片上可编程系统原理及应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:何宾

出品人:

页数:312

译者:

出版时间:2010-1

价格:32.00元

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isbn号码:9787302214564

丛书系列:

图书标签:

• FPGA片上可编程系统
• 片上系统
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• 硬件设计
• 数字电路
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• Verilog

《数字逻辑与电路设计基础》 一、 内容概要 《数字逻辑与电路设计基础》是一本面向高等院校电子信息类、计算机类等专业本科生的教材。本书旨在系统地介绍数字逻辑电路的基本原理、设计方法与实现技术，并在此基础上引申至数字系统的构建与应用。全书内容涵盖了从最基本的逻辑门电路到复杂的组合逻辑电路、时序逻辑电路，以及逻辑器件的选型、优化与测试等关键环节。本书强调理论与实践相结合，通过丰富的实例和练习，帮助读者掌握数字电路的设计思维，并为后续深入学习数字系统设计、微处理器系统、嵌入式系统等课程奠定坚实的基础。 二、 核心章节与内容详解 第一部分：数字逻辑基础 第一章：数制与编码 本章重点： 介绍计算机内部数据表示的基石——数制转换与编码。 内容详述： 二进制、十进制、十六进制之间的相互转换： 详细讲解不同数制之间的转换原理与算法，包括整数和小数的转换。例如，十进制转二进制时，整数部分采用“除2取余法”，小数部分采用“乘2取整法”。反之，二进制转十进制则根据权值展开求和。十六进制与二进制的转换因其结构上的对应关系（每四位二进制对应一位十六进制），讲解其简便的转换技巧。 BCD码（二-十进制编码）： 介绍BCD码的两种形式——自然码（8421码）和余3码，以及它们在十进制数表示中的应用。重点讲解BCD码的加法运算，以及如何进行BCD码的进位处理。 其他编码（ASCII码、海明码等）： 简要介绍ASCII码在字符表示中的作用，以及海明码在数据传输中的纠错能力。重点强调编码的目的是为了方便机器处理和信息存储，以及在不同场景下选择合适的编码方案的重要性。 本章目的： 使读者理解计算机底层数据处理的本质，为后续逻辑运算的学习打下基础。 第二章：逻辑门电路 本章重点： 介绍构成一切数字电路的最基本单元——逻辑门电路及其特性。 内容详述： 基本逻辑门（AND, OR, NOT）： 详细介绍这三种最基本逻辑门的功能、逻辑符号、真值表和时序波形。通过形象的比喻（例如，AND门如同串联开关，OR门如同并联开关），帮助读者理解其工作原理。 通用逻辑门（NAND, NOR）： 讲解NAND门和NOR门作为通用逻辑门的重要性，即它们能够通过组合实现所有其他逻辑功能。通过布尔代数和逻辑图的推导，展示如何用NAND门和NOR门构建AND, OR, NOT门。 其他逻辑门（XOR, XNOR）： 介绍异或门（XOR）和同或门（XNOR）的特性，特别是在奇偶校验和二进制加法中的应用。 TTL和CMOS逻辑系列： 简要介绍两种主流的集成电路（IC）逻辑系列，包括它们的基本工作原理、电平标准、功耗和速度等特性。讨论在实际设计中如何选择合适的逻辑系列。 本章目的： 让读者掌握最基本的逻辑运算，为理解更复杂的数字电路打下根基。 第三章：布尔代数与逻辑化简 本章重点： 介绍用于描述和化简逻辑关系的数学工具——布尔代数，以及各种逻辑化简方法。 内容详述： 布尔代数的基本公理与定理： 详细阐述布尔代数的八个基本公理（如交换律、结合律、分配律、互补律、同一律、零律、幂等律、吸收律）和由此推导出的重要定理（如德摩根定律、重叠律、双重否定律）。通过数学推导和逻辑解释，展示这些定律在逻辑运算中的作用。 逻辑函数的表示方法： 介绍四种常用的逻辑函数表示方法：真值表、逻辑图、逻辑表达式（最简与或式、最简或与式）和卡诺图。 逻辑函数的化简方法： 代数化简法： 利用布尔代数的公理和定理，逐步化简复杂的逻辑表达式，以获得最简形式。演示具体的化简步骤和技巧。 卡诺图化简法： 介绍如何绘制卡诺图，以及如何利用卡诺图进行分组（圈选）来获得最简与或表达式或最简或与表达式。详细讲解四变量、五变量卡诺图的绘制与圈选规则，包括“贯通性”、“镜像性”和“Don’t care”条件的应用。 本章目的： 使读者能够准确地描述逻辑功能，并掌握高效地化简逻辑表达式的方法，从而设计出更优化的电路。 第二部分：组合逻辑电路 第四章：组合逻辑电路设计 本章重点： 介绍基于逻辑门和布尔代数原理，设计实现特定逻辑功能的组合逻辑电路。 内容详述： 组合逻辑电路的特点： 强调组合逻辑电路的输出仅取决于当前时刻的输入，没有记忆功能，不存在反馈。 