数字逻辑教材第1章090708.docx

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数字逻辑教材第1章090708

目录

第1章：

基础概念4

1.1概述4

1.2基础知识5

1.2.1脉冲信号5

1.2.2半导体的导电特性6

1.2.3晶体二极管开关特性10

1.2.4晶体三极管开关特性12

1.2.5晶体三极管三种连接方法15

1.3逻辑门电路16

1.3.1DTL门电路16

1.3.2TTL门电路18

1.3.3CML门电路19

1.4逻辑代数与基本逻辑运算21

1.4.1析取联结词与正“或”门电路22

1.4.2合取联结词与正“与”门电路22

1.4.3否定联结词与“非”门电路23

1.4.4复合逻辑门电路24

1.4.5双条件联结词与“同或”电路25

1.4.6不可兼或联结词与“异或”电路25

1.5触发器基本概念与分类26

1.5.1触发器与时钟28

1.5.2基本RS触发器28

1.5.3可控RS触发器29

1.5.4主从式JK触发器32

1.5.5D型触发器34

1.5.6T型触发器36

第2章数字编码与逻辑代数38

2.1数字系统中的编码表示38

2.1.1原、补、反码39

2.1.2原、补、反码的运算举例45

2.1.3基于计算性质的几种常用二—十进制编码46

2.1.4基于传输性质的几种可靠性编码49

2.2逻辑代数基础与逻辑函数化简54

2.2.1逻辑代数的基本定理和规则55

2.2.2逻辑函数及逻辑函数的表示方式57

2.2.3逻辑函数的标准形式59

2.2.4利用基本定理简化逻辑函数63

2.2.5利用卡诺图简化逻辑函数65

第3章：

数字系统基本概念72

3.1数字系统模型概述72

3.1.1组合逻辑模型73

3.1.2时序逻辑模型73

3.2组合逻辑模型结构的数字系统分析与设计76

3.2.1组合逻辑功能部件分析77

3.2.2组合逻辑功能部件设计80

3.3时序逻辑模型下的数字系统分析与设计86

3.3.1同步与异步86

3.3.2同步数字系统功能部件分析88

3.3.3同步数字系统功能部件设计92

3.3.4异步数字系统分析与设计106

3.4基于中规模集成电路（MSI）的数字系统设计117

3.4.1中规模集成电路设计方法117

3.4.2中规模集成电路设计举例118

第4章：

可编程逻辑器件129

4.1可编程逻辑器件（PLD）演变129

4.1.1可编程逻辑器件（PLD）130

4.1.2可编程只读存储器（PROM）133

4.1.3现场可编程逻辑阵列（FPLA）135

4.1.4可编程阵列逻辑（PAL）137

4.1.5通用逻辑阵列（GAL）140

4.2可编程器件设计147

4.2.1可编程器件开发工具演变147

4.2.2可编程器件设计过程与举例148

4.3两种常用的HDPLD可编程逻辑器件151

4.3.1按集成度分类的可编程逻辑器件151

4.3.2CPLD可编程器件152

4.3.3FPGA可编程器件156

第6章数字系统功能模块设计161

6.1数字系统功能模块161

6.1.1功能模块概念161

6.1.2功能模块外特性及设计过程161

6.2基于组合逻辑模型下的VHDL设计162

6.2.1基本逻辑门电路设计162

6.2.2比较器设计165

6.2.3代码转换器设计167

6.2.4多路选择器与多路分配器设计168

6.2.5运算类功能部件设计169

6.2.6译码器设计173

6.2.7总线隔离器设计174

6.3基于时序逻辑模型下的VHDL设计176

6.3.1寄存器设计176

6.3.2计数器设计178

6.3.3并／串转换器设计181

6.3.4串／并转换器设计182

6.3.5七段数字（LED）显示原理分析与设计184

6.4复杂数字系统设计举例187

6.4.1高速传输通道设计187

6.4.2多处理机共享数据保护锁设计194

第7章系统集成203

7.1系统集成基础知识203

7.1.1系统集成概念203

7.1.2系统层次结构模式205

