數(shù)字邏輯與可編程邏輯的基礎(chǔ)知識

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1、EDA設(shè)計技術(shù)是指以計算機(jī)為工作平臺，以EDA軟件工具為開發(fā)環(huán)境，以硬件描述語言為設(shè)計語言，以可編程邏輯器件為載體，以ASIC和SOC芯片為設(shè)計目標(biāo)，以電子設(shè)計為應(yīng)用方向的電子產(chǎn)品自動化設(shè)計過程。第1章數(shù)字邏輯與可編程邏輯的基礎(chǔ)知識1.1數(shù)字邏輯設(shè)計基礎(chǔ)1.2數(shù)字邏輯系統(tǒng)基本構(gòu)成原理1.3現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本要素1.4現(xiàn)場可編程邏輯器件技術(shù)的演進(jìn)1.1數(shù)字邏輯設(shè)計基礎(chǔ)1.1.1二進(jìn)制與邏輯代數(shù)二進(jìn)制數(shù)制系統(tǒng)是數(shù)字設(shè)計的基礎(chǔ)，它是以2為基數(shù)的計數(shù)體制，因而有兩個數(shù)碼“0”和“1”。二進(jìn)制數(shù)碼不僅可以表示數(shù)量的大小，像十進(jìn)制數(shù)那樣

2、進(jìn)行算術(shù)運算，還可以表示兩種不同的邏輯狀態(tài)，如開關(guān)的接通和斷開、電平的高和低、真和假、命題的正確與否等，進(jìn)行邏輯運算。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)用于表示邏輯狀態(tài)時，二進(jìn)制數(shù)不再表示數(shù)值上的大小，數(shù)與數(shù)間的運算也不再是普通代數(shù)中的數(shù)值運算，而是對邏輯變量的邏輯運算。邏輯代數(shù)正是描述這些邏輯關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法。邏輯代數(shù)又稱為布爾代數(shù)，其最基本的運算有與、或、非三種，有八個基本定律、五個常用公式和三個基本運算規(guī)則。1.與運算只有當(dāng)決定事務(wù)結(jié)果的全部條件同時具備時，結(jié)果才會發(fā)生，這樣的因果關(guān)系稱為與邏輯。邏輯函數(shù)表達(dá)式為Y=A·B只有當(dāng)輸入A和

3、B都為“1”時,邏輯輸出Y才為“１”,其他情況都為“0”,即“全1出1,有0出0”。2.或運算在決定事物結(jié)果的諸條件中只要有一個滿足,結(jié)果就會發(fā)生,這樣的邏輯關(guān)系稱為或邏輯。邏輯函數(shù)表達(dá)式為Y=A+B只要邏輯輸入A或B中有一個為“1”，輸出Y就為“1”,而當(dāng)輸入全為“0”時,輸出才為“0”,即“有1出1，全0出0”。3.非運算決定事物的條件具備了，結(jié)果卻不發(fā)生，而此條件不具備時，結(jié)果一定發(fā)生，這樣的因果關(guān)系叫非邏輯。邏輯函數(shù)表達(dá)式為非邏輯的輸出總是輸入的取反，即輸入為“1”，輸出為“0”；輸入為“0”，輸出為“1”。實際的

4、邏輯問題往往比以上三種基本邏輯復(fù)雜得多，但它們都是由基本的與、或、非邏輯導(dǎo)出來的，因此稱其為導(dǎo)出邏輯或復(fù)合邏輯。最常見的導(dǎo)出邏輯有與非、或非、與或非、異或以及同或等。1.1.2用二進(jìn)制字表示數(shù)據(jù)一個二進(jìn)制位只允許描述兩種可能的值，所以單位的二進(jìn)制變量本身的應(yīng)用是很有限的，但可以通過將二進(jìn)制定義為合適的組合方式，用二進(jìn)制字來表示想要表示的任何事物。這是用二進(jìn)制數(shù)來解決現(xiàn)實問題的關(guān)鍵所在。例如,有N個二進(jìn)制位的二進(jìn)制字Info=XN-1XN-2XN-3…X2X1X0具有2N種可能組合，就可以表示2N種不同的情形，也即數(shù)據(jù)信息。為方便

5、起見，引進(jìn)一些術(shù)語來處理二進(jìn)制數(shù)組。一組二進(jìn)制數(shù)通常被稱為字，而不考慮它使用的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。上面的Info是用N位二進(jìn)制位表示的字。根據(jù)系統(tǒng)的不同，一個字中位（bit）數(shù)可能很重要，也可能不重要。在微計算機(jī)領(lǐng)域，字節(jié)指的是8bit字。討論二進(jìn)制系統(tǒng)時，我們經(jīng)常引進(jìn)一些2的冪次方的縮寫，概括如圖1-1所示。圖1-1二進(jìn)制數(shù)的表示編碼：把現(xiàn)實情形表達(dá)成數(shù)字系統(tǒng)可以識別的“0”、“1”代碼m種情形，需要的二進(jìn)制位為n，則n為滿足關(guān)系2n≥m的最小正整數(shù)。數(shù)字系統(tǒng)處理完后，信息是以“0”、“1”代碼的形式輸出的。要把處理結(jié)果返回給現(xiàn)實

6、世界。解碼：就必須要將這些信息重新翻譯成為人們可以理解的現(xiàn)實語言。eg：當(dāng)要用二進(jìn)制字來表示紅綠燈的通斷狀態(tài)時，可以采用兩位二進(jìn)制數(shù)D=D0D1來表示，定義D0位表示紅綠燈，D1位表示通斷狀態(tài)，則編碼如下：00——紅燈亮01——紅燈熄10——綠燈亮11——綠燈熄圖1-2編碼和解碼的過程需要注意的是，編碼和解碼兩個過程雖不是同步的，但并不是相互獨立的。編碼時，要表達(dá)的信息和二進(jìn)制位間的對應(yīng)關(guān)系是隨意的，但解碼時，必須注意要與編碼時的規(guī)則相對應(yīng)起來，才可以“翻譯”出正確的現(xiàn)實信息。如上例中，編碼時定義的D0位表示紅綠燈的選擇，D1位

7、表示燈的通斷狀態(tài)，解碼時就必須按照此規(guī)則翻譯，否則，經(jīng)過處理后返回的信息將是不準(zhǔn)確的。1.1.3單元與層次層次設(shè)計方法：采用最基本的簡單數(shù)字單元來構(gòu)成較復(fù)雜的單元。圖1-3層次設(shè)計的級別圖1-4單元的概念單元的概念三個二進(jìn)制輸入變量A、B、C，根據(jù)我們的設(shè)計要求，構(gòu)造相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系后，產(chǎn)生的輸出函數(shù)為f(A,B,C)。單元的輸入和輸出點稱為端口，單元通過端口同其他單元相連。在邏輯圖中，單元間的互連用表示信號流向路徑的連線來表示，該連線也稱濰傳輸線或簡稱為互連。單元與單元間的通信方式：串行傳輸并行傳輸圖1-5連接兩個單元的串行數(shù)據(jù)

8、流路徑串行傳輸方式如圖1-5所示，單元A的輸出信號X，通過傳輸線傳到單元B的輸入端，各位在時間上是以順序的方式傳輸?shù)?。圖1-6并行數(shù)據(jù)流連接并行傳輸方式是將一個字中所有各個數(shù)據(jù)位同時傳輸，并行信號流路徑只是簡單地由幾條分開的串行路徑組成的，每條串行線用于傳輸一個