数字电子学
EEEN11102
Digital Electronics
学习目标
课程内容：
本课程旨在为理解数字电子系统的设计和实施以及计算硬件的操作奠定基础。课程涵盖了从二进制数和逻辑门的基本概念，到数字电路的设计，再到复杂系统（如通用微处理器）的实施等内容。此外，课程还向学生介绍了现代数字设计方法。
1、第一部分：数字逻辑基础
- 数字系统介绍：二进制数、二进制加法、有符号算术、二进制编码、十六进制表示法、其他数字系统。
- 布尔代数：基本逻辑函数、补集、组合函数、逻辑对偶、De Morgans定理、布尔定理、逻辑表达式操作。
- 组合逻辑：真值表、逻辑门、逻辑网络的代数分析、标准形式（积和、和积）、实现成本。
- 逻辑优化：逻辑简化、代数方法、多级逻辑优化、优化目标：速度与功耗和面积、逻辑优化算法、EDA工具。
- 组合逻辑电路：多路复用器、基于多路复用器的逻辑、编码器、解码器、奇偶校验器、加法器、减法器、进位预测、乘法器结构。
- 时序逻辑电路：存储器元件：D型锁存器和触发器；时序功能：寄存器、移位寄存器、环形计数器、线性反馈移位寄存器（LFSR）、二进制计数器。
- 有限状态机（FSM）：状态图、同步和异步机、FSM架构、梅利机和摩尔机。
- 存储器阵列：地址和数据总线、地址解码器、存储器架构、存储器类型：SRAM、DRAM、闪存。
2、第二部分：数字系统实现
- 硬件实现的EDA工具：电子系统描述、硬件描述语言简介、组合和顺序组件描述。
- FSM的设计与实现：FSM的逻辑综合、状态编码、FSM优化、使用可编程逻辑器件的FSM实现。
- 可编程逻辑器件：可编程逻辑阵列、逻辑块和可编程互连、使用查找表实现逻辑、架构：CPLD、FPGA。
- 集成电路：基于开关的逻辑电路、晶体管、CMOS电路（逆变器、与非门、或非门）、开漏极和三态门、触发器；速度、功率、面积。
3、第三部分：计算机体系结构简介
- 通用计算：图灵机、存储程序计算机、CPU和内存。指令集。微体系结构。冯·诺依曼和哈佛体系结构。
- CPU微架构：程序计数器。指令解码器、寄存器文件、算术逻辑单元（ALU）、多路复用器、数据路径位宽。程序存储器和数据存储器。
- 指令集：机器代码、取指令-解码-执行周期。寄存器和存储器传输。算术和逻辑指令。跳转。条件分支、ALU标志（进位、零）、调用、指令编码、汇编语言、编译器。
- 现代CPU简介：ARM和RISC-V、流水线、缓存、并行性。片上系统。多核。加速器和GPU。浮点数。性能与功耗。微控制器。
课程目标：
- 提供数字电子系统设计的基础，涵盖数字系统、布尔代数、逻辑门以及组合逻辑和时序逻辑的设计；
- 介绍逻辑优化技术和电子设计自动化（EDA）工具的使用，用于数字电路的设计和实现，包括存储器阵列和有限状态机（FSM）；
- 让学生熟悉可编程逻辑器件（PLD），如CPLD和FPGA，及其在数字系统实现中的应用；
- 介绍计算机体系结构的关键概念。
学习成果：
成功完成课程后，学生将能够：
1、使用布尔代数操作逻辑表达式。
2、描述基本数字电路元件的操作：逻辑门、锁存器和触发器、多路复用器。
3、使用基本数字电路元件实现逻辑功能、二进制算术电路和顺序元件，如计数器、移位寄存器和有限状态机。
4、使用真值表、状态图、时序图和硬件描述语言表达组合和顺序元件以及有限状态机的功能。
5、描述逻辑电路优化的重要性，以及为此使用EDA工具的实践。
6、评估各种电路配置的实施成本、速度和功率之间的权衡。
7、解释数字存储器的设计，以及静态和动态、易失性和非易失性存储器之间的区别。
8、概述数字电路的实现途径，例如可编程逻辑器件和CMOS集成电路。
9、总结CPU的关键组件，并解释它们如何与逻辑电路结合。
10、描述CPU组件如何相互作用以执行机器代码。
11、解释微处理器指令集架构和微架构。
12、使用可编程逻辑器件和电子设计自动化工具实现逻辑电路。
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