7.1.3系统集成步骤206

7.2系统集成规范208

7.2.1基于总线方式的互连结构208

7.2.2路由协议213

7.2.3系统安全规范与防御218

7.2.4时间同步221

7.3数字系统的非功能设计223

7.3.1数字系统中信号传输竞争与险象223

7.3.2故障注入226

7.3.3数字系统测试228

7.3.4低能耗系统与多时钟技术229

第1章：

基础概念

数字系统的基础就是脉冲技术。

由于脉冲技术是用离散电信号来表示数字量，并通过转化成数字量值的脉冲信号来近似描述自然界中各种连续变化过程，所以对量化后的脉冲信号的传输和处理就是数字系统需要研究的对象和策略。

另外在脉冲信号的处理中，记忆需要处理的信号是一个非常重要的功能，本章重点描述了如何实现对脉冲信号的记忆多种方法。

1.1概述

在人类生存自然界中存在着各种各样表现万物变化的信息，如植物生长、水流速度快慢、环境温度变化、空气污染状况等。

当人类需要了解这些自然现象以及对它们进行掌控时，就必须对这些变化信息进行收集、传递、加工、处理及控制。

但因这些变化信息都具有连续变化的一个共性，所以需要对这些信息进行处理时，常采用比拟或模拟方法来进行，人们把这类具有描述连续变化特性物理量称为模拟量（Analogvalue）。

但在实际工程应用中，要想获得模拟量精确表现是非常困难的，因此对以模拟量形式所表现信息进行检测和传递就很容易产生误差。

为解决模拟量精度和信息处理方便性，人们提出了在一定精度范围要求下以数字量值形式来表现连续变化信息方法，为区分模拟量表示，称这种表示方法为数字表示，这种以数字形式来表示所对应模拟量就被称为数字量（Digitalvalue）。

使用数字量来进行传递、加工的工程应用系统就称为数字系统（Digitalsystem）。

在对数字量进行采集、传递和加工过程中，数字系统一般都采用了二进制数据格式。

这是因为二进制表示可以简化工程实现难度、传输可靠性高、运算简单、节省器件等优点。

在使用了数字信息后，原来由模拟系统来实现对自然信息的加工，现在都转化成由数字系统来承担并且效果更好。

因此数字系统除数字信息进行数值运算和加工外，还可以对各种逻辑思维进行加工。

逻辑加工在应用于面向过程和对象的控制以及系统决策方面起着重要作用。

所以数字系统也被称为数字逻辑系统（Digitallogicsystem），简称数字逻辑。

采用数字量后需要注意的是，数字量具有离散量表现行为特征，而模拟量却具有线性表现行为特征，所以为了将具有连续变化性质的自然信息（模拟量）用数字系统来实现加工和处理，就必须先通过模/数变换（A–Dconversion），实现模拟量到数字量变换，然后对这些数字量进行加工。

待加工结束后，再通过数/模变换（D–Aconversion），将原来已经加工后数字量还原成能直接表征线性变化的模拟量，这就是通常数字系统中所提到的A/D和D/A转换。

近年来，因微电子技术迅速发展和崛起，数字信息在传输和处理速度方面都达到相当高水平。

若数字系统对数字信息加工处理以及传输所需总时间低于整个物理系统活动所需要时间，这样的数字系统就称为实时系统（Real-timesystem）。

实时性在数字系统中是一个非常重要的技术指标。

因此

实时系统一种较为抽象定义是：

若一个数字系统能够在规定时间内提供某种特殊服务。

则该系统可称为实时系统。

一种更能接受的定义是：

实时系统是指计算正确性不仅取决于数字系统运行逻辑正确性，也取决于结果产生时间，如果系统时间约束条件

得不到满足，此时运行系统将会发生系统出错。

目前为了精确描述数字系统实时性，其实时性又分别使用了硬实时系统和软实时系统这两种概念来具体区分和严格说明。

硬实时系统是指系统自身要具备支持可能出现最坏情况下安全处理时间。

因此在硬实时系统中，要求对任何突发事件的处理时间必须具有一个规定时限，否则系统将导致灾难性后果。

如远程救护系统中伤情数据传输过程、飞行器起落架收放系统等。

软实时系统是对任何突发事件能够提供确定处理时间，而且处理过程也能够在系统规定时间内完成，如果系统因各种外在或内在因素超越了事件处理截止期限、但最终结果并不会导致系统致命错误。

