-10的认识和加减法教学目标：让学生认识数字0-10，掌握基本的加减法运算。
教学方法：通过图片、实物等引导学生认识数字，进行加减法运算的练习。
2. 第二课：数字11-20的认识和加减法教学目标：让学生认识数字11-20，掌握基本的加减法运算。
教学方法：通过图片、实物等引导学生认识数字，进行加减法运算的练习。
3. 第三课：数字21-30的认识和加减法教学目标：让学生认识数字21-30，掌握基本的加减法运算。
教学方法：通过图片、实物等引导学生认识数字，进行加减法运算的练习。
4. 第四课：数字31-40的认识和加减法教学目标：让学生认识数字31-40，掌握基本的加减法运算。
教学方法：通过图片、实物等引导学生认识数字，进行加减法运算的5. 第五课：数字41-50的认识和加减法教学目标：让学生认识数字41-50，掌握基本的加减法运算。
教学方法：通过图片、实物等引导学生认识数字，进行加减法运算的练习。
三、教学方法1. 采用直观、生动的教学方法，如图片、实物、游戏等，引导学生认识数字和进行运算。
2. 注重学生的参与和实践，鼓励他们积极回答问题、进行计算练习。
3. 采用分组教学、个别辅导等方式，针对学生的不同需求进行教学。
四、教学评价1. 定期进行小测验，检查学生对数字和运算的掌握程度。
2. 观察学生在课堂上的表现，如参与度、理解能力等。
3. 鼓励学生进行自我评价，让他们认识到自己的进步和需要改进的地方。
五、教学资源1. 数字卡片、实物、图片等教学辅助材料。
2. 黑板、粉笔等教学工具。
3. 练习册、作业本等学习资料。
六、第六课：数字51-60的认识和加减法教学目标：让学生认识数字51-60，掌握基本的加减法运算。
数字系统的设计方法
数字系统的设计方法
1.自下而上的设计方法
数字系统自下而上的设计是一种摸索法，设计者首先将规模大、功能简单的数字系统按规律功能划分成若干子模块，始终分到这些子模块可以用经典的方法和标准的规律功能部件进行设计为止，然后再将子模块按其连接关系分别连接，逐步进行调试，最终将子系统组成在一起，进行整体调试，直到达到要求为止。
这种方法的特点是:
(1)没有明显的规律可循，主要靠设计者的实践阅历和娴熟的设计技巧，用逐步摸索的方法最终设计出一个完整的数字系统。
(2)系统的各项性能指标只有在系统构成后才能分析测试。
假如系统设计存在比较大的问题，也有可能要重新设计，使得设计周期加长、资源铺张也较大。
2.自上而下的设计方法
自上而下的设计方法是，将整个系统从规律上划分成掌握器和处理器两大部分，采纳ASM 图或RTL语言来描述掌握器和处理器的工作过程。
假如掌握器和处理器仍比较简单，可以在掌握器和处理器内部多重地进行规律划分，然后选用适当的器件以实现各个子系统，最终把它们连接起来，完成数字系统的设计。
设计步骤：
（1）明确所要设计系统的规律功能。
（2）确定系统方案与规律划分，画出系统方框图。
（3）采纳某种算法描述系统。
（4）设计掌握器和处理器，组成所需要的数字系统。
DSP扫盲文件(精)
DSP 入门必看(非常好的DSP 扫盲文章(ZZ(1DSP 可以降频使用吗？可以，DSP 数字信号处理的主频均有一定的工作范围，因此DSP 均可以降频使用。
如何选择外部时钟？DSP 的内部指令周期较高，外部晶振的主频不够，因此DSP 大多数片内均有PLL 。
但每个系列不尽相同。
1TMS320C2000系列：TMS320C20x ：PLL 可以÷2，×1，×2和×4，因此外部时钟可以为5MHz －40MHz 。
TMS320F240：PLL 可以÷2，×1，×1.5，×2，×2.5，×3，×4，×4.5，×5和×9，因此外部时钟可以为2.22MHz －40MHz 。
TMS320F241/C242/F243：PLL 可以×4，因此外部时钟为5MHz 。
TMS320LF24xx：PLL 可以由RC 调节，因此外部时钟为4MHz －20MHz 。
TMS320LF24xxA ：PLL 可以由RC 调节，因此外部时钟为4MHz －20MHz 。
2TMS320C3x 系列：TMS320C3x ：没有PLL ，因此外部主频为工作频率的2倍。
TMS320VC33：PLL 可以÷2，×1，×5，因此外部主频可以为12MHz －100MHz 。
