基于FSM和Verilog HDL的数字电路设计 机械工业出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[英] 皮德.明斯等 著

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• 数字电路设计
• FSM
• Verilog HDL
• 机械工业出版社
• 状态机
• 硬件描述语言
• 可编程逻辑器件
• 数字系统设计
• 电子工程
• FPGA

店铺： 北京群洲文化专营店

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111532927

商品编码：29484514247

包装：平装

出版时间：2016-06-01

基本信息

书名：基于FSM和Verilog HDL的数字电路设计

定价：120.00元

作者：皮德.明斯等

出版社：机械工业出版社

出版日期：2016-06-01

ISBN：9787111532927

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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馆配的重点书

内容提要

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本书介绍了基于有限状态机（FSM）的数字电路硬件设计，通过结合工程案例来展示FSM是如何融入其中的。同时，本书还运用硬件描述语言VerilogHDL，通过编写可执行和仿真的代码，让读者从实际应用的角度获得一个完整的数字电路的设计思路。本书从设计方法，到编程语言，比较系统地介绍了数字电路的硬件设计，并结合实际案例进行详细的剖析。读者能够从本书中学到完整的设计思路，并可以借鉴或整合到自己的方案中，极大地方便了相关高校学生与专业人士的学习和运用。

目录

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目录
译者序
原书前言
章有限状态机和状态图以及数字电路和系统设计的基本概念
1.1概述
1.2学习资料
1.3小结
第2章使用状态图控制外部硬件分系统20
2.1概述
2.2学习资料
2.3小结
第3章根据状态图综合硬件电路
3.1关于FSM的综合
3.2学习资料
3.3小结
第4章同步FSM设计
4.1传统状态图的综合方法
4.2处理未使用的状态
4.3信号高/低位指示系统
4.3.1使用测试平台测试FSM
4.4简易波形发生器
4.4.1采样频率和每种波形的采样个数
4.5骰子游戏
4.5.1骰子游戏系统公式
4.6二进制数据串行发送系统
4.6.1图4.15移位寄存器里的RE计数单元
4.7串行异步接收系统
4.7.1FSM公式
4.8加入奇偶校验的串行接收系统
4.8.1整合奇偶校验83
4.8.2图4.26对应的D触发器公式
4.9异步串行发送系统
4.9.1异步串行发送系统公式
4.10看门狗电路
4.10.1D触发器公式
4.10.2输出公式
4.11小结
第5章运用独热编码技术设计FSM
5.1独热编码简介
5.2数据采集系统
5.3内存共享系统
5.4简易波形发生器
5.4.1工作原理
5.4.2解决方案
5.4.3 D触发器输入端d对应的方程
5.4.4输出公式
5.5运用微处理器（微控制器）控制FSM
5.6存储芯片测试系统
5.7独热编码和第4章常规设计方法的对比
5.8动态存储空间访问控制系统
5.8.1触发器公式
5.8.2输出公式
5.9如何运用微处理器来控制DMA系统
5.10使用FSM检测连续的二进制序列
5.11小结
第6章Verilog HDL
6.1硬件描述语言背景介绍
6.2用Verilog HDL进行硬件建模：模块
6.3模块的嵌套：建立构架
6.4Verilog HDL仿真：一个完整的设计过程
参考文献
第7章Verilog HDL体系
7.1内置基本单元和类
7.1.1Verilog的类
7.1.2Verilog逻辑值和数字值
