邏輯設計

數位的基本概念

王宏祺講師

Department of Computer and Communication Kun San University

Tainan , Taiwan , R.O.C.

Feb. 23, 20111

1-1 數位量與類比量

1-2 二進位數字、邏輯準位和數位波形

1-3 基本邏輯運算

1-4 基本邏輯功能

1-5 數位積體電路

1-6 可程式邏輯：概論

1-7 程式規劃

1-8 VHDL概論2

1-1 數位量與類比量

電子電路可概分為兩類：數位電路與類比電路。

數位電子學用的是以離散值表示的量值

類比電子學所用的是以連續值來表示的量值。

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類比電子系統

用來將聲音放大，使龐大的聽眾能聽見的擴音設備就

是類比電路的應用實例。圖1-3為聲波 ( 在自然中為類比量

) 的基本圖形，聲波經由麥克風轉換為稱作聲頻信號

(audio signal) 的小類比電壓。此電壓隨著聲音頻率與音量

的改變而變化，並傳送到線性放大器的輸入端。放大器將

輸入信號放大後，由其輸出端輸出，再傳送到喇叭。喇叭

再將放大後的音頻信號轉變回聲波的形式，此聲波的音量

比原來由麥克風進入的聲波大了很多。

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類比電子系統

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1-2 二進位數字、邏輯準位和數位波形

數位電子學所涉及的電路與系統中只有兩種可能的

狀態。兩種狀態以兩個不同的電壓準位來表示：HIGH

和LOW。數位系統就用這兩種狀態的組合，即代碼，來

表示數目、符號、英文字母、或其它的資料形態。這種

雙態的計數系統就稱為二進位，它只採用1和0兩個數字

。一個二進位數字又稱為1位元。

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邏輯準位

用來表示1與0的電壓，又稱為邏輯準位 (logic level)。

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數位波形

切合實際的脈波圖形。

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數位波形

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數位波形傳送二進位資料

時脈波形 數位系統中，所有的波形都和基本的計時波形

( 即時脈 (clock) 波形 ) 同步調。時脈波形具有週期性，其

波形中兩脈波之間的間隔等於一個位元的時間。

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資料傳送

資料 (data) 指的是傳達某類資訊的位元群。由數位波

形來表示的二進位資料必須在數位系統內的電路之間，或

各個系統之間傳送，才能達成某特定功能。

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資料傳送

二進位資料的兩種傳送方式：串列與並列。

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例題一

1.試求圖1-42，數位波形的週期與頻率。

例題一

Ans:

1-3 基本邏輯運算

組成所有邏輯運算的三種基本的邏輯運算: NOT運算。

AND運算。

OR運算。

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NOT如圖1-16所示，NOT運算會改變邏輯準位。輸入為

HIGH (1) 時，輸出為LOW (0)。當輸入為LOW時，輸出

則為HIGH。不管是那一種狀況，輸出準位都會不同於輸

入準位。NOT運算是由稱為反相器 (inverter) 的邏輯電路

來執行的。

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AND

只有在所有的輸入皆為HIGH時，AND運算才會產生

HIGH的輸出。圖1-17以有兩個輸入端的情形為例。在兩

輸入皆為HIGH時，輸出才為HIGH。只要輸入準位有任

何一個為LOW，或全部為LOW，輸出便為LOW。AND

運算是由稱為AND閘的邏輯電路來執行的。

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OR

輸入有任何一個為HIGH時，OR運算產生HIGH的輸

出，圖1-18以有兩個輸入端的情形為例。當任一輸入準位

為HIGH，或兩者皆為HIGH時，輸出亦為HIGH。當兩輸

入準位同時為LOW時，輸出才為LOW。OR運算是由稱為

OR閘的邏輯電路來執行的。

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1-4 基本邏輯功能

組合這三種基本的邏輯元件 (AND, OR, NOT)，可以形成更複雜的邏輯電路，這些邏輯電路能用來執行許多有

用的運算，也能用來連接成完整的數位系統。一般的邏輯

功能有比較、計算、代碼轉換、編碼、解碼、資料選擇、

儲存和計數。

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計算功能

加 法 加法是由稱為加法器 (adder) 的邏輯電路來執行的。加法器將兩二進位數 ( 分別在A、B兩輸入端，旁邊還有一個進位輸入端 ) 相加，產生一個

總和輸出 () 和一個進位輸出 ( )，inC

outC

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編碼功能

編碼功能由邏輯電路編碼器 (encoder) 來執行，

。編碼器將諸如十進位數字或英文字母的資料轉換

成某種代碼形式。

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資料選擇功能

用來選擇資料的兩種電路分別是多工器和解多工器

。多工器 (multi-plexer，或簡寫為mux) 是依指定時序，

將數條輸入線上的數位資料切換到單一輸出線上的邏輯

電路。解多工器 (demultiplexer，或簡寫成demux) 是依

指定時序將單一輸入線上的數位資料切換到數條輸出線

上的邏輯電路。

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資料選擇功能

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儲存功能

正反器 (Flip-flop) 正反器是一次只能儲存一位元 (1或0)

