数字逻辑电路基础与计算机系统集成技术,数字逻辑电路基础与计算机系统集成技术...

《21世纪高等学校规划教材·计算机科学与技术：数字逻辑电路基础与计算机系统集成技术》是以EDA技术研究为出发点，专门针对计算机科学与技术专业而编写的硬件技术基础教程。与以往的数字电路教材不同，本书重点体现“软件设计实现硬件技术”的理念，除了在传统基础上利用真值表、状态图、卡诺图化简进行组合逻辑电路、时序逻辑电路设计外，还专门介绍了QuartusⅡ9.1开发环境和硬件设计语言Verilog HDL，并使用Verilog HDL语言实现组合电路设计、同步，异步时序电路设计，芯片扩展应用，PLD设计，接口电路设计，数字系统FPGA项目设计及简单微处理器设计等，其他内容还包括逻辑门实现、组合逻辑电路和时序逻辑电路分析、存储器设计与扩展、脉冲发生器设计、A/D和D/A转换电路、数字系统设计等。在设计分析中，能够把设计的电路芯片与计算机系统有机地结合起来。

《21世纪高等学校规划教材·计算机科学与技术：数字逻辑电路基础与计算机系统集成技术》可作为高等院校本科生的教材，还可作为技术开发人员的参考资料。

教学门标明确，注重理论与实践的结合；教学方法灵活，培养学生自主学习的能力；教学内容先进，反映了计算机学科的最新发展；教学模式完善，提供配套的教学资源解决方案。

人类社会已进入到高度发达的信息社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。现代电子产品在提高性能、增大复杂度的同时，价格却一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越快，实现这种进步的主要原因是生产制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表，目前已进展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管。后者的核心就是EDA技术，EDA是指以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果研制成的电子CAD通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作： IC设计、电子电路设计和PCB设计。没有EDA技术的支持，想要完成上述超大规模集成电路的设计制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又对EDA技术提出新的要求。

以上就是目前硬件技术的发展状况，而数字逻辑电路基础与数字系统集成技术是硬件集成开发技术的基础。硬件集成开发技术一般包括采用通用逻辑器件组成系统，以单片处理器为核心实现系统，以可编程逻辑器件PLD、CPLD、FPGA实现专用集成芯片ASIC，设计功能完整的数字系统芯片SOC。不管采用哪种技术进行开发，在设计过程中，都要抽象出芯片或系统的逻辑输入与输出及内部状态，根据组合电路与时序电路的设计方法规划最佳的设计方案，从而抽象出系统状态图与状态表，最后使用原理图和Verilog HDL语言抽象出系统电路。根据目前硬件技术发展的潮流，建议采用Verilog HDL语言来设计与集成电路。

本书除了继续沿用传统的技术内容之外，在设计方面加大了知识的覆盖面，主要加入了接口芯片设计方法和微处理器的设计方法。以Verilog HDL为基础，建议设计者采用自顶而下的设计方法，将电路器件逐步层次化，设计出各类芯片的模块，最后再进行模块集成，实现数字系统硬件软件化的集成技术。同时建议设计者在设计完成后进行波形仿真和系统功能验证。

全书共分为9章。第1章“数字逻辑基础”从数制和编码入手，引出逻辑代数和逻辑符号表示，通过逻辑定理法和卡诺图化简，建立数字逻辑学的概念。第2章“硬件描述语言Verilog HDL与编辑环境Quartus Ⅱ”主要讲述Verilog HDL语言的基本语法和芯片的3种建模方法，然后讲述在编辑环境Quartus Ⅱ 9.1中如何建立工程、模块文件及模块文件的调用与仿真等，本章主要为硬件软件化打下一个良好的基础。第3章“逻辑门电路”主要讲述TTL逻辑门和CMOS逻辑门的电路实现。第4章“组合逻辑电路”主要讲解组合电路的分析与设计方法，常用组合逻辑器件以及Verilog HDL语言实现。第5章“时序逻辑电路”主要讲解同步时序电路分析与设计、异步时序电路分析与设计、常用时序器件计数器与寄存器设计以及Verilog HDL语言实现。第6章“半导体存储器与大规模可编程逻辑器件”讲述半导体存储器RAM、ROM构造原理与容量扩展，PLD设计技术。第4~6章是电子技术设计的基础，必须达到能够熟练设计的要求，要认真分析每一个电路的设计过程，抽象或例化出芯片的引脚定义与内部行为及状态转换，培养读者成为真正的电子设计者。第7章“脉冲波形的产生与整形”主要讲述系统脉冲发生电路的实现和选择。在设计中可以采用石英晶体振荡器来实现脉冲发生电路。第8章“接口电路设计技术”主要讲解接口电路的设计思想和简单设计实例，主要介绍两个接口电路A/D和D/A转换器的组成原理和应用。第9章“数字系统设计技术”提供了数字系统的设计思想，并以实例逐步讲解设计过程及其FPGA的实现过程，再简单举例描述微处理器的设计方法。

