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本書(shū)采用數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的組織結(jié)構(gòu)，首先介紹數(shù)字邏輯基礎(chǔ)知識(shí)，然后討論組合、時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法，同時(shí)將邏輯電路的門(mén)電路實(shí)現(xiàn)、PLD實(shí)現(xiàn)、HDL描述作為數(shù)字電路的不同實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行有機(jī)融合，比較全面地講解數(shù)字電路的理論和實(shí)現(xiàn)方法。
全書(shū)共9章，第1章、第2章主要介紹數(shù)字邏輯理論基礎(chǔ)與布爾函數(shù)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括信息的數(shù)字化表示、布爾代數(shù)的基本理論和方法，小、中、大規(guī)模器件的類(lèi)型和實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的基本原理和方法；第3章～第6章詳細(xì)討論組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路與觸發(fā)器、同步時(shí)序邏輯電路、異步時(shí)序邏輯電路，并結(jié)合實(shí)例介紹用門(mén)電路、PLD、HDL描述實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的方法；第7章、第8章主要介紹數(shù)字集成電路和脈沖產(chǎn)生與整形電路，包括開(kāi)關(guān)元件、門(mén)電路、可編程邏輯器件(PROM、PLA、PAL、GAL)、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)及現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)、發(fā)展與繼承關(guān)系、各自實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路方法的異同，以及數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生與整形變換電路；第9章主要介紹數(shù)字系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)完整的實(shí)例，分析數(shù)字系統(tǒng)的層次化設(shè)計(jì)過(guò)程，用不同規(guī)模邏輯器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的方法以及數(shù)字電路的仿真測(cè)試方法。
本書(shū)可作為高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、電子工程、自動(dòng)控制等專(zhuān)業(yè)的教材，也可供相關(guān)從業(yè)者學(xué)習(xí)參考。

數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)后繼課程的基礎(chǔ)，尤其是處理器及計(jì)算機(jī)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)飛速發(fā)展，新技術(shù)、新器件的不斷出現(xiàn)，數(shù)字集成電路經(jīng)歷了小規(guī)模的門(mén)電路、大規(guī)模的可編程邏輯器件，以及現(xiàn)代超大規(guī)模的CPLD和FPGA。以可編程ASIC為代表的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。系統(tǒng)地掌握數(shù)字系統(tǒng)的基本理論和全面的數(shù)字電路設(shè)計(jì)與分析方法，是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生進(jìn)行后續(xù)課程學(xué)習(xí)和研究的基本要求，也是現(xiàn)代社會(huì)相關(guān)行業(yè)就業(yè)的需要。雖然實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的方法很多且時(shí)間跨度較大，但其基礎(chǔ)仍然是數(shù)字邏輯的基本理論和方法�，F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法比傳統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜，需要HDL支持，如何在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)系統(tǒng)地組織教學(xué)內(nèi)容是本書(shū)的主旨之一。
