基於FSM和Verilog HDL的數字電路設計 機械工業齣版社 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[英] 皮德.明斯等 著

圖書標籤:

• 數字電路設計
• FSM
• Verilog HDL
• 機械工業齣版社
• 狀態機
• 硬件描述語言
• 可編程邏輯器件
• 數字係統設計
• 電子工程
• FPGA

店鋪： 北京群洲文化專營店

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111532927

商品編碼：29484514247

包裝：平裝

齣版時間：2016-06-01

基本信息

書名：基於FSM和Verilog HDL的數字電路設計

定價：120.00元

作者：皮德.明斯等

齣版社：機械工業齣版社

齣版日期：2016-06-01

ISBN：9787111532927

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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館配的重點書

內容提要

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本書介紹瞭基於有限狀態機（FSM）的數字電路硬件設計，通過結閤工程案例來展示FSM是如何融入其中的。同時，本書還運用硬件描述語言VerilogHDL，通過編寫可執行和仿真的代碼，讓讀者從實際應用的角度獲得一個完整的數字電路的設計思路。本書從設計方法，到編程語言，比較係統地介紹瞭數字電路的硬件設計，並結閤實際案例進行詳細的剖析。讀者能夠從本書中學到完整的設計思路，並可以藉鑒或整閤到自己的方案中，極大地方便瞭相關高校學生與專業人士的學習和運用。

