數(shù)字邏輯原理與FPGA設計

前言

國際上電子和計算機技術(shù)先進的國家一直在積極探索新的數(shù)字邏輯電路設計方法，在設計方法和設計工具方面都進行了徹底的變革，并取得了成功。因此，數(shù)字邏輯的研究和實現(xiàn)方法隨之發(fā)生變化，從而促使數(shù)字邏輯的實驗方法和實驗手段也不斷地更新、完善和開拓。20世紀90年代，在電子設計領域，可編程邏輯器件（FPGA）的應用已得到很好的普及，這些器件為數(shù)字邏輯的設計帶來極大的靈活性。由于該器件可通過軟件編程對其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，使得硬件設計軟件化，極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯系統(tǒng)設計方法、設計過程和設計理念。“數(shù)字邏輯”是電子工程、電子技術(shù)和計算機類專業(yè)本、?？茖W生的重要專業(yè)基礎課。本課程的主要目的是使學生掌握研究與設計數(shù)字系統(tǒng)必需的理論基礎和基本方法，培養(yǎng)科學、嚴謹?shù)乃季S模式，為學習后續(xù)課程打下堅實基礎。本課程的主要特點是理論與實際結(jié)合十分密切。隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)的邏輯規(guī)模越來越龐大，邏輯關系越來越復雜，這一形勢對本課程的教學提出了新的要求。在課程體系上，要求在掌握分析和設計邏輯電路的基本理論和方法的同時，注重從局部與具體向全局與抽象層次轉(zhuǎn)變，逐步建立起系統(tǒng)的觀念。按照上述特點，采用從典型實例出發(fā)引入概念，再進行歸納、總結(jié)和運用鞏固的方式。在方法的運用上，有意識地引導學生“按部就班”地從基本步驟逐步進入到技巧性運用。充分體現(xiàn)把理論變?yōu)閷嶋H應用過程的透明性、直觀性；對于局部邏輯的分析與設計，突出輸入、輸出信號的來源、格式及它們之間的因果關系，為構(gòu)建數(shù)字系統(tǒng)埋下伏筆。在系統(tǒng)設計上，強調(diào)由模塊構(gòu)建系統(tǒng)的基本方法，在實例中體現(xiàn)系統(tǒng)觀念，并通過綜合實例逐步使學生掌握復雜數(shù)字系統(tǒng)的設計方法。本書的特點是以數(shù)字邏輯電路和系統(tǒng)設計為主線，結(jié)合豐富的實例按照由淺入深的學習規(guī)律，循序漸進，逐步引入相關的FPGA技術(shù)和工具，通俗易懂，重點突出。本書適合作為數(shù)字邏輯、EDA技術(shù)課程設計的教材和實驗指導書，也可用于大學2～4年級學生、研究生教學及電子設計工程師技術(shù)培訓，以提供和更新其采用VHDL語言和可編程邏輯器件的電子設計方法學方面的知識和技術(shù)，也可供從事數(shù)字系統(tǒng)設計的電子工程師參考。