本書(shū)采用數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的組織結(jié)構(gòu)，將數(shù)字邏輯的門(mén)電路實(shí)現(xiàn)、PLD實(shí)現(xiàn)、HDL描述作為數(shù)字電路的不同實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行有機(jī)融合，全面講解數(shù)字電路的理論和實(shí)現(xiàn)方法。數(shù)字邏輯基礎(chǔ)理論主要討論電路模型的建立過(guò)程；數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)分別介紹用基本門(mén)電路、PLD器件及HDL描述實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的方法。采用這種組織結(jié)構(gòu)既體現(xiàn)了基礎(chǔ)理論對(duì)電路設(shè)計(jì)的重要性，也體現(xiàn)了傳統(tǒng)的電路實(shí)現(xiàn)方法和現(xiàn)代電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)的結(jié)合，讓學(xué)習(xí)者既系統(tǒng)掌握了基本理論，也全面掌握了數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)，適應(yīng)器件技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。基礎(chǔ)理論采用精講的方法介紹，詳細(xì)分析電路模型的建立過(guò)程；電路實(shí)現(xiàn)主要講解用不同器件實(shí)現(xiàn)電路的基本技能，重點(diǎn)介紹與電路實(shí)現(xiàn)相關(guān)的關(guān)鍵和常用技術(shù)，通過(guò)教材的拋磚引玉，引導(dǎo)學(xué)生自行查閱相關(guān)實(shí)用教程，進(jìn)一步了解電路實(shí)現(xiàn)的高級(jí)技能與技巧，以滿(mǎn)足就業(yè)后的職業(yè)需求。
本教材的教學(xué)內(nèi)容可根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行選擇性教學(xué)。全書(shū)教學(xué)學(xué)時(shí)建議安排64學(xué)時(shí)，對(duì)于不涉及具體器件技術(shù)的教學(xué)方式可去掉第7章和第8章的教學(xué)內(nèi)容，建議56學(xué)時(shí)；對(duì)于只講數(shù)字邏輯理論和數(shù)字電路門(mén)電路實(shí)現(xiàn)的教學(xué)方式，可進(jìn)一步去掉各章的可編程邏輯器件和VHDL實(shí)現(xiàn)部分，建議48學(xué)時(shí)。教材包含數(shù)字系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，建議采用課程設(shè)計(jì)方式完成課程實(shí)驗(yàn)，也可采用分散實(shí)驗(yàn)方式，只安排門(mén)電路、觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)的組合、時(shí)序邏輯電路實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
本書(shū)由翟學(xué)明、王曉霞、曹錦綱、熊海軍編著。在本書(shū)的編寫(xiě)過(guò)程中，得到了華北電力大學(xué)計(jì)算機(jī)系魯斌教授和許多同事的關(guān)心和支持，兄弟院校的許多老師對(duì)該書(shū)內(nèi)容的組織提出了寶貴的意見(jiàn)，在此表示衷心的感謝。同時(shí)，清華大學(xué)出版社的相關(guān)編校人員為本書(shū)的出版給予了大力支持，借此機(jī)會(huì)表達(dá)深深的謝意。

作者
2024年9月

第1章數(shù)字邏輯基礎(chǔ)/1
1.1數(shù)字系統(tǒng)概述1
1.2信息的二進(jìn)制表示3
1.2.1進(jìn)位計(jì)數(shù)制與進(jìn)制轉(zhuǎn)換3
1.2.2帶符號(hào)二進(jìn)制小數(shù)的表示方法6
1.2.3數(shù)的定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示法8
1.2.4字符的二進(jìn)制表示9
1.2.5可靠性編碼11
1.3布爾代數(shù)的基本概念12
1.3.1布爾函數(shù)及真值表12
1.3.2布爾函數(shù)的基本運(yùn)算13
1.3.3布爾函數(shù)的常用運(yùn)算14
1.4布爾代數(shù)的公式、定理和規(guī)則15
1.4.1公式15
1.4.2定理17
1.4.3規(guī)則17
1.5布爾函數(shù)的形式及變換18
1.5.1積之和與和之積形式18
1.5.2標(biāo)準(zhǔn)積之和與標(biāo)準(zhǔn)和之積20
1.5.3布爾函數(shù)的與非、或非、與或非及異或表示23
1.5.4完全確定布爾函數(shù)與不完全確定布爾函數(shù)25
1.6布爾函數(shù)的代數(shù)化簡(jiǎn)26
1.6.1與或式的代數(shù)化簡(jiǎn)26
1.6.2或與式的代數(shù)化簡(jiǎn)27
1.7布爾函數(shù)的卡諾圖化簡(jiǎn)28
1.7.1真值表的卡諾圖表示28
1.7.2卡諾圖化簡(jiǎn)的實(shí)質(zhì)28
1.7.3布爾函數(shù)在卡諾圖上的表示31
1.7.4卡諾圖化簡(jiǎn)方法31
1.7.5卡諾圖化簡(jiǎn)實(shí)例33
1.8多輸出布爾函數(shù)的化簡(jiǎn)37
本章小結(jié)38
習(xí)題138
第2章布爾函數(shù)的邏輯實(shí)現(xiàn)/44
2.1布爾函數(shù)的門(mén)電路實(shí)現(xiàn)44
2.1.1邏輯門(mén)電路符號(hào)45
