數(shù)字邏輯基礎(chǔ)與Verilog設(shè)計（原書第二版）

第1章  設(shè)計概念        1
1.1  數(shù)字硬件        1
1.1.1  標(biāo)準(zhǔn)芯片        2
1.1.2  可編程邏輯器件        2
1.1.3  定制芯片        3
1.2  設(shè)計過程        3
1.3  數(shù)字硬件的設(shè)計        4
1.3.1  基本設(shè)計循環(huán)        5
1.3.2  計算機的結(jié)構(gòu)        5
1.3.3  數(shù)字硬件單元的設(shè)計        6
1.4  本書中的邏輯電路設(shè)計        8
1.5  理論和實踐        8
參考文獻        9
第2章  邏輯電路入門        10
2.1  變量和函數(shù)        10
2.2  反相        12
2.3  真值表        12
2.4  邏輯門和邏輯網(wǎng)絡(luò)        13
2.5  布爾代數(shù)        15
2.5.1  維恩圖        18
2.5.2  符號和術(shù)語        20
2.5.3  運算的優(yōu)先級別        20
2.6  用與門、或門和非門進行綜合        21
2.7  與非以及或非邏輯網(wǎng)絡(luò)        26
2.8  設(shè)計舉例        29
2.8.1  三路燈光控制        29
2.8.2  多路選擇器電路        30
2.9  計算機輔助設(shè)計工具簡介        31
2.9.1  設(shè)計輸入        32
2.9.2  綜合        33
2.9.3  功能仿真        33
2.9.4  物理設(shè)計        33
2.9.5  時序仿真        34
2.9.6  芯片配置        34
2.10  Verilog 簡介        35
2.10.1  邏輯電路的結(jié)構(gòu)描述        35
2.10.2  邏輯電路的行為描述        37
2.10.3  編寫Verilog代碼必須注意的
關(guān)鍵點        38
2.11  小結(jié)        39
2.12  問題求解舉例        39
練習(xí)題        42
參考文獻        45
第3章  實現(xiàn)技術(shù)        46
3.1  晶體管開關(guān)        46
3.2  NMOS邏輯門        48
3.3  CMOS邏輯門        50
3.4  負邏輯系統(tǒng)        53
3.5  標(biāo)準(zhǔn)芯片        55
3.6  可編程邏輯器件        56
3.6.1  可編程邏輯陣列        57
3.6.2  可編程陣列邏輯        58
3.6.3  PLA和PAL的編程        60
3.6.4  復(fù)雜可編程邏輯器件        61
3.6.5  現(xiàn)場可編程門陣列        63
3.6.6  用CAD工具在CPLD 和FPGA
上實現(xiàn)邏輯電路        66
3.6.7  CPLD和FPGA的應(yīng)用        66
3.7  定制芯片、標(biāo)準(zhǔn)單元和門陣列        66
3.8  實際問題        68
3.8.1  MOSFET晶體管的制造和行為        68
3.8.2  MOSFET晶體管的導(dǎo)通電阻        71
3.8.3  邏輯門的電平        71
3.8.4  噪聲容限        72
3.8.5  邏輯門的動態(tài)操作        73
3.8.6  邏輯門的功率消耗        75
3.8.7  通過晶體管開關(guān)傳遞1和0        76
3.8.8  邏輯門的扇入和扇出        77
3.9  傳輸門        81
3.9.1  異或門        81
3.9.2  多路選擇器電路        82
3.10  SPLD、CPLD和 FPGA 的實現(xiàn)
細節(jié)        82
3.11  小結(jié)        88
3.12  問題求解舉例        88
練習(xí)題        93
參考文獻        98
第4章  邏輯函數(shù)的優(yōu)化實現(xiàn)        99
4.1  卡諾圖        99
4.2  最小化策略        104
4.2.1  專業(yè)術(shù)語        105
4.2.2  最小化步驟        106
4.3  和之積形式的化簡        108
4.4  非完全指定函數(shù)        109
4.5  多輸出電路        110
4.6  多級綜合        112
4.6.1  提取公因子        113
4.6.2  函數(shù)分解        115
4.6.3  多級與非以及或非電路        119
