前言
本書寫給所有需要設(shè)計和構(gòu)建真正的數(shù)字電路的讀者。為達到這個目的，讀者必須掌握數(shù)字電路的基本原理，同時理解它們在真實世界中是如何運轉(zhuǎn)的。正是基于這一理念，我們選取了“原理與實踐”這兩大主題。
　　在過去的30年里，隨著集成電路的速度和集成度的快速提高，數(shù)字設(shè)計實踐經(jīng)歷了重大轉(zhuǎn)變。過去，數(shù)字設(shè)計者用成千甚至上萬的門電路和觸發(fā)器來構(gòu)建系統(tǒng)，因此專業(yè)課程的重點就是如何最小化和有效地利用芯片及板級資源。
　　今天，一個芯片可以包含幾千萬個晶體管，并且可以通過編程來構(gòu)建片上系統(tǒng)。過去要實現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，需要用幾百個包含上百萬單個門電路和觸發(fā)器的分立芯片。如今，產(chǎn)品開發(fā)能否成功更多地取決于設(shè)計團隊正確、完整地定義產(chǎn)品詳細功能的能力，而不是將需要的所有電路集成到一塊電路板或芯片上的能力。因此，現(xiàn)代專業(yè)課程的重點是設(shè)計方法論和軟件工具，包括硬件描述語言（HDL）。設(shè)計團隊利用HDL便可以完成超大型分層數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計。
　　借助HDL，一方面可以看到典型設(shè)計的抽象層次變得更高，超越了單個門電路和觸發(fā)器的層次。但與此同時，芯片級和電路板級數(shù)字電路的速度和集成度的提高，也迫使設(shè)計者必須在較低的電子電路級提升競爭力。
　　大多數(shù)優(yōu)秀的數(shù)字設(shè)計師都精通或者至少熟悉上述兩個抽象層次。本書提供了高級（HDL）、低級（電子電路）以及“廣泛中間級”（門電路、觸發(fā)器和一些較高級的數(shù)字設(shè)計構(gòu)件）的多層次基礎(chǔ)知識。
　　目標讀者本書可以作為電氣工程、計算機工程或計算機科學專業(yè)數(shù)字邏輯設(shè)計課程的入門教材或中級教材。對于計算機科學專業(yè)的學生，如果不熟悉基本電子學概念或者對數(shù)字器件的電氣特性不感興趣，可以跳過第14章，書中其他章節(jié)基本上都不需要這一章內(nèi)容作為預備知識。另一方面，具有基本電子學基礎(chǔ)的讀者，則可通過閱讀第14章來快速掌握數(shù)字電子學知識。
　　雖然本書是入門級的，但卻比普通的入門教材包含更多內(nèi)容。我希望常規(guī)課程采用書中不超過三分之二的材料，但是，每門課程所用到的是不同的三分之二。因此，請各位教師或讀者按照自己的需要決定閱讀內(nèi)容。為了幫助大家做選擇，我已經(jīng)在可選章節(jié)的標題上打了星號。一般情況下，可以跳過這些章節(jié)而不影響后續(xù)必選章節(jié)的內(nèi)容連貫性。此外，矩形文本框（如下所示）中的材料也是可以跳過的。
　　這是一個簡單一些讀者抱怨之前的版本太厚了，我縮減了這一版的篇幅，但依然要提醒大家注意：
　　的文本框示例不必一字不落地讀完所有內(nèi)容，打星號的章節(jié)都可以略過。
　　寫在這種框里的內(nèi)容通常也可以略過。
　　我要求出版社調(diào)大了字號（本書采用11磅字，而大部分科技類教材都采用10磅字），這樣不僅閱讀起來更加舒服，而且圖表的位置也更加合理。隨手翻開一頁，你會發(fā)現(xiàn)大部分圖表和對圖表內(nèi)容的講解都位于同一頁。（我親自做的排版工作，著實花了一番心血。）本書的主題非常全面，在學習后續(xù)課程時，你可以再回頭翻看相關(guān)知識點，甚至參加工作后，依然能從書里學到新東西。不過，教科書總會過時，難逃被丟進垃圾桶的厄運，但也有些“幸運兒”成了書架上的藏品，它的命運最終將系于讀者之手。
　　有些課程會把本書當作中級教程或?qū)嶒炚n本來使用。高年級學生可以跳過基礎(chǔ)內(nèi)容而直接進入感興趣的章節(jié)。一旦掌握了基礎(chǔ)知識，你會發(fā)現(xiàn)Verilog數(shù)字設(shè)計實例中包含更多重要的和有趣的知識。
　　建議讀者好好利用貫穿全書的頁邊注釋，這將幫助你把握重要的定義和知識點。