2.1.2布爾函數(shù)的門(mén)電路實(shí)現(xiàn)45
2.1.3集成邏輯門(mén)電路47
2.2布爾函數(shù)的門(mén)陣列實(shí)現(xiàn)50
2.2.1可編程邏輯器件簡(jiǎn)介50
2.2.2布爾函數(shù)的門(mén)陣列實(shí)現(xiàn)原理51
2.2.3可編程門(mén)陣列符號(hào)52
2.2.4布爾函數(shù)的門(mén)陣列實(shí)現(xiàn)53
2.3數(shù)字電路的VHDL描述55
2.3.1VHDL概述56
2.3.2VHDL程序的基本結(jié)構(gòu)56
2.3.3VHDL的基本語(yǔ)言元素63
2.3.4VHDL的順序語(yǔ)句72
2.3.5VHDL的并發(fā)語(yǔ)句78
2.3.6VHDL的子程序82
2.3.7VHDL的3種描述方式83
2.3.8VHDL描述示例84
2.3.9VHDL模塊的功能仿真測(cè)試88
本章小結(jié)89
習(xí)題290
第3章組合邏輯電路/91
3.1組合邏輯電路概述91
3.1.1組合邏輯電路模型及特點(diǎn)91
3.1.2組合邏輯電路的描述方法91
3.2組合邏輯電路設(shè)計(jì)93
3.2.1組合邏輯電路設(shè)計(jì)過(guò)程93
3.2.2組合邏輯電路設(shè)計(jì)舉例93
3.3組合邏輯電路分析101
3.4常用組合邏輯電路的分析與應(yīng)用102
3.4.1二進(jìn)制加法器102
3.4.2編碼器108
3.4.3譯碼器112
3.4.4數(shù)據(jù)選擇器114
3.4.5數(shù)據(jù)分配器116
3.4.6數(shù)值比較器117
3.5組合邏輯電路的競(jìng)爭(zhēng)與險(xiǎn)象120
3.5.1組合險(xiǎn)象120
3.5.2組合險(xiǎn)象的發(fā)現(xiàn)和消除122
3.6用VHDL描述組合邏輯電路124
3.6.1用VHDL描述組合邏輯電路的基本方法124
3.6.2用VHDL描述組合邏輯電路舉例125
本章小結(jié)127
習(xí)題3127
第4章時(shí)序邏輯電路與觸發(fā)器/132
4.1時(shí)序機(jī)與時(shí)序邏輯電路132
4.1.1時(shí)序機(jī)132
4.1.2時(shí)序邏輯電路135
4.2鎖存器136
4.2.1交叉耦合反相器構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)電路136
4.2.2基本RS鎖存器137
4.2.3門(mén)控RS鎖存器139
4.2.4JK鎖存器140
4.2.5D鎖存器141
4.2.6CMOS傳輸門(mén)構(gòu)成的D鎖存器142
4.3鎖存器的空翻現(xiàn)象與觸發(fā)器的邊沿觸發(fā)142
4.4主從觸發(fā)器143
4.4.1主從RS觸發(fā)器143
4.4.2主從JK觸發(fā)器144
4.4.3主從D觸發(fā)器146
4.5邊沿觸發(fā)器147
4.5.1正邊沿觸發(fā)的維持阻塞型D觸發(fā)器147
4.5.2負(fù)邊沿觸發(fā)的延遲型JK觸發(fā)器150
4.6T觸發(fā)器153
4.7集成觸發(fā)器155
4.7.1集成RS鎖存器155
4.7.2集成D鎖存器156
4.7.3集成JK觸發(fā)器157
4.7.4集成D觸發(fā)器158
4.8觸發(fā)器的VHDL描述160
4.8.1VHDL描述時(shí)序電路的相關(guān)知識(shí)160
4.8.2觸發(fā)器的VHDL描述162
4.8.3基本RS鎖存器的VHDL描述163
本章小結(jié)164
習(xí)題4164
第5章同步時(shí)序邏輯電路/168
5.1同步時(shí)序邏輯電路概述168
5.1.1同步時(shí)序邏輯電路模型及特點(diǎn)168
5.1.2同步時(shí)序邏輯電路的描述方法169
5.2同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)170
5.2.1建立原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表171
5.2.2狀態(tài)表化簡(jiǎn)174
5.2.3狀態(tài)分配181
5.2.4用集成觸發(fā)器和邏輯器件實(shí)現(xiàn)183
5.2.5電路的掛起與自啟動(dòng)186
5.3同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)舉例191
5.4同步時(shí)序邏輯電路的分析202
5.5常用同步時(shí)序邏輯電路205
5.5.1寄存器205
5.5.2計(jì)數(shù)器206
5.5.3節(jié)拍信號(hào)發(fā)生器209
5.6同步時(shí)序邏輯電路的VHDL描述210
5.6.1用VHDL的3種風(fēng)格描述同步時(shí)序邏輯電路210
5.6.2用VHDL描述同步計(jì)數(shù)器215
本章小結(jié)216
習(xí)題5216
第6章異步時(shí)序邏輯電路/223
6.1異步時(shí)序邏輯電路概述223
6.2脈沖異步時(shí)序邏輯電路224
6.2.1脈沖異步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)224
6.2.2脈沖異步時(shí)序邏輯電路的分析227
6.3電平異步時(shí)序邏輯電路230
6.3.1電平異步時(shí)序邏輯電路概述230
6.3.2電平異步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)234
6.3.3電平異步時(shí)序邏輯電路的分析242
