邏輯電路設計

Logic Circuit Design教師：賴薇如

wrlai@saturn.yzu.edu.tw

Office: 2307 Telephone:2431

Lab: 3412 Telephone:2414-35

Text Book and Reference

Textbook– Charles H. Roth, Jr., Fundamentals of Logic

Design, 5th edition, West Publishing Co., 1992.

Reference book– A First Course in Digital System Design, An

Integrated Approach, John P. Uyemura, Georgia Institute of Technology. Books/Cole Publishing Company

Course Time

B 班– Monday 8 (3:10 - 4:00) – Friday 1,2 (8:10 - 10:00)

Classroom: 2008 Office Hour: Wednesday 13:10-14:30

3412R

Teacher Assistant

周旭陵 , 彭健倫– 3412R – Tel: 2415 – 35

如果你缺乏計算紙或作業紙 , 可以到 3412 領取 .

Web Site

IP address: 140.138.137.171 or pcs.eed.yzu.edu.tw–上課講義 ,考古題

Portal–公布作業與解答–學習與討論–最新資訊 , ex: 考試時間與地點

請一定要上網參考這些資料

上課要求 上課請帶課本 儘量作筆記 上課請不要私下說話,開手機 , 有問題請馬上發問

每個 Unit 上完後 , 下一次上課前交作業 請按時交作業 請尊重你的老師 ,助教與同學

心態的改變 適應新環境,新老師,新的教法 請唸英文原文書 唸書的時間應該比老師準備的時間長 作業自己寫, 程式自己寫 不用功一定會付出代價 唸書的目的, 為自己的未來唸書 選擇你喜歡的科系, 尊重你的選擇 努力去具備系上要求的基本能力

Evaluation

Class Presentation (10%) Homework (2%*10=20%) Quizzes (7%*4=28%)

– 10/3, 10/24, 11/28,12/19 導師時間 Mid exam (20%) 11/9 Final exam (22%) 1/11

Your Background

Do you know...– Analog ( 類比 ), digital ( 數位 )– Bit (=0/1), byte (=8 bits)– 2-state signal – 如何用自然事物表現 0/1 – binary number – 二元數字系統– Diode, transistor, TTL, CMOS...– System design, logic design, circuit design

Analog vs. Digital

Analog system– The physical quantities or signals may vary continuously

over a specified range.

Digital system– The physical quantities or signals can assume only

discrete values.

0 1 2 3 3 0 3 2 3 2 0...

Analog Signals

在大自然中的信號，均以類比型態存在。 類比信號的特色是信號在時間軸上連續，也就是在任何時間點上，都會有對應的信號值。

若在傳遞的過程中信號衰減或是受到環境的干擾，造成了波形的改變，稱為失真。傳送類比的信號，必須小心保持它的波形，因為波形一旦失真後，不易回復成原始的形狀。

Digital Signals

把大自然中的信號解讀成0與1。 數位化（Digitalize） ：將大自然之類比信號，轉換成一群 0 與 1 的序列信號。

– 只有0 與 1 的binary system。– Ex: 510=01012

logic 0

logic 1

volt

1

2

3

4

5

0

Unknown

0 1 0 1

Analog or Digital? (1/2)

Analog systems 與 digital systems 的差別主要在於看待與處理資料的方式。

一個介於 0-5V 的電壓值 :– Analog view: 時間軸上每一個時間點的值都是有意義的，每一個電壓值都是有意義的。

– Digital view: only 0 & 1

Analog or Digital? (2/2)

Question: 下列那一些是類比的訊號 , 那一些是數位的訊號 ?– 人聲 , 手機電磁波 , 手機傳送的聲音資料 , CD 儲存的資料

– 水彩畫 , 照相底片的資料 , 數位相機的照片 Question: 使用 analog 和 digital 方式儲存照片的優缺點 ?

Question: 使用 analog 和 digital 方式傳送聲音的優缺點 ?

Advantages of Digital Signals

數位信號即使失真也容易辨別出為 0 或為 1 ，因傳送而導致的輕微的失真或衰減，可以還原（如 repeater ）。

可使用特殊的編碼技術傳送資料，辨別或解讀因嚴重干擾而傳送錯誤的資料。

可使用加密技術，避免被盜拷或竊聽。 01010011

odd parity0 1 0 1

Digital System

A digital system is an electronic network that “process” information using only digits to implement calculations and operations.

– Ex: 電話答錄機 , video game, CD, computer...

