数字逻辑与EDA设计

-------------读《数字逻辑与EDA设计》(广工版)小结

目录

• 第一章 数字逻辑基础
  • 1.1数制与码制★★★
  • 数制
  • 码制
  • 1.2基本及常用的逻辑运算★★
  • 1.2逻辑函数表示方法★★
  • 1.3逻辑函数的化简★★★
  • 1.4常用74HC系列门电路芯片★
• 第二章 组合逻辑电路
  • 2.1组合逻辑电路的分析方法★★★
  • 2.2常用的组合逻辑电路(多考察各种器的输入输出端设计)
    • 1.编译器★
    • 2.译码器★
    • 3.数据选择器
    • 4.数值比较器
    • 5.加法器★
      • 1位二进制加法器
  • 2.3组合逻辑电路的设计方法★★★
  • 2.4组合逻辑电路的时序分析★★★
• 第三章 时序逻辑电路
  • 3.1时序电路逻辑功能的表示方法★★
  • 3.2锁存器与触发器
    • 触发器(双稳态)★★
  • 3.3时序电路的分析方法★★★
  • 3.4常用的时序逻辑电路
    • 寄存器
      • 1.基本寄存器
      • 2.移位寄存器
    • 计数器★
  • 3.5时序电路的设计方法★★★
  • 3.6时序逻辑电路时序分析的基本概念(详见课本)★
• 第四章 硬件描述语言 Verilog HDL★★★
  • 1.标识符
  • 2.代码格式
  • 3.模块和端口(类似C中函数与函数参数的概念)
  • 4.系统任务和系统函数$
  • 5.常用编译器指令(以`开头)
  • 6.数据类型，操作符和表达式
    • 数据类型
    • 操作符
  • 7.行为级建模
    • 1.过程结构(可加入敏感事件，延迟控制)
    • 2.时序控制
    • 3.语句块
    • 4.过程性赋值
    • 5.分支语句
  • 8.结构级建模

第一章 数字逻辑基础

1.1数制与码制★★★

数制

n进制：0~n-1，小数点左边，从右向左位权：n^0,n^1.....,小数点右边，从左向右位权：n^(-1),n^(-2)....

16进制是用0~9，A~F

数制之间的转换

码制

1. 顺序二进制编码

2. 格雷码

   n位二进制数的顺序二进制为B=B_n-1.....B_0,则G_i=B_i⊕B_i+1

3. 独热码

   只有一个二进制位为1，其余为0

4. 二-十进制编码/BCD码(用每个四位的二进制表示十进制一位的0~9)

   8421，2424，5211属于位权码，余三码是二进制码+3，余三格雷码是格雷码+3

1.2基本及常用的逻辑运算★★

AB与，A+B或，A⊕B异或

1.2逻辑函数表示方法★★

1. 逻辑表达式
2. 真值表
3. 卡诺图
4. 逻辑图

1.3逻辑函数的化简★★★

1. 最小项及标准与或式(类似于离散数学中的极小项与主析取范式)

   常将最小项记作：m1,m2......

   求取方法：1.通过公式变换表达式 2.列出函数真值表，直接写出标准与或式

2. 逻辑函数的最简与或式

3. 利用公式和定理化简逻辑函数

   1. 并项法 AB+A~B=A
   2. 吸收法 A+AB=A
   3. 消项法 AB+~AC+BC=AB+~AC
   4. 消因子法 A+~AB=A+B
   5. 配项法 A+A=A , A+~A=1

4. 卡诺图（变量少于6个）

   n个变量逻辑函数的卡诺图就有2^n个最小项，就有2^n个方格

   按格雷码的顺序在行列端及列左端处写出变量取值

   几何相邻：1.相接 2.相对 3.相重

   几何相邻的最小项必为逻辑相邻，可以合并消去变量

   2^n个最小项合并成一项时，可以消去n个变量

   合并所消去的是包围圈内变量取值不同的，保留取值相同的

5. 存在无关项的逻辑函数

   约束项用集合d表示

   其约束项和任意项统称无关项，在卡诺图用X表示，其化简时视为1还是0，应以得到的包围圈最大且包围圈个数最少为原则

1.4常用74HC系列门电路芯片★

1. 74HC00——2输入与非门
2. 74HC02——2输入或非门
3. 74HC04——非门
4. 74HC08——2输入与门
5. 74HC32——2输入或门
6. 74HC86——2输入异或门

sb知识：CMOS三态门能实现分时传送数据逻辑功能

第二章 组合逻辑电路

​ 组合电路特点：

​ 1.逻辑功能上：任意时刻的电路输出，仅取决于该时刻各个输入变量的取值，与电路原来的工作状态无关

​ 2.电路结构上：电路中输出到输入之间无反馈连接，电路由逻辑门电路组成，不包含任何可以存储信息的具有记忆功能的逻辑元器件

2.1组合逻辑电路的分析方法★★★

1. 根据给定的逻辑电路，写出输出函数的逻辑表达式
2. 表达式变换及化简
3. 根据表达式列出真值表
4. 对给定电路的功能进行逻辑描述

2.2常用的组合逻辑电路(多考察各种器的输入输出端设计)