內(nèi)容概要

　　本書系統(tǒng)地介紹了數(shù)字邏輯的基本原理與FPGA設計的實際應用。主要內(nèi)容包括：數(shù)字系統(tǒng)、數(shù)制與編碼、邏輯代數(shù)基礎、組合邏輯電路的分析與設計、時序邏輯電路的分析與設計、可編程邏輯器件、VHDL設計基礎、數(shù)字邏輯基礎實驗、數(shù)字系統(tǒng)FPGA設計實踐等。通過大量設計實例詳細地介紹了基于FPGA技術(shù)的數(shù)字邏輯EDA設計方法。本書共分為10章，安排習題近百道，實驗題10個，綜合性設計課題10個?！　辛信e的設計實例都經(jīng)MAX+plus II／Quartus II工具編譯通過，并在GW48EDA實驗系統(tǒng)上通過了硬件測試，可直接使用。本書所提供網(wǎng)上資料中包含了部分設計實例與實驗題的VHDL源程序，以及綜合性設計實例與設計課題參考源程序?！　”緯m合作為普通高等院校計算機、電子信息類專業(yè)數(shù)字邏輯和EDA課程設計的教材和實驗指導書，可用于大學2～4年級學生、研究生教學及電子設計工程師技術(shù)培訓的指導教材，以提供和更新其采用VHDL語言和可編程邏輯器件的電子設計方法學方面的知識和技術(shù)內(nèi)容，也可供從事數(shù)字邏輯電路和系統(tǒng)設計的電子工程師參考。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 數(shù)字時代1.1.1 模擬信號1.1.2 數(shù)字信號1.2 數(shù)字系統(tǒng)1.2.1 數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢1.2.2 數(shù)字邏輯電路1.2.3 數(shù)字系統(tǒng)的組成1.2.4 典型的數(shù)字系統(tǒng)——計算機1.2.5 數(shù)字邏輯的內(nèi)容及研究方法1.3 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1.3.1 數(shù)制1.3.2 數(shù)制轉(zhuǎn)換1.4 帶符號二進制數(shù)的代碼表示1.5 編碼1.5.1 BCD碼1.5.2 格雷碼1.5.3 奇偶校驗碼1.5.4 ASCII碼1.6 習題第2章 邏輯代數(shù)基礎2.1 邏輯代數(shù)的基本概念2.1.1 邏輯變量及基本運算2.1.2 邏輯表達式2.1.3 邏輯代數(shù)的公理2.2 邏輯函數(shù)2.2.1 邏輯函數(shù)的定義2.2.2 邏輯函數(shù)的表示法2.2.3 復合邏輯2.3 邏輯函數(shù)的標準形式2.3.1 最小項及最小項表達式2.3.2 最大項及最大項表達式2.3.3 邏輯函數(shù)表達式的轉(zhuǎn)換方法2.3.4 邏輯函數(shù)的相等2.4 邏輯代數(shù)的重要定理2.4.1 重要定理2.4.2 重要定理與最小項、最大項之間的關系2.5 邏輯函數(shù)化簡2.5.1 代數(shù)化簡法2.5.2 卡諾圖化簡法2.5.3 具有任意項的邏輯函數(shù)的化簡2.6 習題第3章 組合邏輯電路3.1 邏輯門電路的外特性3.1.1 簡單邏輯門電路3.1.2 復合邏輯門電路3.1.3 門電路的主要外特性參數(shù)3.1.4 正邏輯與負邏輯3.2 組合邏輯電路分析3.2.1 組合邏輯電路的基本特點3.2.2 分析流程3.2.3 計算機中常用組合邏輯電路分析舉例3.3 組合邏輯電路的設計3.4 設計方法的靈活運用3.4.1 邏輯代數(shù)法3.4.2 利用無關項簡化設計3.4.3 分析設計法3.5 組合邏輯電路的險象3.5.1 險象的產(chǎn)生與分類3.5.2 險象的判斷與消除3.6 計算機中常用的組合邏輯電路設計3.6.1 8421碼加法器3.6.2 七段譯碼器3.6.3 多路選擇器與多路分配器3.7 習題第4章 時序邏輯電路分析4.1 時序邏輯電路模型4.2 觸發(fā)器4.2.1 基本R-S觸發(fā)器4.2.2 常用觸發(fā)器4.2.3 各類觸發(fā)器的相互轉(zhuǎn)換4.2.4 集成觸發(fā)器的主要特性參數(shù)4.3 同步時序邏輯分析4.3.1 同步時序邏輯電路描述4.3.2 同步時序邏輯分析4.4 異步時序邏輯電路分析4.5 計算機中常用的時序邏輯電路4.5.1 寄存器4.5.2 計數(shù)器4.5.3 節(jié)拍發(fā)生器4.6 習題第5章 時序邏輯電路設計5.1 同步時序邏輯設計的基本方法5.2 建立原始狀態(tài)圖5.3 狀態(tài)化簡5.3.1 狀態(tài)化簡的基本原理5.3.2 