　　各章內(nèi)容概述接下來簡短介紹一下本書15章的主要內(nèi)容。這可能會讓你想起一般軟件指南中所說的，“寫給不喜歡閱讀手冊的人”。看過這部分后，也許你就不必閱讀本書的剩余內(nèi)容了。
　　第1章給出了一些基本定義和重要主題的預覽，還有一點關(guān)于數(shù)字電路的內(nèi)容，使讀者在不深入閱讀第14章的情況下可以順利學習其他內(nèi)容。
　　第2章介紹二進制數(shù)制和編碼。在軟件課程中已經(jīng)熟悉二進制數(shù)制的讀者，仍需要閱讀2.10～2.13節(jié)，以便理解硬件是如何使用二進制編碼的。高年級學生可以閱讀2.14節(jié)和2.15節(jié)，其中清楚地介紹了檢錯碼。每個讀者都應該閱讀2.16.1節(jié)，因為在許多現(xiàn)代系統(tǒng)中都要用到它。
　　第3章講解組合邏輯設(shè)計原理，包括開關(guān)代數(shù)、組合電路分析、綜合與最小化。
　　第4章從文檔標準開始介紹各種數(shù)字設(shè)計實踐，文檔標準可能是設(shè)計者開始實踐時的第一步，也是很重要的一步。然后介紹定時的概念，特別是組合電路的定時，最后以關(guān)于HDL、設(shè)計流程和工具的討論結(jié)束。
　　第5章是關(guān)于Verilog的教程和參考資料，Verilog是本書剩余部分所采用的硬件描述語言。所有讀者都應該閱讀前幾節(jié)內(nèi)容，但是部分讀者可能希望跳過其余內(nèi)容，直到需要時再開始閱讀。這也是沒問題的，因為新的Verilog結(jié)構(gòu)集中在后續(xù)章節(jié)（主要是第6章），第一次用到時才會進行講述。
　　第6章描述了兩個通用的組合構(gòu)件ROM和PLD。然后介紹兩個最常用的功能構(gòu)件—譯碼器和多路復用器，每一個都會給出門級和基于Verilog的設(shè)計。讀者可以從這里直接跳到第9章的狀態(tài)機，然后再回到第7章和第8章。
　　第7章繼續(xù)討論門級和用Verilog實現(xiàn)的組合構(gòu)件，包括三態(tài)器件、優(yōu)先編碼器、異或門和奇偶函數(shù)以及比較器，然后用一個非平凡“隨機邏輯”函數(shù)的Verilog設(shè)計實例引出結(jié)論。
　　第8章討論實現(xiàn)算術(shù)功能的組合電路，包括加法和減法、移位、乘法和除法。
　　第9章介紹使用D觸發(fā)器的傳統(tǒng)狀態(tài)機，包括采用狀態(tài)表、狀態(tài)圖、ASM圖和Verilog的狀態(tài)機的分析和綜合。
　　第10章介紹其他時序元件，包括鎖存器、邊沿觸發(fā)器件及其Verilog行為模型。這一章還描述了用典型的FPGA實現(xiàn)的時序元件，并為感興趣的讀者準備了關(guān)于時序型PLD和反饋時序電路的章節(jié)。
　　第11章重點講解兩個最常用的時序電路構(gòu)件—計數(shù)器和移位寄存器，包括它們的應用，以及門級和基于Verilog的例子。
　　第12章包含關(guān)于如何采用Verilog對狀態(tài)機建模的更詳細的內(nèi)容，以及更多例子。
　　第13章討論時序電路設(shè)計的重要實際概念，包括同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、時鐘和時鐘偏移、異步輸入和亞穩(wěn)定性，以及一個用Verilog實現(xiàn)的雙時鐘同步的詳細例子。
　　第14章介紹數(shù)字電路運算，重點在于邏輯器件的外部特性。學習起點是基礎(chǔ)的電子學知識，包括電壓、電流和歐姆定律。對于如何使真實電路運作起來不感興趣的讀者，或者有權(quán)把這項辛苦活交給別人完成的讀者可以跳過本章。
　　第15章全部都是關(guān)于存儲器件和FPGA的內(nèi)容。存儲器方面包括只讀存儲器以及靜態(tài)、動態(tài)讀/寫存儲器的內(nèi)部電路和功能行為特性。最后一節(jié)會詳細介紹Xilinx7系列的FPGA結(jié)構(gòu)。
　　大多數(shù)章節(jié)都包含參考資料、訓練題和練習題。訓練題通常是簡答題或“輕而易舉”的問題，可以直接根據(jù)書中材料給出答案，而練習題通常需要花時間仔細思考。第14章的訓練題尤其廣泛，是為了幫助非電子工程師能較容易地理解本章內(nèi)容而專門設(shè)計的。