设计流程： 详细讲解组合逻辑电路的设计步骤：需求分析 -> 列出真值表 -> 编写逻辑表达式 -> 化简表达式 -> 绘制逻辑图 -> 硬件实现。 基本组合逻辑电路： 编码器（Encoder）： 介绍编码器的功能（将一组信号编码为二进制表示），及其不同类型（如优先编码器）。 译码器（Decoder）： 介绍译码器的功能（将二进制输入译成一组唯一的输出信号），重点讲解3-to-8译码器和BCD-to-7段译码器的原理与应用。 数据选择器（Multiplexer, MUX）： 介绍数据选择器的功能（根据控制信号选择其中一路数据信号输出），讲解其工作原理和在逻辑功能实现中的应用。 数据分配器（Demultiplexer, DEMUX）： 介绍数据分配器的功能（将一路输入信号分配给多路输出信号中的一路），讲解其工作原理。 加法器（Adder）： 介绍半加器（Half Adder）和全加器（Full Adder）的工作原理，以及如何用全加器构成多位二进制加法器（如行波进位加法器）。 减法器（Subtractor）： 讲解如何利用加法器和补码实现二进制减法。 比较器（Comparator）： 介绍比较器的功能（比较两个二进制数的大小），以及如何设计多位二进制比较器。 本章目的： 使读者掌握设计和分析各种常见组合逻辑电路的方法，并能将其应用于实际问题。 第五章：可编程逻辑器件（PLD）基础 本章重点： 介绍可编程逻辑器件（PLD）的基本概念、分类及其在现代数字设计中的作用。 内容详述： PLD概述： 解释PLD是具有一定结构、可以通过编程来配置其内部逻辑连接，从而实现特定逻辑功能的集成电路。强调PLD的灵活性和开发效率。 PLD的分类： PROM（可编程只读存储器）： 介绍PROM的工作原理，其结构是将逻辑函数存储在ROM中。 PAL（可编程阵列逻辑）： 介绍PAL的结构，其特点是可编程的AND阵列和固定的OR阵列。 PLA（可编程逻辑阵列）： 介绍PLA的结构，其特点是可编程的AND阵列和可编程的OR阵列，灵活性最高。 CPLD（复杂可编程逻辑器件）： 介绍CPLD的结构，由多个宏单元（Macrocell）和可编程互连线组成，能够实现更复杂的逻辑功能。 FPGA（现场可编程门阵列）： 简要介绍FPGA的概念，其基本单元是查找表（LUT）和可配置开关，具有极高的灵活性和并行处理能力。 PLD的设计流程： 概述使用PLD进行设计的步骤，包括逻辑设计、使用HDL（硬件描述语言）编写代码、综合、布局布线以及下载。 VHDL/Verilog入门（简述）： 简要介绍VHDL和Verilog两种主流的硬件描述语言（HDL）的概念，以及它们在PLD设计中的作用，作为后续深入学习的引子。 本章目的： 为读者引入现代数字逻辑设计的关键技术，理解PLD在实现复杂逻辑功能上的优势，为后续学习更高级的设计方法铺平道路。 第三部分：时序逻辑电路 第六章：时序逻辑电路基础 本章重点： 介绍具有记忆功能的时序逻辑电路，以及它们的构成和工作原理。 内容详述： 时序逻辑电路的特点： 强调时序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入，还取决于过去的输入历史（即系统的状态），其输出与时间有关。 时钟信号： 讲解时钟信号在同步时序逻辑电路中的作用，包括时钟周期、时钟频率、占空比等概念，以及时钟触发（上升沿触发、下降沿触发）的概念。 触发器（Flip-Flop）： 详细介绍各种基本触发器： SR触发器： 讲解置位（S）和复位（R）输入，分析其输入输出关系和时序特性，包括其存在竞争冒险的问题。 JK触发器： 介绍JK触发器，它是SR触发器的改进，能够处理所有输入组合。 D触发器（数据触发器）： 讲解D触发器的功能，即其输出总是等于输入D，常用于数据存储。 T触发器（翻转触发器）： 讲解T触发器的功能，当T=1时翻转状态，当T=0时保持状态。 主从触发器和边沿触发器： 介绍如何解决SR触发器中可能出现的竞争冒险问题，以及不同触发方式（主从、边沿）的原理。 时序逻辑电路的分析： 讲解如何根据时序逻辑电路的逻辑图，写出状态方程、输出方程，并绘制状态转换图和状态表。 本章目的： 使读者理解时序逻辑电路的基本构成单元——触发器，以及它们如何存储信息，为设计更复杂的时序电路打下基础。 第七章：时序逻辑电路设计 本章重点： 介绍如何设计实现特定功能的时序逻辑电路。 内容详述： 设计流程： 详细讲解时序逻辑电路的设计步骤：需求分析 -> 列出状态转换图 -> 状态化简 -> 状态分配 -> 列出状态方程、输出方程 -> 选择触发器类型 -> 绘制逻辑图 -> 硬件实现。 寄存器（Register）： 介绍由一组触发器组成的寄存器，用于存储多个位的数据。讲解并行加载、移位等功能。 计数器（Counter）： 异步计数器（Ripple Counter）： 讲解其结构简单、成本低，但速度受触发器级联长度影响。 