数字设计的基础知识分析与异步时序逻辑电路分析

本书的主要特点是介绍了数字设计的基础知识和丰富的案例。在第一版的基础上进行了全面修订和更新。数字化设计相关技术的应用。本书内容包括：计算机与数字系统、数制、逻辑电路与布尔代数、组合逻辑电路分析与设计、时序逻辑电路概论、同步时序逻辑电路分析与设计、异步时序分析与设计逻辑电路、可编程逻辑器件、数字系统设计。本书在基本概念和理论方面有一定的广度和深度，同时加入了非常实用的设计方法。

本书以介绍数字设计基础知识和丰富案例研究为特色，在第一版的基础上进行了全面修订和更新，更加突出了数字设计相关技术的应用。本书内容包括：计算机与数字系统、数制、逻辑电路与布尔代数、组合逻辑电路分析与设计、时序逻辑电路概论、同步时序逻辑电路分析与设计、异步时序分析与设计逻辑电路、可编程逻辑器件、数字系统设计。本书在基本概念和理论方面有一定的广度和深度，同时加入了非常实用的设计方法。

0 计算机和数字系统 1

学习目标 1

0.1 计算简史 1

0.1.1 起点：机械计算机 2

0.1.2 早期电子计算机 2

0.1.3 前四代计算机2

0.1.4 第五代及以后4

p>

0.2 数字系统 4

0.2.1 数字与模拟系统 5

0.2.2 数字系统抽象级别 5

0.3 电子技术 8

0.3.1 摩尔“定律”9

0.3.2 固定与可编程逻辑 10

0.3.3 微控制器 10

0.3.4 设计演进 10

0.4 数字系统的应用 12

0.4.1 通用数字计算机 12

0.4.2 个控制器 17

0.4.3 物联网 (IoT) 18

0.4.4 接口 18

0.5 小结和复习题 20

0.6 协作活动 20

参考文献 21

1 数字系统和数字代码 22

学习目标 22

1.1 数字系统 22

1.1.1 位置和多项式符号 23

1.@ >1.2 常用数制 23

1.2 算术 24

1.2.1 二进制算术 24

p>

1.2.2 十六进制算术 27

1.3 基本转换 29

1.3.1 转换方法和算法29

1.3.2 当 B = Ak 32 时 Base A 和 Base B 之间的转换

1. 4 有符号数表示 33

1.4.1 符号大小数字 33

1.4.2 补数系统 35

1.5 个数字代码 45

1.1.9@>1 个数字代码 46

1.5.2 字符和其他代码 50

1.1.9@>3 错误检测和纠正代码53

1.6 小结和复习题 58

1.7 协作活动 58

p>

问题 59

2 逻辑电路和布尔代数 61

学习目标 61

2.1 逻辑门和逻辑电路 61

2.1.1 真值表 61

2.1.2 基本逻辑门 62

2.1.3 组合逻辑电路 65

2.1.4 顺序逻辑电路 68

2.2硬件描述语言（HDLs）69

2.2.1 Verilog 69

2.2.2 VHDL 70

2.3 布尔代数 72

2.3.1 公设和基本定理72

2.3.2 布尔（逻辑）函数和方程 77

2.3.3 Minterms XOR) 192

3.4.@ >5 二进制数组乘法器 196

3.5 小结和复习题 200

3.6 合作活动201

问题 202

4 时序电路简介 213

学习目标 213

4.1 时序电路的模型和分类214

4.1.1 台有限状态机 214

4.1.2 状态图和状态表216

4.1.3 算法状态机 219

p>

4.2 存储设备 221

4.2.1 个锁存器 222

4.2.@ >2 人字拖 234

4.2.3 锁存器和触发器总结 244

4.3 个寄存器 244

4.4个移位寄存器248

4.5 个计数器 253

4.1.9@>1个同步二进制计数器254

4.1.9@>2个异步二进制计数器257

4.1.9@>3 模 N 计数器 258

4.1.9@>4 个环形和扭曲环形计数器 263

4.6 个总结性设计示例 272

4.6.1 寄存器文件 272

4.6.2 多相时钟 273

4.6.3 数字定时器 275

4.6.4 可编程波特率发生器 278

4.7 总结和复习题 281

参考文献 281

4.8 协作活动 282

问题 283

5 同步时序逻辑电路分析与设计 291

学习目标 291

1.9@>1 时序电路分析291

1.9@>1.@ >1 圈

…前言/前言

前言

编写本书的目标

本书第一版（1995年出版，2010年出版）由Nelson、Carroll、Nagle和Irwin合编，长期被美国多所大学的相关专业所使用。本书介绍了组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析与综合基础知识，第二版对该内容进行了多次修改，并拓宽和加强了数字设计部分，以更好地适应当今学生的学习需求。