4.7  多級電路的分析        120
4.8  立方體表示法        124
4.9  列表法化簡        126
4.9.1  質(zhì)蘊涵項的產(chǎn)生        127
4.9.2  最小覆蓋的確定        128
4.9.3  列表法小結(jié)        131
4.10  使用立方體表示法最小化函數(shù)        132
4.10.1  本質(zhì)蘊涵項的確定        133
4.10.2  求解最小覆蓋的完整步驟        135
4.11  一些實際問題的考慮        137
4.12  由Verilog代碼綜合得到電路舉例        137
4.13  小結(jié)        140
4.14  問題求解舉例        140
練習(xí)題        144
參考文獻        148
第5章  數(shù)的表示和算術(shù)電路        150
5.1  數(shù)位的表示法        150
5.1.1  無符號整數(shù)        150
5.1.2  十進制數(shù)與二進制數(shù)之間的
轉(zhuǎn)換        151
5.1.3  八進制數(shù)和十六進制數(shù)的表示        151
5.2  無符號數(shù)的加法        153
5.2.1  全加器的分解        155
5.2.2  行波進位加法器        155
5.2.3  設(shè)計舉例        156
5.3  有符號數(shù)        157
5.3.1  負數(shù)        157
5.3.2  加法和減法        158
5.3.3  加法器和減法器單元        160
5.3.4  基數(shù)補碼方案        161
5.3.5  算術(shù)溢出        164
5.3.6  電路的性能問題        164
5.4  快速加法器        165
5.5  使用CAD工具設(shè)計算術(shù)電路        170
5.5.1  使用原理圖編輯工具設(shè)計算術(shù)
電路        170
5.5.2  使用Verilog設(shè)計算術(shù)電路        172
5.5.3  使用向量信號        173
5.5.4  使用自動生成語句         174
5.5.5  Verilog中的線網(wǎng)和變量        175
5.5.6  算術(shù)賦值語句        176
5.5.7  Verilog代碼中數(shù)的表示        178
5.6  乘法        180
5.6.1  無符號數(shù)的陣列乘法器        181
5.6.2  有符號數(shù)的乘法        182
5.7  數(shù)的其他表示方法        182
5.7.1  定點數(shù)        183
5.7.2  浮點數(shù)        183
5.7.3  二-十進制編碼        184
5.8  ASCII字符碼        186
5.9  問題求解舉例        188
練習(xí)題        191
參考文獻        193
第6章  組合電路構(gòu)件塊        194
6.1  多路選擇器        194
6.1.1  用多路選擇器的邏輯函數(shù)的
綜合        197
6.1.2  用香農(nóng)展開的多路選擇器綜合        198
6.2  譯碼器        202
6.3  編碼器        205
6.3.1  二進制編碼器        205
6.3.2  優(yōu)先級編碼器        206
6.4  碼型轉(zhuǎn)換器        207
6.5  算術(shù)比較電路        207
6.6    用Verilog表示組合電路        208
6.6.1  條件操作符        208
6.6.2  if-else 語句        209
6.6.3  case 語句        211
6.6.4  for 循環(huán)語句        215
6.6.5  Verilog操作符        216
6.6.6  生成結(jié)構(gòu)        220
6.6.7  任務(wù)和函數(shù)        220
6.7  小結(jié)        222
6.8  問題求解舉例        223
練習(xí)題        228
參考文獻        230
第7章  觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器和簡單
處理器        232
7.1  基本鎖存器        233
7.2  門控SR鎖存器        234
7.3  門控D鎖存器        236
7.4  主從D觸發(fā)器和沿觸發(fā)的D觸發(fā)器        238
7.4.1  主從D觸發(fā)器        238
7.4.2  沿觸發(fā)的D觸發(fā)器        239
