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出版者:Wiley-IEEE Press

作者:Oklobdzija, Vojin G.

出品人:

页数:552

译者:

出版时间:1999-7

价格:US $175.00

装帧:

isbn号码:9780780347168

丛书系列:

图书标签:

• 数字电路
• 高速电路
• 逻辑设计
• VLSI
• 集成电路
• 计算机体系结构
• 电子工程
• 信号完整性
• 时序分析
• 低功耗设计

《数字系统设计原理与实践》 第一章：数字信号与逻辑门电路 本章将深入探讨数字系统的基础，从最基本的数字信号概念入手。我们将解析离散信号与连续信号的区别，理解数字信号的二值特性（高电平与低电平），以及它们在表示和传输信息时的优势。随后，我们将详细介绍构成数字电路基石的逻辑门电路，包括与门（AND）、或门（OR）、非门（NOT）、与非门（NAND）、或非门（NOR）、异或门（XOR）和同或门（XNOR）。每种逻辑门的功能、符号、真值表以及在实际电路中的实现方式都将一一阐述。我们将通过具体的例子，例如简单的开关电路和灯光控制，来直观地展示逻辑门的功能。此外，本章还将引入布尔代数的基本定律和定理，如交换律、结合律、分配律、德摩根定理等，并演示如何使用这些代数工具来化简和优化逻辑表达式，为后续更复杂的逻辑设计打下坚实的基础。最后，我们将探讨几种常见的逻辑门电路的实现技术，如TTL（晶体管-晶体管逻辑）和CMOS（互补金属氧化物半导体）的基本原理，理解它们在功耗、速度和驱动能力上的差异。 第二章：组合逻辑电路的设计与分析 在掌握了基本的逻辑门之后，本章将带领读者进入组合逻辑电路的设计与分析领域。组合逻辑电路的特点是其输出仅取决于当前的输入，没有记忆功能。我们将从最简单的组合逻辑功能开始，如编码器（Encoder）和译码器（Decoder），理解它们如何实现二进制与特定编码之间的转换。接着，我们将学习数据选择器（Multiplexer）和数据分配器（Demultiplexer）的设计，它们在信号路由和数据分发方面扮演着关键角色。加法器（Adder）和减法器（Subtractor）作为数字算术运算的核心，也将被深入剖析，包括半加器、全加器、行波进位加法器等不同类型的实现方式。本章的重点之一是卡诺图（Karnaugh Map）的绘制与使用，这是一种直观有效的逻辑函数化简方法，能够帮助我们找到最简的逻辑表达式，从而减少电路的器件数量和提高效率。我们还将介绍其他组合逻辑设计方法，如真值表法和门列表法。在分析方面，我们将学习如何根据给定的逻辑电路图，推导出其对应的布尔表达式和真值表，从而理解电路的功能。本章最后将通过一些实际的组合逻辑电路应用案例，如7段数码管显示驱动、简单的计算器等，巩固所学知识。 第三章：时序逻辑电路的基本原理 与组合逻辑电路不同，时序逻辑电路的输出不仅取决于当前的输入，还与电路 past 的状态有关，即具有记忆功能。本章将详细介绍时序逻辑电路的核心构成单元——触发器（Flip-Flop）。我们将从最基本的SR触发器开始，理解其置位（Set）和复位（Reset）操作，以及潜在的“无效”状态。随后，我们将介绍JK触发器，它克服了SR触发器的局限性，并通过J和K输入实现了更灵活的状态控制，特别是其翻转（Toggle）模式。D触发器（Data Flip-Flop）作为数据存储的基本单元，其简单的结构和直接的输入-输出关系将得到重点讲解。T触发器（Toggle Flip-Flop）则专注于状态的翻转功能。本章将深入探讨这些触发器的时钟（Clock）信号驱动方式，理解同步触发器和异步触发器的区别，以及时钟边沿触发（上升沿或下降沿）的重要性。我们还将介绍触发器的状态转换图和状态表，用以清晰地描述电路在不同输入和时钟信号作用下的状态变化。最后，我们将引入竞争冒险（Race Condition）和毛刺（Glitches）等时序逻辑设计中需要特别关注的问题，以及如何通过设计来避免它们。 第四章：寄存器、计数器与状态机 在本章中，我们将基于触发器构建更复杂的时序逻辑电路。寄存器（Register）作为存储一组二进制数据的单元，是构建存储器和数据通路的基础。我们将学习如何使用触发器组成移位寄存器（Shift Register），它能够实现数据的串行输入、串行输出、并行输入、并行输出等多种工作模式，并将在数据传输和延迟环节发挥重要作用。计数器（Counter）是另一类重要的时序逻辑电路，它能够按照预设的顺序对时钟脉冲进行计数。我们将介绍同步计数器和异步计数器，以及它们在不同应用中的优缺点。模N计数器（Modulus-N Counter）、加法计数器、减法计数器、二进制计数器和十进制计数器（BCD Counter）等各种类型的计数器都将得到详细的讲解。本章的重头戏是状态机（State Machine）的设计。