數(shù)字邏輯原理與FPGA設(shè)計(jì)

前言

國際上電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)先進(jìn)的國家一直在積極探索新的數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具方面都進(jìn)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(shí)現(xiàn)方法隨之發(fā)生變化，從而促使數(shù)字邏輯的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)手段也不斷地更新、完善和開拓。20世紀(jì)90年代，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可編程邏輯器件（FPGA）的應(yīng)用已得到很好的普及，這些器件為數(shù)字邏輯的設(shè)計(jì)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(jìn)行重構(gòu)，使得硬件設(shè)計(jì)軟件化，極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)理念。“數(shù)字邏輯”是電子工程、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)類專業(yè)本、?？茖W(xué)生的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程的主要目的是使學(xué)生掌握研究與設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)必需的理論基礎(chǔ)和基本方法，培養(yǎng)科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S模式，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本課程的主要特點(diǎn)是理論與實(shí)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(guān)系越來越復(fù)雜，這一形勢對本課程的教學(xué)提出了新的要求。在課程體系上，要求在掌握分析和設(shè)計(jì)邏輯電路的基本理論和方法的同時(shí)，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(diǎn)，采用從典型實(shí)例出發(fā)引入概念，再進(jìn)行歸納、總結(jié)和運(yùn)用鞏固的方式。在方法的運(yùn)用上，有意識地引導(dǎo)學(xué)生“按部就班”地從基本步驟逐步進(jìn)入到技巧性運(yùn)用。充分體現(xiàn)把理論變?yōu)閷?shí)際應(yīng)用過程的透明性、直觀性；對于局部邏輯的分析與設(shè)計(jì)，突出輸入、輸出信號的來源、格式及它們之間的因果關(guān)系，為構(gòu)建數(shù)字系統(tǒng)埋下伏筆。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，強(qiáng)調(diào)由模塊構(gòu)建系統(tǒng)的基本方法，在實(shí)例中體現(xiàn)系統(tǒng)觀念，并通過綜合實(shí)例逐步使學(xué)生掌握復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。本書的特點(diǎn)是以數(shù)字邏輯電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主線，結(jié)合豐富的實(shí)例按照由淺入深的學(xué)習(xí)規(guī)律，循序漸進(jìn)，逐步引入相關(guān)的FPGA技術(shù)和工具，通俗易懂，重點(diǎn)突出。本書適合作為數(shù)字邏輯、EDA技術(shù)課程設(shè)計(jì)的教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，也可用于大學(xué)2～4年級學(xué)生、研究生教學(xué)及電子設(shè)計(jì)工程師技術(shù)培訓(xùn)，以提供和更新其采用VHDL語言和可編程邏輯器件的電子設(shè)計(jì)方法學(xué)方面的知識和技術(shù)，也可供從事數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)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(chǔ)、組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)、時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)、可編程邏輯器件、VHDL設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、數(shù)字邏輯基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字系統(tǒng)FPGA設(shè)計(jì)實(shí)踐等。通過大量設(shè)計(jì)實(shí)例詳細(xì)地介紹了基于FPGA技術(shù)的數(shù)字邏輯EDA設(shè)計(jì)方法。本書共分為10章，安排習(xí)題近百道，實(shí)驗(yàn)題10個(gè)，綜合性設(shè)計(jì)課題10個(gè)?！　辛信e的設(shè)計(jì)實(shí)例都經(jīng)MAX+plus II／Quartus II工具編譯通過，并在GW48EDA實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)實(shí)例與實(shí)驗(yàn)題的VHDL源程序，以及綜合性設(shè)計(jì)實(shí)例與設(shè)計(jì)課題參考源程序。　　本書適合作為普通高等院校計(jì)算機(jī)、電子信息類專業(yè)數(shù)字邏輯和EDA課程設(shè)計(jì)的教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，可用于大學(xué)2～4年級學(xué)生、研究生教學(xué)及電子設(shè)計(jì)工程師技術(shù)培訓(xùn)的指導(dǎo)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(shè)計(jì)方法學(xué)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(shè)計(jì)的電子工程師參考。