7.1.3如何赋值
7.1.4Verilog HDL基本门电路
7.2操作符和描述语句
7.3Verilog HDL操作符运用案例：汉明码编码器
7.3.1汉明码编码器的仿真
参考文献
第8章运用Verilog HDL描述组合逻辑和时序逻辑
8.1描述数据流模式：回顾连续赋值语句
8.2描述行为模式：时序模块
8.3时序语句模块：阻塞和非阻塞
8.3.1时序语句
8.4用时序模块描述组合逻辑
8.5用时序模块描述时序逻辑
8.6描述存储芯片
8.7描述FSM
8.7.1实例1：国际象棋比赛计时器
8.7.2实例2：带有自动落锁功能的密码锁FSM
参考文献
第9章异步FSM
9.1概述
9.2事件触发逻辑的设计
9.3使用时序公式综合事件FSM
9.3.1捷径法则
9.4在可编程逻辑器件里运用乘积求和公式的设计方法
9.4.1去掉当前状态和下一个状态的标记：n和n 1
9.5运用事件触发的方法设计带有指示功能的单脉冲发生器FSM
9.6另一个事件触发FSM的完整案例
9.6.1重要说明
9.6.2带有电流监视器的电机控制系统
9.7用FSM控制悬停式割草机
9.7.1系统描述和解决方案
9.8没有输入条件的状态切换
9.9特例：微处理器地址空间响应
9.10运用米利（Mealy）型输出
9.10.1水箱水位控制系统的解决方案
9.11使用继电器的电路
9.12事件触发FSM里竞争冒险的条件
9.12.1输入信号之间的竞争
9.12.2二次状态变量之间的竞争
9.12.3主要变量和二次变量之间的竞争
9.13用微处理器系统产生等待周期
9.14用异步FSM设计甩干系统
9.15使用两路分支要注意的问题
9.16小结
参考文献
0章佩特里（Petri）网络
10.1简易佩特里网络概述
10.2使用佩特里网络设计简单时序逻辑
10.3并行佩特里网络
10.3.1另一个并行佩特里网络案例
10.4并行佩特里网络里的同步传输
10.4.1弧线的有效和失效
10.5用有效弧线和失效弧线同步两个佩特里网络
10.6共享资源的控制
10.7二进制数据的串行接收器
10.7.1**个佩特里网络的公式
10.7.2**个佩特里网络输出公式
10.7.3主佩特里网络公式
10.7.4主网络输出公式
10.7.5移位寄存器
10.7.6移位寄存器的公式
10.7.7 4位计数器
10.7.8数据锁存器
10.8小结
参考文献
附录
附录A本书所使用的逻辑门和布尔代数
A.1本书涉及的基本逻辑门符号和布尔代数表达式
A.2异或门和同或门
A.3布尔代数法则
A.3.1基本或法则
A.3.2基本与法则
A.3.3结合律和交换律
A.3.4分配律
A.3.5针对静态逻辑1竞争冒险的辅助法则
A.3.6统一法则
A.3.7逻辑门里信号的延迟效应
A.3.8De Morgan法则
A.4运用布尔代数的一些例子
A.4.1将与门和或门转换成与非门
A.4.2将与门和或门转换成或非门
A.4.3逻辑相邻定律
A.5小结
附录B计数器和移位寄存器电路设计方法
B.1同步二进制递增或递减计数器
B.2用T触发器构建4位同步递增计数器
B.3并行加载计数器：运用T触发器
B.4在低成本PLD器件平台上用D触发器来构建并行加载计数器
B.5二进制递增计数器：带有并行输入
B.6驱动计数器（包括FSM）的时钟电路
B.7使用自由状态设计计数器
B.8移位寄存器
B.9第4章里的异步接收器
B.9.1异步接收器中用到的11位移位寄存器
B.9.2 4位计数器338
B.9.3第4章异步接收模块的系统仿真
B.10小结
附录C使用Verilog HDL仿真FSM
C.1概述
C.2单脉冲同步FSM设计：使用VerilogHDL仿真
C.2.1系统概述
C.2.2模块框图
C.2.3状态图
C.2.4状态图对应的公式
C.2.5Verilog描述代码
C.3测试平台和其存在的目的
C.4使用SynaptiCAD公司的VeriLoggerExtreme仿真器
C.5小结
附录D运用Verilog行为模式构建FSM
D.1概述
D.2回顾带有指示功能的单脉冲/多脉冲发生器FSM
D.35.6节中存储芯片测试系统
D.4小结

