現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計與VHDL

前言

本書涵蓋了現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計課程的所有重要主題。盡管目前關(guān)于數(shù)字設(shè)計的教材有很多，且其中一些教材在學(xué)生很好地掌握數(shù)字設(shè)計基礎(chǔ)之前就介紹了VHDL，但作者認為VHDL是一種用于描述數(shù)字電路/系統(tǒng)功能的語言，只有在學(xué)生充分掌握了數(shù)字設(shè)計的基礎(chǔ)知識后再學(xué)習(xí)該語言才能更有效地發(fā)揮其作用。因此，在本書中，我們對VHDL的介紹是在講解了組合電路設(shè)計并探討了時序電路的基本概念后才進行的。現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的復(fù)雜性在于，必須使用計算機輔助設(shè)計（CAD）工具對其進行綜合和化簡。然而，很多CAD工具中所使用的技術(shù)，如計算機輔助化簡、多級邏輯設(shè)計和狀態(tài)分配等在當(dāng)前的本科生教材中通常很少涉及或根本沒有涉及。在本書中的相應(yīng)章節(jié)中，對這些重要技術(shù)的基本概念進行了介紹。盡管這些概念較為抽象，使得一些理論性較強的討論和分析不可避免，但本書仍然盡量以一種簡明教程的風(fēng)格對其加以組織。這樣做的目的并不是試圖回避抽象的理論知識，而是希望通過大量的示例使理論知識更加清晰和易于接受，以便于讀者為設(shè)計實踐打下堅實的基礎(chǔ)。全書共分為10章。第1章介紹了數(shù)的表示及各種數(shù)制，還介紹了二進制數(shù)的運算，如加法、減法、乘法和除法。第2章介紹離散數(shù)學(xué)的一些基本知識，以便為理解后續(xù)章節(jié)奠定基礎(chǔ)。此外，還探討了用于構(gòu)建數(shù)字邏輯電路的各種邏輯門的運算關(guān)系和特點。第3章深入探討了組合邏輯電路的分析、化簡和設(shè)計技術(shù)。介紹了布爾函數(shù)的立方圖表示方法和重言式的概念。使用大量實例說明了啟發(fā)式化簡的原理、不同類型的無關(guān)項以及多級邏輯綜合的原理。詳細介紹了BCD加法/減法算法和進位保存加法算法。全面詳細分析了包括BCD加/減算法、進位存儲加法、乘法、除法在內(nèi)的常用算術(shù)運算電路的原理與電路結(jié)構(gòu)。此外還探討了使用可編程邏輯器件（PLD）實現(xiàn)組合邏輯功能的問題。第4章介紹時序電路的基本概念。分析了數(shù)字電路中存儲元件的功能。介紹了使用狀態(tài)圖和狀態(tài)表來描述時序電路功能的方法。此外，從概念上清晰說明了同步時序電路和異步時序電路的差異。業(yè)界通常使用像VHDL這樣的硬件描述語言來描述數(shù)字電路的功能。第5章詳細介紹了VHDL語言，通過本章的學(xué)習(xí)，讀者可以編寫VHDL代碼來描述數(shù)字電路的功能。本章給出了一些例題來介紹使用VHDL描述數(shù)字電路功能的方法。本章并不是VHDL的完整指南，近年來已出版了許多專門介紹VHDL的教材?；谇懊娓髡?，第6章主要探討了如何采用VHDL進行有效的組合邏輯電路設(shè)計。本章給出了多個完整設(shè)計的VHDL代碼，這些代碼均使用Altera公司的Quartus II軟件包進行了編譯和綜合。第7章介紹如何使用基本的電路單元（如鎖存器和觸發(fā)器）來設(shè)計時序電路，這里沒有給出這些電路的嚴格數(shù)學(xué)表示。探討了一些當(dāng)前流行的計算機輔助狀態(tài)分配技術(shù)中使用的算法。詳細探討了分割代數(shù)在狀態(tài)分配中的應(yīng)用。本章還詳細討論了使用PLD來實現(xiàn)時序電路的方法。第8章對計時器進行了重點介紹。在許多數(shù)字系統(tǒng)中，計時器都被廣泛應(yīng)用。本章給出了幾個設(shè)計示例及其詳細說明，以便清晰準確地給出不同類型計時器的設(shè)計方法和特點。第9章給出了使用VHDL進行時序電路設(shè)計的方法。時序電路的代碼風(fēng)格不同于組合電路。組合電路通常使用并發(fā)VHDL語句，而時序電路主要使用順序VHDL語句。本章給出了多個使用VHDL設(shè)計時序電路的代碼實例，這些代碼已使用Quartus II進行了編譯和綜合。第10章介紹了傳統(tǒng)的異步時序電路的設(shè)計原理。通過多個例題說明了競爭和冒險的概念，探討了避免這些問題的狀態(tài)分配技術(shù)。目前，現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)多使用CMOS工藝實現(xiàn)，因此附錄中簡要介紹了CMOS工藝下常用邏輯門的電路結(jié)構(gòu)。本書可作為電氣/計算機工程和計算機科學(xué)專業(yè)本科生的教材，也可作為電氣工程師的自學(xué)教材。學(xué)習(xí)本書并不要求學(xué)生預(yù)先掌握電子學(xué)的相關(guān)知識，僅要求學(xué)生具有基本的相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。本書內(nèi)容較為豐富，教師可以根據(jù)自己的教學(xué)需要來選擇所講授的內(nèi)容。感謝Tufts大學(xué)電氣與計算機工程系的Karen Panetta博士，感謝他的建設(shè)性意見及允許我使用其VHDL實驗課程中的習(xí)題。感謝過去幾年來我教過的許多學(xué)生，在撰寫本書時，我參考了他們的一些課程設(shè)計項目。

