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《数字逻辑设计与应用：原理、实例与项目实践》 内容简介 本书旨在为读者提供一套全面、深入且注重实践的数字逻辑设计知识体系。全书内容围绕数字系统的核心——逻辑门、组合逻辑电路、时序逻辑电路以及可编程器件的应用展开，旨在培养读者从理论概念到实际工程实现的跨学科能力。本书结构严谨，逻辑清晰，不仅涵盖了数字电路设计的基础理论，更通过大量详实的实例和贯穿始终的项目实践，将抽象的逻辑概念转化为可触摸、可验证的工程成果。 第一部分：数字系统基础与数制表示 本书伊始，我们首先建立坚实的数理基础。第一章详细介绍了信息在数字系统中的表示方式，包括二进制、八进制、十进制和十六进制之间的相互转换，重点阐述了带符号数的表示方法，如原码、反码和补码，并分析了它们在计算机运算中的优劣。第二章聚焦于逻辑代数的基础，系统讲解了布尔代数的基本公理、定理以及De Morgan定律。在此基础上，我们深入探讨了逻辑函数的化简方法，从最基础的真值表法，到经典的卡诺图（Karnaugh Map）化简（涵盖两变量至五变量），最后引入了更具通用性的Quine-McCluskey（QM）算法，确保读者能够高效地处理复杂逻辑表达式。 第二部分：基本逻辑门与组合逻辑电路 第三章是关于基本逻辑元件的深入剖析。本章不仅介绍了AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR等基本门电路的逻辑功能和标准符号，还详细讲解了它们在集成电路（IC）中的具体实现技术，例如TTL和CMOS系列芯片的电气特性和使用注意事项。随后，我们转向组合逻辑电路的设计与分析。第四章集中讨论了译码器、编码器、数据选择器（MUX）和数据分配器（DEMUX）等中等规模集成电路（MSI）的功能及其在数据处理中的应用。通过实际案例，读者将理解这些电路如何实现数据的选择、复用和地址解码功能。 第五章是组合逻辑设计的核心，主要内容是加法器、减法器、乘法器等算术逻辑单元（ALU）的构建。从半加器到全加器，再到多位串行加法器和并行加法器（如超前进位加法器），我们展示了如何利用基本的逻辑门搭建复杂的算术运算电路。此外，本章还涉及比较器、奇偶校验发生器/检测器的设计，强调了数字系统可靠性中错误检测的重要性。 第三部分：时序逻辑电路与存储元件 时序电路是引入时间维度和反馈机制的电路，是构成寄存器、计数器和有限状态机（FSM）的基础。第六章详细阐述了基本锁存器和触发器的原理，重点解析了SR锁存器、D触发器、JK触发器和T触发器在同步和异步工作模式下的特性、约束条件（如毛刺和不正规输入）以及时序图的绘制方法。我们特别关注了主从结构触发器的工作机制，以避免在实际应用中出现“翻转”问题。 第七章集中于存储元件的应用。本章首先讲解了各种类型的寄存器，包括并行输入/输出寄存器和移位寄存器（如SISO, SIPO, PISO, SISO），并通过实际应用场景，如数据缓冲和序列转换，来巩固理解。第八章是计数器的专题，涵盖了异步计数器、同步计数器以及可预设和可分频的复杂计数器设计。本章还引入了应用反馈的有限状态机（FSM）设计方法，详细介绍了Mealy状态机和Moore状态机的建模、状态转移图绘制、状态编码优化（如使用Gray码减少竞争冒险）以及电路的硬件实现。 第四部分：可编程逻辑器件与系统实现 随着集成电路技术的发展，大规模可编程逻辑器件（PLD）已成为现代数字电路设计的关键工具。第九章全面介绍了PLD的家族，包括可编程只读存储器（PROM）、现场可编程门阵列（PLA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）的内部结构、编程原理和使用优势。 第十章是本书的实践高潮，引入了硬件描述语言（HDL）——Verilog HDL作为现代数字系统设计的标准工具。本章从Verilog的基本语法、数据类型、结构化建模（门级、数据流级、行为级）入手，并详细展示如何使用Verilog对本章前述的所有组合逻辑和时序逻辑电路进行高效的建模、仿真和综合。重点案例包括利用Verilog实现一个完整的16位ALU和同步有限状态控制器。 配套实践与进阶展望 本书的特色在于其紧密的实践导向。每一章后的习题都精心设计，从理论推导到电路图绘制，层层递进。此外，本书特别提供了“实验模块”，指导读者利用现代EDA（Electronic Design Automation）工具链，将书中所学的理论知识（无论是使用面包板/分立元件还是基于FPGA开发板）转化为实际可运行的硬件系统。这些实践项目，如设计一个交通灯控制器、一个简单的CPU控制器模型，将理论与工程实际紧密结合，确保读者不仅“会算”，更能“会做”。 本书适合作为高等院校电子信息工程、计算机科学与技术、自动化等专业本科生数字电路与逻辑设计课程的教材或参考书，同时也为希望系统学习数字系统设计和硬件描述语言的工程师提供了一本极具价值的案头资料。
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