FPGA第 6 篇，PFGA基础数字电路，PFGA基础知识数字电路，组合逻辑电路和时序逻辑电路，数字电路与模拟电路

前言

FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种高度灵活的硬件器件，可以通过编程配置其内部的逻辑单元和连接，适用于各种数字电路设计和实现。在学习FPGA之前，掌握数字电路的基础知识是非常重要的，这为理解FPGA的工作原理和设计逻辑电路奠定了基础。这里来记录一下，数字电路的基础知识

一. FPGA和数字电路的关系

数字电路是理解 FPGA 设计的基石。通过数字电路的知识，设计者可以理解逻辑电路的工作原理，并使用HDL代码将这些原理应用于实际的FPGA开发中。因此，学习数字电路不仅是理解FPGA设计的必要前提，也是编写有效HDL代码的基础。随着数字电路知识的积累，我们能够更好地掌握FPGA设计的复杂性，创造出功能强大、性能优越的数字系统。

二. FPGA基础知识数字电路

1. 数字电路的基本概念

数字电路是利用离散的电压等级来表示和处理信息的电路，它是一种电子电路，是现代电子工程中的一个重要组成部分，它处理的是离散的、数字化的信息。通常，数字电路使用二进制系统，只有两个可能的状态，分别表示为逻辑0和逻辑1，其中0和1分别代表低电平和高电平。在数字电路中，最基本的逻辑门包括与门（AND）、或门（OR）、非门（NOT）等，它们是构建复杂逻辑电路的基础。

2. ‌数字电路的定义和组成‌

数字电路是利用‌电源电压的高电平和低电平分别表示1和0，进而实现信息的表达。它使用‌二进制数字信号完成对数字量的‌算术运算和‌逻辑运算。数字电路由半导体工艺制成的数字集成器件构成，‌逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。‌存储器是用来存储二进制数据的数字电路。‌数字电路别名可叫做，数字系统或者数字逻辑电路。

数字电路处理离散的信号（通常是二进制信号），使用“0”和“1”两个电平来表示信息，这与模拟电路处理连续的电压信号不同。在二进制系统中，“0”通常代表低电平（如0V），而“1”代表高电平（如3.3V或5V）。具体的电压值取决于所使用的逻辑电路技术。

三. 数字电路中的布尔代数

在数字电路中，布尔代数（Boolean Algebra）是一种用于分析和设计数字逻辑电路的数学系统。它是由英国数学家乔治·布尔（George Boole）在19世纪中叶提出的，并且在数字逻辑和计算机科学领域有着广泛的应用。布尔代数的基本元素是二进制变量，即只能取两个值的变量：0（代表低电平或假）和1（代表高电平或真）。

下面是一些布尔代数的基本概念和运算规则：

1. 基本逻辑运算

与运算（AND）: 符号通常用 ⋅⋅ 或省略不写（ABAB），表示为 A∧BA∧B。与运算的结果只有当两个输入都为1时才为1。
或运算（OR）: 符号通常用 ++，表示为 A∨BA∨B。或运算的结果只要有一个输入为1时就为1。
非运算（NOT）: 符号通常用 ¬¬ 或撇号（'），表示为 ¬A¬A 或 A′A′。非运算的结果是输入的相反值。

2. 布尔代数的基本定律

交换律:

A⋅B=B⋅AA⋅B=B⋅A
A+B=B+AA+B=B+A

结合律:

(A⋅B)⋅C=A⋅(B⋅C)(A⋅B)⋅C=A⋅(B⋅C)
(A+B)+C=A+(B+C)(A+B)+C=A+(B+C)

分配律:

A⋅(B+C)=A⋅B+A⋅CA⋅(B+C)=A⋅B+A⋅C
A+(B⋅C)=(A+B)⋅(A+C)A+(B⋅C)=(A+B)⋅(A+C)

互补律:

A⋅¬A=0A⋅¬A=0
A+¬A=1A+¬A=1

单位元律:

A⋅1=AA⋅1=A
A+0=AA+0=A

零元律:

A⋅0=0A⋅0=0
A+1=1A+1=1

德摩根定律（De Morgan's Laws）:

¬(A⋅B)=¬A+¬B¬(A⋅B)=¬A+¬B
¬(A+B)=¬A⋅¬B¬(A+B)=¬A⋅¬B

3. 布尔代数的应用

布尔代数可以用来简化复杂的逻辑表达式，从而减少所需的逻辑门数量，使得数字电路更加高效和经济。通过应用布尔代数的基本定律和定理，我们可以对逻辑函数进行化简，实现更简单的硬件实现。

例如，考虑一个简单的布尔表达式 A⋅B+A⋅CA⋅B+A⋅C，我们可以通过分配律将其简化为 A⋅(B+C)A⋅(B+C)。这样的简化有助于减少实际电路中的逻辑门数量。

四. 数字电路中的逻辑门

逻辑门是数字电子学中的基本构建单元，它们执行特定的逻辑操作。与门（AND Gate）、或门（OR Gate）和非门（NOT Gate）是最基本的几种逻辑门。下面是这些逻辑门的定义及它们的功能：

1. 与门（AND Gate）

功能: 与门有两个或更多个输入端口和一个输出端口。当所有输入都为高电平时，输出才是高电平；只要有一个输入为低电平（0），输出就是低电平（0）。
数学表达式: 如果两个输入分别标记为 AA 和 BB，那么输出可以表示为 A⋅BA⋅B 或者 A∧BA∧B。
真值表:
A=0,B=0A=0,B=0 → 输出 00
A=0,B=1A=0,B=1 → 输出 00
A=1,B=0A=1,B=0 → 输出 00
A=1,B=1A=1,B=1 → 输出 11

2. 或门（OR Gate）

功能: 或门有两个或更多个输入端口和一个输出端口。只要有至少一个输入是高电平，输出就是高电平。只有当所有输入都是低电平时，输出才是低电平。
数学表达式: 如果两个输入分别标记为 AA 和 BB，那么输出可以表示为 A+BA+B 或者 A∨BA∨B。
真值表:
A=0,B=0A=0,B=0 → 输出 00
A=0,B=1A=0,B=1 → 输出 11
A=1,B=0A=1,B=0 → 输出 11
A=1,B=1A=1,B=1 → 输出 11

3. 非门（NOT Gate）

功能: 非门只有一个输入端口和一个输出端口。输出总是输入的相反状态。如果输入是高电平，则输出为低电平；反之亦然。
数学表达式: 如果输入标记为 AA，那么输出可以表示为 ¬A¬A 或者 A′A′。
真值表:
A=0A=0 → 输出 11
A=1A=1 → 输出 00

在数字电路中，信号被分为两个明显的状态：高电平（逻辑1）和低电平（逻辑0）。这些状态通常对应于电路中的特定电压范围。这种离散的信号处理方式使得数字电路具有很强的抗干扰能力，并且易于集成和大规模生产，广泛应用于计算机、通信设备、消费电子产品等各种现代技术中。

五. 组合逻辑电路和时序逻辑电路

组合逻辑电路和时序逻辑电路是数字电路设计中的两大类。它们的主要区别在于是否包含记忆元件以及输出是否直接依赖于输入信号。

1. 组合逻辑电路

定义：组合逻辑电路是一种数字电路，它的输出仅由当前输入信号决定，而不依赖于之前的输入状态。
特点：
输出与输入之间没有延迟。
不包含存储单元或记忆元件（如触发器）。
输入信号一旦改变，输出就会立即反映这种变化。
组成元件：由基本的逻辑门组成，如AND门、OR门、NOT门等。
应用：用于实现各种算术和逻辑操作，如加法器、编码器、译码器等。
示例：
加法器：将两个二进制数相加。
编码器：将多个输入信号转换成一个二进制代码。
译码器：将一个二进制代码转换成多个输出信号。

2. 时序逻辑电路

定义：时序逻辑电路是一种数字电路，它的输出不仅取决于当前输入信号，还取决于电路的当前状态（即历史信息）。
特点：
包含存储单元或记忆元件（如触发器）。
输出可能会有延迟，因为需要等待一个时钟周期以更新状态。
输入信号的变化不会立即影响输出，而是要等到下一个时钟边沿。
组成元件：除了基本的逻辑门之外，还包括触发器、寄存器等。
应用：用于实现数据存储、计数、序列发生等功能。
示例：
触发器：最基本的存储单元，可以存储一位二进制信息。
寄存器：一组触发器组成的电路，可以存储多位二进制信息。
计数器：能够按一定顺序产生一系列输出的电路。
有限状态机：根据输入信号和当前状态产生新的输出和状态。