目錄

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目錄
譯者序
原書前言
章有限狀態機和狀態圖以及數字電路和係統設計的基本概念
1.1概述
1.2學習資料
1.3小結
第2章使用狀態圖控製外部硬件分係統20
2.1概述
2.2學習資料
2.3小結
第3章根據狀態圖綜閤硬件電路
3.1關於FSM的綜閤
3.2學習資料
3.3小結
第4章同步FSM設計
4.1傳統狀態圖的綜閤方法
4.2處理未使用的狀態
4.3信號高/低位指示係統
4.3.1使用測試平颱測試FSM
4.4簡易波形發生器
4.4.1采樣頻率和每種波形的采樣個數
4.5骰子遊戲
4.5.1骰子遊戲係統公式
4.6二進製數據串行發送係統
4.6.1圖4.15移位寄存器裏的RE計數單元
4.7串行異步接收係統
4.7.1FSM公式
4.8加入奇偶校驗的串行接收係統
4.8.1整閤奇偶校驗83
4.8.2圖4.26對應的D觸發器公式
4.9異步串行發送係統
4.9.1異步串行發送係統公式
4.10看門狗電路
4.10.1D觸發器公式
4.10.2輸齣公式
4.11小結
第5章運用獨熱編碼技術設計FSM
5.1獨熱編碼簡介
5.2數據采集係統
5.3內存共享係統
5.4簡易波形發生器
5.4.1工作原理
5.4.2解決方案
5.4.3 D觸發器輸入端d對應的方程
5.4.4輸齣公式
5.5運用微處理器（微控製器）控製FSM
5.6存儲芯片測試係統
5.7獨熱編碼和第4章常規設計方法的對比
5.8動態存儲空間訪問控製係統
5.8.1觸發器公式
5.8.2輸齣公式
5.9如何運用微處理器來控製DMA係統
5.10使用FSM檢測連續的二進製序列
5.11小結
第6章Verilog HDL
6.1硬件描述語言背景介紹
6.2用Verilog HDL進行硬件建模：模塊
6.3模塊的嵌套：建立構架
6.4Verilog HDL仿真：一個完整的設計過程
參考文獻
第7章Verilog HDL體係
7.1內置基本單元和類
7.1.1Verilog的類
7.1.2Verilog邏輯值和數字值
7.1.3如何賦值
7.1.4Verilog HDL基本門電路
7.2操作符和描述語句
7.3Verilog HDL操作符運用案例：漢明碼編碼器
7.3.1漢明碼編碼器的仿真
參考文獻
第8章運用Verilog HDL描述組閤邏輯和時序邏輯
8.1描述數據流模式：迴顧連續賦值語句
8.2描述行為模式：時序模塊
8.3時序語句模塊：阻塞和非阻塞
8.3.1時序語句
8.4用時序模塊描述組閤邏輯
8.5用時序模塊描述時序邏輯
8.6描述存儲芯片
8.7描述FSM
8.7.1實例1：國際象棋比賽計時器
8.7.2實例2：帶有自動落鎖功能的密碼鎖FSM
參考文獻
第9章異步FSM
9.1概述
9.2事件觸發邏輯的設計
9.3使用時序公式綜閤事件FSM
9.3.1捷徑法則
9.4在可編程邏輯器件裏運用乘積求和公式的設計方法
9.4.1去掉當前狀態和下一個狀態的標記：n和n 1
9.5運用事件觸發的方法設計帶有指示功能的單脈衝發生器FSM
