数字系统设计,徐新民 电子电路与信息系统研究所 信电学院,教学目的与基本要求,通过本课程的学习，可以掌握： 组合逻辑电路、时序逻辑电路及基本数字系统的分析和设计方法； 熟悉数字电路的先进设计方法和手段。 了解数字系统测试与验证的基本方法 培养学生独立思考、分析、解决实际问题的能力。为后续专业课程的学习打下扎实的基础。,课程简介,逻辑代数理论、集成门电路 组合逻辑电路的分析与设计； 集成触发器原理及应用； 时序逻辑电路分析与设计； 控制器设计； 系统测试与验证； 半导体存储器原理与应用； 可编程逻辑器件原理、HDL语言及应用； 微处理器设计 脉冲信号的产生和变换。,主要内容及学时分配,一、逻辑代数基础 4+4学时 1数制与码制。 2基本概念、公式和定理。 3逻辑函数及其表示方法。 4逻辑函数的化简方法。 二、集成门电路 4学时 1CMOS集成门电路 2TTL集成门电路 3. 集成门电路性能与应用,主要内容及学时分配（cont.）,三、 组合逻辑电路 1. 组合逻辑电路的分析和设计方法。 2. 编码器、译码器和七段译码器及其应用。 3. 数据选择器及其应用。 4. 运算电路及其应用。 5. 组合电路中的竞争冒险。 6. 组合电路实用考虑。,主要内容及学时分配（cont.）,四、触发器 4学时 1.RS触发器。 2.主从触发器。 3.边沿触发器 4.触发器的功能分类及转换 5.触发器的动态特性,主要内容及学时分配（cont.）,五、时序逻辑电路4+4+4学时 1.同步时序电路分析方法。 2.同步时序电路设计方法。 3.异步时序电路的分析和设计方法。 4.寄存器和移位寄存器。 5.计数器模块。 6.计数器及其应用。 7.异步电路和中间态、同步设计。 8.数字电路的时序分析与设计。,主要内容及学时分配（cont.）,六、半导体存贮器、可编程器件 4学时 七、VerilogHDL硬件描述语言 4学时,主要内容及学时分配（cont.）,八、控制器设计 4学时 1. 控制器设计（数据通路，ALU） 2. 算法与流水结构 3. 微码控制器设计 九、数字系统验证与测试 4学时 1. 验证与测试过程。 2.可测试性设计。 3.测试图形生成。,主要内容及学时分配（cont.）,十、（多节拍）微处理器设计4+2学时 1.数据通路设计。 2.控制器设计。 3系统设计 4简单指令设计与运行(ALU用74HC181),主要内容及学时分配（cont.）,十一、脉冲电路 10.0学时 1.施密特触发器及其应用 2.单稳态触发器 3.多谐振荡器 4.555定时器及其应用 十二、复习、习题课及讨论 1习题讲解。 2讨论。 3. 复习。,推荐教材或参考书,1、阎石著，数字电子技术基础，高等教育出版社，第五版。 2、王金明著，数字系统设计与Verilog HDL，电子工业出版社，第4版。 3、数字系统设计，自编补充讲义。 4、Stanford 大学 108A课程notes. 5、D M Harris, and S L Harris. Digital Design and Computer Architecture, Morgan Kaufmann Publishers, 2007.（有新版本）,授课方式,a. 教师讲授（讲授核心内容、总结、按顺序提示今后内容、答疑、布置相应作业等）； b. 学生课后复习、阅读，完成作业； c. 布置大型作业或研究专题，培养学生系统的概念。 d. 习题与讨论课（根据作业情况重点讲解学生容易发生错误的内容，讲解典型例题，帮助学生深入理解掌握教学内容，对大型作业或专题研究开展交流讨论）； e. 期中、期末闭卷考试。,考试评分与建议,课程作业、期中考试（10%） 、上课出勤、大作业或专题研究率等平时成绩占30; 期末闭卷考试占70。,数字系统概述,数字系统通常由控制电路、多个受控电路、输入/输出电路、时基电路等部分组成 输入电路:将外部信号（开关信号、时钟信号等）引入数字系统 控制电路:逻辑处理，或控制受控电路 输出电路:产生外部执行机构（LED、数码管或扬声器等）所需信号 时基电路:产生各种时钟电路，保证整个系统在时钟作用下协调工作,测速系统：测量转子转速,系统框图：,传感器,软件实现,工作原理,转子上一圈涂黑，只留一个缺口不涂黑，即这一缺口对光线有反射； 反射光经光电接收器转换成电脉冲信号，将此信号经过放大整形 计数脉冲输入计数器 时钟振荡器的振荡周期为1分钟 时钟振荡器产生的脉冲信号将计数器的一分钟的计数结果输入寄存器之后，将计数器清零，并重新计数； 计数器的计数结果经寄存器存储 译码器译码之后输入显示器显示，最终显示器中显示输出轮子每分钟的转数。,设计任务有三个： 基本元件设计 振荡、整形、计数、寄存、译码器中的基本数字元件：门、触发器等； 功能部件设计 振荡、整形、计数、寄存、译码器等功能部件设计:由基本数字元件构成； 系统整体设计 各功能部件间的工作配合及连接:时间与空间的配合。 系统软件的设计,什么是硬件设计？,硬件设计就是根据产品经理的需求、在产品销售经理的要求下，利用目前业界成熟的芯片方案或者技术，在规定时间内完成： 功能(Function)， 性能(Performance)， 电源设计（Power Supply)， 功耗(Power Consumption)， 散热(Thermal/Cooling)， 噪音（Noise）， 信号完整性(Signal Integrity)， 电磁辐射（EMC/EMI)， 安规(Safety)， 器件采购(Component Sourcing)， 可靠性(Reliability)， 可测试性（DFT: design for test）， 可生产性（DFM：design for manufacture)等要求的硬件产品,