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編輯推薦： #例题丰富，推演详尽。 #综合了基本CMOS集成工艺和逻辑门。 #使用VHDL和SystemVerilog进行数字设计。 內容簡介： 本书是一本系统介绍数字电路设计的优秀教材，旨在教会读者关于数字设计的基本概念和基本方法。全书共分10章，内容涉及数字逻辑的基本理论，组合逻辑电路、时序逻辑电路、寄存器和计数器、存储器与可编程逻辑器件，寄存器传输级设计、半导体和CMOS集成电路、标准IC和FPGA实验、标准图形符号、Verilog HDL、VHDL、SystemVerilog与数字系统设计等。全书结构严谨，选材新颖，内容深入浅出，紧密联系实际，教辅资料齐全。 關於作者： M. Morris Mano，美国加利福尼亚州立大学电子和计算机工程系的教授，出版过多部有关数字逻辑、计算机设计基础的教材；Michael D. Ciletti，美国科罗拉多大学教授。＜BR＞M. Morris Mano，美国加利福尼亚州立大学电子和计算机工程系的教授，出版过多部有关数字逻辑、计算机设计基础的教材；Michael D. Ciletti，美国科罗拉多大学教授。 目錄： Contents 1 Digit a l S ys tems and Binar y Numbers 17 1.1 Digital Systems 17 1.2 Binary Numbers 20 1.3 Number-Base Conversions 22 1.4 Octal and Hexadecimal Numbers 25 1.5 Complements of Numbers 27 1.6 Signed Binary Numbers 33 1.7 Binary Codes 38 1.8 Binary Storage and Registers 47 1.9 Binary Logic 50 2 Boolean Algebra and Logic Gate s 57 2.1 Introduction 58 2.2 Basic Definitions 58 2.3 Axiomatic Definition of Boolean Algebra 59 2.4 Basic Theorems and Properties of Boolean Algebra 63 2.5 Boolean Functions 66 2.6 Canonical and Standard Forms 72 2.7 Other Logic Operations 81 2.8 Digital Logic Gates 83 2.9 Integrated Circuits 89 3 Gate-Level Minimization 98 3.1 Introduction 99 3.2 The Map Method 99 3.3 Four-Variable K-Map 106 3.4 Product-of-Sums Simplification 111 3.5 Dont-Care Conditions 115 3.6 NAND and NOR Implementation 118 3.7 Other Two-Level Implementations 126 3.8 Exclusive-OR Function 131 3.9 Hardware Description Languages HDLs 137 3.10 Truth Tables in HDLs 154 4 Combinational Logic 163 4.1 Introduction 164 4.2 Combinational Circuits 164 4.3 Analysis of Combinational Circuits 165 4.4 Design Procedure 169 4.5 Binary Adder?CSubtractor 172 4.6 Decimal Adder 184 4.7 Binary Multiplier 186 4.8 Magnitude Comparator 188 4.9 Decoders 191 4.10 Encoders 195 4.11 Multiplexers 198 4.12 HDL Models of Combinational Circuits 205 4.13 Behavioral Modeling 231 4.14 Writing a Simple Testbench 239 4.15 Logic Simulation 245 5 Synchronous Sequential Logic 261 5.1 Introduction 262 5.2 Sequential Circuits 262 5.3 Storage Elements： Latches 264 5.4 Storage Elements： Flip-Flops 269 