具体描述
《微型计算机原理及接口技术》通俗易懂，思路清晰，层次结构完整分明，便于教学和自学使用。书中通过大量的例题和应用实例，引导读者逐步认识、熟知、掌握微型计算机应用技术。《微型计算机原理及接口技术》可作为高等院校电子、计算机、机械及自动化等专业的教学用书，也可作为高职高专同类专业教材或参考用书，以及各类工程技术人员的自学用书。全书包括微型计算机原理、汇编语言程序设计及接口技术3部分内容。首先概述计算机基础知识及微型计算机系统组成。然后，以8086 CPU为基础，详细介绍80x86微处理器的硬件结构、工作原理、指令系统、汇编语言及程序设计、存储器系统、输入/输出接口、中断技术及应用。最后，以常用集成可编程芯片为对象，重点介绍串行通信，并行通信，定时器/计数器，D/A及A/D转换的基本原理、性能和接口应用技术。
《数字逻辑设计与FPGA实现》 简介 本书全面深入地探讨了数字逻辑设计的基本原理、实现方法以及现代硬件描述语言（HDL）在可编程逻辑器件（FPGA）上的应用。本书旨在为读者构建扎实的数字系统设计理论基础，并掌握将理论转化为实际硬件的工程技能，为从事集成电路设计、嵌入式系统开发、数字信号处理等领域的专业人士和学习者提供系统性的指导。 第一部分：数字逻辑基础 本部分是整个数字系统设计的基石，我们将从最基本的逻辑门电路开始，逐步深入到复杂的组合逻辑和序逻辑电路的设计与分析。 第一章：二进制数与编码 深入理解二进制、八进制、十进制和十六进制之间的转换原理，掌握不同数制表示法的优缺点。 详细介绍各种编码方式，包括格雷码、ASCII码、BCD码等，理解它们在数据表示和传输中的作用。 分析无符号数和带符号数的表示方法，包括原码、反码、补码，以及溢出概念的理解。 第二章：布尔代数与逻辑门 系统阐述布尔代数的基本公理、定理和性质，这是数字逻辑设计的理论核心。 详细介绍基本逻辑门（AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR）的功能、真值表、逻辑符号和时序特性。 讲解如何利用布尔代数对逻辑表达式进行化简，包括卡诺图（Karnaugh Map）方法，及其在最简化逻辑函数中的应用。 介绍通用逻辑门（NAND, NOR）的设计思想，以及如何用它们实现所有基本逻辑功能。 第三章：组合逻辑电路 分析组合逻辑电路的定义、特点及其设计流程。 深入讲解常用的组合逻辑模块，包括： 加法器与减法器： 半加器、全加器、并行加法器、先行进位加法器等，理解其工作原理和性能指标。 比较器： 8位、16位等比较器的设计，实现大于、小于、等于的逻辑判断。 译码器与编码器： 3-to-8译码器、优先编码器等，理解其在地址译码、数据选择中的应用。 多路选择器（Multiplexer）： 2-to-1, 4-to-1, 8-to-1等，掌握其数据选择功能。 分频器： 异步分频与同步分频器。 学习使用硬件描述语言（HDL）描述和仿真组合逻辑电路，掌握结构化描述和行为级描述的区别。 第四章：序逻辑电路 介绍序逻辑电路的概念、特点以及与组合逻辑电路的区别，强调时钟信号和状态存储的重要性。 详细讲解基本存储单元： 触发器（Flip-Flop）： SR触发器、D触发器、JK触发器、T触发器，理解它们的时序特性（上升沿、下降沿触发）、置位（Preset）和复位（Clear）功能。 锁存器（Latch）： Gated SR Latch, Gated D Latch，理解其电平触发特性。 分析同步与异步序逻辑电路的设计方法。 深入讲解常用的序逻辑模块： 寄存器（Register）： 移位寄存器（左移、右移、双向移位）、并行进位寄存器，理解其数据存储和暂存功能。 计数器（Counter）： 同步计数器、异步计数器、加法计数器、减法计数器、模N计数器、可预设计数器、二进制计数器、BCD计数器等，理解其在定时、计数等应用。 介绍状态机（State Machine）的设计方法，包括有限状态机（FSM）的两种模型：摩尔（Moore）模型和米利（Mealy）模型，学习状态图、状态表和状态编码。 利用HDL描述和仿真序逻辑电路，掌握状态机的设计流程。 第二部分：硬件描述语言（HDL）与FPGA设计流程 本部分将重点介绍现代数字逻辑设计的利器——硬件描述语言（HDL），以及如何利用HDL在FPGA上实现设计。 第五章：Verilog HDL 基础 介绍Verilog HDL的起源、特点和应用领域。 讲解Verilog的基本语法结构：模块（module）、端口（port）、数据类型（reg, wire, integer）、参数（parameter）。 掌握Verilog的赋值语句（blocking assignment ` = ` 和 non-blocking assignment ` <= `）的区别与应用场景。 学习Verilog的运算符：算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、位运算符、条件运算符、移位运算符等。 介绍Verilog的结构化建模：门级建模（例化基元）、数据流建模（assign语句）、行为级建模（always块）。 讲解always块的不同敏感度列表（posedge, negedge, ），及其在组合逻辑和序逻辑建模中的作用。 学习Verilog的控制语句：if-else, case, for, while等。 介绍任务（task）和函数（function）的使用，提高代码复用性。 第六章：VHDL 基础 介绍VHDL的起源、特点和应用领域。 讲解VHDL的基本语法结构：实体（entity）、架构（architecture）、端口（port）、数据类型（bit, std_logic, integer, boolean）、常量（constant）、信号（signal）、变量（variable）。 掌握VHDL的赋值语句：`=` 和 `:=` 的区别。 