数字系统原理与设计

《数字系统原理与设计》讲述数字电路设计与分析方法，上篇是数字电子技术基础，下篇是硬件描述语言Verilog HDL。 

本书分上、下两篇： 上篇为数字电子技术基础，共分为9章，分别是： 数字系统概论，逻辑代数，集成逻辑门，组合逻辑电路，锁存器和触发器，时序逻辑电路，存储器和可编程逻辑器件，脉冲波形的变换与产生，数/模和模/数转换。下篇为硬件描述语言Verilog HDL，共分为7章，分别是： 初步了解Verilog HDL，Verilog HDL模块的结构，Verilog HDL语言要素，运算符与表达式，Verilog HDL行为语句，Verilog HDL模型的不同抽象级别描述，Verilog HDL有限状态机的设计。
本书针对本科工程教育对数字系统原理与设计的教学要求而编写。上篇着重阐述基本原理和基本概念等基础知识，内容由浅入深、循序渐进，便于自学。下篇注重应用能力的培养，介绍了传统的数字系统设计方法和现代EDA设计方法，既有对基本逻辑器件的简单硬件描述语言实例，又有用于数字系统设计的较为复杂实例。另外，本书每个章节均给出了丰富的例题、复习题。

上篇数字电子技术基础

第1章数字系统概论

1.1数字信号与数字系统

1.1.1数字信号

1.1.2数字系统

1.2数制

1.2.1二进制

1.2.2八进制

1.2.3十六进制

1.2.4数制转换

1.3编码

1.3.1二十进制代码

1.3.2格雷码

1.4二进制数的算术运算

习题

第2章逻辑代数

2.1逻辑代数基础

2.1.1基本逻辑运算

2.1.2逻辑代数的基本定律

2.1.3逻辑代数的基本规则

2.2逻辑函数的化简方法

2.2.1逻辑函数的代数化简法

2.2.2逻辑函数的卡诺图化简法

习题

第3章集成逻辑门

3.1数字集成电路的分类

3.1.1按半导体器件分类

3.1.2按半导体规模分类

3.1.3按电路功能分类

3.2CMOS集成逻辑门

3.2.1MOS管及其开关特性

3.2.2CMOS反相器的工作原理

3.2.3CMOS反相器的外部特性

3.3TTL集成逻辑门

3.3.1TTL与非门的工作原理

3.3.2TTL逻辑门的输入、输出特性

3.3.3三态门

3.3.4集电极开路门

3.4TTL逻辑门和CMOS逻辑门的接口电路

3.4.1接口电路的用途及电平规范

3.4.2TTL电路驱动CMOS电路

3.4.3CMOS电路驱动TTL电路

3.5集成逻辑门相关的几个实际问题

3.5.1正负逻辑问题

3.5.2抗干扰措施

习题

第4章组合逻辑电路

4.1组合逻辑电路的分析

4.2组合逻辑电路的设计

4.2.1不含无关项的组合逻辑电路的设计

4.2.2含无关项的组合逻辑电路的设计

4.3常用中规模组合逻辑器件及应用

4.3.1编码器

4.3.2译码器

4.3.3数据选择器

4.3.4数值比较器

4.3.5算术运算器

4.4组合逻辑电路中的竞争冒险

4.4.1产生竞争冒险的原因

4.4.2竞争冒险的检查方法

4.4.3消除冒险现象的方法

习题

第5章锁存器和触发器

5.1锁存器

5.1.1基本SR(置位复位)锁存器

5.1.2应用举例

5.1.3门控SR锁存器

5.1.4门控D锁存器

5.2边沿触发的触发器

5.2.1主从触发器

5.2.2维持阻塞触发器

5.2.3利用传输延迟的触发器

5.2.4异步预置输入和清零输入

5.3触发器的动态特性

5.4触发器的逻辑功能

5.4.1SR触发器

5.4.2D触发器

5.4.3JK触发器

5.4.4T触发器和T′触发器

5.5触发器的应用

5.5.1并行数据存储

5.5.2分频

5.5.3计数

习题

第6章时序逻辑电路

6.1时序逻辑电路的结构与特点

6.2时序电路逻辑功能的表述

6.2.1逻辑方程组

6.2.2状态表

6.2.3状态图

6.2.4时序图

6.3同步时序逻辑电路的分析

6.3.1分析同步时序逻辑电路的一般步骤

6.3.2同步时序逻辑电路分析举例

6.4异步时序逻辑电路的分析

6.5同步时序逻辑电路设计

6.5.1设计同步时序逻辑电路的一般步骤

6.5.2同步时序逻辑电路设计举例

6.6常用的时序逻辑电路器件

6.6.1寄存器和移位寄存器

6.6.2计数器

习题

第7章存储器和可编程逻辑器件

7.1半导体存储器基础

7.1.1存储阵列

7.1.2存储器的基本操作

7.2只读存储器

7.2.1ROM电路的基本结构

7.2.2可擦除可编程只读存储器

7.2.3ROM应用举例

7.3随机存取存储器

7.3.1RAM的基本工作原理

7.3.2RAM应用举例

7.4可编程逻辑器件

7.4.1低密度可编程逻辑器件

7.4.2高密度可编程逻辑器件

7.4.3复杂可编程逻辑器件

7.4.4现场可编程门阵列

7.4.5可编程逻辑器件的开发

习题

第8章脉冲波形的变换与产生

8.1单稳态触发器

8.1.1几种类型的单稳态触发器

8.1.2单稳态触发器的应用

8.2施密特触发器

8.2.1施密特触发器概述

8.2.2几种类型的施密特触发器

8.2.3施密特触发器的应用

8.3多谐振荡器

8.3.1多谐振荡器概述

8.3.2几种类型的多谐振荡器

8.4555定时器电路

8.4.1555定时器的结构与工作原理

8.4.2555定时器的应用

习题

第9章数/模和模/数转换