完全定義狀態(tài)化簡方法5.4 狀態(tài)編碼5.4.1 確定存儲狀態(tài)所需的觸發(fā)器個數(shù)5.4.2 用相鄰編碼法實現(xiàn)狀態(tài)編碼5.5 確定激勵函數(shù)及輸出方程5.5.1 選定觸發(fā)器類型5.5.2 求激勵函數(shù)及輸出函數(shù)5.5.3 電路的“掛起”及恢復問題5.6 脈沖異步時序電路的設計方法5.7 時序邏輯設計舉例5.7.1 序列檢測器設計5.7.2 計數(shù)器設計5.7.3 基于MSI器件實現(xiàn)任意模值計數(shù)器5.8 習題第6章 可編程邏輯器件6.1 可編程邏輯器件概述6.1.1 可編程邏輯器件的發(fā)展歷程6.1.2 可編程邏輯器件分類6.1.3 可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)6.2 簡單PLD原理6.2.1 PLD中陣列的表示方法6.2.2 PROM6.2.3 PLA器件6.2.4 PAL器件6.2.5 GAL器件6.3 CPLD6.3.1 CPLD的基本結(jié)構(gòu)6.3.2 Altera公司MAX系列CPLD簡介6.4 FPGA6.4.1 FPGA的基本結(jié)構(gòu)6.4.2 Altrea公司FPGA系列FLEX10K器件的結(jié)構(gòu)6.4.3 嵌入陣列塊(EmbeddedArrayBlock，EAB)6.4.4 邏輯陣列塊(LogicArrayBlock，LAB)6.4.5 邏輯單元(LogicElement，LE)……第7章 VHDL設計基礎第8章 FPGA設計基礎第9章 數(shù)字邏輯實驗指南第10章 數(shù)字系統(tǒng)的FPGA設計附錄參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：（3）數(shù)字技術(shù)是軟件技術(shù)的基礎，是智能技術(shù)的基礎。軟件中的系統(tǒng)軟件、工具軟件、應用軟件等，信號處理技術(shù)中的數(shù)字濾波、編碼、加密、解壓縮等都是基于數(shù)字化實現(xiàn)的。例如圖像的數(shù)據(jù)量很大，數(shù)字化后可以將數(shù)據(jù)壓縮至1／10甚至幾百分之一；圖像受到干擾變得模糊，可以用濾波技術(shù)使其變得清晰。這些都是經(jīng)過數(shù)字化處理后所得到的結(jié)果。（4）數(shù)字技術(shù)是信息社會的技術(shù)基礎。數(shù)字化技術(shù)還正在引發(fā)一場范圍廣泛的產(chǎn)品革命，各種家用電器設備、信息處理設備都將向數(shù)字化方向變化，如數(shù)字電視、數(shù)字廣播、數(shù)字電影、DVD等，現(xiàn)在通信網(wǎng)絡也向數(shù)字化方向發(fā)展。（5）數(shù)字技術(shù)是信息社會的技術(shù)基礎。有人把信息社會的經(jīng)濟說成是數(shù)字經(jīng)濟，這足以證明數(shù)字化對社會的影響有多么重大。從20世紀90年代開始整個社會進入數(shù)字化、信息化、知識化的時代，數(shù)字技術(shù)與國民經(jīng)濟和社會生活的關系日益密切，計算機、計算機網(wǎng)絡、通信、電視及音像傳媒、自動控制、醫(yī)療、測量等無不納人數(shù)字技術(shù)并獲得了較大的技術(shù)進步。在人們的日常生活中，每天的生活用品已逐漸從模擬形式變化為數(shù)字形式。音頻數(shù)字化產(chǎn)了CD光盤，圖像數(shù)字化產(chǎn)生了DVD，還有數(shù)字電視、數(shù)字相機、數(shù)字化移動電話、數(shù)字化X片、核磁共振成像儀，以及數(shù)字心電圖儀、超聲系統(tǒng)等現(xiàn)代醫(yī)療儀器等。這些僅是數(shù)字化革命所帶來的一部分應用。伴隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字領域的增長將繼續(xù)強勁?；蛟S現(xiàn)在的汽車已配備了車用計算機，它把儀表盤變?yōu)闊o線通信、導航及信息中心。一旦建立相應基礎設施，電話和電視系統(tǒng)將會進入數(shù)字化時代，電話機就像一個訓練有素的秘書一樣，可以接收、分類信息、回復來電，當觀看了重要電視內(nèi)容時，所看的內(nèi)容在幾秒鐘內(nèi)即可傳到家中，并存儲在電視機內(nèi)存中，以供隨時回放。

編輯推薦

《數(shù)字邏輯原理與FPGA設計》由北京航空航天大學出版社出版。

圖書封面

評論、評分、閱讀與下載

---

    數(shù)字邏輯原理與FPGA設計 PDF格式下載

---