本书从理论教学和实际应用出发，结合现代数字系统设计技术的发展现状，在系统介绍数字逻辑电路的分析设计的基本理论、基本方法的基础上，重点介绍了采用Verilog HDL进行数字系统设计和实现的方法。本书的主要内容包括数字系统设计概述、数字逻辑基础、逻辑代数基础、逻辑门电路、Verilog HDL语法基础、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、半导体存储器与可编程逻辑器件、数/模及模/数转换器、Vivado集成开发环境介绍、Verilog HDL设计实例等，并将Verilog HDL的介绍渗透于数字逻辑电路的设计的各章节。本书既有数字逻辑的系统理论，又有Verilog HDL设计实现，在内容上由浅入深，实用性强，既可以作为高等院校通信与电子类、计算机类专业本科生的教材或参考书，也可以作为各类电子系统设计科研人员和硬件工程师的参考书。
本书在全面系统地介绍数字电路基础知识上，把现代数字系统设计中广泛使用的可编程逻辑器件、硬件描述语言、EDA开发技术等内容有机地融合在本教材中。理论与实践结合，为学生毕业后从事集成电路设计等相关工作打下良好的基础。
前言在教学中能够将*新的专业理论和技术讲授给学生一直都是笔者的愿望，作为一名长期从事数字逻辑电路教学的教师，切身感受到了教材滞后的事实。在进行传统的数字逻辑设计课程讲解后，学生只能用传统电路设计方法实现系统，而不会使用现代的EDA工具和硬件描述语言来进行数字系统设计。在电子设计大赛、课程设计、毕业设计等教学环节又会涉及硬件描述语言、EDA 和可编程逻辑器件等问题，这时往往需要进行额外的教学或者让学生自学，学生毕业后在实际工作中也经常面临同样的问题。因此，笔者希望编写一本融合现代数字系统设计方法、硬件描述语言、EDA技术、可编程逻辑器件等内容的教材。硬件描述语言是一种用形式化方法来描述数字电路和数字逻辑系统的语言。数字逻辑电路设计者可利用这种语言来描述自己的设计思想，然后利用EDA工具进行仿真，再自动综合到门级电路，*后用ASIC或FPGA实现其功能。到20世纪80年代，先后出现了上百种硬件描述语言，*终VHDL 和 Verilog两种硬件描述语言先后被 IEEE 采纳，成为了标准的硬件描述语言。目前，国内有许多关于硬件描述语言的教材，其中大部分都是用 VHDL 语言来实现的。本书选用 Verilog 硬件编程语言有两方面的原因，一方面是Verilog HDL的使用者众多；另一方面是 Verilog 与 C 语言有很多的相同点，这给教学带来很大方便。本书以数字电路系统的设计原理为主线，同时也系统地阐述了采用 Verilog 作为硬件编程语言进行 EDA 设计的方法，保持了数字逻辑电路理论的系统性和内容的完整性。本书包括数制与编码、逻辑代数基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路等基本内容。为了使读者掌握 EDA 技术，书中增加了Verilog 语言基础、可编程逻辑电路等有关内容，同时以Xilinx公司的 Vivado开发环境为例，详细说明了进行 EDA 开发的流程和编程方法。为了使读者全面系统地掌握 VerilogHDL 设计方法，书中*后两章介绍了Vivado工程设计流程和Verilog HDL的实例，详细说明了 EDA 设计实现的全过程。本书共由12章组成。第1章介绍了数字系统的基本概念和数字系统的设计方法，并对电子设计自动化(EDA）技术做了简要说明。第2章介绍了数制和编码，不同进制的转换方法，数值型数据在计算机中的表示方法及常用的几种编码。第3章介绍了数字电路分析和设计的数学基础逻辑代数，介绍了逻辑代数的基本定理、公式、逻辑函数及逻辑函数的化简。第4章介绍了逻辑门电路，讲解了基本逻辑门电路的组成、逻辑符号，以及由基本门电路构成的复合门电路，*后介绍了集成逻辑门电路的工作原理和外部特性。第5章介绍了硬件描述语言 Verilog 的基本概念，语法规则，模块结构，并对结构建模、数据流建模、行为建模，函数和任务等进行了说明。第6章详细阐述了组合逻辑电路的分析、设计方法，对常用组合逻辑单元电路的功能和应用进行了说明，并且给出了每种单元电路的 Verilog 描述和仿真结果。