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总结 文献解读 练习 [0第0]4章CMOS逻辑电路 41开关逻辑 42MOS晶体管的开关模型 43CMOS门电路 总结 文献解读 练习 [0第0]5章CMOS电路的延时和功耗 51CMOS静态延时 52[0大0]负载下的驱动扇出 53逻辑努力的扇入 54延时计算 55延时[0优0]化 56导线延时 57CMOS电路的功耗 总结 文献解读 练习 [0第0]6章组合逻辑电路 61组合逻辑 62闭包 63真值表、[z1u1i]小项、与门标准形式 64与电路的蕴含项 65卡诺图 66封装函数 67从封装转变为门 68不完全的指标函数 69实现和之积 610冒险 总结 文献解读 练习 [0第0]7章组合逻辑电路的VHDL描述 71基本数字电路的VHDL描述 72素数电路的测试文[亻牛] 73七段译码器 总结 文献解读 练习 [0第0]8章组合逻辑电路基本单元 81多位标记 82译码器 83多路复用器 84编码器 85仲裁器和[0优0]先编码器 86比较器 87移位器 88ROM 89读写存储器 810可编程逻辑阵列 811数据表 812[0知0]识产[0[0权0]0]模块 总结 文献解读 练习 [0第0]9章组合逻辑电路设计实例 91倍三电路 92明天电路 93[0优0]先级仲裁器 94井字游戏电路 总结 练习 [0第0]三部分算术运算电路 [0第0]10章算术运算电路 101二进制数 102二进制加[0法0] 103负数和减[0法0] 104乘[0法0]器 105除[0法0] 总结 练习 [0第0]11章定点数和浮点数 111误差的表示：准度、精度和分辨率 112定点数 113浮点数 总结 文献解读 练习 [0第0]12章快速运算电路 121[0超0]前进位 122Booth重编码 123华莱士树 124综合注意事项 总结 文献解读 练习 [0第0]13章算术运算电路设计实例 131复数乘[0法0]器 132定点格式和浮点格式之间的转换 133FIR滤波器 总结 文献解读 练习 [0第0]四部分同步时序逻辑 [0第0]14章时序逻辑 141时序电路 142同步时序电路 143交通灯控制器 144状态分配 145有限状态[1机1]的实现 146有限状态[1机1]的VHDL实现 总结 文献解读 练习 [0第0]15章时序约束 151传播延时和污染延时 152触发器 153建立时间和保持时间约束 154时钟偏移的影响 155时序示例 156时序和逻辑综合 总结 文献解读 练习 [0第0]16章数据通路的时序逻辑 161计数器 162移位寄存器 163控制和数据划分 总结 练习 [0第0]17章分解有限状态[1机1] 171闪[1光1]器设计 172交通信号灯控制器 总结 练习 [0第0]18章微代码 181简单的微代码状态[1机1] 182指令序列 183多路分支 184多种指令类型 185微代码子程序 186简单的计算器 总结 文献解读 练习 [0第0]19章时序示例 1913分频计数器 192SOS检测器 193井字棋游戏 194赫夫曼编码器解码器 总结 文献解读 练习 [0第0]五部分实践设计 [0第0]20章验证和测试 201设计验证 202测试 总结 文献解读 练习 [0第0][6]部分系统级设计 [0第0]21章系统级设计 211系统设计过程 212设计规范 213划分 总结 文献解读 练习 [0第0]22章接口和系统级时序 221接口时序 222接口划分和选择 223串行和打包接口 224同步时序 225时序表 226接口和时序示例 总结 练习 [0第0]23章流水线 231普通流水线 232流水线示例 233逐位进位加[0法0]器流水线结构设计示例 234流水线停滞 235[0双0]重缓冲 236负载平衡 237可变负载 238资源共享 总结 文献解读 练习 [0第0]24章互连 241抽象互连 242总线 243交叉开关 244互连网络 总结 文献解读 练习 [0第0]25章存储系统 251存储基元 252位片和堆存储器 253交叉存储器 254高速缓存 总结 文献解读 练习 [0第0]七部分异步逻辑 [0第0]26章异步时序电路 261流表分析 262流表综合：触发电路 263竞争和状态赋值 总结 文献解读 练习 [0第0]27章触发器 271锁存器内部结构 272触发器的内部结构 273CMOS锁存器和触发器 274锁存器的流表 275D触发器的流表综合 总结 文献解读 练习 [0第0]28章亚稳态和同步故障 281同步故障 282亚稳态 283进入并且留在非[0法0]状态的可能性 284亚稳态的验证 总结 文献解读 练习 [0第0]29章同步器的设计 291同步器的用途 292强力同步器 293多比特信号问题 294FIFO同步器 总结 文献解读 练习 附录VHDL编码风格和语[0法0]指南 附录AVHDL编码风格 附录BVHDL语[0法0]指南 参考文献 目錄： 出版者的话 本书赞誉 译者序 前言 致谢 作者简介 第一部分引言 