1.编译器★

​ 简单来说就是将多个输入信号(I_0~I_m-1)变成较少的对应输出编码(Y_n-1~Y_0)
​ 为保证编码位数最短，即输出最少，m与n满足：

​ 2^(n-1)<m<=2^n

​ 二进制编码器：n个输出对应2^n个输入

2.译码器★

​ 与编译器刚好相反

3.数据选择器

​ 作为一种多路开关常用于将并行数据转换位串行数据输出

​ 2^n路输入1路输出的多路选择器有n个选择控制变量，选择控制端的二进制值m对应第m个输出端口D_m

​ 即是有n个选择控制输入端，2^n个数据输入端

4.数值比较器

​ 基本功能：输入两个位数相同的数A,B，比较大小后输出结果：G,E,S(对应> = <)

​ 有符号优先比较符号，多位数从高位比较起

​ n位数值比较器需要2n位数据输入及3位输出信号

5.加法器★

1位二进制加法器

1. 半加器：只考虑两个加数本身，不考虑由低位来的进位
2. 全加器：除了考虑连个加数本身，还考虑由低位来的进位(会叠加上去)

2.3组合逻辑电路的设计方法★★★

1. 分析设计要求，将文字描述抽象成输出变量与输入变量的逻辑关系
2. 列真值表
3. 根据真值表写出逻辑表达式并进行化简
4. 根据所选择的门电路的类型，变换最简表达式
5. 根据逻辑表达式画出逻辑电路图

2.4组合逻辑电路的时序分析★★★

1. 波形图

2. 时序分析

   实际中信号经过任何一个门电路都会产生时间延迟，称为传输延迟

   传输延迟除了会影响电路速度，还会引起电路的竞争问题

3. 竞争冒险

   当输入信号发生变化后，在输出达到稳定前，输出端可能出现异常的虚假信号(干扰脉冲)

   解决方案：1.选通法 2.滤波法 3.增加冗余项法

第三章 时序逻辑电路

​ 时序电路特点(注意与组合电路的不同)：

1.逻辑功能上：任意时刻电路的稳定输出，不仅取决于该时刻各个输入变量的取值，还取决于电路原来的状态

2.电路结构上：通常包含组合电路+存储电路，存储电路由具有记忆功能的锁存器或触发器构成，存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的输入端，共同决定组合电路的输出

​ 按触发器的时钟脉冲控制方式分类

​ 1.同步时序电路: 所有触发器状态的改变都在同一个时钟脉冲控制下同时发生

​ 2.异步时序电路: 触发器由两个或及以上的时钟脉冲Clk控制或无Clk控制

​ 按输出与输入的关系分类

​ 1.Mealy型时序电路: 输出信号不仅取决于存储电路的状态,还与输入直接相关

​ 2.Moore型时序电路: 输出信号仅仅取决于存储电路的状态

3.1时序电路逻辑功能的表示方法★★

1. 逻辑表达式

   1.输出函数,用Y=...表示

   2.驱动函数,用Z=...表示

   3.状态函数,用Q^(n+1)=...表示 //Q^n表示现态 Q^(n+1)表示次态

2. 状态表(有些需要先编码，再列出真值表的形式)

   包括时钟Clk,输入,现态,次态,输出

3. 状态图

   圆圈代表一个存储状态，圈中文字代表状态名字，箭头表示状态之间的转换关系，箭头上有：斜线左边表示转换条件/输入信号，右边是输出信号

4. 时序图

3.2锁存器与触发器

锁存器是电平敏感的存储元件，即是存储状态随着输入信号的高低电平变化而变化

触发器是时钟脉冲边沿触发的存储元件，即是存储状态仅在时钟脉冲边沿可能发生变化

触发器(双稳态)★★

1.D触发器，特性函数：Q^(n+1)=D Clk上升有效

2.JK触发器, 特性函数: Q^(n+1)=J~Q^n+~KQ^n Clk下降有效

3.RS触发器，特性函数：1. Q^(n+1)=S+~RQ^n 2. RS=0(约束条件)

4.T触发器,特性函数:Q^(n+1)=T⊕Q^n

当置位或清零信号一产生就立刻进行操作的是异步方式,

当置位或清零信号产生后,还要等待时钟脉冲信号的有效边沿到来才进行操作的是同步方式

带有异步置位Set和异步清零Clr的触发器需遵守约束条件：Set*Clr=0

求n个触发器构成的计数器有几个无效状态，用2^n-计数容量=无效状态个数

3.3时序电路的分析方法★★★

1. 写函数表达式,包括输出函数和各触发器的驱动函数(Clk处无小圆圈为上升沿触发，有为下降沿触发)

2. 将各触发器的驱动函数代入各自的特性函数中,求触发器的状态函数

3. 列出状态表

4. 画状态图及时序图(利用状态表)