本书的第一版介绍了广泛的基础知识和丰富的数字设计示例。在此基础上，第二版显着提高了数字设计知识，帮助学生更有效地学习。这本书的作者多年来一直在课堂上使用这些材料，并且非常清楚学生可能会混淆或难以掌握的概念和内容。本书内容密集，包含大量生动的实例，有助于提高学生对重要概念的理解。书中的例子包括数制转换、布尔代数表达式的转换、组合逻辑电路和时序逻辑电路的简化、数字电路分析和设计的步骤以及它们的逐步应用。

本书的另一个特点是介绍了两种用于数字电路建模的硬件描述语言（HDL），即Verilog和VHDL。对于每个示例，读者可以选择使用 Verilog 或 VHDL 语言程序。这些程序模块可以用来模拟课本中描述的功能，也可以自己合成多个电路模块。

谁应该读这本书

我们推荐这本书作为数字逻辑设计、电气工程和计算机工程课程或计算机科学专业的入门教材。供大二学生使用一、大二学生，方便学生使用和/或设计专用集成电路（ASIC）、计算机、嵌入式系统和其他数字系统。目前市面上同类书籍太多，教师难以在应用最先进技术的权威书籍和最适合学生学习和掌握基本概念的教材之间进行选择。本书理论性强，实践性强，不会因过多的技术性或数学性语言描述而导致学生学习困难。本书展示了许多最新知识，例如使用 Verilog 和 VHDL 进行编程建模，使用可编程逻辑器件进行设计，以及实现计算机辅助设计。此外，大量的笔记、示例和练习可帮助学生学习如何将理论应用于工程实践。

学习本书不需要电子电路或计算机系统的基本知识，因此本书适合作为数字系统专业的第一门课程。然而，本书包含丰富、先进的技术信息和足够的理论深度，也可以满足高年级学生的需求。本书可供教师根据专业课程的需要灵活选择有用的主题，也适合自学数字设计知识的读者，或作为应用工程师的参考书。

本书的主要特点

本书由三所大学的四位教师合编，并由著名出版社聘请的专家审阅。本书正式出版之前，已经在两所高校进行了测试，并收集了一些学生和老师的反馈信息。此外，本书第一版的清晰和严谨，受到了审稿人和读者的好评，在第二版中将继续保持和增强，具体如下：

基本概念和理论讲解具有一定的广度和深度，同时增加了非常实用的设计方法。

基础知识的呈现和讲解生动、形象、实用。

理论介绍后给出实例。

通过丰富的实例，演示了复杂电路的分层模块设计过程。

超过 250 个工作示例，专注于提高学生使用系统方法解决问题和掌握数字电路设计方法的能力。

600多幅插图让知识的展示更加直观生动。

每章末尾提供大量习题，难度不同，方便读者阅读。

与分层块设计和标准数字电路块相关的附加内容。

数字电路的综合设计过程在单独的章节中介绍。

补充异步时序逻辑电路、HDL编程和可编程逻辑器件（PLD）的相关内容。

《教师问题解决手册》中给出了大部分问题的详细解决方案。

本书第二版在第一版的基础上，辅以最新的数字电子技术和工程设计应用，具有以下新特点：

在附录中增加了两种硬件描述语言Verilog和VHDL的介绍知识。

可编程逻辑器件部分增强了 FPGA 器件的内容。

在第 0 章到第 8 章末尾添加了几个合作项目。

第 1 章到第 8 章提供了新示例和更新练习。

学习目标列在每章的开头。

在第 0 章到第 8 章的末尾给出了总结和困难的回顾。

第 3 章到第 7 章包含对各种硬件电路的实际限制的结论性设计示例。

本书中的扩展示例说明了基本概念和高级知识。

补充了固定逻辑器件和可编程逻辑器件的设计流程。

保持概念和设备的技术独立性。

内容经过精心挑选，以保持主题并避免冗余。

第二版中的新内容

硬件描述语言

现代数字电路设计工程的复杂性需要使用计算机辅助设计方法和工具，包括使用硬件描述语言（HDL，如 Verilog 和 VHDL）来辅助建模、仿真和数字电路的合成。因此，本书在第 2 章介绍了 Verilog 和 VHDL电路分析基础英文版，并在全书中使用了使用这两种方法对数字电路进行建模的设计示例电路分析基础英文版，包括第 7 章和第 8 章中的综合设计示例。

对 HDL 建模方法的介绍强调了它的通用性，而不是将其识别为某些软件供应商的专用工具。这样，有助于学生将这种方法应用于各种电路的建模和仿真，以及开发可编程逻辑器件。此外，学生和教师可以下载额外的模拟工具（通常免费试用或以低廉的价格）。

可编程逻辑器件

随着可编程逻辑器件 (PLD) 的不断升级和复杂数字系统的不断改进，本书第 7 章将专门介绍这一先进技术。介绍设备开发人员的设备、开发工具和产品线，这些设备以纯技术讨论的形式随时可用。同时，书中阐述了FPGA器件的组成以及利用它们实现组合逻辑电路和时序逻辑电路的方法。通过设计实例简要描述了使用Verilog和VHDL模块然后由FPGA器件实现的复杂数字电路功能。然后以类似的方式介绍PLD技术、架构和器件结构以及设计实例。第7章列举了几个综合设计实例，使用HDL模块，然后通过FPGA和PLD实现数字系统功能。