5.5 Analysis of Clocked Sequential Circuits 277 5.6 Synthesizable HDL Models of Sequential Circuits 291 5.7 State Reduction and Assignment 316 5.8 Design Procedure 321 6 Registers and Counters 342 6.1 Registers 342 6.2 Shift Registers 346 6.3 Ripple Counters 354 6.4 Synchronous Counters 359 6.5 Other Counters 367 6.6 HDL Models of Registers and Counters 372 7 Memory and Programmable Logic 393 7.1 Introduction 394 7.2 Random-Access Memory 395 7.3 Memory Decoding 402 7.4 Error Detection and Correction 407 7.5 Read-Only Memory 410 7.6 Programmable Logic Array 416 7.7 Programmable Array Logic 420 7.8 Sequential Programmable Devices 424 8 Design at the Registe r Transfer Leve l 445 8.1 Introduction 446 8.2 Register Transfer Level RTL Notation 446 8.3 RTL Descriptions 448 8.4 Algorithmic State Machines ASMs 466 8.5 Design Example ASMD CHART 475 8.6 HDL Description of Design Example 485 8.7 Sequential Binary Multiplier 503 8.8 Control Logic 508 8.9 HDL Description of Binary Multiplier 514 8.10 Design with Multiplexers 529 8.11 Race-Free Design Software Race Conditions 545 8.12 Latch-Free Design Why Waste Silicon? 548 8.13 SystemVerilogAn Introduction 549 9 Laborator y Experiments with Standard ICs and FPGAs 571 9.1 Introduction to Experiments 571 9.2 Experiment 1： Binary and Decimal Numbers 576 9.3 Experiment 2： Digital Logic Gates 579 9.4 Experiment 3： Simplification of Boolean Functions 581 9.5 Experiment 4： Combinational Circuits 583 9.6 Experiment 5： Code Converters 584 9.7 Experiment 6： Design with Multiplexers 586 9.8 Experiment 7： Adders and Subtractors 588 9.9 Experiment 8： Flip-Flops 591 9.10 Experiment 9： Sequential Circuits 593 9.11 Experiment 10： Counters 595 9.12 Experiment 11： Shift Registers 596 9.13 Experiment 12： Serial Addition 600 9.14 Experiment 13： Memory Unit 601 9.15 Experiment 14： Lamp Handball 603 9.16 Experiment 15： Clock-Pulse Generator 607 9.17 Experiment 16： Parallel Adder and Accumulator 609 9.18 Experiment 17： Binary Multiplier 611 9.19 HDL Simulation Experiments and Rapid Prototyping with FPGAs 615 10 Standard Graphic Symbols 621 10.1 Rectangular-Shape Symbols 621 10.2 Qualifying Symbols 624 10.3 Dependency Notation 626 10.4 Symbols for Combinational Elements 628 10.5 Symbols for Flip-Flops 630 10.6 Symbols for Registers 632 10.7 Symbols for Counters 635 10.8 Symbol for RAM 637 Appendix 640 Answers to Selected Problems 654 內容試閱： 前??