本书面向数字逻辑设计的入门课程,这门课程是大多数电子和计算机工程专业的一门基础课程。一个成功的数字逻辑电路设计者首先必须深入了解其基本概念,并且能够牢固掌握基于计算机辅助设计(CAD)工具的现代设计方法。
本书的主要目的为:1)通过典型的数字电路手工设计方法教给学生基本概念;2)清晰地展示当今采用CAD工具设计数字电路的方法。虽然目前除了少数情况外已经不再采用手工方法进行设计,但我们仍想通过教授这些手工设计技术,使学生对如何设计数字电路有一个感性的认识;并且手工设计方法能对CAD工具实现的功能进行很好的解释,使学生体会到自动设计的优势。本书通过简单的电路设计案例引出其基本概念,这些案例都同时采用手工方法和现代CAD方法设计。在建立了基本概念后,提供了更多基于CAD工具的复杂例子。因此,本书的重点仍然放在现代设计方法上,以说明当今数字电路是如何设计的。
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施蒂芬·布朗(Stephen Brown),本科毕业于加拿大布伦斯维克大学,获得电子工程学士学位,此后就读于多伦多大学并取得电子工程硕士和博士学位,与1992年进入多伦多大学任教,目前为该校电子与计算机工程系教授,同时在Altera公司发起的国际大学计划中担任理事职务。研究领域包括现场可编程VLSI技术以及计算机结构,曾获得由加拿大自然科学与工程研究委员会颁发的1992年最佳博士论文奖,并且发表了超过100篇的科研论文。在电子工程、计算机工程以及计算机科学相关课程方面获得过5次优异教学成果奖,并且与他人合编了两本知名教材:《Fundamentals of Digital Logic with VHDL Design》(第三版)以及《Field-Programmable Gate Arrays》。
斯万克·瓦拉纳西(Zvonko Vranesic)拥有多伦多大学电子工程学士、硕士和博士学位。1963年在位于安大略省布拉马里的北方电力有限公司担任设计工程师;1968年进入多伦多大学任教;1978~1979年为英国剑桥大学访问学者;1984年~1985年为巴黎第六大学的访问学者;1995~2000年担任多伦多大学工程科学部主席,同时还参与了Altera公司多伦多科技中心组织的研发工作。目前的研究领域包括计算机架构以及现场可编程VLSL技术研究。除本书外,与他人合编了另外3本知名教材:《Computer Organization and Embedded Systems》(第6版),《Mircrocomputer Structures》与《Field-Programmable Gate Arrays》。1990年由于指导本科生实验的创新和杰出贡献而获得怀顿(Wighton)奖金;2004年获得由多伦多大学应用科学和工程教师组织颁发的教学奖。此外,他曾多次代表加拿大出席国际象棋大赛,并被冠以“国际象棋大师”的头衔。
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出版者的话
译者序
前言
作者简介
第1章引言1
1-1数字硬件1
1-2设计流程3
1-3计算机结构4
1-4本书中的逻辑电路设计5
1-5信息的数字化表示5
1-6理论与实践9
习题10
参考文献10
第2章逻辑电路导论11
2-1变量与函数11
2-2反相12
2-3真值表13
2-4逻辑门和网络14
2-5布尔代数17
2-6利用“与”门、“或”门和“非”门进行综合23
2-7“与非”和“或非”逻辑网络电路28
2-8设计实例31
2-9CAD工具介绍34
2-10Verilog简介37
2-11最简化和卡诺图41
2-12最小化策略46
2-13和之积形式的最简式49
2-14非完整定义函数(无关项)50
2-15多输出电路51
2-16小结53
2-17解决问题的实例53
习题58
参考文献61
第3章数的表示方法和算术运算电路62
3-1按位计数法(数的位置表示法)62
3-2无符号数的加法运算64
3-3有符号数67
3-4快速加法器75
3-5使用CAD工具设计算术运算电路79
3-6乘法88
3-7其他数的表示方式90
3-8解决问题的实例94
习题97
参考文献99
第4章组合电路模块100
4-1多路选择器100
4-2译码器105
4-3编码108
4-4代码转换器109
4-5算术比较电路109
4-6用Verilog设计组合逻辑电路110
4-7小结121
4-8解决问题的实例121
习题126
参考文献128
第5章触发器、寄存器和计数器129
5-1基本锁存器129
5-2门控SR锁存器131
5-3门控D锁存器132
5-4边沿触发的D触发器134
5-5T触发器139
5-6JK触发器139
5-7术语小结140
5-8寄存器140
5-9计数器142
5-10复位同步147
5-11其他类型的计数器149
5-12用CAD工具设计含存储元件的电路151
5-13用Verilog构建寄存器和计数器156
5-14设计举例160
5-15触发器电路的时序分析164
5-16小结167
5-17解决问题的实例167
习题171
参考文献174
第6章同步时序电路175
6-1基本设计步骤176
6-2状态分配问题183
6-3Mealy状态模型185
6-4采用CAD工具设计有限状态机188
6-5串行加法器实例193
6-6状态最小化197
6-7基于时序电路的计数器设计202
6-8仲裁电路的FSM207
6-9同步时序电路的分析209
6-10算法状态机流程图211
6-11时序电路的形式模型213
6-12小结214
6-13解决问题的实例214
习题219
参考文献220
第7章数字系统设计222
7-1总线结构222
7-2简单的处理器227
7-3位计数电路234
7-4移位和加乘法器238
7-5除法器242
7-6算术平均248
7-7排序操作251
7-8时钟同步和时序问题258
7-9小结260
习题261
参考文献262
第8章逻辑函数的优化实现264
8-1多级综合264
8-2多级电路分析271
8-3逻辑函数的其他表示方法273
8-4基于立方体表示法的优化技术279
8-5小结288
8-6解决问题的实例289
习题293
参考文献294
第9章异步时序电路296
9-1异步行为296
9-2异步电路分析298
9-3异步电路综合303
9-4状态化简309
9-5状态分配316
9-6冒险324
9-7一个完整的设计实例328
9-8小结331
9-9解决问题的实例332
习题335
参考答案337
第10章计算机辅助设计工具338
10-1综合338
10-2物理设计342
10-3小结345
参考文献345
第11章逻辑电路测试346
11-1故障模型346
11-2测试集的复杂度347
11-3路径敏化348
11-4树形结构电路350
11-5随机测试351
11-6时序电路的测试353
11-7内建自测试355
11-8印制电路板359
11-9小结361
习题362
参考文献363
附录AVerilog参考364
附录B实现技术391
部分习题参考答案440
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