数字逻辑设计2013

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暂颜
7 years ago
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1 数字逻辑设计 Digital Logic Design 佟冬

2 课程介绍欢迎进入数字世界!

3 为什么学习逻辑设计? 显而易见的原因本课程是计算机科学和计算机工程课程的一部分是所有现代计算设备的实现基础用小部件实现更大的系统提供计算机如何工作的基础模型更重要的原因硬件内在的并行性让我们第一次涉及到并行计算本课程提供了一个与软件设计相对应的的有趣知识, 有利于进一步大体上理解计算 Computation 3 3

4 课程介绍课程名称 : 数字逻辑设计课程类型 : 本科生限选课学生专业 : 计算机科学与技术学时与学分 :54 学时,3 学分主讲教师 : 佟冬办公室地址 : 理科 1 号楼 1818 房间电话 : 预备知识 : 数学, 物理, 电路 4

5 上课方式上课时间周一 ( 单双周 ) 1-2 节 ( 二教 411) 周四 ( 双周 ) 5-6 节 ( 二教 411) 课程网址学校教学网答疑时间学校教学网答疑平时答疑 : 联系时间考试答疑 : 考试前一天 5

6 教材和参考书教材现代逻辑设计 Contemporary Logic Design, by R. H. Katz and G. Borriello, 罗嵘等译, 第二版, 电子工业出版社 ( 中文版 ) 主要参考书 Digital Design Principles and Practices, by J. F. Wakerly, 第三版, 高等教育出版社 ( 影印版 ) Digital Logic Circuit Analysis & Design, by N. P. Nelson, 清华大学出版社 ( 影印版 ) 6

7 课程考核作业和课堂参与 (30%) 课程参与情况 5% 书面作业 +FPGA 电路设计 25% 期中考试 (20%) 期末考试 (50%) 相关实验课程数字逻辑实验 7

8 课程助教谢明利张帆张路 8

9 课程结构概述基础理论知识数字系统和编码布尔代数基础数字电路基础数字电路分析与设计组合电路分析与设计同步时序电路分析与设计可编程逻辑器件和设计软件实践原理图 Verilog 设计 Xilinx BASYS2 开发板实践 9

10 10 Xilinx BASYS2 实验板

11 学习收获掌握数字电路设计的基础理论了解实现数字电路的工艺器件基本原理掌握数字电路的分析方法重点掌握数字电路设计方法和实现方法培养对计算机硬件设计的兴趣了解数字系统设计的现状实践用可编程器件实现数字电路的方法学习简单的并行的思维方式 11

12 人是如何计算的? 简单的模型? 感知 : 眼耳等判断命令 : 行为记忆大脑 12

13 如何做出一个能计算的设备? 人的计算方法? 计算设备 13

14 计算的简史 ( 硬件部分 ) 从人脑到电脑

15 15 人是如何计算的? 计数 count 计算 calculate 通过数学过程来判定 to determine by mathematical processes 计算器 Calculator, 可以执行数学计算的电子设备 an electronic device for performing mathematical calculations 计算机 computer 计算的人一种可以存储查询和处理数据的可编程电子设备, a programmable usually electronic device that can store, retrieve, and process data

16 目前构造计算机的装置和材料电子装置集成电路芯片处理器存储器固态硬盘机械装置磁盘中寻道读写头键盘鼠标光学装置光纤 CDROM 16

17 计算的历史计算机历史只有 60 多年? 不对! 数字电子计算机的历史只有 60 多年! 计算机革命发生在过去的 60 多年中而且还正在进行计算和计算机的历史源远流长把握历史时间地点人物重要事件计算的历史伴随着计算机的发展和器件的发展 17

18 数字的出现数字的出现数字在各个古代文明中都独立的存在数字都以十进制数为基础阿拉伯数字 Digit 的解释人的手指或脚趾指宽阿拉伯数字符号从 0 到 9 中的任意一个用在计算系统中的符号 18

19 早期的计算工具计算的出现计算的需求原始的计算方法最早的计算机算盘 ( 按位记数法 ) John Napier 发明对数数字和带数字的木条进行计算 1633 Oughtred 发明计算尺 19

