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FPGA设计之数电数集基础知识

最近在为找工作提前做准备了,在系统的看一些基础知识,本节主要复习了常考的数电数集的基础知识。

逻辑函数化简

1.公式法

  • 并项法:AB + AB‘ = A
  • 吸收法: A + AB = A
  • 消项法:AB + A’C + BC = AB + A‘C
  • 消因子法:A + A’B = A + B

2.卡诺图法

  • 二变量卡诺图

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  • 三变量卡诺图

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  • 四变量卡诺图

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  • 逻辑函数表达式—->卡诺图

    • 直接对逻辑表达式的每一项进行以二进制形式的补项

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    • 直接画卡诺图,画出每项的范围,找重叠项

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  • 如何化简为最简与或式

    • 将相邻为1的小方格圈在一起(小方格的个数必须是$2^m$)

    • 圈里面的1个数越多越好

    • 小方格可以重复使用

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  • 卡诺图上变量的取值顺序采用的是格雷码(循环码的一种)


MOSFET结构

1.P型与N型

  • P-type与N-type半导体

    • P型半导体:在纯净晶体的半导体(本征半导体,如硅晶体或锗晶体)中,掺入少量的三价元素杂质(如硼、铝、镓、铟),由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代,三价元素的杂质(以硼为例)会和纯半导体作用,硼原子的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候,会产生一个“空穴”(电洞),这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”,使得硼原子成为带负电的离子。这样,这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”(“相当于”正电荷),成为能够导电的物质。
    • N型半导体:就是在纯净晶体的半导体(本征半导体,如硅晶体或锗晶体)中,掺入少量的五价元素杂质(如磷、锑、砷),由于半导体原子(如硅原子)被杂质原子取代,五价元素的杂质(以磷为例)会和纯半导体作用,磷原子的五个外层电子中的四个与周围的半导体原子形成共价键,多出的一个电子几乎不受束缚,较易成为自由电子。于是,n型半导体就成为了含自由电子浓度较高的半导体,其导电性主要是因为自由电子导电

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  • NMOSFET与PMOSFET

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2.CMOS管搭建门电路

  • PDN由NMOS器件构成,而PUN由PMOS器件构成,这一选择的主要理由是NMOS管产生“强0”,PMOS管产生“强1”

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  • 互补CMOS门在本质上是反相的,只能实现如NAND、NOR及XNOR这样的功能,用单独一级来实现非反相的布尔函数(如AND、OR或XOR)是不可能的,因此要求增加额外一级反相器

  • 实现一个具有N个输入的逻辑门所需要的晶体管数目为2N

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  • CMOS复合门

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CMOS反相器

  • 反相器的结构:

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  • 噪声容限:前一极输出为最坏的情况下,为保证后一极正常工作,所允许的最大噪声幅度

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  • 转换时间(过渡时间)

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  • 传播延时:输入信号变化到50%Vdd到输出信号变化到50%Vdd之间的时间

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竞争与冒险

  • 竞争:各信号到达目标位置的时延不同, 到达终点的时间有先有后造成竞争。 两个输入信号同时向相反方向的逻辑电平跳变的现象。 有竞争不一定有冒险

  • 冒险:由于竞争现象所引起的电路输出发生瞬间错误的现象,就称之为冒险

  • 解决办法:

    • 加滤波电容,消除毛刺影响。

    • 增加冗余项,消除逻辑冒险:在原先的逻辑表达式中,加上一个冗余项,反映到卡诺图就是将两个独立的消除项连接起来

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    • 改变设计,减少毛刺发生

      • 使用格雷码
      • 使用同步电路

锁存器和触发器

1.锁存器

  • 锁存器对电平信号敏感,在输入脉冲的电平作用下改变状态

  • S-R锁存器

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  • 门控锁存器

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2.触发器

  • D触发器

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  • S-R触发器

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  • J-K触发器

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  • T触发器

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    • 其中圈+表示异或
  • 触发器之间的转换

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同步复位与异步复位


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