3TMS320C5000系列：TMS320VC54xx ：PLL 可以÷4，÷2，×1-32，因此外部主频可以为0.625MHz －50MHz 。
TMS320VC55xx ：PLL 可以÷4，÷2，×1-32，因此外部主频可以为6.25MHz －300MHz 。
4TMS320C6000系列：TMS320C62xx ：PLL 可以×1，×4，×6，×7，×8，×9，×10和×11，因此外部主频可以为11.8MHz －300MHz 。
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20
5.1 寄存器
结构分类： 基本（RS) 同步（RS)
主从 (RS、JK)
边沿 (维持阻塞、CMOS边沿）
21
5.2.1 特性表、特性方程
特性表
SD RD Qn Qn+1
1 1 1 1 0 0 0 0
1 1 0 0 1 1 0 0
主触发器
从触发器
25
5.2.4 边沿触发器
为了进一步增强触发器的抗干扰能力，提高工
作的可靠性，希望触发器的次态仅仅取决于CP
的上升沿或下降沿到来时刻输入信号的状态， 而在此之前的或之后输入信号状态的任何变化 对触发器的次态都没有影响。
这种触发器即为边沿触发器。
26
第4章 4.2
5.3触发器逻辑符号比较
F ABCD ABCD ABC ABD ABC BCD
F AB BC BD ACD ABCD
CD AB
ACD
00 01 11 10 1
1 1 1 1 1 1 1 1
注意：
00 01
BD
AB
1.化简完成后要检查有 无多余圈。
BC
11 10
2.最简结果不唯一。
极管开关电路。
9
3.2双极型三极管的开关电路
当vI为低电平时，三极管工作
在截止状态（截止区），输出 高电平vOVCC 。
当vI为高电平时，三极管工作 在饱和导通状态（饱和区）， 输出低电平vO0V（VCES ）。
三极管相当一个受vI控制的开关
深度饱和计算？
10
三极管、 MOS管的比较
ABCD
3.1 半导体二极管的开关特性
因为半导体二极管具有单向导电性，即外加正向
电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当 于一个受外加电压极性控制的开关。
7
箭头表示PN结 的正偏 方向
集电结
发射结
图3.9 双极型三极管的两种类型
8
3.2双极型三极管的开关电路
用NPN型三极管取代下图中的开关S，就得到了三
比较两种触发器的特性方程:
Q
n+1
J Q KQ
n
n
Qn+1=D
D J Q KQ
n
n
35
6 时序电路概述
时序逻辑电路的特点：
由组合逻辑电路和存储电路构成，它在某一时
刻的输入状态不仅与该时刻输入信号有关，还
与电路原来的输出状态有关。
36
6.时序逻辑电路结构上的特点
1、 包含组合电路和存储电路两部分
驱动方程:
J1 AQ0 , J 0 AQ1 ,
52
输出方程:
K1 A K0 1
F AQ1
5. 画逻辑图
J1 AQ0 , J 0 AQ1 , K1 A K0 1
CP
CP
同步型，高电平工作
主从型，下降沿触发
CP
CP
边沿型，上升沿触发
27
边沿型，下降沿触发
5.4 触发器的逻辑功能及相互转换
触发器还可按照逻辑功能的不同特点，把时钟 控制的触发器分为RS触发器、JK触发器、T触
发器、T´触发器和D触发器等几种类型。
触发器描述方法：特性表、特性方程、状态转 换图。
第三步：根据逻辑式画逻辑图（略）
第4章 组合逻辑电路
15
典型的BCD-七段显示译码器（4线-7线译码器） 74LS47：输出低电平有效，用于共阳极数码管
74LS48：输出高电平有效，用于共阴极数码管
BCD码输入
测试输入 熄灭输入/灭0输出 灭0输入
第4章 组合逻辑电路
显示信号输出
16
4.5 组合电路的系统应用
将具有时钟控制的触发器称为时钟触发器。
23
5.2.3 空翻现象
同一时钟脉冲作用期间，引起触发器发生两次以 致多次翻转的现象，叫空翻。
24
5.2.3 空翻现象
同步RS触发器存在空翻现象，为了提高抗干扰
能力，克服空翻，希望一个CP脉冲作用期间Q
只改变一次。
采用以下结构形式：主从型、边沿型。
综合应用实例：药厂药片数量计数系统电路框
图。图中，工厂的产品（药片）通过漏斗装入
位于传送带上的药瓶之中，每瓶中药片的数量 可以预先设定，要求通过数码管显示所设每瓶 中药片数量 及若干瓶中药片总的数量。