言 今天，数字设备的处理速度、密度和复杂度，在很大程度上得益于物理处理工艺和数字设计方法的发展。除半导体工艺外，前沿设备的设计极大地依赖于硬件描述语言（HDL）和综合工具。有三种主流语言在数字设计流程中发挥了很大作用，它们是Verilog HDL（以下简称Verilog）、VHDL和SystemVerilog。掌握HDL和数字逻辑电路的基础知识，成为计算机科学、计算机工程和电气工程等专业的学生进入数字设计世界的必备技能。 过去，电子工程专业毕业的学生必须要学会使用示波器；现在，则要求毕业生至少熟悉一门HDL。作为一名学生，掌握HDL将使他们在毕业后能更好地成为设计团队的一员。 鉴于设计领域中存在三种HDL，本书重点介绍Verilog和VHDL，而对SystemVerilog只做简要介绍。我们不要求学生同时掌握这三种语言，甚至是其中的两种。当教授系统设计方法时，可以选择Verilog或VHDL中的一种，也可以选择SystemVerilog。当然，Verilog和VHDL现已被广泛应用，在电路设计领域占有主导地位。它们都以组合逻辑设计和时序逻辑设计这两个概念为基础，这对于高密度集成电路的综合是必不可少的。我们的教材同时提供了这两种语言的描述方式，学生选择其中的一种即可。在处理Verilog和VHDL语言时，没有强调某一种语言优于另一种语言，而是围绕它们在数字设计中的语言特征为主线加以介绍。每一章的最后都有大量习题，可以用Verilog或VHDL来实现求解过程。 本教材的重点是数字设计，HDL只是一个工具。因此，本书只提供支持数字设计入门所需的Verilog、VHDL和SystemVerilog的知识。另外，虽然每一种语言都给出了一些例子，但都对例子的主题进行了标注，以便教师任选Verilog或VHDL中的一种进行教学。如果先强调Verilog，后介绍SystemVerilog，则并不影响我们的教学目标。SystemVerilog是可选教学部分，我们将其作为Verilog的扩展，在书中仅提供了一些例子，同样符合教学目标。我们不提倡同时教授多种语言，教师可以选择VerilogSystemVerilog或VHDL作为数字设计介绍性课程的核心语言。但是，不管是哪种语言，我们的重点都是数字设计。 对基于HDL的示例，本书不仅尽量描述清楚，而且还重点说明了数字电路的建模和验证过程。书中对于Verilog和VHDL都没有进行完整介绍，这与所选择的语言无关，相关的示例讲解的是基于数字系统的计算机辅助建模概念的设计方法，该方法使用了主流的IEEE标准化硬件描述语言。 本书第六版的每章开头都列出学习目标，并在章末提供习题，此外还给出了大量的示例和练习。所有这些安排有助于学生完成学习目标，掌握数字设计的一些技巧。此外，书末给出了部分习题的答案详解。教师可以在课堂上就某个问题的解决方法进行教学。 多模式学习 与以前的版本类似，本书第六版也支持多模式学习。所谓的VARK模式①，②确定了我们学习的四种主要方式：视（V）、听（A）、读（R）、动（K）。教材中相对高层次的讲解和插图涉及VARK的视（V），基础的讨论和大量的示例涉及读（R）。利用免费的Verilog、VHDL和SystemVerilog模拟器与综合工具，学生可以完成课后作业。通过动手获得学习体验，可以使学生感受到实际设计数字电路的乐趣。这时，VARK中剩余的是听（A）的体验，这取决于教师和学生的注意力。我们提供了大量的资料和示例来支持课堂教学。因此，使用本书作为教材的课程，在强调VARK模式的基础上，可以给学生带来丰富、均衡的学习体验。 在数字设计的第一节课上，需要对仍然质疑使用HDL的那些人说，我们强调的是工业上不使用基于原理图的设计方法。原理图可以描述电路的结构和布局，但是，没有对功能结构进行说明，或者没有在附加文档中说明设计意图，任何人都很难在短时间内确定逻辑电路原理图所表示的功能。因此，当今工业上几乎完全依赖HDL来描述设计功能，HDL也是在基于标准单元的ASIC或FPGA中实现设计、模拟、测试和综合的。原理图的实用性在于描述结果非常详细，设计单元的层次化结构都被细致地描绘出来。过去，设计师要依靠多年经验来设计原理图，从而实现相应功能。如今，设计师使用HDL可以直接、清楚地表达功能，使用综合工具自动生成原理图。工业上采用基于HDL的设计流程，而不是使用原理图，因为使用原理图会使我们在理解和设计大型、复杂的集成电路时效率低下。 