7.4.3  有清零端和預(yù)置信號的
D觸發(fā)器        241
7.4.4  觸發(fā)器的時序參數(shù)        242
7.5  T觸發(fā)器        243
7.6  JK觸發(fā)器        244
7.7  術(shù)語小結(jié)        244
7.8  寄存器        245
7.8.1  移位寄存器        245
7.8.2  并行存取的移位寄存器        246
7.9  計數(shù)器        247
7.9.1  異步計數(shù)器        247
7.9.2  同步計數(shù)器        248
7.9.3  可并行置數(shù)的計數(shù)器        251
7.10  同步復(fù)位        252
7.11  其他類型的計數(shù)器        254
7.11.1  BCD計數(shù)器        254
7.11.2  環(huán)形計數(shù)器        255
7.11.3  Johnson計數(shù)器        256
7.11.4  計數(shù)器設(shè)計要點        256
7.12  用CAD工具在設(shè)計中加入存儲
元件        256
7.12.1  在電路原理圖中添加存儲
元件        256
7.12.2  用Verilog代碼實現(xiàn)存儲元件        258
7.12.3  阻塞賦值和非阻塞賦值        259
7.12.4  組合邏輯電路的非阻塞賦值        261
7.12.5  具有清零功能的觸發(fā)器        261
7.13  用CAD工具在設(shè)計中加入寄存器
和計數(shù)器         262
7.13.1  在電路原理圖中添加寄存器和
計數(shù)器        262
7.13.2  在Verilog代碼中使用庫模塊        264
7.13.3  在Verilog代碼中使用寄存器
和計數(shù)器結(jié)構(gòu)        264
7.14  設(shè)計舉例        267
7.14.1  總線結(jié)構(gòu)        267
7.14.2  簡單的處理器        275
7.14.3  反應(yīng)計時器        283
7.14.4  寄存器傳輸級代碼        286
7.15  觸發(fā)器電路的時序分析        286
7.16  小結(jié)        288
7.17  問題求解舉例        289
練習(xí)題        292
參考文獻        296
第8章  同步時序電路        298
8.1  基本設(shè)計步驟        299
8.1.1  狀態(tài)圖        299
8.1.2  狀態(tài)表        300
8.1.3  狀態(tài)分配        300
8.1.4  觸發(fā)器的選擇以及下一個狀態(tài)
和輸出表達式的推導(dǎo)        301
8.1.5  時序圖        302
8.1.6  設(shè)計步驟小結(jié)        303
8.2  狀態(tài)分配問題        306
8.3  米利型狀態(tài)模型        308
8.4  用CAD工具設(shè)計有限狀態(tài)機         311
8.4.1  摩爾型有限狀態(tài)機的Verilog
代碼        312
8.4.2  Verilog代碼的綜合        312
8.4.3  電路的仿真和測試        314
8.4.4  另一種風(fēng)格的Verilog代碼        314
8.4.5  用CAD工具的設(shè)計步驟小結(jié)        316
8.4.6  在Verilog代碼中進行狀態(tài)分配        316
8.4.7  用Verilog語句來編寫米利型
有限狀態(tài)機        317
8.5  串行加法器舉例        318
8.5.1  用米利型有限狀態(tài)機實現(xiàn)的
串行加法器        318
8.5.2  用摩爾型有限狀態(tài)機實現(xiàn)的
串行加法器        320
8.5.3  串行加法器的Verilog 代碼        321
8.6  狀態(tài)最小化        324
8.6.1  劃分最小化的步驟        324
8.6.2  未完全指定的有限狀態(tài)機        328
8.7  用時序電路方法設(shè)計計數(shù)器        329
8.7.1  模8計數(shù)器的狀態(tài)圖和狀態(tài)表        330
8.7.2  狀態(tài)分配        330
8.7.3  用D觸發(fā)器實現(xiàn)的計數(shù)器        331
8.7.4  用JK觸發(fā)器實現(xiàn)的計數(shù)器        332
8.7.5  舉例：一個不同的計數(shù)器        335
8.8  用作仲裁器電路的有限狀態(tài)機        336
