逻辑与数字系统设计(第2版·Verilog版)

本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，是在2008年VHDL版的基础上，基于“新工科”教育理念进行再版的。目的是培养计算机类、电子信息类等专业学生具有工程教育理念以及应用技术型工程能力，具备工程思维、自主创新及实践能力。配合课程体系改革，考虑课程内部和构成要素之间的关系，将课程有机地结合起来，增加融合度，减少内容重复或断裂，使学生能够系统学习专业知识，降低知识的不连续性。配合贯穿专业课程，将课程开设内容和顺序加以调整，例如，在2019年东北大学计算机专业取消“电路”和“电子线路”课程，在大学二年级下学期开设“数字逻辑与数字系统”课程。基于近几年的新教学体系的教学实践，以及本书主编35年的教学和科研经验，本书具有如下特色：  

(1) 由于数字电子产品基本不再使用中规模集成芯片，大多采用一片微控制器(MCU)加一片CPLD(或者FPGA)。因此，本书不再关注中规模集成芯片的使用，而是从电路原理或功能入手，用Verilog HDL构建逻辑电路模块，给出使用Verilog HDL构建组合和时序逻辑电路模块的多种方法。例如，加法器模块有门电路、真值表两种方法，六进制计数器有二进制编码、循环码、独热码三种方法。

(2) 在专业课程的后继课程“计算机组成原理”中，将详细讨论编码、无符号和有符号数值运算等，因此本书不再重点描述这些内容。在模型计算机设计中“控制部件”需要使用状态机，增加了米利(Mealy)型和摩尔(Moore)型状态机设计。

(3) 二进制码、循环码的特点是需要较少触发器和较多组合逻辑；  独热码的优点是状态比较时仅需要比较一位，不需要译码，减少了毛刺产生的概率，但需要较多的触发器。现在常用的CPLD和FPGA芯片价格便宜，片内资源丰富，独热码的使用不再受到限制。由于独热码性能更好，本书增加了独热码的介绍，并在时序电路设计中增加了独热码设计实例。

(4) 在数字系统中，广泛使用多位动态7段数码管，需要多位动态显示译码器。因此，本书在介绍静态显示译码器的同时增加了4位动态7段显示译码器。

(5) 在交通信号灯控制系统设计中，本书给出了基于逻辑部件和基于功能描述的两种设计与实现方法。

(6) 将硬件描述语言Verilog HDL贯穿全书，并给出大量实例。

(7) 采用国际上流行的图形逻辑符号(美国国家标准)，这是EDA软件中普遍使用的符号，方便后续课程的教学。

本书在编写时强调数字逻辑，弱化电子电路，重点描述集成电路功能；  着重于用Verilog HDL设计计算机的部件和数字系统，而不是用中小规模集成电路构成数字系统。

本书可用于56~64学时理论教学，以及1周的课程设计。若采用本书作为计算机类专业的“数字逻辑”课程教材，建议实验教学放弃传统的实验箱，改用FPGA实验板，用Verilog HDL设计和仿真以及下载测试，实现与后续课程计算机组成原理和计算机体系结构的教学和实验的最优对接。

参加本书编著的教师有东北大学的李晶皎、王爱侠、闫爱云、李景宏。

由于编者水平有限，书中难免存在不当之处，恳请读者批评指正。

本书配有教学大纲、课件，授课教师可联系tupwenyi@163.com获取，源代码已在书中给出，仿真结果可扫描二维码查看。

李晶皎
2023年8月于沈阳

本书围绕数字系统设计,全面介绍数字逻辑电路的基本概念和基本原理。在介绍传统分析、设计方法的同时,详 细 介 绍 在 数 字 电 路 设 计 中 普 遍 使 用 的 硬 件 描 述 语 言 Verilog HDL，系 统 介 绍 使 用 Verilog HDL设计组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、数字系统等的方法，并将 Verilog HDL 渗透到各个章节以及应用实例中。主要内容包括数字逻辑基础、可编程逻辑器件、Verilog HDL 基础、组合逻 辑电路、触发器、时序逻辑电路、半导体存储器、数字系统设计等。 本书可作为计算机类、电子信息类、自动化类等有关专业的教材或教学参考书,也可供相关领域的工程技术人员参考。