我们在数字设计的第一节课中引入HDL的目的，并不是为了取代利用电路基本单元进行模块化的设计方法，也不是不需要人来参与设计。对学生来说，理解硬件的工作原理仍然很重要。因此，本书第六版保留了对组合和时序逻辑设计以及布尔代数基础的完整描述。书中仍旧介绍了人工设计方法，并与通过HDL得到的结果进行了比较。尽管如此，我们要强调的是目前的硬件如何设计，以便学生对将来的职业生涯有所准备，毕竟在这个行业中，基于HDL的设计实践是占主导地位的。 灵活性 书中包含了人工设计和基于HDL的设计的两类示例。每章章末的习题是可以相互参考的，即使用人工设计方法得出的结果与使用HDL完成的指定任务相互对照。在书末的部分习题答案和（教师用）解答手册中，通过在程序中注释仿真结果，我们将人工设计方法和基于HDL的设计方法结合在一起。 第六版更新内容 本书第六版使用IEEE标准1364的最新特性，但仅限于对教学目标的支持。本书所做的修改和更新包括： 删除了前面课程中的逻辑电路和数字设计使用的特殊门电路内容（如RTL、DTL和ECL电路）。 在章末增加网络搜索主题部分，让学生了解网络上的相关内容。 修订了三分之一左右的习题。 对整本书的人工设计示例都给出了答案，包括所有的新问题。 精简了卡诺图的讨论内容。 综合了基本CMOS集成工艺和逻辑门。 附录部分介绍了半导体工艺。 使用VHDL和SystemVerilog进行数字设计。 设计方法论 本书系统描述了设计状态机来控制数字系统数据路径的方法，并给出考虑了实际情况的框架化结构。其中，从数据路径出来的信号被控制器使用，这就是所谓的系统反馈（响应）。因此，该方法为设计复杂且交互式的数字设计提供了基础，尽管它强调基于HDL的设计，但是这种方法既可以用于人工设计，也可以用于基于HDL的设计。 适量的HDL 书中只提供了Verilog、VHDL和VerilogSystem的基本语法元素，满足基本的应用需求。另外，正确的语法并不能保证模型满足功能指标或者能被综合到物理硬件中。因此，我们向学生介绍基于工业实践的HDL模型编写规则，确保行为描述能够被综合到物理硬件中，并且综合后的电路功能和行为描述一致。如果不遵循规则，就会导致状态机的HDL模型中出现软件竞争情形，用于验证模型的测试平台中也将出现竞争情形，并且模拟行为模型的结果和被综合的物理硬件之间出现不匹配。类似地，如果不遵守HDL工业规则，也许设计的模拟结果是正确的，但会引入硬件锁存器，原因就在于设计者使用的建模风格。书中介绍的基于工业的设计方法可以使设计中不会出现竞争和不需要的锁存器。所以，无论是否能获得综合工具，对学生来说，学习和遵循使用HDL模型的工业实践要求非常重要。 验证 工业上，一个重要步骤是验证电路是否能够正常工作，如此可以排除很多的失误。然而，现在对数字设计的验证环节没有足够的重视，而仅仅关注设计本身，验证通常被认为是次要的。我们凭借经验，往往会过早地主观认为这个电路工作得很好。类似地，通过确保投资的HDL模型是可靠的、可移植的和可重复使用的，工厂才能获得源源不断的投资收益。为了保证可重复使用和可移植性，需要对命名规则和参数使用进行规范。同时，我们提供了相关的解决方案和练习的测试平台，目的在于： （1）验证电路功能。 （2）强调测试的重要性。 （3）向学生介绍重要概念，如测试平台中的自检。 提倡开发测试计划来指导开发测试平台，我们会在书中介绍测试方案，并且在书末的部分习题答案中进一步加以说明。 HDL内容 我们已经确认过书中所有的示例解决方案都符合数字硬件建模的工业实践。与上一版一样，HDL材料被放在一个单独的部分，这样可以按照教学需要进行删减。本书没有减少关于人工设计的论述，也没有指定授课的顺序。书中的描述适合同时需要学习数字电路和HDL的初学者。本书帮助学生自主设计项目，如此可以在后面的计算机体系结构和高级数字设计课程中有所收获。 教师可用资源① 教师可以从出版商处获得相关的资源，包括： 所有测试用的Verilog示例的源代码。 插图和表格形式的PowerPoint文件。 解答手册。 HDL模拟器 学生可以从www.syncad.com上下载两个模拟器。第一个模拟器是VeriLogger Pro，这是一个传统的模拟器，可以用于模拟本书中的HDL示例和验证HDL习题答案。此模拟器接受IEEE-1995标准语法，因此对一些以前建立的模型非常有用。另一个模拟器VeriLogger Extreme是一种交互的模拟器，同时接受IEEE-1995和IEEE-2001标准语法，允许设计者在建立可用的完整模拟模型或原理图之前，对设计思路进行模拟和分析。这对学生十分有用，因为他们可以快速输入布尔方程和D触发器或锁存器方程，与用D触发器和锁存器的设计结果进行比较。在www.altera.com和www.xilinx.com上，学生可以下载支持FPGA设计、仿真和综合的设计工具。

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