我们将深入理解有限状态机（Finite State Machine, FSM）的概念，包括米勒（Mealy）型状态机和摩尔（Moore）型状态机，它们的区别和各自的适用场景。我们将学习如何从行为描述或状态图出发，设计出状态转换逻辑和输出逻辑，从而实现复杂的控制功能。通过实际案例，如交通信号灯控制器、序列检测器等，来展示状态机在解决实际问题中的强大能力。 第五章：存储器组织与接口 存储器是数字系统不可或缺的一部分，本章将探讨不同类型的存储器及其组织方式。我们将从基本的存储单元RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）入手，深入理解它们的读写操作原理。RAM将进一步细分为SRAM（静态随机存取存储器）和DRAM（动态随机存取存储器），分析它们在结构、速度、功耗和成本上的权衡。ROM的种类繁多，我们将介绍PROM（可编程只读存储器）、EPROM（紫外线擦除可编程只读存储器）、EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）以及Flash存储器，理解它们各自的编程和擦除机制。本章还将探讨存储器的组织结构，包括字长（Word Length）、位宽（Bit Width）和寻址（Addressing）机制，以及如何通过地址译码器（Address Decoder）来访问特定的存储单元。我们还将介绍存储器接口（Memory Interface）的设计，包括地址总线（Address Bus）、数据总线（Data Bus）和控制总线（Control Bus）的作用，以及如何将存储器与处理器或其他逻辑器件进行连接。最后，我们将简要介绍缓存（Cache）和虚拟存储器（Virtual Memory）等更高级的存储器管理技术，为读者构建对整个存储系统有一个全面的认识。 第六章：可编程逻辑器件（PLD）与FPGA入门 本章将介绍现代数字电路设计中扮演着越来越重要角色的可编程逻辑器件（Programmable Logic Device, PLD）。我们将从最基础的PAL（可编程阵列逻辑）和GAL（通用阵列逻辑）入手，理解它们的结构和编程原理。随后，我们将重点介绍CPLD（复杂可编程逻辑器件），分析其宏单元（Macrocell）和可编程互连矩阵（Programmable Interconnect Matrix）的特点。本章的重点将放在FPGA（现场可编程门阵理），作为目前最主流的可编程逻辑器件。我们将深入探讨FPGA的内部架构，包括可配置逻辑块（Configurable Logic Block, CLB）、输入/输出块（Input/Output Block, IOB）以及可编程互连线（Programmable Interconnect）。我们将学习使用硬件描述语言（Hardware Description Language, HDL），如Verilog或VHDL，来描述数字电路的设计。本章将包含HDL语言的基本语法、数据类型、运算符、行为级建模和结构级建模。我们将介绍综合（Synthesis）、布局（Place）和布线（Route）等FPGA设计流程的关键步骤，以及如何使用FPGA开发工具链完成设计。通过简单的FPGA项目示例，如LED闪烁、简单的状态机实现等，帮助读者掌握FPGA设计的入门技巧。 第七章：数字系统设计流程与工具 本章将对数字系统设计的整个流程进行梳理和总结，并介绍在实际工程中常用的设计工具。我们将从需求分析和规格说明开始，介绍如何将抽象的系统需求转化为具体的硬件功能设计。随后，我们将深入探讨HDL语言在数字设计中的核心地位，并介绍两种主流的HDL语言——Verilog和VHDL——的语法特性、设计方法论和工程实践。本章将详细讲解综合工具（Synthesis Tool）的作用，它能够将HDL代码转化为门级网表（Netlist），并进行逻辑优化。之后，我们将介绍布局布线工具（Place and Route Tool）的工作原理，它负责将门级网表映射到具体的FPGA芯片资源或ASIC（专用集成电路）库单元，并完成物理连接。仿真（Simulation）作为验证设计正确性的重要手段，也将被重点介绍，包括功能仿真（Functional Simulation）和时序仿真（Timing Simulation），以及如何编写测试平台（Testbench）来全面测试设计。本章还将介绍静态时序分析（Static Timing Analysis, STA）的概念，以及如何通过STA报告来发现潜在的时序违例。最后，我们将简要介绍EDA（电子设计自动化）工具生态系统，包括不同厂商的工具产品，以及在实际项目中如何选择和使用这些工具，帮助读者构建一个完整的数字系统设计工程概念。

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