9.6另一個事件觸發FSM的完整案例
9.6.1重要說明
9.6.2帶有電流監視器的電機控製係統
9.7用FSM控製懸停式割草機
9.7.1係統描述和解決方案
9.8沒有輸入條件的狀態切換
9.9特例：微處理器地址空間響應
9.10運用米利（Mealy）型輸齣
9.10.1水箱水位控製係統的解決方案
9.11使用繼電器的電路
9.12事件觸發FSM裏競爭冒險的條件
9.12.1輸入信號之間的競爭
9.12.2二次狀態變量之間的競爭
9.12.3主要變量和二次變量之間的競爭
9.13用微處理器係統産生等待周期
9.14用異步FSM設計甩乾係統
9.15使用兩路分支要注意的問題
9.16小結
參考文獻
0章佩特裏（Petri）網絡
10.1簡易佩特裏網絡概述
10.2使用佩特裏網絡設計簡單時序邏輯
10.3並行佩特裏網絡
10.3.1另一個並行佩特裏網絡案例
10.4並行佩特裏網絡裏的同步傳輸
10.4.1弧綫的有效和失效
10.5用有效弧綫和失效弧綫同步兩個佩特裏網絡
10.6共享資源的控製
10.7二進製數據的串行接收器
10.7.1**個佩特裏網絡的公式
10.7.2**個佩特裏網絡輸齣公式
10.7.3主佩特裏網絡公式
10.7.4主網絡輸齣公式
10.7.5移位寄存器
10.7.6移位寄存器的公式
10.7.7 4位計數器
10.7.8數據鎖存器
10.8小結
參考文獻
附錄
附錄A本書所使用的邏輯門和布爾代數
A.1本書涉及的基本邏輯門符號和布爾代數錶達式
A.2異或門和同或門
A.3布爾代數法則
A.3.1基本或法則
A.3.2基本與法則
A.3.3結閤律和交換律
A.3.4分配律
A.3.5針對靜態邏輯1競爭冒險的輔助法則
A.3.6統一法則
A.3.7邏輯門裏信號的延遲效應
A.3.8De Morgan法則
A.4運用布爾代數的一些例子
A.4.1將與門和或門轉換成與非門
A.4.2將與門和或門轉換成或非門
A.4.3邏輯相鄰定律
A.5小結
附錄B計數器和移位寄存器電路設計方法
B.1同步二進製遞增或遞減計數器
B.2用T觸發器構建4位同步遞增計數器
B.3並行加載計數器：運用T觸發器
B.4在低成本PLD器件平颱上用D觸發器來構建並行加載計數器
B.5二進製遞增計數器：帶有並行輸入
B.6驅動計數器（包括FSM）的時鍾電路
B.7使用自由狀態設計計數器
B.8移位寄存器
B.9第4章裏的異步接收器
B.9.1異步接收器中用到的11位移位寄存器
B.9.2 4位計數器338
B.9.3第4章異步接收模塊的係統仿真
B.10小結
附錄C使用Verilog HDL仿真FSM
C.1概述
C.2單脈衝同步FSM設計：使用VerilogHDL仿真
C.2.1係統概述
C.2.2模塊框圖
C.2.3狀態圖
C.2.4狀態圖對應的公式
C.2.5Verilog描述代碼
C.3測試平颱和其存在的目的
C.4使用SynaptiCAD公司的VeriLoggerExtreme仿真器
C.5小結
附錄D運用Verilog行為模式構建FSM
D.1概述
D.2迴顧帶有指示功能的單脈衝/多脈衝發生器FSM
D.35.6節中存儲芯片測試係統
D.4小結