20 机械计算机 Blaise Pascal 加法器 1673 Leibniz 四则运算计算器 19 世纪 Charles Babbage 齿轮差分机 (difference engine) 构思了一台由存储装置和算术装置组成的分析机 (Analytical engine) 由于工艺水平的限制当时没有能够实现第一台计算机 20

21 21 最早的计算器公元前年

22 穿孔卡片和程序 1804 Joseph Jacquard 穿孔卡片式织布机 Ada Byron aka Lady Lovelace 概念性的程序指令存储实用穿孔卡片打印的能力 Computer 词的出现到 1940 前 Computer 指雇佣来负责计算数字的人 22

23 齿轮 + 穿孔卡片机械计算器 1886 Burroughs 纪录式加法器 1889 Hollerith 穿孔卡片系统 1911, CTR 公司 1924, IBM 公司 23

表示信息 A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits(1938) Master thesis

24 数字计算机的数学基础 1850s, George Boole 将逻辑表述映射到符号采用数学的方法处理逻辑推理 An investigation into the Laws of Thought 1938s, Claude Elwood Shannon 将布尔代数和硬件开关相联系第一次提出 bit( 比特 ) 表示信息 A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits(1938) Master thesis in MIT 香农加入 AT&T Bell 实验室 The mathematical theory of communication,

25 如何做一个能计算的设备? 人的计算方法布尔代数? 开关电路计算设备 25

26 布尔代数和开关电路 : 与非门 (NAND) 布尔代数 a b f NAND (a, b) = ab (a) A B L L H H L H L H (b) Y H H H L 逻辑门 A B Y A B Y A B & Y (c) 高 (d) A (e) B 高开关电路 A Z A Z B B 26 低低

27 编码 (Code) 二进制 1824, 路易布莱尔 Louis Braille 盲文, 国际通称布莱尔 (braille) 27

28 摩斯码二进制 1844 Samuel Morse 电报编码和解码航海信号灯的开和关表示信息 28

29 继电器 1835 Joseph Henry 继电器 (relay) 1876 Alexander Bell 电话 AT&T 公司电话开关网络 29

30 机电计算机 Konrad Zuse s Z-1 (1935) 1937,George Slibitz of Bell Laboratory Model-K 使用继电器设计自动计算器 1944, IBM/Harvard Mark-I 30

31 第一代实用的数字电子计算机 - 真空管 1904 John A Fleming diode vacuum tube 1906 Lee de Forest threeelectrode vacuum tube 1943 Colossus Mark I 1946 第一台完整的数字电子计算机 ENIAC 十进制个真空管 ( 电子管 ) Presper Eckert John Mauchly 31

32 ABC- 第一台数字电子计算机 1942 John Atanasoff Clifford Berry 爱荷华州立学院 (Iowa State College) ABC: Atanasoff-Berry Computer 二进制 280 真空管 315 公斤 32

33 第二代数字电子计算机 - 晶体管 Bell Labs John Bardeen Walter Brattain William Shockley 发明晶体管 (Transistor) 1956 年诺贝尔物理学奖 1951 William Shockley invents the junction transistor( 结型晶体管 ) Texas Instruments silicon transistor 33

34 第三代数字电子计算机 - 集成电路集成电路 (Integrated Circuit, IC) 1958, 德州仪器 (TI) Jack Kilby 用线连接 5 个元件 2000 年诺贝尔物理学奖 Robert Noyce, 仙童 (Fairchild) 1959, 德州仪器 (TI),Jack Kilby Flip-flop IC 双极型晶体管 (TTL, ECL) 34

35 第三代数字电子计算机 ( 续 ) 1961, 仙童第一个单片平面集成电路,set/reset flip-flop 1962, 仙童 NPN 晶体管 1969, 仙童 MOS 管双极性晶体管集成电路 (TTL, ECL) SSI(Small Scale IC) and MSI(Medium Scale IC) bit ASCII 35

36 第四代计算机 - 大规模集成电路微处理器集成电路工艺的发展大规模集成电路 (Large Scale IC, LSI) 超大规模集成电路 (Very Large Scale IC, VLSI) 1971,Intel, 微处理器,4004 Ted Hoff 2300 晶体管, 3x4 mm 2 Intel 8008, 8080, Z-80, ,Carver Mead and Lynn Conway An Introduction to VLSI systems 36

Moore 定律 Dr. Gordon E. Moore is Chairman Emeritus of Intel Corporation. He co-founded Intel in 1968, serving initially as Executive Vice President.