第4章 组合逻辑电路
17
药片通过 漏斗装入 键盘设定 每瓶数量
第4章 组合逻辑电路
18
5.1 寄存器
第4章 组合逻辑电路
13
第一步：按照要求及数码管的结构，写出真值表
输 入 A B C D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 输 出
a b c d e f g
1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1
48
3. 状态分配 M＝3，取触发器的个数n＝2，令S0＝00，
S1＝01， S2＝10，则得出编码后的状态转换图。
49
4. 确定触发器类型，求输出方程、状态方程、 和驱动方程。 选JK触发器，画出次态卡诺图。
50
拆分次态卡诺图
51
求各方程
状态方程:
n+1 Q1 AQ0Q1 AQ1 n+1 Q0 AQ1Q0 AQ1Q0 1Q0
2. 特性方程:
Qn+1=D
31
4. T 触发器与T 触发器
（1）T触发器 1. 特性表
保持
翻转
3. 状态转换图
2. 特性方程:
Q
n+1
T Q TQ
n
n
32
（2）T'触发器
T触发器的输入端接逻辑“1”时构成T触发器。 仅具有计数功能（翻转功能）。 T触发器特性方程
Q
n+1
T Q TQ
Y (t n1 ) G[W (t n ), Y (t n )]
其他功能描述方法： 状态转换真值表 状态转换图 时序图
38
6.时序逻辑电路分类
1. 按逻辑功能划分有：
计数器、寄存器、移位寄存器、读/写存储器、顺
序脉冲发生器等。
2、按动作特点分类：（即按触发器状态更新是否
受同一时钟脉冲控制分类）： （1）同步时序逻辑电路：同一CP （2）异步时序逻辑电路：不同CP
n
n
T’特性方程
Q
n+1
Q
n
33
5.4.2 触发器逻辑功能的转换
将具有某种逻辑功能的触发器，在其输入端加 一转换电路（组合逻辑电路），可完成另一待 求FF的逻辑功能。通常采用触发器特性方程比 较的方法进行设计。
输入
转 换 电 路
已 有 触发器
Q Q 待求 触发器
CP
34
1. 从D触发器到JK触发器的转换
显示 数字 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
其
他
无关项
14
第4章 组合逻辑电路
第二步：根据真值表写出逻辑式（可利用无关项化简）
a A C BD B D AC BDB D b B C D CD BC DCD c C B D C BD d A C D B D BC BC D AC D B D BC BC D e C D BD C DBD f A C D BC B D AC D BC B D g A BC BC C D ABC BC C D
在数字系统中，不但要对数字信号进行算术运 算和逻辑运算，而且需要将数据和运算结果等 信息保存起来，这就需要具有记忆功能的逻辑 单元。
能够存储1位二进制数字信号的基本单元电路叫 做触发器。 触发器是构成各种复杂数字系统的基本逻辑单 元。
19
5.1 寄存器
触发器的分类 RS型触发器
JK型触发器
10.3 数字系统设计举例
数字波形合成器的设计
浮点频率计的设计
第10章 数字系统设计 2
1.数字电路的基本功能及其应用
典型的电子信息系统组成框图
第1章数字电路概述
3
1.数字电路的基本功能及其应用
某空调显示控制电路框图
第1章数字电路概述
4
2.1 门电路
第10章 数字系统设计
5
2.2 用卡诺图化简逻辑函数
39
6.时序逻辑电路分类
3、按输出信号的特点分类：（即组合电路的繁简 程度） （1）Mealy（米里）型：输出信号取决于存储电 路与输入变量 （2）Moore（摩尔）型：输出仅仅取决于存储电 路的状态
注：有些电路没有组合逻辑电路；有些电路没有 输入信号。
40
同步十进制加法计数器
驱动方程：
输出方程： 状态方程：
28
1. RS 触发器 （具有置0、置1、保持功能） 1. 特性表 3. 状态转换图
2. 特性方程:
29
2. JK 触发器 （具有置0、置1、保持、翻转的全功能） 1. 特性表 3. 状态转换图
2. 特性方程:
Qn+1 J Qn KQn
30
3. D 触发器
1. 特性表 3. 状态转换图