本书不再为每章专门配备习题，在附录C中附加习题与课程设计专题训练，尝试目标性的习题与综合设计，坚持习题与综合项目宁缺毋滥的原则，使学习者能够在专业方面真正做到“术业有专攻”。

本书第1章由杜军威编写，第2章由高俭英编写，第3章由庞志永编写，第4章由江守寰编写，第5章由宫生文编写，第6～9章由解本巨编写。全书由解本巨统稿。本书由岳学海进行排版设计指导和内容策划。

由于编者的实际工作经验限制，本书必会存在一些不当之处，敬请广大读者批评指正。

编者

2012年5月

第1章 数字逻辑基础

1.1 电路引入二进制、芯片及集成概念

1.2 数制与数制转换

1.2.1 计算机中常用进位计数制

1.2.2 数制转换

1.2.3 二进制算术运算

1.3 计算机中常用编码

1.3.1 二-十进制编码

1.3.2 格雷码

1.3.3 ASCII码

1.4 逻辑运算与逻辑代数

1.4.1 3种基本逻辑运算

1.4.2 逻辑函数及其表示方法

1.4.3 逻辑代数

1.5 逻辑代数的卡诺图化简法

1.5.1 最小项的定义及其性质

1.5.2 逻辑函数的最小项表达式

1.5.3 用卡诺图表示逻辑函数

1.5.4 用卡诺图化简逻辑函数

第2章 硬件描述语言Verilog HDL与编辑环境QuartusⅡ

2.1 硬件描述语言Verilog HDL设计方法学简介

2.1.1 Verilog的基本语法规则

2.1.2 变量及数据类型

2.1.3 运算符和表达式

2.1.4 语句

2.2 Verilog HDL建模

2.2.1 Verilog HDL程序的基本结构

2.2.2 结构建模

2.2.3 数据流建模

2.2.4 行为建模

2.2.5 模块调用

2.3 Verilog HDL编译环境QuartusⅡ9.1

2.3.1QuartusⅡ9.1概述

2.3.2 QuartusⅡ9.1原理图设计方法

2.3.3 使用Verilog HDL语言实现数字电路设计

2.3.4 波形仿真

第3章 逻辑门电路

3.1 半导体器件组成的门电路

3.1.1 半导体器件的开关特性

3.1.2 分立元件门电路

3.2 CMOS门电路

3.2.1 CMOS反相器

3.2.2 CMOS逻辑门电路

3.2.3 CMOS漏极开路门与三态门电路

3.2.4 CMOS传输门

3.3 TTL门电路

3.3.1 TTL反相器的基本电路

3.3.2 TTL逻辑门电路

3.3.3 TTL集电极开路门与三态门电路

第4章 组合逻辑电路

4.1 组合逻辑电路分析

4.2 组合逻辑电路设计

4.3 组合电路的竞争与冒险

4.3.1 冒险的分类与产生原因

4.3.2 冒险的判断与消除方法

4.4 常用组合逻辑电路

4.4.1 编码器

4.4.2 译码器

4.4.3 数据选择器

4.4.4 比较器

4.4.5 算术运箅电路

第5章 时序逻辑电路

5.1 时序逻辑电路基础

5.1.1 触发器

5.1.2 时序逻辑电路的描述

5.2 时序逻辑电路记忆单元——触发器

5.2.1 RS触发器

第6章 半导体存储器与大规模可编程逻辑器件

第7章 脉冲波形的产生与整形

第8章 接口电路设计技术

第9章 数字系统设计技术

附录A 74系列数字集成电路型号功能表

附录B CMOS系列数字集成电路型号功能表

附录C 习题训练与数字系统课程设计

参考文献