　　與第4版的區(qū)別對于用過本書之前版本的讀者和教師而言，除了普通的更新之外，第5版還有以下關(guān)鍵的不同之處。
　　新版只涉及Verilog，沒有VHDL。在不同語言之間跳轉(zhuǎn)只會使人分神。另外，Verilog及其后繼SystemVerilog是目前非官方背景下所選擇的HDL。推薦大家閱讀SteveGolson和LeahClark的論文，“再論21世紀的語言之爭：Verilog與VHDL”（2016SynopsysUsersGroupConference）。這是一篇精彩紛呈且論據(jù)充足的論文，如果你不想閱讀全文的話，可以直接跳到最后一節(jié)。
　　新版有更多HDL的例子，更加強調(diào)設(shè)計流程和測試平臺，包括純粹的激勵和自檢信號。
　　對于并非旨在培養(yǎng)電子工程師的計算機工程專業(yè)的學生，為了使本書更容易閱讀，關(guān)于CMOS電路的詳細內(nèi)容移到了第14章，而在第1章中加入了最少量的電子學知識，這樣，學生就可以跳過整個關(guān)于CMOS的章節(jié)。
　　關(guān)于TTL、SSI、MSI、74系列邏輯、PLD以及CPLD的內(nèi)容都刪除了。
　　簡化了卡諾圖化簡的內(nèi)容。
　　盡管第5章依然是關(guān)于Verilog的綜合性教程和參考資料，但Verilog的概念也散布在第6章和第7章的文本框中。它們會在需要相關(guān)知識點的地方及時出現(xiàn)，學生可以直接在那里找到“好東西”。
　　更強調(diào)基于FPGA的設(shè)計、FPGA結(jié)構(gòu)特性、綜合結(jié)果以及權(quán)衡。
　　原來關(guān)于組合邏輯元件的一章被分成了三章，以便有需要的讀者可以直接從一開始就跳到狀態(tài)機的內(nèi)容。而且，還可以在最后講解更多算術(shù)運算電路的內(nèi)容。
　　用一整章內(nèi)容講解如何用Verilog實現(xiàn)狀態(tài)機，包括許多例子。
　　關(guān)于同步設(shè)計方法論的章節(jié)目前包含一個詳細的控制單元加數(shù)據(jù)通路的例子，以及一個關(guān)于采用異步FIFO的交叉時鐘域的綜合例子。
　　希望我在書里開的玩笑不會太糟糕。
　　數(shù)字設(shè)計軟件工具書中所有Verilog的例子都是采用XilinxVivado套件編譯和測試的，這個套件包括以Xilinx7系列FPGA為目標器件的Verilog、SystemVerilog以及VHDL。然而，這些例子一般并不特別要求采用Vivado編譯，甚至不要求目標器件是Xilinx或任何其他FPGA。本書不包含關(guān)于Vivado的教程，而Xilinx有豐富的在線資源可供參考。因此，讀者可以將本書與任何Verilog工具一起使用，包括下面提及的工具。
　　可以從Xilinx下載免費的Vivado“Webpack”版本。這個版本支持較小型的7系列FPGA，帶有ZynqSoc的FPGA以及評估板。這是一個龐大的文件，超過10GB，但也是一個綜合工具套件。支持前7系列FPGA以及較小型ZynqFPGA的XilinxISE（IntegratedSoftwareEnvironment）也包含在免費的“Webpack”版本中。注意，“l(fā)egacy”模式支持ISE，而自從2013年后，ISE就再也沒有更新過。要獲取任何一種套件，可以登錄www.xilinx.com，搜索“Webpackdownload”。
　　如果你正在使用Altera（現(xiàn)在是Intel的一部分了）器件，他們還提供了不錯的“大學計劃”和工具。你可以搜索“Alterauniversitysupport”，然后導航到“ForStudent”網(wǎng)頁。免費的工具包括QuartusPrimeLite版本，用于以入門級FPGA和CPLD為目標器件的Verilog、SystemVerilog和VHDL設(shè)計。還有一個配套的ModelSim模擬軟件初始版本，這一版本也是符合工業(yè)標準的。
　　Altera和Xilinx都提供廉價的評估板，適用于直接或通過第三方等效實現(xiàn)基于FPGA的學生項目。這樣的評估板可以包括開關(guān)、LED、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及運動傳感器