8.8.1  仲裁器電路的實現(xiàn)        338
8.8.2  有限狀態(tài)機輸出延遲的最小化        339
8.8.3  小結(jié)        340
8.9  同步時序電路的分析        340
8.10  算法狀態(tài)機圖        343
8.11  時序電路的形式化模型        345
8.12  小結(jié)         346
8.13  問題求解舉例        346
練習(xí)題        352
參考文獻        355
第9章  異步時序電路        356
9.1  異步行為        356
9.2  異步電路分析        358
9.3  異步電路綜合        363
9.4  狀態(tài)化簡        372
9.5  狀態(tài)分配         380
9.5.1  轉(zhuǎn)移圖        381
9.5.2  未指定的下一個狀態(tài)項的利用        383
9.5.3  使用附加狀態(tài)變量進行的狀態(tài)
分配        386
9.5.4  獨熱狀態(tài)分配        388
9.6  冒險        389
9.6.1  靜態(tài)冒險        390
9.6.2  動態(tài)冒險        393
9.6.3  冒險的意義        394
9.7  一個完整的設(shè)計實例        394
9.8  小結(jié)        398
9.9  問題求解舉例        399
練習(xí)題        403
參考文獻        406
第10章  數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計        407
10.1  構(gòu)件塊電路        407
10.1.1  有使能輸入的觸發(fā)器和寄存器        407
10.1.2  有使能輸入的移位寄存器        408
10.1.3  靜態(tài)隨機存取存儲器        408
10.1.4  可編程邏輯器件中的SRAM塊        410
10.2  設(shè)計舉例        410
10.2.1  位計數(shù)電路        410
10.2.2  算法狀態(tài)機圖蘊涵的時序
信息        411
10.2.3  移位相加實現(xiàn)的乘法器        413
10.2.4  除法器        418
10.2.5  算術(shù)平均值        425
10.2.6  排序操作        428
10.3  時鐘同步        435
10.3.1  時鐘偏差        436
10.3.2  觸發(fā)器的時序參數(shù)        436
10.3.3  觸發(fā)器的異步輸入        438
10.3.4  開關(guān)的抖動        438
10.4  小結(jié)        439
練習(xí)題        439
參考文獻        442
第11章  邏輯電路測試        443
11.1  故障模型        443
11.1.1  固滯模型        443
11.1.2  單個故障和多個故障        443
11.1.3  CMOS電路        444
11.2  測試集的復(fù)雜度        444
11.3  路徑的敏感化        445
11.4  樹狀結(jié)構(gòu)的電路        448
11.5  隨機測試        448
11.6  時序電路的測試        450
11.7  內(nèi)建自測試        453
11.7.1  內(nèi)建邏輯塊觀察器        456
11.7.2  簽字分析        457
11.7.3  邊界掃描        457
11.8  印制電路板        458
11.8.1  印制電路板的測試        459
11.8.2  測試儀器        460
11.9  小結(jié)        460
練習(xí)題        461
參考文獻        462
第12章  計算機輔助設(shè)計工具        464
12.1  綜合        464
12.1.1  網(wǎng)表的生成        465
12.1.2  門的優(yōu)化        465
12.1.3  技術(shù)映象        467
12.2  物理設(shè)計        469
12.2.1  布局        469
12.2.2  布線        470
12.2.3  靜態(tài)時序分析        471
12.3  小結(jié)        472
參考文獻        472
部分習(xí)題答案        474
*附錄A  Verilog參考資料
附錄B  輔導(dǎo)教材1—使用Quartus II
計算機輔助設(shè)計軟件
附錄C  輔導(dǎo)教材2—用Altera
器件實現(xiàn)電路
附錄D  輔導(dǎo)教材3—在FPGA
中的物理實現(xiàn)
附錄E  商業(yè)器件