【数字逻辑】学习笔记 第一章 数字系统设计概述

一、说明

这门课《数字逻辑》 的先修课程是《电路基础》，为后续课程——《计算机组成原理》、《微机接口技术》奠定基础。可以说，是电子、通信、计算机、自动控制等专业重要的基础课，是深入了解计算机及其它数字系统“内核”的一门最关键的入门课程。

我的学习目标是：

• 掌握数字电路的基础知识和基本理论（重点）；
• 掌握数字电路的分析方法（重点）；
• 掌握数字电路的设计方法（掌握）。

对于$verilog$没有要求。

主要使用的教材是华科的。

二、数字系统设计概述

一、模拟信号和数字信号

信号：是信息的载体，用于传输信息的方式，分为模拟信号和数字信号。

• 模拟信号：幅度随时间连续变化的信号。表示传输的是实际信息，故被称为模拟信号($Analog$)。$e.g.$ 老师上课使用的扩音系统就是模拟信号。
  
• 数字信号：幅度和时间都是非连续变化的信号。时间上离散：只在某些时刻有定义；数值上：变量只能在有限集合取值，$[0,1]$，在电路上常常表现为突变的电压或脉冲——0，低电压；1，高电压。
  数字信号，往往是对模拟信号进行采样（间隔等长的时间抽取数据点）形成的。它不是实际信息的直接表达，而是信息的一种“编码”形式。计算机无法直接播放数字信号，需要转成模拟信号才行。
  

为什么要使用数字信号呢？

• 数字信号的抗噪声干扰能力优于模拟信号：
  模拟信号是对传输的物理量的直接表达 ，作用于模拟信号上的噪声也就相当于是作用在实际物理量上；对于数字信号，当噪声幅度不超过一定的阈值时， 不会改变系统对数字信号的译码。
• 数字电路比模拟电路简单：
  模拟电路要产生与实际物理量严格对应的电信号 ， 电路非常复杂；数字电路只需要 $2$ 个简单的电子开关 ， 就可以产生 $0$ 和 $1$。

二、数字电路

1. 概念

用于处理数字信号的电路称为数字电路，也称为逻辑电路。

数字电路的各个层次如下：

• 门电路—— 实现基本逻辑运算；
• 触发器—— 由门电路构成的、能存储并记忆 $1$ 位二进制数的逻辑部件；
• 集成电路—— 将构成门电路和触发器的电子电路制作于一块半导体芯片中；

2. 分类

按规模分类：

• 小规模；
• 中规模；
• 大规模；
• 超大规模；
• 甚大规模；
• 巨大规模；

按电路有没有记忆功能分为：

• 组合逻辑电路： 任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关；
• 时序逻辑电路： 任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来的状态，或者说，还与以前的输入有关。

组合逻辑和时序逻辑都是学习的重点。

按照制造工艺分为：

• TTL型：$TransistorTransistorLogic$，晶体管- 晶体管逻辑电路，又称 双极型集成电路。
  特点：速度高（开关速度快），驱动能力强；但其功耗较大，集成度相对较低。
• CMOS型：$ComplementaryMetalOxideSemiconductor$，互补型金属氧化物半导体电路，又称 场效应集成电路。
  特点：输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成，已逐
  渐成为主流的数字电路形式。

三、数字系统

定义 ：将 多个数字电路的 功能模块 有机地组织成一个电子系统 ，
在 控制电路 的统一协调指挥下， 完成对数字信息的存储、传输和处理等操作 ， 这样的系统称为数字系统。

数字系统的各个组成部分：

• 输入电路 ：引入外部信号，如开关、按键的状态等；
• 功能单元电路 ：按照系统设计要求完成对数据信息的加工处理，通常包括存储和运算电路；
• 输出电路 ：送出数字系统的处理结果；
• 时基电路 ：用于产生定时信号；
• 控制电路 ：在定时信号的作用下， 按照数字系统设计的算法流程进行状态转移， 在不同的状态条件下产生不同的用于控制其他各部件的控制信号， 协调各部件的动作， 实现自动连续的处理过程。