的雙態 ( 兩種穩定狀態 ) 邏輯電路。

暫存器 (register) 暫存器是由數個正反器組合而成的，

所以可以儲存整組的位元值。這類元件又稱為移位暫存器

(shift register)。

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儲存功能

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儲存功能

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計數功能

數位系統中的計數功能是非常重要的。數位計數器有

很多種，但其基本用途就是要計數由準位或脈波變化來表

示的事件數，或者是要產生一特定的代碼順序。

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例題二

1.觀察圖1-44各個方塊電路的輸入和輸出信號準位。根據您的觀察結果，說出各方塊的功能。

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例題二

Ans:

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1-5 數位積體電路單晶片積體電路 (IC) 是完全建構在單一矽晶片上的

電子電路。組成電路的所有元件－電晶體、二極體、電

阻、和電容。

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IC包裝

常見IC包裝使用表面粘著技術 (surface-mount technology, SMT)。SMT包裝常見的四種類型為小型IC (small-outline IC, SOIC)、塑封載體包裝 (plastic leaded chip carrier, PLCC)、無接腳陶瓷晶片載體 (leadless ceramic chip carrier, LCCC)、及平面式包裝 (flat pack, FP)。

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積體電路複雜程度的分類

積體電路根據其電路的複雜程度來分類。

小型積體電路 (small-scale integration, SSI) 單一晶片

上最多有12個等效閘電路的積體電路，其中包含了基本

閘和正反器。

中型積體電路 (medium-scale integration, MSI) 單一

晶片上有12到99個等效閘電路，其中包含了編碼器、解

碼器、計數器、暫存器、多工器、算術運算電路、小量

記憶體、及其它邏輯功能。

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積體電路複雜程度的分類

大型積體電路 (large-scale integration, LSI) 單一晶片

上有100到9,999個等效閘電路，包含有記憶體。

超大型積體電路 (very large-scale integration, VLSI)

單一晶片上有10,000到99,999個等效閘電路。

極大型積體電路 (ultra large-scale integration, ULSI)

具有非常大的記憶體、大型微處理器、及大型的單晶片

電子計算機。100,000個以上的等效閘電路。

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PLD類型

可規劃邏輯元件之三種主要類型為：

‧SPLD(simple programmable logic device)‧CPLD (complex programmable logic device)及‧FPGA（field programmable gate array,現場可编程邏輯閘

陣列 )。‧每一主要類型通常會有各製造商之特定次分類，比如CPLD為製造商以Altera為主，而FPGA製造商則以Xilinx為主。

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PLD類型

複雜可規劃邏輯元件 CPLD具有遠較SPLD為高之容量，

使更複雜之邏輯可規劃於其中。典型之CPLD可等效於2個

至64個SPLD。35

PLD規劃程式

為PLD (programmable logic device)設計之邏輯電路

可用兩種方法之一輸入(有時亦可混合使用此二法):

圖形輸入(Schematic)

文字輸入(VHDL)。

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使用固定功能邏輯

固定功能邏輯元件 (IC) 只需插入以固接導線連接之電

路板即可使用。每一元件具有特定邏輯功能，而各元件則

互相連接以產生特定輸出。一旦元件於印刷電路板上互相

連接，此設計則無法輕易更動。要改變設計，可能需要移

除並替換某些元件，並且 ( 或者 ) 改變導線之連接。設計

更動甚至必須重新製作新電路板。雖然具有此不利之處，

在許多小規模應用上，固定功能邏輯可能仍為較佳之選擇

。

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使用固定功能邏輯

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VHDL

VHDL為用來規劃PLD之一種硬體描述語言

(hardware description language, HDL)。其中V代表

VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit)。VHDL

為IEEE協會 (Institute Electrical and Electronics

Engineers) 所採用之標準語言，為數種硬體描述語言

(HDL) 之一。

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