本书内容总结

本书首先介绍了基本概念和原理，以便学生打下扎实的理论基础。然后将这些原理应用于分析和设计简单电路以优化电路设计。最后，讨论了相关示例的设计流程和方法，包括模块化设计方法和使用 HDL 和 PLD 建模的流程。每一章都通过大量的例子来说明和增强学生对概念的理解。

背景

由于前期对读者学习基础没有具体要求，所以本书前两章介绍了一些背景资料，以帮助理解数字电路的设计。

第 0 章介绍了数字电路和计算机，包括电子学和摩尔定律、表示和实现数字系统的方法、数字系统的设计方法以及计算机和其他数字系统的一般电路结构。

第 1 章介绍了数字系统以及二进制数如何在计算机和其他电路中表示数字和信息。同时本章介绍了二进制数的布尔代数规则，可以实现计算机电路的各种运算功能。

组合逻辑电路

组合逻辑电路的分析与设计是本书的第二部分。第2章介绍基本逻辑门电路、布尔代数基础知识、逻辑表达式优化。第三章介绍了逻辑电路的设计和模块化设计。

第2章首先介绍了基本的逻辑门和功能，组合逻辑电路和时序逻辑电路的组成，以及数字HDL。然后，解释了布尔代数的规则，然后讨论了逻辑电路的设计方法。接着，介绍了真值表、逻辑表达式、电路图、HDL块等逻辑函数的表示方法。本章还总结了使用卡诺图和 Quine-McClusky 方法简化逻辑表达式的规则和算法。

第 3 章描述了如何使用基本概念来分析和设计由基本门电路组成的数字电路，并描述如何使用分层和模块化的方法组合标准逻辑电路（如编码器、数据选择器和算术电路等）。 ) 构成数字电路。同时，以上示例大多使用Verilog和VHDL模块进行仿真。

顺序逻辑电路

本节介绍包含存储器的时序逻辑电路。第4章介绍了构成时序逻辑电路的存储单元，以及由存储单元组成的大量标准电路模块的设计和工作原理。第 5 章介绍了同步时序逻辑电路分析和设计的基础知识，包括优化电路的方法。其中，大部分例子都是使用Verilog和VHDL模块进行仿真的。

第 4 章首先介绍时序逻辑电路，包括存储单元在这些电路中的作用。同时，分析了锁存器和触发器两种基本存储单元的设计和工作原理。然后介绍了寄存器、移位寄存器、计数器等标准数字逻辑电路的设计和工作原理。本章介绍了各个存储单元的设计和工作原理，总结了一些典型电路的特点和使用方法。

第5章介绍了同步时序逻辑电路分析和设计的基础知识和技巧，如时序图、状态表、触发器驱动表等。本章介绍使用电路优化方法减少冗余状态，从而减少电路设计所需的存储单元数量。最后总结了几个同步时序逻辑系统的设计实例。

第 6 章分析脉冲模式和基模异步时序逻辑电路，分别介绍分析和综合方法，例如识别竞争风险和基模电路的预防措施。

可编程逻辑器件

第 7 章介绍了用于实现复杂数字系统的可编程逻辑器件 (PLD) 技术。本章简要介绍了FPGA器件的组成，包括通过Verilog和VHDL模块实现复杂数字电路的设计实例，阐述了组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法。同样，本章还介绍了 PLD 技术、架构、器件结构和设计实例。举几个例子，演示了使用HDL模块，通过FPGA和PLD实现数字系统功能的过程。

数字设计案例研究

第 8 章介绍了 4 个由奥本大学和德克萨斯大学阿灵顿分校的学生完成的综合数字系统设计示例：小型 RISC 4（TRISC 4）微处理器；用于指挥双向行驶的交通灯控制器）单向路；用于串行通信的通用异步接收器/发送器 (UART)；两层或三层电梯控制器。

附录 – HDL 学习指南

为了支持本书中的 HDL 建模示例和练习，附录 A 介绍了使用 Verilog 建模数字系统的学习指南。附录 B 提供了使用 VHDL 语言对数字系统进行建模的学习指南。

建议的课程内容

本书可用于一个季度（3 个月）或一个学期，也可用于设置两个季度（6 个月）的课程。建议按照本书内容讲解15周的课程，对第2、5章的部分内容进行简化，对第7章进行补充。 PLD的知识将帮助学生深入理解使用Verilog或VHDL语言对数字系统进行建模和仿真的方法。

建议按照以下目录教授10周（3个月）的课程：

第 0 章：简介。

第 1 章：二进制数和逻辑代数。

第 2 章：逻辑门、布尔代数、开关函数和一种简化方法（通常使用卡诺图方法）。

第 3 章：组合逻辑电路的分析与设计，使用标准电路模块的分层方法进行设计。

第 4 章

…