学习VHDL的运算符：算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、组合运算符、移位运算符等。 介绍VHDL的建模方法：行为级建模（process语句）、结构化建模（组件例化）、数据流建模（concurrent assignment）。 讲解process块的敏感度列表，及其在组合逻辑和序逻辑建模中的作用。 学习VHDL的控制语句：if-then-elsif-else, case, loop等。 介绍子程序（subprogram）：函数（function）和过程（procedure）的使用。 第七章：FPGA 体系结构与开发流程 介绍FPGA（Field-Programmable Gate Array）的基本概念、与ASIC的区别以及其发展历程。 深入解析FPGA的内部基本结构：可编程逻辑单元（CLB/LE）、输入/输出块（IOB）、可编程互连资源（Routing Resources）、时钟管理单元（PLL/MMCM）。 详细讲解FPGA的开发流程： 1. 需求分析与设计规划： 明确设计目标和功能。 2. HDL代码编写： 使用Verilog或VHDL描述设计。 3. 仿真验证： 利用仿真工具（如ModelSim, VCS, QuestaSim）对HDL代码进行功能仿真和时序仿真，确保设计的正确性。 4. 综合（Synthesis）： 将HDL代码转换为网表（Netlist），映射到FPGA的逻辑资源。讲解综合工具（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）的基本操作。 5. 实现（Implementation）： 包括布局（Place）和布线（Route），将逻辑单元放置到FPGA物理位置，并连接互连线。 6. 时序约束与分析： 定义设计中的时序要求，如时钟频率、输入输出延迟等，并进行时序分析，检查是否满足时序指标。 7. 比特流生成（Bitstream Generation）： 生成FPGA配置文件。 8. 下载与硬件调试： 将比特流下载到FPGA开发板，并在实际硬件上进行测试和调试。 第八章：常用IP核与设计实例 介绍IP核（Intellectual Property Core）的概念、优势以及在FPGA设计中的应用。 讲解常见IP核的类型，如存储器控制器、处理器接口、通信协议接口（UART, SPI, I2C）、DSP模块等。 提供多个典型FPGA设计实例，涵盖组合逻辑和序逻辑的应用，例如： LED流水灯控制器 按键消抖电路 数码管显示驱动 简单UART发送/接收模块 基于状态机的交通灯控制器 通过实例讲解如何将HDL代码、IP核和FPGA的硬件特性结合起来，完成一个完整的数字系统设计。 第三部分：高级数字设计与时序分析 本部分将进一步探讨数字设计的深度问题，包括时序分析、异步设计以及更高层次的系统设计概念。 第九章：时序分析与约束 深入理解时序分析的基本概念：建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）、时钟周期（Clock Period）、时钟偏移（Clock Skew）、传播延迟（Propagation Delay）。 讲解时序路径的类型：输入端口到触发器、触发器到触发器、触发器到输出端口。 分析时序违例（Timing Violations）的原因和危害。 学习如何编写和理解时序约束文件（SDC: Synopsys Design Constraints），包括时钟定义、端口约束、路径约束等。 掌握如何使用FPGA开发工具提供的时序报告来分析设计的时序性能。 探讨改善时序的方法，如流水线技术（Pipelining）、改变逻辑结构、优化布局布线等。 第十章：异步逻辑与时钟域交叉 介绍异步逻辑设计的概念和特点，包括无时钟信号或多个异步时钟信号的设计。 讲解异步FIFO（First-In, First-Out）的设计原理，重点关注亚稳态（Metastability）的产生和处理。 详细讨论时钟域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）问题，这是多时钟系统设计中的关键挑战。 介绍常用的CDC处理技术，如两级寄存器同步器、握手信号、握手协议（Handshake Protocol）等。 强调CDC设计对系统稳定性的重要性。 第十一章：低功耗设计与可重用性 讨论在数字逻辑设计中降低功耗的技术，包括门控时钟（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）、选择性时钟启用（Selective Clock Enabling）等。 分析不同工作模式下（如待机、全速运行）的功耗差异。 介绍可重用IP核的设计原则和方法，如何提高设计的模块化和可移植性。 探讨总线接口标准（如AXI, AHB）在系统集成中的作用。 第十二章：设计调试与测试 学习使用FPGA内置的逻辑分析仪（如Xilinx ILA, Intel Signal Tap）进行在线调试，实时观察内部信号。 介绍仿真器中波形查看和断点的使用技巧。 讨论测试向量（Testbench）的设计原则和编写方法，用于验证设计的正确性。 介绍形式验证（Formal Verification）的概念和应用，与仿真验证互为补充。 结论 《数字逻辑设计与FPGA实现》不仅提供了一套完整的数字逻辑设计理论框架，更侧重于将这些理论与现代FPGA开发工具和流程相结合。通过对Verilog/VHDL的学习、FPGA开发流程的掌握以及对时序分析和高级设计的深入探讨，读者将能够独立完成复杂数字系统的设计、实现和验证，为在日益发展的数字技术领域取得成功奠定坚实的基础。本书适合电子工程、计算机科学、自动化等专业的高年级本科生、研究生以及从事相关领域的工程师。
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