数字逻辑与可编程逻辑的基础知识

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1、EDA设计技术是指以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发环境，以硬件描述语言为设计语言，以可编程逻辑器件为载体，以ASIC和SOC芯片为设计目标，以电子设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。第1章数字逻辑与可编程逻辑的基础知识1.1数字逻辑设计基础1.2数字逻辑系统基本构成原理1.3现代数字系统设计的基本要素1.4现场可编程逻辑器件技术的演进1.1数字逻辑设计基础1.1.1二进制与逻辑代数二进制数制系统是数字设计的基础，它是以2为基数的计数体制，因而有两个数码“0”和“1”。二进制数码不仅可以表示数量的大小，像十进制数那样

2、进行算术运算，还可以表示两种不同的逻辑状态，如开关的接通和断开、电平的高和低、真和假、命题的正确与否等，进行逻辑运算。当二进制数用于表示逻辑状态时，二进制数不再表示数值上的大小，数与数间的运算也不再是普通代数中的数值运算，而是对逻辑变量的逻辑运算。逻辑代数正是描述这些逻辑关系的一种数学方法。逻辑代数又称为布尔代数，其最基本的运算有与、或、非三种，有八个基本定律、五个常用公式和三个基本运算规则。1.与运算只有当决定事务结果的全部条件同时具备时，结果才会发生，这样的因果关系称为与逻辑。逻辑函数表达式为Y=A·B只有当输入A和

3、B都为“1”时,逻辑输出Y才为“１”,其他情况都为“0”,即“全1出1,有0出0”。2.或运算在决定事物结果的诸条件中只要有一个满足,结果就会发生,这样的逻辑关系称为或逻辑。逻辑函数表达式为Y=A+B只要逻辑输入A或B中有一个为“1”，输出Y就为“1”,而当输入全为“0”时,输出才为“0”,即“有1出1，全0出0”。3.非运算决定事物的条件具备了，结果却不发生，而此条件不具备时，结果一定发生，这样的因果关系叫非逻辑。逻辑函数表达式为非逻辑的输出总是输入的取反，即输入为“1”，输出为“0”；输入为“0”，输出为“1”。实际的

4、逻辑问题往往比以上三种基本逻辑复杂得多，但它们都是由基本的与、或、非逻辑导出来的，因此称其为导出逻辑或复合逻辑。最常见的导出逻辑有与非、或非、与或非、异或以及同或等。1.1.2用二进制字表示数据一个二进制位只允许描述两种可能的值，所以单位的二进制变量本身的应用是很有限的，但可以通过将二进制定义为合适的组合方式，用二进制字来表示想要表示的任何事物。这是用二进制数来解决现实问题的关键所在。例如,有N个二进制位的二进制字Info=XN-1XN-2XN-3…X2X1X0具有2N种可能组合，就可以表示2N种不同的情形，也即数据信息。为方便

5、起见，引进一些术语来处理二进制数组。一组二进制数通常被称为字，而不考虑它使用的二进制数的位数。上面的Info是用N位二进制位表示的字。根据系统的不同，一个字中位（bit）数可能很重要，也可能不重要。在微计算机领域，字节指的是8bit字。讨论二进制系统时，我们经常引进一些2的幂次方的缩写，概括如图1-1所示。图1-1二进制数的表示编码：把现实情形表达成数字系统可以识别的“0”、“1”代码m种情形，需要的二进制位为n，则n为满足关系2n≥m的最小正整数。数字系统处理完后，信息是以“0”、“1”代码的形式输出的。要把处理结果返回给现实

6、世界。解码：就必须要将这些信息重新翻译成为人们可以理解的现实语言。eg：当要用二进制字来表示红绿灯的通断状态时，可以采用两位二进制数D=D0D1来表示，定义D0位表示红绿灯，D1位表示通断状态，则编码如下：00——红灯亮01——红灯熄10——绿灯亮11——绿灯熄图1-2编码和解码的过程需要注意的是，编码和解码两个过程虽不是同步的，但并不是相互独立的。编码时，要表达的信息和二进制位间的对应关系是随意的，但解码时，必须注意要与编码时的规则相对应起来，才可以“翻译”出正确的现实信息。如上例中，编码时定义的D0位表示红绿灯的选择，D1位

7、表示灯的通断状态，解码时就必须按照此规则翻译，否则，经过处理后返回的信息将是不准确的。1.1.3单元与层次层次设计方法：采用最基本的简单数字单元来构成较复杂的单元。图1-3层次设计的级别图1-4单元的概念单元的概念三个二进制输入变量A、B、C，根据我们的设计要求，构造相应的函数关系后，产生的输出函数为f(A,B,C)。单元的输入和输出点称为端口，单元通过端口同其他单元相连。在逻辑图中，单元间的互连用表示信号流向路径的连线来表示，该连线也称潍传输线或简称为互连。单元与单元间的通信方式：串行传输并行传输图1-5连接两个单元的串行数据

8、流路径串行传输方式如图1-5所示，单元A的输出信号X，通过传输线传到单元B的输入端，各位在时间上是以顺序的方式传输的。图1-6并行数据流连接并行传输方式是将一个字中所有各个数据位同时传输，并行信号流路径只是简单地由几条分开的串行路径组成的，每条串行线用于传输一个