內(nèi)容概要

　　《現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計與VHDL》涵蓋了現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計課程的所有主要主題，其特色在于先介紹數(shù)字設(shè)計的基本知識，再介紹VHDL語言，從而使學(xué)生更好地理論聯(lián)系實際，學(xué)好數(shù)學(xué)設(shè)計課程?！冬F(xiàn)代數(shù)字設(shè)計與VHDL》的另一特色是，介紹了計算機輔助化簡、多級邏輯設(shè)計和狀態(tài)賦值等CAD工具中使用的技術(shù)。全書共分為10章，主要介紹數(shù)制、數(shù)字邏輯的基本概念、組合邏輯電路、同步時序電路原理與設(shè)計、組合邏輯電路原理與設(shè)計、計數(shù)器設(shè)計、各種邏輯電路的VHDL設(shè)計等?！　　冬F(xiàn)代數(shù)字設(shè)計與VHDL》可作為電氣/計算機工程和計算機科學(xué)專業(yè)本科生的教材，也可作為電氣工程師的自學(xué)教材。

作者簡介

作者：（美國）拉拉（Parag K.Lala） 譯者：喬廬峰 尹廷輝 董時華 等

書籍目錄

第1章 進制和二進制編碼1.1 前言1.2 十進制1.3 二進制1.4 八進制1.5 十六進制1.6 帶符號數(shù)1.7 浮點數(shù)1.8 二進制編碼習(xí)題第2章 數(shù)字邏輯的基本概念2.1 前言2.2 集合2.3 關(guān)系2.4 劃分2.5 圖2.6 布爾代數(shù)2.7 布爾函數(shù)2.8 布爾函數(shù)的推導(dǎo)和分類2.9 布爾函數(shù)的標準形式2.10 邏輯門習(xí)題第3章 組合邏輯電路3.1 前言3.2 布爾表達式的簡化3.3 卡諾圖3.4 奎因-麥克拉斯基法3.5 布爾函數(shù)的立方圖表示3.6 邏輯電路的啟發(fā)式化簡3.7 多輸出函數(shù)的化簡3.8 與非和或非邏輯3.9 多級邏輯設(shè)計3.10 使用無關(guān)項化簡多級電路3.11 使用異或門和與門進行組合邏輯3.12 使用數(shù)據(jù)選擇器和譯碼器進行邏輯電路設(shè)計3.13 算術(shù)運算電路3.14 使用PLD設(shè)計組合邏輯電路習(xí)題參考文獻第4章 同步時序電路的基本原理4.1 前言4.2 同步和異步操作4.3 鎖存器4.4 觸發(fā)器4.5 同步時序電路中的定時問題4.6 狀態(tài)表和狀態(tài)圖4.7 米里模型和摩爾模型4.8 同步時序電路分析習(xí)題參考文獻第5章 數(shù)字設(shè)計中的VHDL語言5.1 前言5.2 實體和構(gòu)造體5.3 VHDL語法要素5.4 數(shù)據(jù)類型5.5 運算操作符5.6 并發(fā)語句和順序語句5.7 構(gòu)造體的結(jié)構(gòu)5.8 結(jié)構(gòu)級描述5.9 行為級描述5.10 RTL描述習(xí)題第6章 用VHDL設(shè)計組合邏輯電路6.1 前言6.2 并行賦值語句6.3 順序賦值語句6.4 循環(huán)6.5 forgenerate語句習(xí)題第7章 同步時序電路設(shè)計7.1 前言7.2 問題描述7.3 狀態(tài)化簡7.4 不完全確定時序電路的化簡7.5 推導(dǎo)觸發(fā)器的次態(tài)表達式7.6 