如“虫孔”路由算法（WormHoleRouting）、蓝牙技术中Whiting算法等。

目前数字系统使用水平随着超大规模集成电路VLSI（VeryLargeScaleIntegration）和极大规模集成电路ULSI（UltraLargeScaleIntegration）技术不断成熟和发展，新型器件和设计手段也不断涌现，为此数字系统设计成本和制作成本也不断降低，使得数字系统竞争能力越来越强，加上现代新技术所特有标准化、系列化和灵活性，即使在数字系统制作成型后，也可以通过各种升级手段对原有数字系统功能进行在线升级和完善。

1.2基础知识

数字系统就是对脉冲信号进行传输、控制和加工等处理，而这些过程所需要依赖数字系统内部基本矛盾就是晶体管导通与截止、电容充电和放电。

为此了解和掌握脉冲信号概念与晶体管开关特性成为学习数字系统设计基础。

1.2.1脉冲信号

脉冲在学术上被定义成在短时间内产生一种突变，随后又迅速返回其初始量值的一种物理特性。

因此从脉冲定义可以看出，脉冲有一种间隔性特征，正因为这种间隔性特征，所以可以把脉冲作为一种信号来描述。

鉴于上述特征，脉冲信号可以被定义为：

相对于连续信号而言，它是在整个信号周期内所产生的短时间信号，因此脉冲信号在一个周期中大部分时间段内没有信号出现，就像人的脉搏一样，它具有间歇性出现特征。

而现在一般所指数字信号，它可根据不同占空比来表征一个周期内多少时间有信号。

通常在数字系统中所使用信号就是脉冲信号，它们也被称为数字信号。

脉冲技术所包含内容非常丰富，概括的说就是有脉冲的变换、产生、放大、驱动、传输和测量等。

这里只要建立一些基础认识，而不需要进行很深入研究。

为了解什么是脉冲以及如何产生脉冲信号，可以通过如图1.1所示的简单直流电路工作过程来描述。

该简单直流电路由电阻R1和R2构成一个分压电路，电路输出电压将取决于R2上电压值。

而电路输出电压能否在R2上产生，又取决于电路中一个开关元件K的闭合和断开。

因此电源接通后，若电路中开关K处于闭合状态，电路中所形成电流回路将只通过电阻R1，因开关K闭合则导致了对电阻R2短路，因此在R2两端形成一个等电位，又因为电路输出电压取决于R2，所以电路输出电压为0v。

若按图1.2所示将开关断开，在电源接通后，则电源将通过电阻R1和R2形成回路，流经分压电阻R1和R2的回路电流将在R2两端建立起一个电压，而该电压就是电路输出电压，所以其输出电压值为：

Vout=VccR2/（R1+R2）。

图1.1未在R2上形成电流回路的电路图1.2在R2上形成电流回路的电路

若将开关K再次合上，则R2又被短路，输出电压也再次回到0V，周而复始重复这个开关过程，那么在输出端上就可以得到如图1.3所示一系列断续电压变化波形，人们称这

种形式输出信号为脉冲信号，所以对于

脉冲也可以描述成

短时间内所出现电压或电流变化。

由于电路对外输出脉冲

有效信号宽度和脉冲时间间隔取决于电路中开关元件闭合

和断开时间，因此可以通过对开关元件K的控制闭合和断

开频度来获取不同持续时间宽度的脉冲输出信号。

一般情况下，凡是按非正弦规律变化的电流或电压

信号都称为脉冲信号，所以脉冲信号波形种类繁多，图

1.4表示了几种常见脉冲波形。

图1.3电路输出脉冲信号

尖脉冲矩形脉冲方波（占空比1:

1）梯形波

锯齿波三角波阶梯波

图1.4几种常见脉冲信号

图1.5描述了脉冲信号常用几个参数：

脉冲幅度Vm：

从一种状态变化到另一种状态跳变值。

脉冲周期T：

两个相邻脉冲重复出现所间隔时间。

上升时间tr：

从0电平到高电平所需要时间。

下降时间tf：

从高电平到0电平所需要时间。

脉冲宽度tu：

脉冲出现后持续时间。

图1.5脉冲信号参数描述

1.2.2半导体的导电特性

无论是早期数字系统所采用的分立元件体系结构，还是历经20多年发展过程中数字系统所采用的各种小规模集成电路SSI（SmallScaleIntegration）、中规模集成电路MSI（MediumScaleIntegration）和大规模集成电路LSI（LargeScaleIntegration），以及现代数字系统所采用的VLSI或ULSI器件，它们都是由半导体材料（锗、硅等）做成的，了解半导体导电特性将更加有助于对晶体管工作原理的理解。

下面从三个方面对半导体导电性能展开描述。

1.半导体导电特性。

对于很容易导电的材料，如金、银、铜、铁等，人们将它们称其为导体，而对于那些不能导电的材料，如橡胶、塑料、陶瓷、木材等，则称其为绝缘体。

对绝缘体而言，就是通过外界施加很高的电源电压在材料上，这些材料内部几乎也没有任何电流出现。

而半导体则是一种介于导体和绝缘体之间的一种材料，它的导电性比不上导体，但又比绝缘体好。

为什么不同材料会出现有如此巨大差异的导电性，即引起导体、半导体和绝缘体之分根本原因何在，其实就是材料内部特性和材料内部原子结构，它们取决于材料内部可以运载电荷形成电流载粒子多少。

我们知道原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。

因此在任何一种原子结构中，电子又被分成几层围绕着原子核作不停的运动。

所以在同一个原子中，越靠近原子核内层电子受到原子核吸引力就越大，而远离原子核外层电子受到原子核吸引力就小。

对导体而言，因外层电子受到原子核束缚力最小，因此这些大量游离在外层的电子很容易挣脱原子核对它们所产生的束缚力而变成自由电子，所以这些自由电子就成为了运载电荷运动的载流子，一旦材料在施加外电场的作用下，

这些载流子将形成定向运动而成为电流出现在

载体中。

在绝缘体中，由于外层电子受到原子核束缚力

很大，这些外层电子很难挣脱原子核对它们所产生

的束缚力，为此它们能成为运载电荷的载流子机遇

非常小，正是这个原因就决定了绝缘体导电性相对硅原子结构图锗原子结构图

很差。

图1.6硅原子和锗原子结构示意

半导体的原子结构有些特殊，外层电子既不象

导体那样很容易挣脱原子核对它的束缚力，但也不

象绝缘体那样受到原子核很强束缚。

在常温条件下，

尽管有些电子能挣脱原子核对它束缚而成为了运载

电荷运动的载流子，但这些载流子数量远比导体材

料少得多，所以它们的导电性处在导体和绝缘体之

间，这就是半导体材料导电特性由来。

2.半导体的特殊载流子。

从半导体技术初创阶段

到如今器件技术全面发展阶段，这些半导体材料主要图1.7硅晶体的共价键结构

是基于硅和锗（化学符号是Si和Ge）这两种材料，

而这两种材料原子结构如图1.6所示。

一旦把硅、锗这种半导体材料变成单晶体结构后，

这些材料的原子排列就从原来杂乱无章排列状态过渡成

非常整齐的排列状态，且各个原子之间距离相等，约为

2.35104微米，每个原子最外层都是有4个价电子，

其结构如图1.7所示。

源于原子理论使我们知道，只有当原子核外层电子要

达到八个时才是处于稳定状态，因此当硅原子在组成硅晶图1.8共有电子运动示意图

体时，每个原子将要对四周相邻原子外层电子进行争夺，

来达到满足稳定状态条件，这样每两两相邻的两个硅原子将处于一种共享一个电子对状态，即共有电子对状态。

在这个电子对中任何一个电子，它除了一方面围绕自己原子核运动外，也还时常出现在相邻原子所属轨迹上，人们称这种组合为共价键结构。

而半导体硅、锗共价键结构特点是外层共有电子所受到原子核束缚力没有绝缘体那样强烈，在一定温度条件下，由热能可以转化成电子需要运动的动能，其中有少数电子有可能将挣脱原子核束缚力而成为自由电子，这就形成了带负电载流子。