作者介紹

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文摘

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序言

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《數字邏輯設計導論》 內容簡介： 本書是一本係統介紹數字邏輯設計基礎理論與實踐方法的教材，旨在為讀者構建堅實的數字電路設計知識體係。全書共分為十五章，從最基本的邏輯門電路入手，逐步深入到組閤邏輯電路、時序邏輯電路的設計與分析，並最終涵蓋數字係統的高級設計技術。本書注重理論與實踐相結閤，力求使讀者在掌握基本原理的同時，也能理解實際應用中的設計考量。 第一章 緒論 本章將帶領讀者走進數字邏輯設計的世界。我們將首先介紹數字邏輯設計的重要性及其在現代電子設備中的廣泛應用，例如計算機、通信係統、消費電子産品等。接著，我們將闡述數字係統與模擬係統的根本區彆，並簡要介紹數字邏輯設計的發展曆程。本書的核心內容將是數字邏輯設計的基本概念，包括二進製數製、邏輯狀態（高電平與低電平）、數字信號的特性等。我們還將引入布爾代數的基本原理，這是後續所有邏輯電路設計的基礎。通過本章的學習，讀者將對數字邏輯設計有一個初步的認識，並為後續的學習打下堅實的基礎。 第二章 邏輯門電路 邏輯門是數字邏輯設計中最基本的構建單元。本章將詳細介紹最常見的幾種邏輯門電路，包括與門（AND）、或門（OR）、非門（NOT）、與非門（NAND）、或非門（NOR）、異或門（XOR）以及同或門（XNOR）。我們將深入探討每種邏輯門的邏輯功能、符號錶示、真值錶以及其在布爾代數中的運算關係。此外，本章還將介紹這些基本邏輯門的物理實現原理，例如使用晶體管構建基本的邏輯門電路，從而讓讀者理解邏輯門電路的硬件基礎。理解邏輯門的功能和特性是進行復雜數字電路設計的前提。 第三章 布爾代數與邏輯化簡 布爾代數是數字邏輯設計的數學語言。本章將係統介紹布爾代數的公理、定理和基本運算規則，如交換律、結閤律、分配律、德摩根定律等。掌握這些規則對於簡化復雜的邏輯錶達式至關重要。我們將詳細講解如何利用布爾代數的方法對邏輯函數進行化簡，包括代數化簡法。化簡後的邏輯錶達式不僅可以減少電路的復雜度，降低成本，還能提高電路的性能和可靠性。本章的學習將使讀者能夠有效地處理和優化邏輯函數。 第四章 組閤邏輯電路 組閤邏輯電路的輸齣僅取決於當前的輸入狀態，不具有記憶功能。本章將重點介紹幾種典型的組閤邏輯電路的設計與分析。我們將從基本概念入手，講解如何根據邏輯功能要求設計組閤邏輯電路，包括使用邏輯門構建電路、編寫真值錶、導齣邏輯錶達式以及進行邏輯化簡。我們將詳細介紹和分析編碼器（Encoder）、譯碼器（Decoder）、數據選擇器（Multiplexer/MUX）、數據分配器（Demultiplexer/DEMUX）、加法器（Adder）和減法器（Subtractor）等常用的組閤邏輯模塊。這些模塊是構建更復雜數字係統的基石。 第五章 組閤邏輯電路的卡諾圖化簡法 對於更復雜的邏輯函數，代數化簡法可能顯得繁瑣。本章將介紹一種圖形化的邏輯化簡方法——卡諾圖（Karnaugh Map）。我們將詳細講解卡諾圖的構造原理、如何根據邏輯函數繪製卡諾圖、以及如何利用卡諾圖進行相鄰項閤並以獲得最簡邏輯錶達式。卡諾圖是一種非常直觀且高效的邏輯化簡工具，尤其適用於邏輯變量數量不多的情況。通過本章的學習，讀者將掌握一種重要的組閤邏輯電路優化技術。 第六章 時序邏輯電路概述 與組閤邏輯電路不同，時序邏輯電路的輸齣不僅取決於當前輸入，還與電路 past states（曆史狀態）有關，即具有記憶功能。本章將引入時序邏輯電路的基本概念，包括狀態、狀態轉移、時鍾信號等。我們將介紹觸發器（Flip-Flop）作為最基本的時序邏輯單元，包括SR觸發器、D觸發器、JK觸發器和T觸發器。我們將詳細講解每種觸發器的結構、工作原理、狀態轉移圖和狀態轉移錶。時序邏輯電路是構建狀態機、計數器、寄存器等復雜數字係統的關鍵。 第七章 觸發器 本章將深入探討觸發器的設計與應用。我們將詳細分析各種觸發器的時序特性，如建立時間（Setup Time）、保持時間（Hold Time）和傳播延遲（Propagation Delay）。理解這些時序參數對於確保時序邏輯電路的正確運行至關重要。我們還將介紹主從觸發器（Master-Slave Flip-Flop）和邊沿觸發（Edge-Triggered）的工作方式，以及如何使用時鍾信號同步觸發器的狀態變化。本章還將簡要介紹觸發器的集成電路實現。 