第1章数字信息简述 11数字信号 12数字信号噪声容限 13数字信号表示复杂数据 14数字逻辑函数 15数字电路与系统的硬件描述语言VHDL 16系统中的数字逻辑 总结 文献解读 练习 第2章数字系统设计实践 21设计过程 22数字系统由芯片和电路板组成 23计算机辅助设计工具 24摩尔定律和数字系统发展 总结 文献解读 练习 第二部分组合逻辑 第3章布尔代数 31原理 32内容 33对偶函数 34标准型 35从方程式到逻辑门 36硬件描述语言中的布尔表达式 总结 文献解读 练习 第4章CMOS逻辑电路 41开关逻辑 42MOS晶体管的开关模型 43CMOS门电路 总结 文献解读 练习 第5章CMOS电路的延时和功耗 51CMOS静态延时 52大负载下的驱动扇出 53逻辑努力的扇入 54延时计算 55延时优化 56导线延时 57CMOS电路的功耗 总结 文献解读 练习 第6章组合逻辑电路 61组合逻辑 62闭包 63真值表、最小项、“与”门标准形式 64“与”电路的蕴含项 65卡诺图 66封装函数 67从封装转变为门 68不完全的指标函数 69实现和之积 610冒险 总结 文献解读 练习 第7章组合逻辑电路的VHDL描述 71基本数字电路的VHDL描述 72素数电路的测试文件 73七段译码器 总结 文献解读 练习 第8章组合逻辑电路基本单元 81多位标记 82译码器 83多路复用器 84编码器 85仲裁器和优先编码器 86比较器 87移位器 88ROM 89读写存储器 810可编程逻辑阵列 811数据表 812知识产权模块 总结 文献解读 练习 第9章组合逻辑电路设计实例 91倍三电路 92明天电路 93优先级仲裁器 94井字游戏电路 总结 练习 第三部分算术运算电路 第10章算术运算电路 101二进制数 102二进制加法 103负数和减法 104乘法器 105除法 总结 练习 第11章定点数和浮点数 111误差的表示：准度、精度和分辨率 112定点数 113浮点数 总结 文献解读 练习 第12章快速运算电路 121超前进位 122Booth重编码 123华莱士树 124综合注意事项 总结 文献解读 练习 第13章算术运算电路设计实例 131复数乘法器 132定点格式和浮点格式之间的转换 133FIR滤波器 总结 文献解读 练习 第四部分同步时序逻辑 第14章时序逻辑 141时序电路 142同步时序电路 143交通灯控制器 144状态分配 145有限状态机的实现 146有限状态机的VHDL实现 总结 文献解读 练习 第15章时序约束 151传播延时和污染延时 152触发器 153建立时间和保持时间约束 154时钟偏移的影响 155时序示例 156时序和逻辑综合 总结 文献解读 练习 第16章数据通路的时序逻辑 161计数器 162移位寄存器 163控制和数据划分 总结 练习 第17章分解有限状态机 171闪光器设计 172交通信号灯控制器 总结 练习 第18章微代码 181简单的微代码状态机 182指令序列 183多路分支 184多种指令类型 185微代码子程序 186简单的计算器 总结 文献解读 练习 第19章时序示例 1913分频计数器 192SOS检测器 193井字棋游戏 194赫夫曼编码器解码器 总结 文献解读 练习 第五部分实践设计 第20章验证和测试 201设计验证 202测试 总结 文献解读 练习 第六部分系统级设计 第21章系统级设计 211系统设计过程 212设计规范 213划分 总结 文献解读 练习 第22章接口和系统级时序 221接口时序 222接口划分和选择 223串行和打包接口 224同步时序 225时序表 226接口和时序示例 总结 练习 第23章流水线 231普通流水线 232流水线示例 233逐位进位加法器流水线结构设计示例 234流水线停滞 235双重缓冲 236负载平衡 237可变负载 238资源共享 总结 文献解读 练习 第24章互连 241抽象互连 242总线 243交叉开关 244互连网络 总结 文献解读 练习 第25章存储系统 251存储基元 252位片和堆存储器 253交叉存储器 254高速缓存 总结 文献解读 练习 第七部分异步逻辑 第26章异步时序电路 261流表分析 262流表综合：触发电路 263竞争和状态赋值 总结 文献解读 练习 第27章触发器 271锁存器内部结构 272触发器的内部结构 273CMOS锁存器和触发器 274锁存器的流表 275D触发器的流表综合 总结 文献解读 练习 第28章亚稳态和同步故障 281同步故障 282亚稳态 283进入并且留在非法状态的可能性 284亚稳态的验证 总结 文献解读 练习 第29章同步器的设计 291同步器的用途 292强力同步器 293多比特信号问题 294FIFO同步器 总结 文献解读 练习 附录VHDL编码风格和语法指南 附录AVHDL编码风格 附录BVHDL语法指南 参考文献 內容試閱： 这本导论性教科书为学生提供了系统级的观点和用于理解、分析和设计数字系统的工具。书中讲解了这些模块如何用于构建完整的系统，这远远超越了简单的组合和时序模块设计。 ●理解现代设计实践所需的所有重要主题，本书都涉及： ■ 组合和时序模块的设计与分析 ■ 组合和时序模块的构成 ■ 数据和控制分区 ■ 有限状态机的分解和构成 ■ 接口规格 ■ 系统级时序 ■ 同步性 ●教授如何以高效和可维护的方式编写VHDL2008 HDL，这使得CAD工具可以处理很多烦琐的工作。 ● 涵盖逻辑设计的基本原理，描述设计组合逻辑的有效方法，手动和使用现代CAD工具分析状态机。 数字设计的完整介绍是通过清晰的解释、延伸示例和在线VHDL文件给出的。完整的教学包包括课件幻灯片、实验和教师解决方案手册等。假设学生没有数字知识背景，那么这本教科书是本科阶段数字设计课程的理想选择，是为学习现代数字实践的学生准备的。 本书旨在帮助本科生学习和设计数字系统。它教授当前工业界数字系统设计中所需的硬件描述语言（VHDL）和现代CAD工具使用相关的技能。特别注意系统级问题，包括分解和划分数字系统、接口设计和接口时序。也涉及需要深入理解的相关问题，如时序分析、亚稳态和同步性。当然，本书还涵盖了组合和时序逻辑电路的人工设计。但是，因为与设计这样简单的模块相比数字系统设计要复杂很多，所以在此不详细叙述这些问题。 在完成本书的课程后，学生应该准备实践工业界的数字设计。虽然他们缺乏经验，但他们已经学习了实践所需要的所有工具。经验将随着时间而逐渐积累。 本书诞生于作者超过25年的本科生数字设计教学经验（加州理工学院CS181，麻省理工学院6004，斯坦福EE121和EE108A），以及工业界35年的数字系统设计经验（Bell Labs, Digital Equipment,Cray，Avici，Velio Communications，Stream Processors和Nvidia）。本书结合这两方面的经验来指导学生，在工业界中，已经在几代学生身上证明了本书所教授的知识是十分有用的。附录B中的VHDL语法指南是大不列颠哥伦比亚大学（EECE 353和EECE 259）本科生近十年的VHDL教学资料。 因为市场上没有一本可以涵盖系统级数字设计方面的书，所以我们写了这本书。另外，绝大多数关于组合和时序逻辑电路的人工设计主题的教科书也已经停止出版了。当今大多数教科书都使用硬件描述语言，但是它们绝大多数都介绍TTL风格的设计，尽管这类设计能够在7400系列芯片的面积内放置4个“与非”门元件（20世纪70年代），但没考虑让学生设计一个具有30亿个晶体管的GPU。今天的学生需要了解如何把状态机、划分设计和构建带有正确时序的接口等因素考虑在内。本书以深入浅出的方式描述这些问题。 本书大纲 下面的流程图显示了本书的组织结构及各章节之间的关系，如图1所示。附录B提供了一个VHDL2008语法的总结。 图1本书的结构图和各章节之间的关系 第一部分引言 第1章介绍数字系统，包括数字信号、噪声容限等信息的表示，数字逻辑在现代世界扮演的角色。第2章介绍工业界数字系统设计实践。其中包括设计过程、现代实现技术、计算机辅助设计工具和摩尔定律。 第二部分组合逻辑 第3～9章介绍组合逻辑电路——数字电路的输出仅取决于其输入的当前值。布尔代数是逻辑设计的理论基础，在第3章中讨论。第4章介绍开关逻辑和CMOS门电路。第5章介绍计算CMOS电路延时和功耗的简单模型。第6章介绍从基本的门开始手动设计组合逻辑电路的方法。第7章讨论如何通过对VHDL中组合逻辑的行为描述进行编码来使设计过程自动化。第8章介绍译码器、多路复用器等组合逻辑中的构建块，第9章列出了几个组合逻辑电路的设计实例。 第三部分算术运算电路 第10～13章描述了数字系统和算术运算电路。第10章描述在整数上执行四个函数+、 -、×和÷的数字表示和算术电路的基础知识。第11章介绍定点和浮点数表示及其精度，该章还包括对浮点单元设计的讨论。第12章描述构建快速运算电路的技术，包括超前进位、华莱士（Wallace）树和Booth重编码。最后，算术运算电路和系统的示例在第13章中给出。 第四部分同步时序逻辑 第14～19章描述同步时序逻辑电路——其状态仅在时钟边缘发生变化，以及设计有限状态机的过程。在学习了第14章的基础知识之后，时序约束在第15章中讨论。数据通路时序电路的设计——其行为由方程而不是状态表描述——是第16章的主题。第17章描述如何将复杂状态机分为几个更小更简单的状态机。第18章介绍存储程序控制的概念，以及如何使用微代码引擎构建有限状态机。本节将以第19章中的一些示例结束。 第五部分实践设计 第20章和附录讨论了数字设计项目的两个重要方面。验证逻辑正确性的过程和设计完成后的测试是第20章的主题。附录让学生学会合适的VHDL编码风格——良好的可读性和可维护性，并且使CAD工具能够生成优化的硬件。无论是在编写自己的VHDL之前、之中还是之后，学生都应阅读本章。 第六部分系统级设计 第21~25章讨论了系统级设计，并介绍了数字系统设计与分析的系统化方法。第21章介绍了系统设计的六个步骤。第22章讨论接口的系统级时序和约定。第23章介

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