本章小結(jié)245
習(xí)題6245
第7章數(shù)字集成邏輯電路/249
7.1數(shù)字集成電路概述249
7.1.1數(shù)字集成電路的發(fā)展歷史249
7.1.2數(shù)字集成電路的分類(lèi)249
7.2集成邏輯門(mén)電路250
7.2.1邏輯值的物理量表示251
7.2.2半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)特性251
7.2.3TTL基本邏輯門(mén)電路256
7.2.4TTL集成邏輯門(mén)電路258
7.2.5MOS集成門(mén)電路261
7.2.6OC門(mén)、OD門(mén)與三態(tài)門(mén)264
7.2.7集成邏輯門(mén)電路的工作特性與參數(shù)268
7.2.8集成邏輯門(mén)電路的使用常識(shí)271
7.2.9數(shù)字電路的實(shí)現(xiàn)、連接與測(cè)試273
7.3PLD器件274
7.3.1PLD器件的分類(lèi)275
7.3.2SPLD器件基本結(jié)構(gòu)276
7.3.3SPLD器件類(lèi)型281
7.3.4用SPLD器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路288
7.4CPLD、FPGA器件及EDA開(kāi)發(fā)292
7.4.1CPLD、FPGA器件概述292
7.4.2基于PT結(jié)構(gòu)的CPLD293
7.4.3基于LUT結(jié)構(gòu)的FPGA295
7.4.4IP核303
7.4.5EDA開(kāi)發(fā)流程303
本章小結(jié)306
習(xí)題7306
第8章脈沖產(chǎn)生與整形電路/313
8.1555時(shí)基電路313
8.1.1555定時(shí)器的基本組成及功能313
8.1.2555定時(shí)器的工作原理315
8.2施密特觸發(fā)器315
8.2.1施密特觸發(fā)器的滯回觸發(fā)特性315
8.2.2由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器316
8.2.3由TTL、COMS門(mén)電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器317
8.2.4集成施密特觸發(fā)器及其應(yīng)用317
8.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器318
8.3.1由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器318
8.3.2集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器320
8.3.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用321
8.4多諧振蕩器322
8.4.1由555定時(shí)器構(gòu)成的RC多諧振蕩器322
8.4.2石英晶體振蕩器323
本章小結(jié)325
習(xí)題8325
第9章數(shù)字系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)/331
9.1數(shù)字系統(tǒng)的層次化設(shè)計(jì)方法331
9.1.1數(shù)字系統(tǒng)的層次化描述331
9.1.2數(shù)字系統(tǒng)的層次化設(shè)計(jì)表示方法332
9.1.3數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程334
9.2數(shù)字時(shí)鐘的層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)334
9.2.1問(wèn)題的提出334
9.2.2系統(tǒng)分析與頂層設(shè)計(jì)334
9.2.3功能級(jí)層次化描述336
9.2.4計(jì)時(shí)模塊的功能細(xì)化341
9.2.5鬧鐘模塊的功能細(xì)化344
9.2.6顯示控制模塊的功能細(xì)化346
9.2.7數(shù)字時(shí)鐘的層次化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)348
9.3數(shù)字時(shí)鐘的邏輯電路實(shí)現(xiàn)348
9.3.1第一層次設(shè)計(jì)的邏輯電路實(shí)現(xiàn)349
9.3.2第二層次設(shè)計(jì)的邏輯電路實(shí)現(xiàn)350
9.3.3計(jì)時(shí)模塊的邏輯電路實(shí)現(xiàn)358
9.3.4鬧鐘模塊的邏輯電路實(shí)現(xiàn)362
9.3.5顯示控制模塊的邏輯電路實(shí)現(xiàn)363
9.4數(shù)字時(shí)鐘的VHDL描述366
9.4.1第一層次設(shè)計(jì)的VHDL描述366
9.4.2第二層次設(shè)計(jì)的VHDL描述372
9.4.3計(jì)時(shí)模塊的VHDL描述379
9.4.4鬧鐘模塊的VHDL描述383
9.4.5顯示控制模塊的VHDL描述384
9.5數(shù)字時(shí)鐘的仿真測(cè)試386
9.5.1數(shù)字時(shí)鐘邏輯電路的仿真測(cè)試386
9.5.2數(shù)字時(shí)鐘VHDL的功能仿真測(cè)試389
本章小結(jié)392
習(xí)題9393
參考文獻(xiàn)/395

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