5. 结合输入信号的含义,进一步对电路功能进行分析,以及对电路是否能自启动进行分析

   ​ 凡是没被利用的状态称为无效状态,构成的循环称为无效循环,在时序电路中若存在无效循环,则电路有缺陷.时序电路能否自启动取决于是否存在无效循环

3.4常用的时序逻辑电路

寄存器

1.基本寄存器

实现数据的并行输入及并行输出

2.移位寄存器

在移位脉冲的操作下,依次右移或左移数据,主要实现数据的串行输入,输出,也可以并行

分为右移,左移和双向移位寄存器

计数器★

主要由触发器组成 , n个触发器构成的m进制的计数器,计数容量为m^n，N进制计数器的计数容量为N

m进制计数器有m个状态,最少满足: 2^(n-1)<m<=2^n

使用集成的计数器设计N进制计数器★★

1.清零法：当计数器计数值达到N时，利用组合逻辑电路产生清零信号，使计数值变为0，可分同步置零与异步置零

2.置数法：通过设计计数的初始值，改变计数容量，如将容量为16的74HC161初始值设为4，以设计12进制计数器

3.级联方式设计：当待设计的计数器计数容量大于集成计数器容量时,

通过将n片m位N进制计数器级联的方式最多组成 (N^m)^n进制的计数器

3.5时序电路的设计方法★★★

1. 分析设计要求，建立原始状态图

2. 进行状态化简，消去多余状态

   (相同输入下有相同输出，且都转换到同一个次态，可合并)

3. 状态分配，画出编码后的状态图

   n个触发器共有2^n种状态组合，固需要M个状态时，至少满足：

   ​ 2^(n-1)<M<=2^n

4. 选择触发器类型，求出电路的状态函数，输出函数及驱动函数

   (可画状态表更方便求取)

5. 如果电路存在无效状态，则需判断是否为能自启动电路

   (可将无效状态代入输出函数和状态函数计算是否能返回有效循环)

6. 画逻辑图

3.6时序逻辑电路时序分析的基本概念(详见课本)★

1.时钟脉冲信号 2.建立时间，保持时间和最大传播延迟时间 3.稳态和亚稳态 4.分辨时间

5.时钟偏差

第四章 硬件描述语言 Verilog HDL★★★

1.标识符

​ 包括字母，数字，$和_的组合，区分大小写，首字符必须字母或下划线

2.代码格式

​ 自由，可同行或多行，注释从C

3.模块和端口(类似C中函数与函数参数的概念)

​ module 模块名(端口1，。。。)

​ 。。。

​ endmodule

​ 端口列表所有端口须在模块中声明，根据流动方向分为：input，output和inout(双向)

​ 端口默认声明wire型，若希望输出端口能保存数据，需显示声明为reg型(input和inout不能为reg)

端口调用

直接传参，需要按顺序传，用名字传参，如：（.端口名1(信号名1)。。。），则不必按顺序

4.系统任务和系统函数$

$display(=printf) $monitor(动态监视，发生变化就输出) (stop和)finish(使仿真挂起，进行调试)

(time,)stime,$realtime(分别以64，32位，实数返回当前仿真时间) $random

5.常用编译器指令(以`开头)

define和undef，include，timescale(定义延迟单位与延迟精度)，

6.数据类型，操作符和表达式

3种常量：整型(Integer), 实数(Real), 字符串型(String)

整型格式：[指定位宽]'[有s/S表示有符号数] base(o/O-8, b/B-2, d/D-10, h/H-16) value

数据类型

基本值：1. 0(逻辑0/假) 2. 1(逻辑1/真) 3. x(X)//未知状态 4.z(Z) //高阻状态

线网类型：wire

常量类型：reg(寄存器类型，保持最后一次赋值结果)，integer，time，real，realtime

数组类型：

参数：可用parameter定义常数

位选和部分位选：可从上述数据类型中拿取一部分数据，数据按高位在左

如：reg[3:0]pa;reg[2:0]Z

​ pa=4'b1010;

​ Z=pa[3:1];//3'b101

操作符

==逻辑相等 =全等 != !(逻辑不等与非全等)

<< ,>>(逻辑左移与右移，空位填0)

<<<,>>>(算术左移和右移，左移填0，右移有符号数填符号位)

拼接和复制

如：X={pa,pb[2:0],pc};

​ Z={3{pa}};//={pa,pa,pa}

7.行为级建模

1.过程结构(可加入敏感事件，延迟控制)

initial： 0时刻开始执行，只执行一次，可以在变量声明时对reg赋值

always ： 0时刻开始，重复执行

2.时序控制

delay://延迟控制

@(事件表达式) 执行语句；//事件控制

事件表达式：

<信号名>：发生变化就执行

posedge<信号名>：信号正跳

negedge<信号名>：信号负跳

wait(条件) //电平敏感事件控制，条件为真就执行

​ 执行语句；

3.语句块

顺序：begin...end

并行：fork...join

4.过程性赋值

阻塞性过程赋值：=

非阻塞性过程赋值：<=

5.分支语句

if, case(分支不用break), forever(用disable跳出), while, for

repeat(循环次数)

​ 执行语句

8.结构级建模

内置基本门级元件

多输入门：and(与门),nand(与非门),or(或门),nor(或非门),xor(异或门),xnor(异或非门)

多输出门：buf(缓冲器)，not(非门)