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《数字电路设计与实践》 内容简介： 本书深入浅出地讲解了数字电路设计的核心概念、方法与实践。从最基本的逻辑门电路入手，逐步引导读者掌握组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计与分析。本书强调理论与实践相结合，通过丰富的实例和实验，让读者能够熟练运用现代EDA（电子设计自动化）工具进行电路设计、仿真与验证。 第一章 绪论 本章首先介绍数字电路在现代电子系统中的重要性，以及数字电路设计的发展历程。随后，阐述数字电路设计的基本原理，包括二进制表示法、逻辑运算以及数字信号与模拟信号的区别。接着，介绍数字电路设计的基本流程，包括需求分析、逻辑设计、物理设计和测试验证。最后，概述本书将要涵盖的主要内容和学习目标，为读者构建一个清晰的学习框架。 第二章 逻辑门电路与布尔代数 本章是数字电路设计的基础。详细介绍构成数字电路的最基本单元——逻辑门电路，包括AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR、XNOR门的功能、符号和真值表。在此基础上，引入布尔代数，讲解其基本定律（如交换律、结合律、分配律、德摩根定律等）和化简方法。通过布尔代数可以对逻辑电路进行简化，减少硬件资源，提高电路性能。本章还将介绍逻辑函数的最小项和最大项表示法，以及卡诺图（Karnaugh Map）等逻辑函数化简工具。 第三章 组合逻辑电路设计 组合逻辑电路的输出仅取决于当前输入，与电路之前的状态无关。本章将在此基础上，深入讲解组合逻辑电路的设计方法。首先，介绍编码器、译码器、多路选择器（MUX）、数据分配器（DEMUX）等通用组合逻辑功能模块的原理和应用。接着，重点讲解数据选择器在实现任意逻辑函数中的强大功能。此外，还将深入分析加法器（半加器、全加器）、减法器、比较器等算术逻辑电路的设计，并介绍它们在实际系统中的应用。最后，会涉及组合逻辑电路的冒险现象及其解决方法，以确保电路的可靠性。 第四章 时序逻辑电路设计 与组合逻辑电路不同，时序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入，还取决于电路之前的状态。本章将重点讲解时序逻辑电路的设计。首先，介绍触发器（Flip-Flop）作为时序逻辑电路的基本存储单元，详细讲解SR触发器、D触发器、JK触发器、T触发器的工作原理、状态转换图和时序图。接着，介绍不同类型的触发器之间的转换。然后，引入状态机（State Machine）的概念，包括有限状态机（FSM）的设计，分为摩尔（Moore）型和米利（Mealy）型状态机的区别和设计流程。本章还将探讨寄存器（Register）和移位寄存器（Shift Register）的设计及其应用，以及计数器（Counter）的设计，包括异步计数器和同步计数器，以及各种特殊功能的计数器（如环形计数器、约翰逊计数器）。 第五章 半导体存储器 存储器是数字系统不可或缺的一部分。本章将介绍半导体存储器的基本原理和分类。重点讲解随机访问存储器（RAM），包括静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）的工作原理、结构和读写时序。此外，还将介绍只读存储器（ROM），包括掩膜ROM（MROM）、可编程ROM（PROM）、可擦除可编程ROM（EPROM）和电可擦可编程ROM（EEPROM）的特点和应用。最后，还将简要介绍闪存（Flash Memory）等现代存储技术。 第六章 可编程逻辑器件（PLD）与FPGA入门 随着集成电路技术的发展，可编程逻辑器件（PLD）为数字电路设计提供了极大的灵活性。本章将介绍PLD的基本概念，包括通用阵列逻辑（GAL）、可编程只读存储器（PLA）、可编程阵列逻辑（PAL）。在此基础上，重点引入现场可编程门阵列（FPGA）的概念，介绍FPGA的内部结构，如查找表（LUT）、触发器、可编程互连资源以及DSP块和Block RAM。本章将解释FPGA的优势，如灵活性高、开发周期短、功能可重构等，并概述使用FPGA进行设计的典型流程。 第七章 EDA工具的使用与实践 现代数字电路设计离不开EDA工具的支持。本章将介绍常用的EDA工具，如Xilinx Vivado或Intel Quartus Prime等FPGA开发套件。本章将详细讲解使用这些工具进行项目创建、HDL（硬件描述语言）代码编写（Verilog或VHDL）、逻辑综合、仿真与验证、综合后仿真、实现（布局布线）以及生成比特流文件的完整流程。通过具体的实例，读者将学会如何使用HDL语言描述数字电路，并通过仿真验证其正确性，最终将设计部署到FPGA开发板上。 第八章 常用数字电路模块设计实例 为了加深读者对前面章节知识的理解和应用，本章将提供一系列常用的数字电路模块设计实例。这些实例涵盖了从简单的逻辑功能实现到相对复杂的系统设计。例如，可能会包括：一个简单的LED闪烁控制器、一个按键消抖电路、一个简单的数码管显示驱动器、一个UART（通用异步收发传输器）接收/发送模块、一个简单的SPI（串行外设接口）通信接口模块等。每个实例都将详细介绍其功能需求、设计思路、HDL代码实现、仿真结果分析以及在FPGA上的实现方法。 第九章 数字系统集成与调试 在完成单个模块的设计后，需要将它们集成到一个完整的数字系统中。本章将探讨数字系统的集成方法，包括总线接口设计、时钟域处理以及模块间的通信协议。同时，还将深入讲解在硬件实现过程中可能遇到的各种问题，以及调试的策略和技巧。这包括使用逻辑分析仪、示波器等硬件调试工具，以及利用EDA工具提供的在线逻辑分析仪（如ILA）进行高效的系统级调试。 第十章 嵌入式数字系统简介 本章将简要介绍嵌入式数字系统。通过介绍嵌入式系统的基本组成（如微控制器、外围设备、存储器等）和工作原理，帮助读者了解数字电路设计在实际嵌入式产品中的应用。可能还会涉及一些基本的嵌入式软件开发概念，以及硬件与软件的协同设计。 学习目标： 通过学习本书，读者将能够： 理解数字电路的基本原理，掌握布尔代数及其应用。 熟练设计和分析组合逻辑电路和时序逻辑电路。 掌握基本的硬件描述语言（Verilog或VHDL），并能使用EDA工具进行电路设计、仿真和实现。 了解半导体存储器的基本原理和分类。 掌握FPGA的基本结构和开发流程。 具备设计和调试简单数字电路和系统的能力。 为进一步学习更复杂的数字系统和嵌入式系统打下坚实的基础。 本书适合于高等院校电子工程、计算机科学、自动化等专业的学生，以及对数字电路设计和FPGA开发感兴趣的工程技术人员。本书力求理论严谨，实践性强，旨在培养读者解决实际数字电路设计问题的能力。
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