FPGA學習筆記02 數字邏輯電路

2021-09-21 17:30:03 字數 3568 閱讀 7996

組合邏輯電路(combinational logic)是一種邏輯電路,它的任一時刻的輸出,僅僅與當前時刻的邏輯輸入變數的取值有關(沒有輸出到輸入的反饋,開環系統)。

時序邏輯電路是指電路任何時刻的穩態輸出不僅取決於當前的輸入,還與前一時刻輸入形成的狀態有關(閉環系統)。

同步時序電路中所有儲存元件(儲存部件:觸發器、儲存器等)都在時鐘clk的統一控制下,用觸發器作為儲存元件。幾乎現在所有的時序邏輯都是同步邏輯。幾點注意:

(1) 由於只有乙個時鐘訊號,只在時鐘的邊沿改變內部所有的狀態。

(2) 在時序邏輯中最基本的儲存元件是觸發器。

(3) 每乙個電路裡的運算必須要在時鐘的兩個脈衝之間固定的間隔內完成,稱為乙個時鐘週期。只有滿足這個條件時,才能保證電路是可靠的。

同步邏輯的兩個缺點:

(1) 時鐘訊號必須分布到電路上的每乙個觸發器。而時鐘通常都是高頻率的訊號,這會導致功率的消耗,也就是產生熱量。即使每個觸發器沒有做任何的事情,也會消耗少量的能量。

(2) 最大的可能時鐘頻率是由電路中最慢的邏輯路徑決定的,也就是關鍵路徑。意思就是說每個邏輯的運算,從最簡單的到最複雜的,都要在每乙個時鐘的週期中完成。

非同步時序邏輯是時序邏輯的普遍本質,但是由於它的彈性關係,他也是設計上困難度最高的。

最基本的儲存元件是鎖存器,鎖存器可以在任何時間改變它的狀態,依照其他的鎖存器訊號的變動,他們就會產生新的狀態。

雙穩態電路有兩個工作狀態,乙個工作狀態輸出邏輯「1」,另乙個是輸出邏輯「0」。當雙穩態儲存電路處於這兩個狀態中的乙個狀態時,需要外界施加能量,使其從一種狀態變化到另一種狀態。在兩個狀態跳變期間,輸出訊號必須移動通過不穩定狀態區域。

儲存電路設計不允許在不穩定區域內(亞穩態)無限停留。一旦它們進入不穩定狀態,它們立即嘗試重新進入兩個穩定狀態中的乙個。

1、鎖存器

(1) 基本rs鎖存器

(2) 同步rs鎖存器

(3) d鎖存器

為了避免在rs鎖存器**現的不期望的狀態,確保s和r總是處於相反的邏輯值。在之前的同步rs鎖存器基礎之上新增乙個反相器。

2、觸發器

note: 觸發器與鎖存器的不同之處在於,鎖存器依靠控制訊號的電平高低來實現資料的儲存;而觸發器是依靠時鐘控制訊號的「邊沿變化」來實現資料的儲存。觸發器只對「邊沿」敏感,而鎖存器只對「電平」敏感。

(1) d觸發器

基本d觸發器,觸發器在時鐘clk的上公升沿將d的值鎖存到q。其他時間段保持。

(2) 帶有置位/復位的d觸發器

在基本d觸發器的結構中新增了非同步置位/復位訊號。

(3) jk觸發器

jk觸發器使用兩個輸入控制狀態的變化(將d觸發器中的d輸入改為jk輸入)。

(4) t觸發器

3、暫存器

暫存器就是在d觸發器的基礎之上新增了乙個load控制引腳。當load訊號線為高電平時,inp0的訊號就在下乙個時鐘上公升沿到來的時候,鎖存到輸出q0。

4、移位暫存器

當每個時鐘上公升沿來時,資料向右移動一位。

儲存器按照資料是否掉電丟失分為易失性儲存器和非易失性儲存器。

儲存器的兩個主要引數:寬度和深度。

易失性儲存器又稱為ram(random access memory),要求上電以維持資料資訊,斷電後資料丟失。ram按照資料儲存是否需要重新整理又分為兩類:sram(static ram,靜態儲存器)以及dram(dynamic ram,動態儲存器)。

1、sram

靜態ram的主要特點:通常使用六個電晶體儲存乙個位元位資料,資料儲存期間不需要重新整理;具有快速的訪問速度(比dram要快);sram的功耗較大;密度較低,所需面積較大,單位儲存成本高。主要應用於cpu的一級緩衝和二級緩衝。

2、dram

動態ram的主要特點:使用乙個電晶體和乙個電容來儲存乙個資料位元位,根據電容是否帶電來表示「1」或者「0」;由於電容上的電荷會洩露,所以dram需要週期性的重新整理(充電);與sram相比,dram儲存密度高,成本較低,但是速度比sram要慢。sdram指的是synchronous dynamic ram,即同步動態儲存器,要求memory工作需要同步時鐘。

dram分類(generation):

單資料率(signal data rate,sdr),只使用時鐘的上公升沿儲存或者讀取資料。

雙資料率(double data rate,ddr),使用時鐘的上公升沿及下降沿儲存或者讀取資料,因此為雙資料率。

雙資料率*n(double data rate n,ddrn),n表示ddr的代數,例如ddr2,ddr3,ddr4。

rom(read only memory,唯讀儲存器),但後來的非易失性儲存器都為可擦寫的。rom分類:

prom為可程式設計rom,但是寫入一次之後就不能再擦除了。

eprom為紫外線可擦除rom,rom可以在紫外線的照射下擦除。

eeprom為電可擦除rom,指rom可以通過過電子擦除。

flash儲存器又稱為快閃儲存器,它結合了rom和ram的長處,不僅具備電子可擦除的效能,還不會斷電丟失資料,同時可以快速讀取資料。

flash主要分為兩類:nor flash和nand flash。

nor flash中的單元是按照或非的連線方式,nand flash中的單元是按照與非的連線方式,nand相較於nor來說成本較低,但是效能不如nor。

在嵌入式系統中,nor flash可以用來儲存系統程式,mcu可以直接執行儲存在nor flash中的程式,而不必將其遷移到sram中。nand flash主要應用於大容量儲存,例如固態硬碟等。nand flash也應用於doc(disk on chip),例如mcu中的flash使用的就是nor flash。

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