数字逻辑设计及应用

1. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) 数字逻辑设计及应用 任课教师：姜书艳 电子科技大学自动化工程学院 （主楼）C2-209 房间 jshuy@uestc.edu.cn http://222.197.165.195/wlxt/course.aspx?courseid=0669

2. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) • Well begun is half done. • An early bird catches the worm.

3. 积极改造主观世界 主动适应外围环境 --王志强 志存高远 追求卓越 崇尚学术 追求真理 彰显个性 多样成才 --王亚非

4. 自立： 自己依靠自己 自己决定自己未来的发展方向 自律： 要有自己管束自己的意识

5. 认真学习专业知识 积极参加学生工作 注重培养思维方式和思考方法 注重培养自己的领导能力 专注专业，全面发展

6. 普林斯顿大学的本科培养目标： 具有清楚的思维、表达和写作能力 具有以批评的方式系统推理的能力 具有形成概念和解决问题的能力 具有独立思考的能力 具有敢于创新及独立工作的能力 具有与他人合作的能力

7. 普林斯顿大学的本科培养目标： 具有判断什么意味着彻底理解某种东西的能力 具有辨识重要的东西与琐碎的东西、持久的东西与短暂的东西的能力 熟悉不同的思维方式 具有某领域知识的深度

8. 普林斯顿大学的本科培养目标： 具有观察不同学科、文化、理念相关之处的能力 具有一生求学不止的能力

9. 哈佛大学的教学理念： 研究型大学本科教育的实质是： 教育我们的学生成为 具有好奇心 反思和怀疑精神 并至少能在一个知识领域中 进行专门和集中学习的人

10. 斯坦福大学 不仅学生从老师那里学习 而且老师也从学生那里学习 在一所研究型大学 研究与教学有一种辩证的关系

11. 斯坦福大学校长约翰·汉尼斯： 课程设置中 讲座式为主 而小组讨论的方式很少 这样影响学生的收获

12. 耶鲁大学校长理查德·莱文： 中国大学本科教育缺乏： 1.跨学科的广度 2.对批判性思维的培养

13. 耶鲁大学 所有对学生产生深远影响的 重要的具体事件 有4/5发生在课外

14. 中西文化教育的差异： 1.自由教育与应试教育的差别 2.学以致知与学以致用的差别 3.求新与求多的差别

15. 中西文化教育的差异： 西方文化： 求新、求异、求变 中国文化: 求多不求新 求同不求异 求稳不求变

16. 大小班结合授课 强调实践应用 突出系统概念 强化软硬件联系 注重知识面的宽度和广度 注重解决实际问题能力的培养

17. 大小班结合授课 注重学生人文素质的培养 培养学生终身学习能力 倡导个性发展

18. 大小班结合授课 以学生为中心 课内与课外相结合 科学与人文相结合 教学与科研相结合

19. 大小班结合授课 小团队的实验室和研讨会的研究活动是重要的教学模式 一切为了学生的成长 一切从学生的实际出发 一切让学生自主选择、自我负责

20. 大小班结合授课 理论教学+实践教育+文化育人 科学精神与人文精神融合 专业教育与素质教育融合 课内培养与课外培养融合 共性发展与个性发展融合

21. 课堂录像 学生听课时应精神饱满，适时做笔记，不要趴在桌子上或斜坐在座位上。 桌面保持适当的整洁。 课堂上应与老师进行必要的互动。

22. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) 课程简介 “数字逻辑设计及应用”课程历来是我校的重要专业基础课程之一，是研究数字系统设计的入门课程。 • 通过本课程的学习，使学生掌握数字逻辑电路的基本理论和基本分析设计方法，为学习后续课程准备必要的电路知识。 • 本课程在培养学生严肃认真的科学作风和抽象思维能力、分析计算能力、总结归纳能力等方面起重要作用。 • 在本课程中，将介绍数字逻辑电路的分析设计方法和基本的系统设计技巧；培养同学综合运用知识提出问题、分析、解决问题、评价问题的能力和在工程性设计方面的基本素养。通过实验和课程设计、课外上机实验等的方式，使同学深入了解和掌握数字逻辑电路的设计分析方法和电路的运用过程。

23. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) • 课程安排：64学时 • 教材： 数字设计—原理与实践（第4版 影印版） John F. Wakerly 高等教育出版社 2007 • 参考书： • 1.数字逻辑设计及应用，姜书艳主编，清华大学出版社，2007 • 2. 数字电子技术基础 （第5版），阎石主编，高等教育出版社，2007 • 3. 数字设计—原理与实践（第4版），John F. Wakerly，林生 等译，机械工业出版社，2007 • 4. 数字电路与系统 （第2版），刘宝琴等编著，清华大学出版社，2007 • 5. 数字电路逻辑设计（第3版），王毓银主编，高等教育出版社，2006

24. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) • 相关学习网站： • http://222.197.165.195/wlxt/course.aspx?courseid=0669：电子科技大学/互动教学空间/网络学堂/自动化工程学院/数字逻辑设计及应用[姜书艳] • www.prenhall.com/onekey/:包含教材中的所有图表、占教材中半数以上的部分习题解答 • www.ddpp.com: 部分习题解答 • www.xilinx.com/programs.univ：Xilinx的大学计划，提供了大量的产品资料、课程资料以及用于数字设计实验课程的芯片和插件 • www.aldec.com/education/university：Aldec的教育计划，提供了Aldec自己的软件包和第三方的兼容工具以及原型系统。

25. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) • 内容安排：32次课 内容讲解29次，习题讲解3次 • 第1，2章 3次 引言，数制与编码 • 第3章 4次 数字电路器件基础 • 第4，6章 11次 组合电路分析与设计 • 第5章 1次 Verilog语言 • 第7，8章 11次 时序电路分析与设计 • 第9章 1次 存储器和可编程器件 • 补充内容 1次 DAC和ADC

26. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) • 习题 每次课 2—4题（基本采用教材习题）； 每章结束上交，批改后将进行针对性讲解，并给出参考解答； • 每课一题 每次内容讲解的课上布置，自备一页纸完成，要求当堂完成上交； • 课程设计 综合性考查，组合电路和时序电路各一次，要求两周内完成后上交； • 小论文 针对某个专题，查阅相关资料，撰写自己的认识。

27. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) 教 学 考 核 方 式 • 平时作业及随堂考核成绩：15% • 课程设计：10% • 小论文若干篇，5% • 期中考试：30% • 期末考试：40%

28. 第 1 章作业 • 读书报告： • 数字技术的发展历程 • 要求：根据数字技术的发展历程，分析本课程应该重点学习哪些内容？ • 学完本课程后，你应该具备哪些方面的能力？ • 提示：仔细阅读教材第一章内容，同时可以在网上查阅一些相关资料，结合自己的思考，完成2000字以上的读书报告。中、英文均可。 • 提交日期：第三周第一次课以前 • 提交方式：电子版 发到QQ邮箱： • 770581831@qq.com

29. 电子系统所包含的知识点及其相互关系 执行机构 计算机 数字系统 D/A转换 功率 放大器 传感器 滤波器 运算电路 A/D转换 接收器 信号转换电路 隔离电路 信号 发生器 阻抗变换 比较器 放大器 采样保持 反馈 脉冲的产生和整形 不同的闭环系统将引入各种不同的反馈！ 组合电路时序电路 单片机

30. 本课程与后续课程的关系 VLSI 设计 数字系统设计 微机原理及接口技术 EDA 设计 数字逻辑设计

31. 课程的先进性 先进性主要体现在“元器件”和“方法” PSoC 单片机 SOPC • 20世纪90年代提出SoC的概念 20世纪90年代 模拟可编程器件 • 21世纪初产生PSoC 按10倍/6年集成度发展 20世纪80年代 PLD迅速发展 75年超大规模集成电路 69年大规模集成电路 1958年集成电路 PAL GAL EPLD CPLD ispPLD FPGA 1947年晶体管

32. A/D、 D/A转换器 PSoC结构 计数器、定时器、脉宽调制器、伪随机序列发生器、缓冲器、反相器、全双工串行通信接口…… 乘法累加器、低电压检测电路、升压泵、内部参考电压、模拟多路开关、大电流输出驱动…… 可编程增益放大器、仪用放大器、滤波器、电压比较器、双音频拨号器等 8位微处理器、系统时钟源、程序和数据存储器

33. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) Chapter 1 Introduction (引言) • 1.1 About Digital Design(关于 “ 数字设计 ”) • Another name “Logic Design”. • The goal of design is to Build System. • Digital Design is engineering, and engineering means “Problem Solving”. • Only 5%-10% is the Creative part of Design. Much of the rest is just “Turning the Crank（曲柄）”. • Important Themes（主题） in Digital Design（P2)

34. Why Study Digital Design? Look “under the hood（覆盖）”of computers Solid understanding --> better programmer when aware of hardware resource issues Satellites DVD Video Musical players recorders instruments Portable Cell phones music players Cameras TVs ??? 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 1.1 • Years shown above indicate when digital version began to dominate • (Not the first year that a digital version appeared) 34

35. Why Study Digital Design? Electronic devices becoming digital Enabled by smaller and more capable chips Enables: Better devices: cameras, cars, medical devices, TVs... New devices: smart phones, robots, .. Known as “embedded systems” Thousands of new devices every year Designers needed: Potential career direction 1.1 35

36. What Does “Digital” Mean? Analog signal Infinite(无限） possible values Ex: voltage on a wire created by microphone 1 2 3 4 2 1.2 • Digital signal • Finite possible values • Ex: button pressed on a keypad digital signal analog signal 36