同步计数器（Synchronous Counter）： 讲解其所有触发器都由同一时钟信号驱动，速度快，控制复杂。介绍各种同步计数器的设计，如二进制同步计数器、十进制同步计数器、任意模数同步计数器。 移位寄存器（Shift Register）： 介绍移位寄存器的功能，包括串入串出、串入并出、并入串出、并入并出等工作方式，及其在数据串并转换、运算等方面的应用。 有限状态机（Finite State Machine, FSM）： 摩尔（Moore）型状态机： 介绍其输出只与当前状态有关。 米利（Mealy）型状态机： 介绍其输出与当前状态和当前输入都有关。 状态机设计实例： 通过具体的例子，如序列检测器、交通灯控制器等，演示如何设计摩尔型和米利型状态机。 时序逻辑电路的优化与测试（简述）： 简要提及如何对时序逻辑电路进行优化，以及如何进行测试，以确保其正常工作。 本章目的： 使读者能够设计出各种复杂和实用的时序逻辑电路，理解状态机在系统控制中的核心作用。 第四部分：现代数字逻辑设计方法 第八章：硬件描述语言（HDL）与逻辑综合 本章重点： 介绍使用硬件描述语言（HDL）进行数字逻辑设计，以及逻辑综合工具的作用。 内容详述： HDL概述： 强调HDL（如VHDL和Verilog）是用于描述硬件功能的文本语言，与传统编程语言不同，它描述的是并发和结构。 Verilog/VHDL基础： 讲解HDL的基本语法、数据类型、运算符、模块（Module）/实体（Entity）与结构（Architecture）的概念、端口（Port）声明、连续赋值（assign）、过程块（always, process）、信号（Signal）和变量（Variable）的区别。 HDL用于组合逻辑和时序逻辑的设计： 通过具体的HDL代码示例，展示如何描述AND, OR门、加法器、寄存器、计数器、状态机等。 逻辑综合（Logic Synthesis）： 介绍逻辑综合工具的作用，它将HDL代码翻译成网表（Netlist），网表描述了由标准逻辑门组成的电路。讲解综合过程中的优化目标（如面积、速度、功耗）。 仿真（Simulation）： 介绍仿真在HDL设计流程中的重要性，用于验证设计的正确性。 本章目的： 使读者掌握使用HDL进行设计的思维方式，并了解现代数字设计流程中的关键工具。 第九章：数字系统实例与应用 本章重点： 将前面学到的数字逻辑原理和设计方法应用于实际的数字系统设计。 内容详述： 小型数字系统设计： 选取一些具有代表性的数字系统作为实例，例如： 简单的计算器： 基于ALU（算术逻辑单元）的设计。 数码显示控制器： 如LED数码管显示驱动。 简单的交通灯控制器： 状态机应用。 序列发生器/检测器： 状态机应用。 基于FPGA/CPLD的实现（概述）： 简要介绍如何将上述设计映射到FPGA/CPLD器件上，并进行硬件实现。提及开发板的使用和下载过程。 数字逻辑在不同领域的应用（简述）： 简要介绍数字逻辑在嵌入式系统、通信系统、数字信号处理（DSP）等领域的广泛应用，激发读者的学习兴趣。 本章目的： 通过实际应用加深读者对理论知识的理解，并展示数字逻辑设计的实用价值。 三、 教材特色与读者对象 特色： 系统性强： 内容由浅入深，循序渐进，逻辑清晰。 理论与实践结合： 强调实际应用，通过大量实例加深理解。 注重设计思想： 培养读者独立解决问题的能力和设计思维。 覆盖面广： 既包含经典数字逻辑原理，也引入现代设计方法（HDL）。 语言通俗易懂： 避免过于晦涩的术语，力求清晰明了。 读者对象： 高等院校电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术、自动化等专业的本科生。 对数字逻辑设计有兴趣的初学者。 希望系统性学习数字电路设计原理的相关技术人员。 四、 学习建议 本书的学习需要理论推导、动手实践和思考相结合。建议读者在学习过程中： 1. 重视基础： 牢固掌握数制、编码、逻辑门、布尔代数等基本概念。 2. 勤于练习： 认真完成书中的例题和习题，特别是逻辑化简和电路设计部分。 3. 动手实践（可选）： 如果条件允许，可以尝试使用EDA工具（如Quartus, Vivado等）进行逻辑仿真，甚至在FPGA开发板上实现简单的设计。 4. 关联新知： 将所学知识与后续课程（如微机原理、数字信号处理、嵌入式系统等）联系起来，体会其在更宏大体系中的作用。 5. 保持好奇： 数字逻辑是构建现代电子世界的基础，理解它将开启更多探索的可能性。 通过学习《数字逻辑与电路设计基础》，读者将能够理解数字电路的工作原理，掌握数字逻辑电路的设计方法，并为进一步深入学习数字系统设计、微处理器、嵌入式系统等专业课程打下坚实的基础。

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