李晶皎，东北大学教授，博士生导师。2006-2022年 电工电子基础课程教学指导分委员会委员。主要从事模式识别、嵌入式等领域科研研究，发表期刊和会议论文近100篇，获国家发明专利十余项，指导青年教师发表教学论文近10篇。国家级精品课“电子技术基础”课程负责人。主讲“模拟电子技术基础”“数字电子技术基础”“电子技术基础”“数字逻辑与数字系统”等课程。出版译著和教材十余部，代表性教材有：《电路与电子学》（十二五普通高等教育本科国家级规划教材）、《逻辑与数字系统设计》（十一五普通高等教育本科国家级规划教材）、《模式识别》（十一五普通高等教育本科国家级规划教材）。

王爱侠，东北大学教师。从事模拟电子技术与数字电子技术基础教学工作多年，参编《数字逻辑与数字系统（第5版）》等多部教材，并担任配套实验教材以及配套习题集副主编。

闫爱云，东北大学教师。主讲课程包括“数字电子技术”“数字逻辑与数字系统”等。副主编“电路与电子学”，主编“电路与电子学（第5版）实验教程”。获“第一届东北地区高校电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛”一等奖等，获 2021年第二批产学研合作协同育人项目一项。主持和参加国家自然科学基金项目、中国高校产学研创新基金项目、企事业科研项目多项。发表学术论文10余篇，获国家发明专利2项。

李景宏，东北大学副教授。1988年获东北大学计算机学士学位，1994年获东北大学通信与电子系统专业的硕士学位。从事电子科学与技术的研究及教学工作多年。出版《数字逻辑与数字系统》等6部教材，发表论文20余篇。