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 數(shù)字時(shí)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(yàn)碼1.5.4 ASCII碼1.6 習(xí)題第2章 邏輯代數(shù)基礎(chǔ)2.1 邏輯代數(shù)的基本概念2.1.1 邏輯變量及基本運(yùn)算2.1.2 邏輯表達(dá)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(fù)合邏輯2.3 邏輯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式2.3.1 最小項(xiàng)及最小項(xiàng)表達(dá)式2.3.2 最大項(xiàng)及最大項(xiàng)表達(dá)式2.3.3 邏輯函數(shù)表達(dá)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(xiàng)、最大項(xiàng)之間的關(guān)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(xiàng)的邏輯函數(shù)的化簡2.6 習(xí)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(fù)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(fù)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(diǎn)3.2.2 分析流程3.2.3 計(jì)算機(jī)中常用組合邏輯電路分析舉例3.3 組合邏輯電路的設(shè)計(jì)3.4 設(shè)計(jì)方法的靈活運(yùn)用3.4.1 邏輯代數(shù)法3.4.2 利用無關(guān)項(xiàng)簡化設(shè)計(jì)3.4.3 分析設(shè)計(jì)法3.5 組合邏輯電路的險(xiǎn)象3.5.1 險(xiǎn)象的產(chǎn)生與分類3.5.2 險(xiǎn)象的判斷與消除3.6 計(jì)算機(jī)中常用的組合邏輯電路設(shè)計(jì)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(xí)題第4章 時(shí)序邏輯電路分析4.1 時(shí)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(shí)序邏輯分析4.3.1 同步時(shí)序邏輯電路描述4.3.2 同步時(shí)序邏輯分析4.4 異步時(shí)序邏輯電路分析4.5 計(jì)算機(jī)中常用的時(shí)序邏輯電路4.5.1 寄存器4.5.2 計(jì)數(shù)器4.5.3 節(jié)拍發(fā)生器4.6 習(xí)題第5章 時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)5.1 同步時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)5.4.2 用相鄰編碼法實(shí)現(xiàn)狀態(tài)編碼5.5 確定激勵(lì)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(lì)函數(shù)及輸出函數(shù)5.5.3 電路的“掛起”及恢復(fù)問題5.6 脈沖異步時(shí)序電路的設(shè)計(jì)方法5.7 時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)舉例5.7.1 序列檢測器設(shè)計(jì)5.7.2 計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)5.7.3 基于MSI器件實(shí)現(xiàn)任意模值計(jì)數(shù)器5.8 習(xí)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)第8章 FPGA設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第9章 數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)指南第10章 數(shù)字系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)附錄參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：（3）數(shù)字技術(shù)是軟件技術(shù)的基礎(chǔ)，是智能技術(shù)的基礎(chǔ)。軟件中的系統(tǒng)軟件、工具軟件、應(yīng)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(shí)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(chǔ)。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(shè)備、信息處理設(shè)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(luò)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(chǔ)。有人把信息社會的經(jīng)濟(jì)說成是數(shù)字經(jīng)濟(jì)，這足以證明數(shù)字化對社會的影響有多么重大。從20世紀(jì)90年代開始整個(gè)社會進(jìn)入數(shù)字化、信息化、知識化的時(shí)代，數(shù)字技術(shù)與國民經(jīng)濟(jì)和社會生活的關(guān)系日益密切，計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、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(jìn)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(jī)、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(yīng)用。伴隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字領(lǐng)域的增長將繼續(xù)強(qiáng)勁?；蛟S現(xiàn)在的汽車已配備了車用計(jì)算機(jī)，它把儀表盤變?yōu)闊o線通信、導(dǎo)航及信息中心。一旦建立相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施，電話和電視系統(tǒng)將會進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，電話機(jī)就像一個(gè)訓(xùn)練有素的秘書一樣，可以接收、分類信息、回復(fù)來電，當(dāng)觀看了重要電視內(nèi)容時(shí)，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(jī)內(nèi)存中，以供隨時(shí)回放。

編輯推薦

《數(shù)字邏輯原理與FPGA設(shè)計(jì)》由北京航空航天大學(xué)出版社出版。

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