第7章详细阐述了常用的触发器的电路结构与特点、不同触发器的转换，并给出了触发器电路的 Verilog 描述和仿真结果。第8章详细阐述了时序逻辑电路的基本理论、分析和设计方法，并且给出了运用 Verilog HDL 实现典型单元电路的例子。第9章介绍了半导体存储器和可编程逻辑器件，存储器的分类、特点，存储器的扩展，存储器的Verilog HDL实现，可编程门阵列 FPGA 的原理与结构，并对可编程逻辑器件的编程方法进行了简要说明。第10章 介绍了D/A、A/D转换器的工作原理和性能指标。第11章 介绍了Vivado集成开发环境，包括Vivado的安装、Vivado工程设计基本流程等方面的内容。第12章 介绍了Verilog HDL设计实例， 包括分频器、按键防抖电路、串行乘法器、串口通信、安全散列算法等实例。本书由游龙、木昌洪、宋敏、叶炯耀、合作编写。游龙和木昌洪负责第1、2、10章的编写，木昌洪负责第3、4、5、6、7章的编写，宋敏负责第8、9章的编写，叶炯耀负责第11、12章的编写。另外，博士生侯金成参与第10章的编写、硕士生王楷元参与第11章的编写、博士生段威和硕士生杨砚祺参与第12章的编写；同时，博士生周晨希、曹真、侯金成和段威，以及硕士生王楷元、林捷、占炜参与部分章节的修订和画图工作；段威和杨杨砚祺参与全书的程序验证、编写及仿真。书中所有的 Verilog 源代码都经过调试。本书从教学和工程的两个方面出发，努力做到理论严谨、理论和实践结合，将 EDA 工具和Verilog HDL应用于数字逻辑系统设计和教学中，缩短了高校教学与实际应用的距离，为学生今后进行项目开发打下良好的基础。同时也希望此书能够对电子工程人员和高校相关专业师生有所帮助。由于作者水平有限，加之时间仓促，本书可能有疏漏和不足之处，敬请广大读者批评指正。作者的电子邮箱为：lyou@ hust.edu.cn。作者2023年9月
游龙，第十二批国家青年计划专家、华中科技大学集成电路学院、量子科学与工程研究院教授。二十年来一直从事与自旋电子学以及低功耗电子器件相关的国际技术前沿课题研究。其中十多年在海外一流自旋电子研究机构学习和工作如：美国加州大学伯克利分校、日本理化学研究所、法国国家科学研究院和日本名古屋大学等。在自旋随机存储器、自旋传感器、自旋神经形态器件、自旋逻辑计算电路和信息安全器件等领域开创性地提出了多项重要的新技术概念和设计方案，并在实验中得到验证。近五年来，以通讯作者在Nature Electronics，IEEE IEDM和IEEE Electron Device Letters等期刊发表多篇论文，并被Science、MRAM-Info、News & Views of Nat. Nanotechnol、Phy.Org、科技日报、央视新闻等媒体作为高新技术报道。实验室毕业生多在高科技公司如：华为、长江存储等和高校工作。
第1章数字系统设计概述/1
1.1数字系统的基本概念/1
1.1.1模拟量与数字量/1
1.1.2数字信号/1
1.1.3数字逻辑电路/2
1.1.4数字系统及层次结构/3
1.2数字系统的设计方法/5
1.2.1常用芯片/5
1.2.2数字系统的设计过程/6
1.3EDA技术/9
1.3.1硬件描述语言/9
1.3.2EDA软件开发工具/12
1.3.3设计开发流程/13
本章思维导图/15
习题/16
第2章数字逻辑基础/17
2.1数制及数制间的转换/17
2.1.1进位计数制/17
2.1.2常用数制/18
2.1.3常用数制间的转换/19
2.2二进制数的运算/21
2.2.1算术运算/21
2.2.2关系运算/23
2.2.3逻辑运算/23
2.3数值型数据在计算机中的表示方式/23
2.3.1无符号数/23
2.3.2有符号数/24
2.3.3原码、反码和补码/24
2.4常用的几种编码/26
2.4.1BCD码/26
2.4.2可靠性编码/27
2.4.3字符编码/30
本章思维导图/31
习题/32
第3章逻辑代数基础/34
3.1逻辑代数的基本概念/34
3.1.1基本逻辑运算/34
3.1.2复合逻辑运算/38
3.1.3逻辑函数/40
3.1.4逻辑函数的表示方法/43
3.2逻辑代数的基本公理、定理和规则/46