我们需要注意的是在共有电子挣脱了原子核对它束缚力而成为自由电子后，它将把它原来所处位置形成了一个空位出来。

正是有了这样一个空位，导致处于附近位置上的共有电子很容易对这个空位进行填补，这样就形成了共有电子运动，结构如图1.8所示。

为了区别带负电自由电子运动过程，人们将这种带正电荷空位在半导体中运动过程称为空穴运动。

作为空穴运动过程，也可以将其空穴看作是一种载流子。

当对半导体施加外电压作用时，半导体内部自由电子将按一个特定方向进行定向运动，从而产生带负电荷的电子电流，同时半导体内部共有电子也依据替补空穴原理形成带正电荷的空穴电流。

这两种电流都是按照特定方向实现相反定向流动，但不同的是，电子电流是一种带负电定向电流，而空穴电流是一种带正电定向电流。

所以半导体在外电压施加作用下，不仅有电子载流子所引起的负电荷电子流，而且还有空穴载流子所引起的正电荷电子流，这就是半导体非常重要的导电方式，它也是用于区别于导体导电的一种重要特性。

由于物质总是处于不停运动中，因此在半导体内部热运动也不断地产生自由电子，同时也产生相应数量空穴。

自由电子在运动过程中又不断地与半导体中所出现空穴重新结合而消失，它是与产生自由电子的一个相反过程。

所以在一定温度条件下，这种运动将会达到一个相对平衡状态，尽管半导体内部的结合和产生过程仍在进行，但电子和空穴却维持着一定的数量。

3.p型半导体和n型半导体。

在单晶半导体中虽然存在

着电子载流子和空穴载流子，但这些能起着导电作用载流子

数量，离材料所能达到的导电性能还相去甚远。

由于半导体

材料对其导电性具有一种很可贵的可控特性，所以采取一些

适当外界措施后，如加温、光照、或有选择性地掺入一些其

它金属杂质，就可以显著提高半导体导电性。

而经常提及的

p型半导体和n型半导体就是在纯单晶半导体中分别掺入三

价硼元素和五价磷、锑等元素，硅晶体掺杂硼、

磷后原子结构结构如图1.9所示。

图1.9硅晶体掺杂硼、磷后的原子结构图

因为硼是三价元素，其外层只有三个电子，

所以在与硅原子组成共价键时，就自然形成一个空穴。

掺入的硼杂质每个原子都可以提供一个空穴，形成硅晶体中空穴载流子数量大大增加，此时这种半导体中自由电子数量相对很少，其导电性主要依赖于空穴载流子，人们把这种半导体称为空穴半导体，简称P型半导体。

如果在硅晶体中掺入磷，锑等五价元素，这时构成的原子结构又不一样了。

在硅原子和磷原子组成共价键后，磷外层五个电子有四个与硅原子组成共价键，多出一个电子由于受到原子核束缚力很小，从而很容易成为自由电子，这时构成的半导体材料中，出现了电子为多数载流子，而空穴为少数载流子情况，其导电性主要取决于电子，人们把这种半导体称为电子半导体，简称n型半导体。

在实际应用中，半导体中经常是以p型杂质和n型杂质混合形式而出现，因此半导体究竟是p型半导体还是n型半导体导电特性，将取决于某种杂质在半导体中掺入浓度。

这样半导体的导电特性可以在某种已得以确认导电特性下，通过修改掺入杂质比例而引起导电特性转变。

单纯一块p型半导体或一块n型半导体只能起到一个电阻作用，若在一块半导体中将这两种半导体联结在一起，那么在这两个半导体的交界面上就会形成一个p–n结，通过这些p–n结可以构成二极管、三极管、可控硅等电子元件，器件生产商正是利用这些电子元件结构元件生产出各种VLSI和ULSI器件。