37. What Does “Digital” Mean? Analog signal Infinite possible values Ex: voltage on a wire created by microphone 1.2 • Digital signal • Finite possible values • Ex: button pressed on a keypad digital signal analog signal Possible values: 0, 1, 2, 3, or 4. That’s it. Possible values: 1.00, 1.01, 2.0000009, ... infinite possibilities value value 4 3 2 1 0 time time

38. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) 1.2 Analog versus Digital(模拟与数字) 模拟量： 其变化在时间或数值上是连续的 数字量： 其变化在时间和数量上都是离散的 数值大小是某一个最小数量单位的整数倍

39. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) 1.2 Analog versus Digital(模拟与数字) • Real signal : voice,music,moving picture… • Analog signal: voltage changed with time • Digital signal : sampling values from analog

40. Digital Signals with Only Two Values: Binary Binarydigital signal -- only two possible values Typically represented as 0 and1 Onebinary digit is a bit We’ll only consider binary digital signals value 1 0 time 40

41. Digital Signals with Only Two Values: Binary Binary is popular because Transistors the basic digital electric component, operate using two voltages (more in Chpt. 3) Storing/transmitting one of two values is easier than three or more (e.g., loud beep or quiet beep, reflection or no reflection) 41

42. Example of Digitization Benefit Analog signal (e.g., audio, video) may lose quality Voltage levels not saved/ copied/ transmitted perfectly a2d d2a 3 Volts 3 Volts 3 Volts 2 1 2 digitized signal 1 2 received signal same 1 01 original signal 0 1 0 1 0 0 time 10 10 time 0 time Can fix—distinguish（辨别） 0s/1s, restore How fix（确定） -- higher, lower, ? 11 11 lengthy transmission (e.g, cell phone) time lengthy transmission (e.g, cell phone) Not a perfect re-creation due to a2d and d2a Let bit encoding be: 1 V: “01” 2 V: “10” 3 V: “11” 01 10 11 10 11 Higher sampling rate and more bits per encoding improves re-creation 42

43. Example of Digitization Benefit Digitized version enables near-perfect save/cpy/tran. “Sample” voltage at particular rate, save sample using bit encoding Voltage levels still not kept perfectly But we can distinguish 0s from 1s a2d d2a 3 Volts 3 Volts 3 Volts 2 1 2 digitized signal 1 2 received signal same 1 01 original signal 0 1 0 1 0 0 time 10 10 time 0 time Can fix—distinguish 0s/1s, restore How fix -- higher, lower, ? 11 11 lengthy transmission (e.g, cell phone) time a lengthy transmission (e.g, cell phone) Not a perfect re-creation due to a2d and d2a 01 10 11 10 11 Higher sampling rate and more bits per encoding improves re-creation 43

44. 原始信号 衰减 放大 Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) 1.2 Analog versus Digital(模拟与数字) • 模拟信号在传输过程中失真 • 数字信号仍然可以保持 0、1

45. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) 1.2 Analog versus Digital(模拟与数字) The problem for Analog signal • Easy to be disturb (干扰） • Shift with temperature • Hard to be recorded • Can not express abstract information

46. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) 1.2 Analog versus Digital(模拟与数字) The advantage of digital signal • On each data line, the signal is very simple • Not influenced by circumstance and device • Can be recorded and transmitted easily • Any information can be code

47. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) 1.2 Analog versus Digital(模拟与数字) Digital system Any inputs and outputs can only be 1 or 0 ! Use logic to determine each output : 1 or 0 ?

48. How Do We Encode Data as Binary for Our Digital System? Some inputs inherently binary Button: not pressed (0), pressed (1) Some inputs inherently digital Just need encoding in binary e.g., multi-button input: encode red=001, blue=010, ... analog r ed blue g r een black phenomena button r ed blue g r een black r ed blue g r een black 0 0 0 sensors and 0 0 0 1 0 0 1 other inputs electric digital 1 signal data A2D digital data Digital System digital digital data data D2A electric signal actuators and other outputs 48

49. How Do We Encode Data as Binary for Our Digital System? Some inputs analog Need analog-to-digital conversion sample and encode with bits analog 33 degrees air phenomena temperature sensors and sensor other inputs electric digital signal data A2D 0 0 1 0 0 0 0 1 digital data Digital System digital digital data data D2A electric signal actuators and other outputs 49

50. Digital Logic Design and Application (数字逻辑设计及应用) 1.2 Analog versus Digital(模拟与数字) • Digital Circuits over Analog Ones (数字系统及其优越性) • Reproducibility of Results [结果再现性（稳定可靠、精度更高）] • Ease of design, Flexibility, and Functionality (易于设计，灵活性和功能性) • Programmability [可编程性（HDL 硬件描述语言）] • Speed, Economy, and Steadily Advancing Technology (快速、经济、稳步发展的技术)