3.2.1逻辑代数的基本公理/46
3.2.2逻辑代数的基本定理/47
3.2.3三个重要规则/48
3.2.4逻辑函数的基本形式/49
3.2.5逻辑函数的表达式的标准形式/49
3.3逻辑函数的化简/54
3.3.1代数化简法/55
3.3.2卡诺图化简法/56
本章思维导图/63
习题/64
第4章逻辑门电路/66
4.1概述/66
4.1.1数字集成电路的分类/66
4.1.2逻辑电平/67
4.1.3正逻辑与负逻辑/67
4.2半导体二极管和三极管的开关特性/67
4.2.1半导体二极管的开关特性/68
4.2.2双极型三极管的开关特性/70
4.3逻辑门电路/73
4.3.1基本逻辑门电路/74
4.3.2TTL集成逻辑门电路/76
4.3.3CMOS门电路/86
本章思维导图/93
习题/94
第5章Verilog HDL语法基础/96
5.1Verilog的基本概念/96
5.1.1硬件描述语言HDL/96
5.1.2Verilog HDL简介/96
5.1.3数字电路的设计方法/97
5.1.4设计方法学/98
5.1.5Verilog HDL模块的基本概念/98
5.1.6Verilog HDL模块的测试/101
5.2模块的结构/103
5.2.1模块的端口定义/103
5.2.2模块内容/104
5.2.3理解要点/108
5.3Verilog HDL基本语法/109
5.3.1标识符/109
5.3.2注释/110
5.3.3格式/110
5.3.4常量/111
5.3.5变量/115
5.3.6运算符、表达式和语句/117
5.4结构建模/125
5.4.1模块定义结构/125
5.4.2模块端口/125
5.4.3实例化语句/126
5.5数据流建模/129
5.5.1连续赋值语句/129
5.5.2阻塞赋值语句/129
5.5.3数据流建模具体实例/130
5.6行为建模/130
5.6.1简介/130
5.6.2顺序语句块/130
5.6.3过程赋值语句/131
5.6.4行为建模具体实例/133
5.7其他方面/134
5.7.1任务和函数的使用/134
5.7.2编译预处理命令/136
本章思维导图/139
习题/140
第6章组合逻辑电路/142
6.1概述/142
6.2组合逻辑电路的分析/143
6.2.1组合逻辑电路的分析方法/143
6.2.2组合逻辑电路的分析举例/144
6.3组合逻辑电路的手工设计/146
6.3.1手工设计方法步骤/147
6.3.2设计举例/147
6.4组合逻辑电路的自动设计方法/150
6.4.1概述/150
6.4.2设计举例/150
6.5常用组合逻辑电路及其设计方法/153
6.5.1算术运算电路/153
6.5.2编码器/158
6.5.3译码器/167
6.5.4数据选择器/179
6.5.5数值比较器/187
6.5.6奇偶校验器/191
6.6组合逻辑电路的竞争与险象/195
6.6.1竞争与险象的概念和分类/196
6.6.2电路中的险象判别/197
6.6.3险象的消除和减弱/198
本章思维导图/200
习题/200
第7章触发器/203
7.1触发器的特点与分类/203
7.2基本RS触发器/203
7.2.1由与非门构成的基本RS触发器/204
7.2.2由或非门构成的基本RS触发器/206
7.2.3基本RS触发器的HDL设计/207
7.2.4基本RS触发器的特点小结/209
7.3钟控触发器/209
7.3.1钟控RS触发器/209
7.3.2钟控D触发器/212
7.3.3钟控JK触发器/213
7.3.4钟控T触发器/216
7.3.5钟控T触发器/218
7.4集成触发器/219
7.4.1主从JK触发器/219
7.4.2边沿JK触发器/222
7.4.3维持阻塞D触发器/225
7.5触发器之间的转换/230
7.5.1JK触发器转换为其他类型的触发器/230
7.5.2D触发器转换为其他类型的触发器/232
本章思维导图/234
习题/234
第8章时序逻辑电路/237
8.1概述/237
8.1.1时序逻辑电路的描述方法/237
8.1.2时序逻辑电路的分类/238
8.2时序逻辑电路的分析方法/239
8.2.1具体分析方法/239
