具体描述
This textbook is intended to serve as a practical guide for the design of complex digital logic circuits such as digital control circuits, network interface circuits, pipelined arithmetic units, and RISC microprocessors. It is an advanced digital logic design textbook that emphasizes the use of synthesizable VHDL code and provides numerous fully worked-out practical design examples including a Universal Serial Bus interface, a pipelined multiply-accumulate unit, and a pipelined microprocessor for the ARM THUMB architecture.
《数字系统设计与实现：从基础到前沿》 第一部分：数字逻辑基础与组合电路设计 本书旨在为读者提供一套全面且深入的数字逻辑设计与实现知识体系，尤其侧重于现代电子系统对高效能、低功耗逻辑电路的严苛要求。全书结构严谨，内容涵盖了从最基本的布尔代数原理到复杂的系统级集成，旨在培养读者扎实的理论功底和实际的工程应用能力。 第一章：数字系统概述与信息表示 本章首先确立了数字系统的基本概念框架，探讨了模拟与数字信号的本质区别及其在现代工程中的应用场景。重点剖析了信息在数字系统中的编码方式，包括二进制、八进制、十六进制的相互转换，以及定点数和浮点数的表示标准（如IEEE 754）。此外，还详细讲解了常用的数字逻辑电平标准（如TTL、CMOS及其衍生系列）及其电气特性对系统性能的影响。我们深入探讨了数字系统中的数制转换与算术运算，特别关注了溢出检测、补码运算的实现原理及其在处理器设计中的关键作用。本章为后续复杂电路的设计奠定了坚实的基础。 第二章：布尔代数与逻辑门电路 本章是数字逻辑设计的基石。我们从布尔代数的公理和定理出发，系统梳理了AND、OR、NOT、XOR等基本逻辑门的物理实现原理和真值表。随后，重点讲解了利用德摩根定律、分配律等对复杂逻辑表达式进行化简的方法，包括代数化简和卡诺图（Karnaugh Map, K-map）的精确求解法，并扩展至四变量及五变量K-map的实际应用。接着，本书介绍了逻辑函数的设计与实现，涵盖了标准积之和（SOP）与和之积（POS）形式的转换，以及如何使用通用逻辑门（如NAND/NOR）构建任意逻辑函数，强调了在实际电路中降低器件数量和功耗的优化技巧。 第三章：组合逻辑电路分析与设计 本章将理论应用于实践，聚焦于组合逻辑电路的构建。首先详细分析了多路选择器（Multiplexer, MUX）、译码器（Decoder）、编码器（Encoder）和加法器（Half/Full Adder, Ripple Carry/Lookahead Adder）的设计与应用。这些核心组件是构建算术逻辑单元（ALU）的关键模块。随后，我们深入探讨了大规模组合逻辑电路（如BCD转格雷码、奇偶校验电路）的设计流程，并引入了硬件描述语言（HDL，如VHDL/Verilog的初步概念）来辅助复杂组合逻辑的设计与仿真，强调结构化设计的重要性。 第二部分：时序逻辑电路与状态机设计 时序逻辑是实现存储、计数和控制功能的核心。本部分将重点讲解如何引入时钟信号和反馈机制来构建具备记忆功能的电路。 第四章：基本存储单元与锁存器 本章详细介绍了最基础的存储元件——锁存器（Latch）。从SR锁存器的基本结构、约束条件（如禁止态）到其毛刺问题，进行了深入剖析。随后，引入了由时钟控制的D锁存器，并过渡到更稳定的触发器（Flip-Flop，FF）结构，如D触发器、JK触发器和T触发器。重点讨论了主从结构触发器的工作原理，以及它们在不同时钟沿敏感性（正沿/负沿）上的差异。本章强调了建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）对系统稳定性的决定性影响。 第五章：时序逻辑电路的应用：寄存器与计数器 基于触发器，本章转向实际应用。首先讲解了寄存器（Register）的构建及其在数据暂存和并行数据传输中的作用。接着，详细介绍了异步（Ripple）计数器和同步（Parallel Load）计数器的设计方法，包括模N计数器的设计、状态图的绘制以及故障排查。我们还涉及了移位寄存器（Shift Register）及其在串行/并行数据转换（如SISO, SIPO, PISO, SISO）中的应用，并简单介绍了环形计数器和扭环计数器。 第六章：有限状态机（FSM）的设计与实现 有限状态机是数字控制系统的核心抽象模型。本章系统讲解了FSM的设计方法论，包括状态定义、状态图（State Diagram）的绘制以及状态编码。我们深入探讨了梅利（Mealy）型和摩尔（Moore）型状态机的区别、优缺点及其适用场景。状态表的化简和冗余状态的消除是本章的重点，以确保设计出最精简、最高效的控制器。最后，展示了如何使用触发器和组合逻辑实现一个完整的FSM，如交通灯控制器或序列检测器。 第三部分：可编程逻辑器件与系统集成 现代数字设计已高度依赖于可编程器件。本部分将视角从离散元件提升到系统级集成。 第七章：可编程逻辑器件（PLD）原理 本章介绍了可编程逻辑器件的演进历程。详细讲解了可编程只读存储器（PROM）、编程阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑（GAL）的内部结构和编程原理。重点在于理解这些器件如何通过熔断或反熔断技术实现逻辑功能的固化。此外，还简要介绍了现场可编程门阵列（FPGA）的基本架构（查找表LUT、布线资源）及其作为现代数字设计平台的地位。 第八章：硬件描述语言（HDL）基础与行为级建模 为适应现代电子设计自动化（EDA）流程，本章引入了硬件描述语言（Verilog/VHDL）。重点讲解了如何使用HDL进行结构级和行为级的建模。我们将重新使用HDL来描述前面章节中的加法器、计数器和FSM，演示其在仿真验证和综合（Synthesis）过程中的强大能力。强调了“综合性”和“可测试性”的代码编写规范。 第九章：系统级时序分析与同步电路 在大型数字系统中，时序问题是性能瓶颈的主要来源。本章深入探讨了时序分析的专业知识，包括对建立时间和保持时间的详细计算。引入了时钟域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）的概念，讲解了异步信号跨时钟域传输的常见风险（如亚稳态），并详细介绍了跨时钟域同步器的设计（如双触发器同步器和握手协议），确保系统在不同时钟频率下的可靠运行。 第十章：脉冲生成与数据传输 本章关注系统中的控制信号生成与数据交换机制。讲解了振荡器和延迟线的应用，如何精确生成系统所需的时钟频率。接着，深入探讨了标准化的并行和串行数据通信接口的基础，例如SPI、I2C等低速接口的逻辑实现原理，以及理解高速接口（如UART）的帧结构和奇偶校验机制，为后续系统互联打下基础。 本书通过大量的例题、设计实践以及对实际工程限制的讨论，确保读者不仅掌握了“如何做”，更理解了“为何要这样做”，从而具备独立设计和调试复杂数字电路系统的能力。
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