9.1D/A转换器

9.1.1二进制权电阻网络D/A转换器

9.1.2倒T电阻网络D/A转换器

9.1.3权电流D/A转换器

9.1.4D/A转换器的主要技术指标

9.1.5D/A转换器典型应用

9.2A/D转换器

9.2.1A/D转换器的基本组成

9.2.2A/D转换器的类型

9.2.3A/D转换器的主要技术指标

9.2.4A/D转换器典型应用

习题

下篇硬件描述语言Verilog HDL

第10章初步了解Verilog HDL

10.1引言

10.2Verilog HDL和VHDL比较

10.3Verilog HDL的主要特点和功能

10.4采用Verilog HDL的设计流程简介

习题

第11章Verilog HDL模块的结构

11.1模块声明

11.2端口定义

11.3信号类型声明

11.4逻辑功能描述

11.5模块的调用

11.6模块的测试

习题

第12章Verilog HDL语言要素

12.1标识符

12.2注释符

12.3值集合

12.4数据类型

12.4.1常量

12.4.2变量

习题

第13章运算符与表达式

13.1算术运算符

13.2关系运算符

13.3等式运算符

13.4逻辑运算符

13.5位运算符

13.6缩减运算符

13.7条件运算符

13.8移位运算符

13.9位拼接运算符

13.10优先级别

习题

第14章Verilog HDL行为语句

14.1过程语句

14.1.1initial过程语句

14.1.2always过程语句

14.2块语句

14.2.1顺序块

14.2.2并行块

14.2.3块语句的特点

14.3赋值语句

14.3.1连续赋值语句

14.3.2过程赋值语句

14.4条件语句

14.4.1if语句

14.4.2case语句

14.5循环语句

14.5.1forever语句

14.5.2repeat语句

14.5.3while语句

14.5.4for语句

14.6编译预处理语句

14.6.1宏替换’define

14.6.2文件包含’include

14.6.3时间尺度’timescale

14.6.4条件编译’ifdef、’else、’endif

14.7任务与函数

14.7.1任务与函数结构之间的差异

14.7.2任务

14.7.3函数

14.7.4常用的系统任务和函数

14.8时延概念

习题

第15章Verilog HDL模型的不同抽象级别描述

15.1门级结构描述

15.1.1Verilog HDL内置基本门

15.1.2门结构描述举例

15.1.3分层次的电路设计

15.2行为描述

15.3数据流描述

15.4组合逻辑电路的Verilog建模

15.4.1编码器

15.4.2译码器

15.4.3数据选择器

15.4.4数值比较器

15.4.5算术运算电路

15.4.6ROM的设计

15.4.7总线和总线操作

15.5时序逻辑电路的Verilog建模

15.5.1触发器

15.5.2移位寄存器

15.5.3计数器

15.5.4FIFO缓冲器

习题

第16章Verilog HDL有限状态机的设计

16.1有限状态机的Verilog描述

16.2状态编码

16.2.1常用的状态编码

16.2.2状态编码的定义

16.3有限状态机设计要点

习题

参考文献

“数字系统原理与设计”课程主要讲述数字电路设计和分析方法，是高等院校电子信息类、电气类、自动化类、计算机类等本科专业的一门技术基础课程。
针对南通大学在电类一些专业基础课和专业选修课的课程内容部分重复的情况，结合高校电类相关专业的培养目标和行业需求，经南通大学数字系统原理与设计教学研究组集体研究讨论，编写本课程的适用教材，阐述数字电路的基本原理、概念等基础知识，介绍中小规模数字集成电路的设计和分析方法，并逐步引导读者进行大规模集成电路的学习和探讨。
“数字系统原理与设计”课程整合了“数字电子技术”和“硬件描述语言”两门课程内容和课时，分为上、下两篇。上篇为数字电路基础，共分为9章，着重阐述基本原理、概念等基础知识，数字电路设计和分析的基本方法； 下篇为硬件描述语言Verilog HDL，共分为7章，介绍传统的数字系统设计方法和现代EDA设计方法，注重培养读者的工程应用能力，既有基本逻辑器件的设计实例，又有用于数字系统设计的较为复杂实例。本书内容由浅入深、循序渐进，便于自学。可作为高等院校教材，也可供相关工程技术人员学习和参考。
本书编写采用集体备课、集体讨论、分工编写、交叉修改的方式进行。课程组拥有一支高素质教师队伍，具有一定的学术研究水平，在教学研究方面取得了优异的成绩，通过多年的教学，积累了大量的教学经验，特别在实验和课程设计中积累了较多的设计案例、教学成果和优秀学生作业。本书由张振娟、黄静、周晶、陆慧琴编著。上篇第1、2、4章由周晶编写，第3、7章由黄静编写，第5、6、9章由张振娟编写，第8章由陆慧琴编写； 下篇由张振娟编写。全书由张振娟统稿。
本书在编写过程中得到了江苏高校品牌专业建设工程——南通大学电子信息工程专业资助项目的大力支持，得到了本课程组教学团队黄颖辉、黄勋等老师的大力支持，得到了电子工程系老师的大力支持。在此，全体编写人员向所有对本书的编写、出版等工作给予大力支持的各位同仁和领导表示真诚的感谢！
因编者水平有限，书中难免存在不足和错误之处，殷切期望读者提出批评和建议。
编著者2017年12月