第八章 寄存器與移位寄存器 寄存器是用於存儲一組二值數據的器件，是時序邏輯電路中的重要組成部分。本章將介紹不同類型的寄存器，包括並行輸入/並行輸齣（PIPO）寄存器、串行輸入/並行輸齣（SIPO）寄存器、並行輸入/串行輸齣（PISO）寄存器和串行輸入/串行輸齣（SISO）寄存器。我們將重點講解移位寄存器（Shift Register）的設計與應用，包括它的工作原理、結構以及如何在寄存器之間實現數據的串行或並行傳輸。移位寄存器在數據處理、通信接口等領域有著廣泛的應用。 第九章 計數器 計數器是一種能夠對輸入脈衝進行計數的時序邏輯電路。本章將詳細介紹不同類型的計數器，包括異步計數器（Ripple Counter）和同步計數器（Synchronous Counter）。我們將分彆講解它們的結構、工作原理、狀態序列以及優缺點。此外，本章還將介紹可預置計數器（Preset Counter）、可清零計數器（Clearable Counter）和可逆計數器（Up-Down Counter）等。計數器在頻率分頻、定時、數據緩衝等方麵發揮著重要作用。 第十章 有限狀態機（FSM） 有限狀態機（Finite State Machine，FSM）是描述和設計同步時序邏輯電路的強大模型。本章將詳細介紹FSM的基本概念，包括狀態、輸入、輸齣、狀態轉移和狀態編碼。我們將區分摩爾型（Moore）和米利型（Mealy）有限狀態機，並解釋它們之間的區彆和聯係。本章將重點講解如何根據邏輯功能要求設計FSM，包括狀態圖（State Diagram）的繪製、狀態轉移錶的構建、狀態編碼的確定以及硬件實現。FSM在控製邏輯、序列檢測、通信協議實現等領域有著廣泛的應用。 第十一章 FSM的硬件實現 本章將聚焦於有限狀態機的硬件實現。我們將討論如何將FSM的狀態轉移邏輯和輸齣邏輯轉化為實際的電路。我們將介紹使用D觸發器和組閤邏輯實現FSM的典型結構。本章還將深入探討狀態編碼對電路復雜度和性能的影響，並介紹常用的狀態編碼方法，如二進製編碼、格雷碼編碼以及獨熱編碼（One-Hot Encoding），分析它們各自的優缺點。通過本章的學習，讀者將能夠將抽象的狀態機模型轉化為可實際運行的數字電路。 第十二章 存儲器 存儲器是數字係統中必不可少的一部分。本章將介紹不同類型的存儲器，包括隨機訪問存儲器（RAM）和隻讀存儲器（ROM）。我們將詳細介紹RAM的讀寫操作原理，包括靜態RAM（SRAM）和動態RAM（DRAM）的基本結構和工作特點。對於ROM，我們將介紹其不同類型，如掩膜ROM（MROM）、可編程ROM（PROM）、可擦除可編程ROM（EPROM）和電可擦可編程ROM（EEPROM），以及它們的存儲機製。本章還將簡要介紹存儲器的尋址方式和組織結構。 第十三章 可編程邏輯器件（PLD） 可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD）為數字電路設計提供瞭高度的靈活性和集成度。本章將介紹幾種主要的PLD類型，包括可編程隻讀存儲器（PROM）、可編程陣列邏輯（PAL）、通用陣列邏輯（GAL）和現場可編程門陣列（FPGA）。我們將闡述它們的結構特點、編程原理以及在實際電路設計中的應用。PLD技術極大地簡化瞭復雜數字係統的開發流程，使得設計者能夠快速實現復雜的邏輯功能。 第十四章 時序分析與約束 在復雜的數字係統中，時序的正確性至關重要。本章將深入探討數字電路的時序分析，包括關鍵路徑（Critical Path）的確定、時序違例（Timing Violations）的産生原因及其後果。我們將介紹建立時間（Setup Time）和保持時間（Hold Time）等關鍵時序參數的含義，以及它們對電路穩定運行的影響。本章還將討論如何通過優化設計、選擇閤適的器件以及應用時序約束來滿足時序要求，確保數字係統的高速可靠運行。 第十五章 數字係統設計流程與工具 本章將概括數字係統的整體設計流程，從需求分析、係統設計、邏輯實現到仿真驗證和硬件調試。我們將介紹現代數字邏輯設計中常用的EDA（Electronic Design Automation）工具，如邏輯綜閤工具、布局布綫工具和仿真器。本章還將簡要介紹硬件描述語言（HDL）在數字係統設計中的重要作用，以及如何利用HDL進行設計和驗證。通過本章的學習，讀者將對完整的數字電路設計流程有一個全麵的認識，並為後續的深入學習和實踐打下基礎。 本書的編寫力求深入淺齣，循序漸進，並輔以豐富的圖示和實例，以幫助讀者理解抽象的數字邏輯概念。通過學習本書，讀者將能夠掌握數字邏輯設計的基本原理和方法，並為進一步學習更高級的數字係統設計打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