37 Moore 定律 Dr. Gordon E. Moore is Chairman Emeritus of Intel Corporation. He co-founded Intel in 1968, serving initially as Executive Vice President. He became President and Chief Executive Officer in 1975 and held that post until being elected Chairman and Chief Executive Officer in He remained CEO until 1987 and served as Chairman until being named Chairman Emeritus in The number of transistors per integrated circuit would double every 18 month. 这个论断是在第一块平面集成电路产生 4 年以后的 1965 年做出的当时认为这个发展趋势将持续到 1975 年事实上, 这个发展规律在目前仍是正确的按目前发展趋势, 这个规律仍将有效至少 10 年 37

38 38

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40 40

41 41 集成电路工艺发展 ( 来源 :IBM)

42 42 集成电路工艺发展 ( 来源 :IBM)

43 43 集成电路的发展

44 集成电路工艺最新进展 2010 年 2 月自然纳米技术 44

45 集成电路工艺的新进展 Intel 3D tri-gate CMOS 45 3D-stack Chip

46 纳电子 Nanoelectronic( 第五代?) 碳纳米管 Carbon nanocube 碳纳米线 Carbon nanowire 46

47 石墨烯 Graphene 2010 年诺贝尔物理奖 A. K. Geim K. S. Novoselov Electric field effect in atomically thin carbon films, Science, Oct.22,

48 先进的数字设备无处不在的计算云计算嵌入式系统可穿戴计算机 48

49 设计方法和工具的发展手工物理层设计 CAD 门级和开关级 EDA 硬件描述语言 (Verilog and VHDL) 综合工具验证工具布局布线工具 ESL 高级描述语言 (SystemC, C++) 开创一个新的工业 49

50 50 集成电路设计和验证的问题

51 51 集成电路的功耗问题 (Power)

52 52 集成电路的功耗问题

53 绪论佟冬

54 一个简单的模型模拟世界 A/D 数字世界 D/A 54

55 模拟和数字 (Analog vs. Digital) 模拟量时间上和量上都是连续的缺点 : 很难度量, 容易受噪声的干扰, 难以保存优点 : 用精确的值表示事物真实的世界是模拟的! 数字量时间上和量上都是离散的 ( 非连续的 ) 优点 : 更多的灵活性, 更快, 更精确的计算容易实现存储设备, 误差监测和修正, 容易最小化二进制编码 55

56 数模转换模拟 - 数字转换 (A/D) 采样 -> 量化 -> 编码数字序列数字 - 模拟转换 (D/A) 模拟低通滤波器近似的模拟信号失真 (a) 模拟形式 (b) 采样后的模拟形式 (c) 数字形式 56

57 数字系统设计数字系统对数字处理和存储的系统什么是设计? 给定一个问题的表述, 从可用功能部件集合中从优选择, 得到一种解决问题的办法分而治之的方法工具方法学满足一定的约束 (Constraint) 性能, 价格, 质量, 美观等等 57

58 逻辑设计 (Logic Design) 决定数字逻辑元件的集合, 执行一个指定的控制过程数据加工或者通信功能, 并决定逻辑元件间的互连选择什么逻辑元件实现技术固定功能的芯片器件可编程器件 FPGA 芯片内部的晶体管设计需要优化或改造以满足设计约束性能面积功耗成本 58

59 现代逻辑设计现代逻辑设计的特点设计复杂要求很短的开发时间数字硬件成本很低, 性能却很高现代逻辑设计的趋势用软件工具自动生成数字电路 (EDA) 采用已经设计好的数字元件 (IP) 更加关注规格说明书的制作 (Specification) 硬件和软件协同设计 59

60 计算 : 抽象和实现 ( 零壹赋值与或非 ) 本课程是关于物理上如何实现计算, 采用物理器件并用电压来表示逻辑值计算的基本单元 : 表示 : 连线上的 0 和 "1" 赋值 :x = y 数据操作 :x + y 5 控制 : 顺序结构 : 条件结构 : 循环结构 : A; B; C if x == 1 then y for ( i = 1 ; i == 10, i++) 过程结构 : A; proc(...); B; 本课程将学习这些如何用硬件实现并组成计算设备 60