狀態(tài)分配7.7 時序PAL器件習(xí)題參考文獻第8章 計數(shù)器設(shè)計8.1 前言8.2 行波（異步）計數(shù)器8.3 異步可逆計數(shù)器8.4 同步計數(shù)器8.5 格雷碼計數(shù)器8.6 移位寄存計數(shù)器8.7 環(huán)型計數(shù)器8.8 約翰遜計數(shù)器習(xí)題參考文獻第9章 采用VHDL設(shè)計時序電路9.1 前言9.2 D鎖存器9.3 觸發(fā)器和寄存器9.4 移位寄存器9.5 計數(shù)器9.6 狀態(tài)機9.7 實例研究習(xí)題參考文獻第10章 異步時序電路10.1 前言10.2 流程表10.3 化簡原始流程表10.4 狀態(tài)分配10.5 激勵和輸出表達式10.6 冒險習(xí)題參考文獻附錄ACMOS邏輯電路

章節(jié)摘錄

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編輯推薦

《現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計與VHDL》介紹了數(shù)字邏輯設(shè)計原理與實踐中使用的邏輯設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)。因此，讀者不僅可以了解如何實現(xiàn)當(dāng)前的設(shè)計技術(shù)，而且可以了解如何開發(fā)這些技術(shù)以及它們的工作原理?！冬F(xiàn)代數(shù)字設(shè)計與VHDL》首先介紹數(shù)制和二進制編碼，然后介紹數(shù)字邏輯的基本概念，再后介紹組合邏輯電路設(shè)計。在介紹這些基礎(chǔ)知識之后，《現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計與VHDL》開始介紹VHDL，即描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的一種強大的語言。《現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計與VHDL》包含了現(xiàn)代邏輯設(shè)計的所有主要主題：同步時序電路和同步時序電路設(shè)計基礎(chǔ)使用VHOL的組合邏輯設(shè)計計時器設(shè)計使用VHDL的時序電路設(shè)計異步時序電路《現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計與VHDL》提供了大量基于VHDL的邏輯設(shè)計示例，這些例子不僅演示了基本原理，也演示了實際的設(shè)計應(yīng)用。每章后面給出了大量的習(xí)題，以便讀者將所學(xué)的知識應(yīng)用到實踐中。《現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計與VHDL》適合作為電氣、計算機工程和計算機科學(xué)本科生的教材，也可供電氣工程師參閱。全書詳細介紹了理論知識，并配有大量的例子和習(xí)題，可使學(xué)生和實踐工程師掌握與實現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計技術(shù)。

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