如果讓我用一個詞來形容這本書的價值，那就是“實用主義的深度”。它沒有浪費篇幅去介紹早已被淘汰的技術細節，而是將筆墨集中在當前主流FPGA和ASIC設計流程中不可或缺的核心技能上。我特彆欣賞作者在收尾部分對設計驗證（Verification）的引入。雖然本書側重於設計（Design）本身，但它並沒有完全忽略驗證的重要性，通過一個簡單的Testbench實例，展示瞭如何使用Verilog進行功能仿真和基本的激勵生成。這對於初學者來說是一個非常重要的引導，讓他們知道“寫完代碼”隻是完成瞭工作的一半。這種兼顧理論深度、代碼實踐、工程規範和驗證意識的全麵性，使得這本書不僅僅是一本教科書，更像是一份可以隨時翻閱的“設計規範手冊”。它的內容量和信息密度很高，需要讀者投入足夠的時間和精力去消化，但最終的迴報是顯著的。

評分☆☆☆☆☆

這本書的魅力，很大程度上體現在它對Verilog HDL語言特性的精準把握上。許多教程往往將HDL視為一種單純的“描述”工具，但本書卻將Verilog提升到瞭“建模”和“約束”的層麵。例如，書中對`always @(posedge clk)`和`always @()`的使用邊界進行瞭極其細緻的區分，並輔以仿真波形圖來演示在不同敏感列錶配置下，綜閤工具可能産生的Latch或組閤邏輯的意外行為。我特彆欣賞作者在講解時序邏輯模塊（如寄存器、計數器、移位寄存器）時，總是習慣性地展示行為級代碼、RTL級代碼，以及最終的門級網錶示意圖（雖然是示意，但足以說明綜閤的意圖）。這種“從高層抽象到底層物理”的貫穿式講解，極大地提升瞭讀者對代碼“意圖”的理解，而不是僅僅停留在語法層麵。在涉及到復雜的時序控製時，作者還引用瞭對異步信號采樣的建議，這在實際FPGA設計中是避無可避的難題。

評分☆☆☆☆☆

閱讀這本書的過程，就像是跟隨一位經驗豐富的老工程師進行項目實戰演練。它並非堆砌晦澀難懂的數學公式，而是將抽象的數字係統概念，巧妙地嵌入到可操作的工程實例中。舉個例子，書中對乘法器和除法器的不同架構（如串行、並行、流水綫）進行性能和資源消耗的對比分析時，其錶格化的數據呈現方式極其直觀。我發現書中提供的Verilog代碼片段具有極高的可讀性和模塊化程度，這顯然是作者有意引導讀者養成良好的編碼習慣。例如，在描述一個復雜的狀態機時，它嚴格遵循瞭“狀態寄存器”、“組閤邏輯輸齣”和“時序輸齣”分離的結構，這極大地簡化瞭後續的調試工作。對於那些希望快速上手，但又不想犧牲設計質量的讀者來說，這本書提供的“最佳實踐”模闆是無價之寶。它教會我們的不僅僅是“如何做”，更是“為何要這樣做”。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計，光是看到“機械工業齣版社”這幾個字，就讓人對內容的紮實程度有瞭初步的信心。作為一名數字電路設計領域的學習者，我一直渴望找到一本既能深入講解理論基礎，又能緊密結閤現代硬件描述語言實踐的教材。翻開扉頁，那種嚴謹的學術氣息撲麵而來，不是那種輕飄飄的入門讀物，而是實打實的工程技術指南。我對其中關於有限狀態機（FSM）理論的闡述尤為關注，作者沒有滿足於僅僅羅列狀態圖和真值錶，而是深入剖析瞭不同編碼方式（如獨熱碼、格雷碼等）對電路性能，特彆是時序特性和功耗的實際影響。這種層層遞進的分析，讓我深刻體會到理論與實際電路實現之間的微妙聯係。尤其是在講解同步復位和異步復位的設計範式時，書中通過多個經典案例的對比，清晰地展示瞭在復雜係統中，狀態機同步性維護的關鍵點，這對於避免亞穩態和確保係統可靠性至關重要。整體而言，這本書的理論深度足以支撐起研究生階段的學習需求，同時其詳實的論證過程也為初入職場的工程師提供瞭極佳的參考手冊。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和圖示質量，也為閱讀體驗增色不少。在涉及係統級模塊劃分和接口協議（比如簡單的握手協議）的描述時，清晰的方框圖和流程圖起到瞭關鍵的引導作用。很多技術書籍的圖錶往往模糊不清，導緻讀者需要反復閱讀旁邊的文字來猜測圖示的含義，但本書在這方麵做得非常齣色。特彆是對跨時鍾域（CDC）問題的討論，圖示清晰地畫齣瞭雙路同步器（Two-Flip-Flop Synchronizer）的結構，並輔以時序分析的示意，即便我對這部分內容略有耳聞，也能瞬間捕捉到其核心的異步采樣機製。此外，書中對一些高級特性，如模塊實例化、層次化設計管理和基本的設計約束（SDC的初步概念）的介紹，也顯示瞭作者的視野並未局限於單個模塊的設計，而是著眼於整個數字係統的集成。這對於培養係統級思維非常有幫助。