3. 组合逻辑电路和时序逻辑电路区别

存储能力：组合逻辑电路不具备存储能力，而时序逻辑电路包含存储单元。

输出依赖性：组合逻辑电路的输出只依赖于当前输入，时序逻辑电路的输出既依赖于当前输入也依赖于之前的状态。

时钟同步：组合逻辑电路不需要时钟信号，而时序逻辑电路通常需要时钟信号来同步状态更新。

在实际应用中，组合逻辑电路和时序逻辑电路经常被结合起来使用，以实现更复杂的功能。例如，在CPU中，组合逻辑电路可以用来实现算术逻辑单元（ALU），而时序逻辑电路则用来实现寄存器文件和指令寄存器等。

六. 数字电路与模拟电路

数字电路和模拟电路是两种主要类型的电子电路，它们的主要区别在于处理信号的方式以及应用领域。

1. 数字电路（数字电路的定义）

数字电路处理的是离散的、二进制形式的信息。在数字电路中，信号只有两种状态：高电平（通常表示为1）和低电平（通常表示为0）。上面有提到

1. 数字电路的特点

抗干扰性强：数字信号不容易受到噪声的影响，可以通过再生来恢复原始信号。
易于存储和处理：数字信号可以通过计算机和其他数字设备进行存储、处理和传输。
易于集成：数字电路可以大规模集成，实现复杂的逻辑功能。
标准化：数字电路遵循标准的信号电平和接口协议，便于不同设备间的互连。

2. 数字电路的应用场景

计算机系统：CPU、内存、输入输出接口等。
通信系统：数字信号处理、调制解调器等。
消费电子：智能手机、平板电脑、电视机顶盒等。
FPGA设计：可编程逻辑器件用于实现各种数字逻辑功能。

3. 其它

信号类型：数字电路处理的是离散的、数字化的信号，这些信号通常是二进制形式的，即只有两个可能的状态：0 和 1。
工作原理：数字电路的工作基于布尔代数和逻辑门的概念，如AND门、OR门和NOT门等。
精度：数字电路具有很高的精度和可靠性，因为它们的输出状态是确定的，不容易受到噪声的影响。
功耗：数字电路在不活动状态下功耗较低，但在频繁转换状态时可能会消耗较多能量。

2. 模拟电路（模拟电路的定义）

模拟电路处理的是连续变化的信号，即信号的幅度可以取任意值。模拟信号的变化是平滑的，没有离散的跳变。

1. 模拟电路的特点

精度高：模拟电路可以非常精确地表示信号的变化。
适合信号处理：非常适合用于音频、视频等信号的放大、滤波和处理。
设计复杂：模拟电路的设计通常比数字电路更复杂，需要考虑许多物理效应。
易受噪声影响：模拟信号容易受到噪声的影响，需要采取措施来抑制噪声。

2. 模拟电路的应用场景

音频和视频处理：音频放大器、视频信号处理等。
传感器信号处理：温度、压力、光线等传感器信号的放大和滤波。
电源管理：稳压器、开关电源等。
通信系统：射频放大器、混频器等。

3. 其它

信号类型：模拟电路处理的是连续变化的信号，这些信号可以取任何值，通常表示为电压或电流的变化。
工作原理：模拟电路利用了线性和非线性元件的特性，如晶体管、电阻、电容等，来放大、滤波、转换信号。
精度：模拟电路的精度取决于电路设计和元件的质量，容易受到噪声和温度等因素的影响。
功耗：模拟电路通常需要持续供电才能保持其功能，因此功耗相对较高。

3. 数字电路与模拟电路的区别

信号处理方式：数字电路处理的是离散的、数字化的信号；而模拟电路处理的是连续变化的信号。

抗干扰能力：数字电路具有更好的抗干扰能力，而模拟电路更容易受到噪声的影响。

设计复杂度：数字电路的设计通常更加模块化和标准化，而模拟电路的设计往往更为复杂和依赖于特定的应用需求。

应用范围：数字电路主要用于数据处理、计算和通信等领域；模拟电路则更多地应用于信号处理和电源管理等方面。