8.2.2分析举例/239
8.3时序逻辑电路设计方法/243
8.3.1同步时序逻辑电路的传统设计方法/243
8.3.2异步时序逻辑电路的传统设计方法/254
8.3.3基于有限状态机的Verilog HDL时序电路设计/257
8.4常用的时序逻辑电路寄存器及其应用/270
8.4.1寄存器/270
8.4.2数据锁存器/272
8.4.3移位寄存器(移存器)/273
8.5常用的时序电路计数器及其应用/279
8.5.1同步计数器/280
8.5.2异步计数器/284
8.5.3集成计数器/291
8.5.4反馈复位法与预置法/297
8.6基于Verilog HDL的常用时序逻辑电路设计/300
8.6.1数码寄存器的设计/300
8.6.2移位寄存器的设计/302
8.6.3计数器的设计/303
8.6.4顺序脉冲发生器的设计/310
8.6.5序列信号发生器的设计/311
8.6.6序列信号检测器的设计/313
8.6.7综合举例/313
本章思维导图/316
习题/317
第9章半导体存储器与可编程逻辑器件/319
9.1概述/319
9.1.1程序逻辑电路的结构及特点/319
9.1.2半导体存储器的结构/320
9.1.3半导体存储器的分类/323
9.2随机存储器/325
9.2.1静态随机存储器SRAM/325
9.2.2动态随机存储器DRAM/326
9.2.3RAM典型芯片/328
9.2.4RAM芯片扩展/331
9.3只读存储器ROM/334
9.3.1ROM的结构/334
9.3.2ROM的应用/337
9.4基于Verilog HDL的存储器设计/341
9.4.1RAM的HDL设计/341
9.4.2ROM的HDL设计/342
9.5基于PLD的数字系统设计/344
9.5.1PLD概述/344
9.5.2四类低密度PLD器件/346
9.5.3复杂可编程逻辑器件/352
9.5.4现场可编程门阵列/356
9.5.5基于PLD的设计方法/364
9.5.6基于PLD的设计流程/365
本章思维导图/366
习题/367
第10章D/A、A/D转换器/368
10.1概述/368
10.2D/A转换器/369
10.2.1权电阻网络D/A转换器/369
10.2.2倒T形电阻网络D/A转换器/371
10.2.3权电流型D/A转换器/372
10.2.4D/A转换器的转换精度与转换速度/374
10.3A/D转换器/375
10.3.1A/D转换的基本原理/375
10.3.2取样保持电路/377
10.3.3直接A/D转换器/377
10.3.4间接A/D转换器/381
10.3.5A/D转换器的转换精度与转换速度/384
本章思维导图/385
习题/386
第11章Vivado集成开发环境介绍/388
11.1Vivado安装流程/388
11.2Vivado工程设计基本流程/392
11.2.1创建新工程/392
11.2.2Vivado设计主界面及功能/397
11.2.3创建并添加新的设计文件/400
11.2.4RTL描述和分析/402
11.2.5设计综合与分析/403
11.2.6设计行为级仿真/405
11.2.7添加约束条件/407
11.2.8生成bit文件并下载到FPGA上/411
本章思维导图/413
习题/413
第12章Verilog HDL设计实例/414
12.1分频器/414
12.1.1偶数分频器/414
12.1.2奇数分频器/416
12.1.3小数分频器/419
12.2按键消抖电路/421
12.3串行乘法器/424
12.4串口通信/428
12.4.1UART协议原理/429
12.4.2接收电路设计/429
12.4.3发送电路设计/433
12.4.4数据收发测试/435
12.5安全散列算法/439
12.5.1SHA256算法原理/439
12.5.2基础逻辑运算电路/441
12.5.3单层循环电路/443
12.5.4算法顶层电路设计/445
12.5.5算法功能测试验证/448
本章思维导图/449
习题/450
参考文献/451
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