第1章数字逻辑基础

1.1数制

1.1.1十进制数

1.1.2二进制数

1.1.3八进制数和十六进制数

1.1.4数制间的转换

1.2常用编码

1.2.1十进制编码

1.2.2循环码

1.2.3ASCII码

1.2.4奇偶校验码

1.3二进制数运算

1.3.1二进制数的表示方法

1.3.2二进制数的加法和减法运算

1.4逻辑代数基础

1.4.1逻辑变量和逻辑函数

1.4.2基本逻辑运算和基本逻辑门

1.4.3逻辑代数的基本公式和常用公式

1.4.4逻辑函数的表示方法

1.4.5逻辑函数的化简方法

习题

第2章可编程逻辑器件基础

2.1可编程逻辑器件概述

2.1.1可编程逻辑器件的分类

2.1.2可编程逻辑器件的逻辑表示

2.2复杂可编程逻辑器件

2.2.1Altera公司的复杂可编程逻辑器件EPM240简介

2.2.2Xilinx公司的复杂可编程逻辑器件XC9572简介

2.3现场可编程门阵列

2.3.1Altera公司的Cyclone Ⅳ E系列EP4CE6简介

2.3.2Xilinx公司的Artix7系列XC7A100T简介

2.4复杂可编程逻辑器件或现场可编程门阵列设计流程

习题

第3章硬件描述语言Verilog HDL基础

3.1硬件描述语言概述

3.2Verilog语言基本概念

3.2.1Verilog程序基本结构

3.2.2Verilog语言要素

3.2.3Verilog运算符

3.3Verilog行为语句

3.3.1赋值语句

3.3.2条件语句

3.3.3循环语句

3.4Verilog语言的描述语句

3.5Verilog仿真验证

3.6Verilog关键字

习题

第4章组合逻辑电路

4.1组合逻辑电路特点

4.2门电路构成的组合电路的分析与设计

4.2.1分析方法

4.2.2设计方法

4.3编码器

4.3.1二进制编码器

4.3.2二进制优先编码器

4.3.3二十进制优先编码器

4.4译码器

4.4.1二进制译码器

4.4.2二十进制译码器

4.4.3七段数码管以及静态和动态显示译码器

4.5数据分配器与数据选择器

4.5.1数据分配器

4.5.2数据选择器

4.6数值比较电路

4.7算术运算器

4.7.1二进制加法运算

4.7.2二进制减法运算

4.7.3二进制乘法运算

4.7.4算术逻辑单元

4.8奇偶校验电路

4.8.1奇偶校验的基本原理

4.8.2集成奇偶发生器/校验器

4.9集成电路构成的组合电路分析与设计

4.9.1组合逻辑电路的分析

4.9.2组合逻辑电路的设计

4.10组合逻辑电路的竞争冒险

4.10.1竞争冒险现象

4.10.2竞争冒险的判断

4.10.3竞争冒险的消除

习题

第5章锁存器和触发器

5.1锁存器

5.1.1基本SR锁存器

5.1.2门控SR锁存器

5.1.3门控D锁存器

5.2触发器

5.2.1维持阻塞D触发器

5.2.2负边沿JK触发器

5.2.3SR触发器

5.2.4T触发器

习题

第6章时序逻辑电路

6.1时序逻辑电路的分析与设计

6.1.1同步时序逻辑电路的分析

6.1.2异步时序逻辑电路的分析

6.1.3同步时序逻辑电路的设计

6.1.4有限状态机的设计

6.2寄存器

6.2.1寄存器

6.2.2移位寄存器

6.3计数器

6.3.1计数器分类

6.3.2同步计数器

6.3.3异步计数器

6.3.4移位寄存器型计数器

6.3.5计数器分析与设计

6.4序列发生器

6.4.1节拍发生器

6.4.2脉冲序列发生器

习题

第7章半导体存储器

7.1概述

7.1.1半导体存储器分类

7.1.2半导体存储器技术指标

7.2只读存储器

7.2.1掩模只读存储器

7.2.2可编程只读存储器

7.2.3可擦可编程只读存储器

7.2.4快闪存储器

7.2.5ROM应用举例

7.3随机存取存储器

7.3.1静态随机存取存储器

7.3.2动态随机存取存储器

7.3.3RAM应用举例

习题

第8章数字系统设计基础

8.1数字系统概述

8.1.1数字系统的基本概念

8.1.2数字系统设计的一般过程

8.2交通信号灯控制系统设计

8.2.1交通信号灯控制系统功能

8.2.2基于逻辑部件的交通信号灯控制系统方案设计

8.2.3基于逻辑部件的系统设计与实现

8.2.4基于功能描述的系统设计与实现

8.3模型计算机设计

8.3.1模型计算机系统功能

8.3.2基于逻辑部件的系统设计

8.3.3基于逻辑部件的模型计算机实现

习题

参考文献

本书围绕数字系统设计,全面介绍数字逻辑电路的基本概念和基本原理。在介绍传统分析、设计方法的同时,详 细 介 绍 在 数 字 电 路 设 计 中 普 遍 使 用 的 硬 件 描 述 语 言 Verilog HDL，系 统 介 绍 使 用 Verilog HDL设计组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、数字系统等的方法，并将 Verilog HDL 渗透到各个章节以及应用实例中。主要内容包括数字逻辑基础、可编程逻辑器件、Verilog HDL 基础、组合逻 辑电路、触发器、时序逻辑电路、半导体存储器、数字系统设计等。 本书可作为计算机类、电子信息类、自动化类等有关专业的教材或教学参考书,也可供相关领域的工程技术人员参考。

李晶皎，东北大学教授，博士生导师。2006-2022年 电工电子基础课程教学指导分委员会委员。主要从事模式识别、嵌入式等领域科研研究，发表期刊和会议论文近100篇，获国家发明专利十余项，指导青年教师发表教学论文近10篇。国家级精品课“电子技术基础”课程负责人。主讲“模拟电子技术基础”“数字电子技术基础”“电子技术基础”“数字逻辑与数字系统”等课程。出版译著和教材十余部，代表性教材有：《电路与电子学》（十二五普通高等教育本科国家级规划教材）、《逻辑与数字系统设计》（十一五普通高等教育本科国家级规划教材）、《模式识别》（十一五普通高等教育本科国家级规划教材）。

王爱侠，东北大学教师。从事模拟电子技术与数字电子技术基础教学工作多年，参编《数字逻辑与数字系统（第5版）》等多部教材，并担任配套实验教材以及配套习题集副主编。

闫爱云，东北大学教师。主讲课程包括“数字电子技术”“数字逻辑与数字系统”等。副主编“电路与电子学”，主编“电路与电子学（第5版）实验教程”。获“第一届东北地区高校电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛”一等奖等，获 2021年第二批产学研合作协同育人项目一项。主持和参加国家自然科学基金项目、中国高校产学研创新基金项目、企事业科研项目多项。发表学术论文10余篇，获国家发明专利2项。

李景宏，东北大学副教授。1988年获东北大学计算机学士学位，1994年获东北大学通信与电子系统专业的硕士学位。从事电子科学与技术的研究及教学工作多年。出版《数字逻辑与数字系统》等6部教材，发表论文20余篇。