61 数字设计的表示法物理器件 Physical devices (transistors, relays) 开关 Switches 真值表 Truth tables 布尔代数 Boolean algebra 门 Gates 波形图 Waveform 有穷状态行为 Finite state behavior 寄存器传输行为 Register-transfer behavior 61

62 组合电路和时序电路数字系统的简单模型是由输入和输出的部件输入系统输出 62

63 组合电路和时序电路组合电路输出值是输入值的逻辑函数输入值变化后一段时间后出现新的输出值电路没有记忆功能电路中没有循环反馈 (feedback loop) 和时钟时序电路输出值是输入值和电路状态的函数输入变化后新的输出出现在下一个时钟事件或者其他事件发生电路有循环反馈, 存在存储元件 63

64 组合电路举例日历子系统, 计算每个月的天数用来在显示器上显示输入 : 月份闰年标志输出 : 天数 64

65 软件的实现 integer number_of_days ( month, leap_year_flag) { } switch (month) { } case 1: return (31); case 2: if (leap_year_flag == 1) then return (29) else return (28); case 3: return (31);... case 12: return (31); default: return (0); 65

66 组合数字系统硬件实现问题 : 输入输出的数量? 月的二进制表示? 4 个输出线电路行为 : 组合电路真值表 month leap d28 d29 d30 d31 month leap d28 d29 d30 d

67 组合电路实现本课程讲学习如何设计? 67

68 时序电路举例组合门锁 : 连续输入 3 个正确的密码, 才能打开门 ; 只要有一个密码不对, 门锁将复位, 不接受任何密码 ; 知道特殊的复位操作才能打开门输入 : 输入值序列, 复位信号 reset 输出 : 门开 / 关存储 : 必须记住密码组合 68

69 软件实现 integer combination_lock ( ) { integer v1, v2, v3; integer error = 0; static integer c[3] = 3, 4, 2; while (!new_value( )); v1 = read_value( ); if (v1!= c[1]) then error = 1; while (!new_value( )); v2 = read_value( ); if (v2!= c[2]) then error = 1; while (!new_value( )); v3 = read_value( ); if (v2!= c[3]) then error = 1; } if (error == 1) then return(0); else return (1); 69

70 实现 : 时序电路实现 new value reset clock state open/closed

71 实现 : 时序电路实现 closed ERR reset closed S1 C1=value & new C1!=value & new closed S2 C2=value & new C2!=value & new S3 closed C3=value & new C3!=value & new open OPEN not new not new not new

72 实现 : 时序电路实现数据通路 :Datapath 存储预设密码比较器控制器 :Controller 有穷状态机控制 ; 状态控制数据通路 value comparator 数据通路 C1 C2 C3 multiplexer mux control new 控制器 equal controller reset clock equal open/closed

73 数字系统数字系统数据通路控制器代码寄存器算逻部件 ALU 多选器状态寄存器译码器寄存器组合逻辑开关网络 73

74 当前数字设计的趋势越来越复杂的设计性能越来越高越来越短的推向市场时间 (Time to Market) 越来越低的价格大量使用计算机辅助设计工具多层次的设计描述大量使用复用技术 IP(Intellectual Property) 验证技术成为关键 (60%-80% 的时间 ) 74

75 课程重点在设计层次上以门级 (Gate Level) 为主是一门关于逻辑门和连接线的艺术 A/D -> 数字处理和存储 -> D/A 数字处理原理方法 ( 分析设计和优化 ) 实现 ( 器件 ) 掌握数字设计中的最基础的知识最基本的方法 75

76 课程小结数字系统对数字处理和存储的系统模拟世界模拟量 A/D 数字世界? D/A 76

77 如何做一个能计算的设备? 人的计算方法? 计算设备 77

数字逻辑设计2013

数字逻辑设计2013 数字逻辑设计 Digital Logic Design 佟冬 [email protected] http://mprc.pku.edu.cn/courses/digital/2014spring 课程介绍欢迎进入数字世界! 为什么学习逻辑设计? 显而易见的原因本课程是计算机科学和计算机工程课程的一部分是所有现代计算设备的实现基础用小部件实现更大的系统提供计算机如何工作的基础模型