要让p–n结能形成各种电子元件，就需要p–n结具备单向导电行为。

p–n结之所以能出现导电行为，实际上就是由半导体内部扩散运动和漂移运动所引起。

当做成一个p–n结后，在p区中空穴载流子数量较多，因此空穴载流子就要由p区向n区扩散，同样处于n区电子载流子数量较多，它也形成了从n区向p区扩散，图1.10表示了载流子扩散示意图。

正因为上述半导体内部产生的扩散运动，使得p区空穴减少，失去带正电空穴的p型杂

质原子就变成了带负电的离子。

同样也是这种扩散运动，使得n区电子也被减少，失去带负电电子的n型杂质原子就变成了带正电的离子。

由于离子在晶体中是不能移动的，这样在p

图1.10流子扩散示意图图1.11因扩散运动所产生的空间电场示意图

区和n区交界面上就形成了一个很薄的空间电荷区，人们把这个电荷区就称为p–n结。

在这个p–n结上，p区这边带负电，而在n区这边带正电，从而形成了一个空间电场，该电场的方向是由n区指向p区，图1.11表示因扩散运动所导致在半导体中所产生的空间电场示意图。

在p–n结上所存在的这个空间电场，对扩散运动带来对p区多数空穴载流子向n区扩散进行阻碍，同样它也阻碍了n区多数电子载流子向p区扩散。

同时电场还使p区少数电子载流子和n区少数空穴载流子向对方区域进行漂移运动，因此在p–n结内部就出现了两种运动。

一个是因浓度差异所引起的扩散运动，一个是因空间电场所引起的漂移运动。

开始时候，p–n结内部扩散运动为主要行为，随着扩散过程的持续，p–n结开始逐渐加宽，从而导致空间电场力逐渐加强，这个电场力反过来又使得漂移运动也加强。

当扩散运动和漂移运动作用相互抵消时，半导体内部p–n结就不再加宽了，从而达到暂时平衡。

尽管半导体内部仍继续着扩散和漂移运动过程，但它们以一种大小相等，作用相反的表现行为而存在，此时半导体上不会有任何电流能流过。

图1.12p–n结正向连接的单向导电行为图1.13p–n结反向连接的单向导电行为

如果我们在半导体p–n结两端适当地施加外部电压，这将立刻打破原来在半导体中所保持的平衡作用，它使得原本半导体内部所存在矛盾发生变化，这个变化正是我们所需要的单向导电行为。

如按图1.12所示方式，将外部电压正极接在p–n结p区上，同时将外部电压负极接在p–n结n区上。

此时因外加电压与半导体内部p–n结上所形成的空间电场方向相反，这势必对原电场进行削弱，结果导致扩散运动能力超过漂移运动能力，使得空穴载流子就能够顺利地越过p–n结空间电场区，在p–n结就形成较大电流出现，所以p–n结在正向导通情况下其电阻是非常小的。

由于在p–n结上施加的外部电压使得p–n结空间电场变窄，其结果驱使了p区空穴载流子向n区运动，同样也促使n区电子载流子向p区运动。

一旦p区空穴载流子向n区运动而进入空间电荷区，就与原来存在于空间电荷区中负离子进行中和，同样由n区向p区运动电子载流子在进入空间电荷区后，也与原来空间电荷区中存在的正离子中和，这两种中和结果都使得空间电荷量减少，表现在p–n结的物理特性上就是空间电场减弱，即p–n结变窄。

如果按图1.13所示方式，将外加电压负极接在p–n结p区上，同时将外部电压正极接在p–n结n区上。

由于这种连接方式是外加电压与半导体内部空间电场方向一致，它将使得p区中空穴载流子向外加电压负极进行移动，而n区中电子载流子向外加电压正极进行移动，这种反向运动结果导致了空间电荷量不是减少，而是增多，表现在p–n结物理特性上是空间电场增强，即p–n结变宽，这样在半导体中使得载流子扩散运动很难继续进行