1. 要把外部 analog 訊號轉成 binary 的語言2. 用 0/1運算出結果3. 轉回 analog 的世界

Accuracy

使用 analog 的技術做運算，失真造成的誤差會累積。– Ex: 失真造成的誤差會被放大累積

（ 5.9*100=590 ）。 使用 digital 的技術做運算，少量的失真可以還原。– Ex: 針對每一個 digit做運算，失真不會累積

（ 1102*11001002=1001011002）。– 有比較高的正確性。

Audio System

類比資料

取樣

4 12 4 24 14

編碼00000100……00001111

數位資料

量化

取樣 連續的類比信號每隔固定的時間，取出一個值，稱為取樣。

原本在時間軸上連續的信號，在取樣後變成非連續的信號，被稱作離散信號（ discrete signal ）。

在單位時間內取樣的次數，稱為取樣頻率（ sampling rate ）。– 例如每秒取 8000 個數值，則取樣頻率為 8000Hz 。

取樣定理 取樣定理（ Sampling Theorem ，即

Nyquist Theorem ）： 取樣頻率需高於所欲取樣之類比信號的最高頻率的 2倍，才能還原成原始的類此信號。

若以人類聲音為例，其頻率範圍約在 300至 3400Hz 之間，因此 PSTN 電話系統的語音信號取樣頻率為每秒 8000 次。

量化 若要以有限長度 0 和 1 字串表示離散信號的振幅數值，就只能表現出有限數目的振幅數值，每個可表現的數值稱為量化準位（ level ）。

對於每一個取樣點的振幅，分別以最接近的量化準位來代表之，這個動作稱為量化（ quantization ）。

其取樣點與量化準位之間的差距，稱為量化誤差（ quantization error ）。

編碼編碼（ coding ）： 以一組欲先設定的 0 或 1 所組成的數字字串，來表示所規劃的所有的量化準位。

以 PSTN常用之脈碼調變（ Pulse Code Modulation ， PCM ）為例，是使用 8 位元編碼，共 256 個準位來表示人的聲音。取樣頻率為 8KHz ，意味著每秒傳輸 64,000 個位元，換言之，資料量的傳輸速率為64,000bps 。

Questions

如何用 analog 的實體來儲存 0 與 1? 如何用 analog 的實體來進行 0 與 1 的運

算 ?– Ex: 如何可以做到 1+1=10 的目的 ?– 那一些最容易實作出的運算元件 ? 換言之是最基本的運算 ?

– Answer: AND, OR, NOT, NOR, NAND and XOR logic gates.

Switching Devices (1/2)

Two-state devices: the output can assume only two different discrete values.– Example of switching devices: relays, diodes,

transistors, CMOS.

logic 0

logic 1

volt

1

2

3

4

5

0

On

Off

Unknown

Gate

Source

Drain

Transistor

Switching Devices (2/2)

A B F

0 0 +V 0 +V +V +V 0 +V +V +V 0

連結 switching devices 可以造出各種 0 與1 的運算，即造出一個 binary system 。

We can use binary system to present the circuits made by switching devices.

電子學要認真學習 !

NAND Gate

Circuit Design

Circuit design involves specifying the interconnection of specific components such as resistors, diodes, and transistors to form a gate, flip-flop, or other logic building block.

Integrated circuit (IC)超大型積體電路設計導論 &超大型積體電路設計實習

Representation of AND, OR, XOR, and NOT Gates (1/2)

Representation of AND, OR, XOR, and NOT Gates (2/2)

Logic Design

Logic design involves determining how to interconnect basic logic building blocks to perform a specific function.– Block: logic gates, latches, flip-flops– Larger blocks: addition, counter, memory, multiplexer, CPLD, FPGA

A B F

0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1

S-R Latch

To store 0 or 1. Use OR/NOT gates to construct a larger component!

LS

R

S

R

Q

P

Q

P

A new block

Half Adder

A + B = Sum with a Carry– Sum = A XOR B– Carry = A AND B

A

BCarry

SumXOR

AND

Half Adder

A B Carry Sum

0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0

HAA

B Carry

Sum

Theory in the Logic Design

“Logic Design” tells us the theory necessary for understanding the logic design process.

Boolean algebra: the binary number system used in the logic design.

技術會過時，但背後的理論基礎並不會改變。

Combinational Networks

The output values depend only on the present value of the inputs and not on past values.

Sequential Networks

The outputs depend on the present value of the inputs and past input values.

Basic memory elements: flip-flops feedbackmemory

Switching Circuits

Both combinational networks and sequential networks are called as switching circuits.

計算機概論，數位電路實驗

System Design

System design involves breaking the overall system into subsystems and specifying the characteristics of each subsystem.•Subsystem of computer includes memory units, arithmetic units, input-output units and control units.

Categories of Designs

The design of digital systems may be divided roughly into three parts– Circuit design, logic design, system design

Easy to design a digital system!– Basic block Small blocks Large blocks A

large system

微電腦系統，微電腦實驗，數位系統設計，計算機組織

Need to Learn for Logic Design

Number systems Boolean algebra Logic gates Combinational logic circuit design Multiplexers, decorders, and PLD Flip-Flops Sequential logic circuit design VLSI

Conclusions

This is an interesting course. Hope you like it.