作者介绍

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文摘

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序言

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《数字逻辑设计导论》 内容简介： 本书是一本系统介绍数字逻辑设计基础理论与实践方法的教材，旨在为读者构建坚实的数字电路设计知识体系。全书共分为十五章，从最基本的逻辑门电路入手，逐步深入到组合逻辑电路、时序逻辑电路的设计与分析，并最终涵盖数字系统的高级设计技术。本书注重理论与实践相结合，力求使读者在掌握基本原理的同时，也能理解实际应用中的设计考量。 第一章 绪论 本章将带领读者走进数字逻辑设计的世界。我们将首先介绍数字逻辑设计的重要性及其在现代电子设备中的广泛应用，例如计算机、通信系统、消费电子产品等。接着，我们将阐述数字系统与模拟系统的根本区别，并简要介绍数字逻辑设计的发展历程。本书的核心内容将是数字逻辑设计的基本概念，包括二进制数制、逻辑状态（高电平与低电平）、数字信号的特性等。我们还将引入布尔代数的基本原理，这是后续所有逻辑电路设计的基础。通过本章的学习，读者将对数字逻辑设计有一个初步的认识，并为后续的学习打下坚实的基础。 第二章 逻辑门电路 逻辑门是数字逻辑设计中最基本的构建单元。本章将详细介绍最常见的几种逻辑门电路，包括与门（AND）、或门（OR）、非门（NOT）、与非门（NAND）、或非门（NOR）、异或门（XOR）以及同或门（XNOR）。我们将深入探讨每种逻辑门的逻辑功能、符号表示、真值表以及其在布尔代数中的运算关系。此外，本章还将介绍这些基本逻辑门的物理实现原理，例如使用晶体管构建基本的逻辑门电路，从而让读者理解逻辑门电路的硬件基础。理解逻辑门的功能和特性是进行复杂数字电路设计的前提。 第三章 布尔代数与逻辑化简 布尔代数是数字逻辑设计的数学语言。本章将系统介绍布尔代数的公理、定理和基本运算规则，如交换律、结合律、分配律、德摩根定律等。掌握这些规则对于简化复杂的逻辑表达式至关重要。我们将详细讲解如何利用布尔代数的方法对逻辑函数进行化简，包括代数化简法。化简后的逻辑表达式不仅可以减少电路的复杂度，降低成本，还能提高电路的性能和可靠性。本章的学习将使读者能够有效地处理和优化逻辑函数。 第四章 组合逻辑电路 组合逻辑电路的输出仅取决于当前的输入状态，不具有记忆功能。本章将重点介绍几种典型的组合逻辑电路的设计与分析。我们将从基本概念入手，讲解如何根据逻辑功能要求设计组合逻辑电路，包括使用逻辑门构建电路、编写真值表、导出逻辑表达式以及进行逻辑化简。我们将详细介绍和分析编码器（Encoder）、译码器（Decoder）、数据选择器（Multiplexer/MUX）、数据分配器（Demultiplexer/DEMUX）、加法器（Adder）和减法器（Subtractor）等常用的组合逻辑模块。这些模块是构建更复杂数字系统的基石。 第五章 组合逻辑电路的卡诺图化简法 对于更复杂的逻辑函数，代数化简法可能显得繁琐。本章将介绍一种图形化的逻辑化简方法——卡诺图（Karnaugh Map）。我们将详细讲解卡诺图的构造原理、如何根据逻辑函数绘制卡诺图、以及如何利用卡诺图进行相邻项合并以获得最简逻辑表达式。卡诺图是一种非常直观且高效的逻辑化简工具，尤其适用于逻辑变量数量不多的情况。通过本章的学习，读者将掌握一种重要的组合逻辑电路优化技术。 第六章 时序逻辑电路概述 与组合逻辑电路不同，时序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入，还与电路 past states（历史状态）有关，即具有记忆功能。本章将引入时序逻辑电路的基本概念，包括状态、状态转移、时钟信号等。我们将介绍触发器（Flip-Flop）作为最基本的时序逻辑单元，包括SR触发器、D触发器、JK触发器和T触发器。我们将详细讲解每种触发器的结构、工作原理、状态转移图和状态转移表。时序逻辑电路是构建状态机、计数器、寄存器等复杂数字系统的关键。 第七章 触发器 本章将深入探讨触发器的设计与应用。我们将详细分析各种触发器的时序特性，如建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）和传播延迟（Propagation Delay）。理解这些时序参数对于确保时序逻辑电路的正确运行至关重要。我们还将介绍主从触发器（Master-Slave Flip-Flop）和边沿触发（Edge-Triggered）的工作方式，以及如何使用时钟信号同步触发器的状态变化。本章还将简要介绍触发器的集成电路实现。 第八章 寄存器与移位寄存器 寄存器是用于存储一组二值数据的器件，是时序逻辑电路中的重要组成部分。本章将介绍不同类型的寄存器，包括并行输入/并行输出（PIPO）寄存器、串行输入/并行输出（SIPO）寄存器、并行输入/串行输出（PISO）寄存器和串行输入/串行输出（SISO）寄存器。我们将重点讲解移位寄存器（Shift Register）的设计与应用，包括它的工作原理、结构以及如何在寄存器之间实现数据的串行或并行传输。移位寄存器在数据处理、通信接口等领域有着广泛的应用。 第九章 计数器 计数器是一种能够对输入脉冲进行计数的时序逻辑电路。本章将详细介绍不同类型的计数器，包括异步计数器（Ripple Counter）和同步计数器（Synchronous Counter）。我们将分别讲解它们的结构、工作原理、状态序列以及优缺点。此外，本章还将介绍可预置计数器（Preset Counter）、可清零计数器（Clearable Counter）和可逆计数器（Up-Down Counter）等。计数器在频率分频、定时、数据缓冲等方面发挥着重要作用。 第十章 有限状态机（FSM） 有限状态机（Finite State Machine，FSM）是描述和设计同步时序逻辑电路的强大模型。本章将详细介绍FSM的基本概念，包括状态、输入、输出、状态转移和状态编码。我们将区分摩尔型（Moore）和米利型（Mealy）有限状态机，并解释它们之间的区别和联系。本章将重点讲解如何根据逻辑功能要求设计FSM，包括状态图（State Diagram）的绘制、状态转移表的构建、状态编码的确定以及硬件实现。FSM在控制逻辑、序列检测、通信协议实现等领域有着广泛的应用。 第十一章 FSM的硬件实现 本章将聚焦于有限状态机的硬件实现。我们将讨论如何将FSM的状态转移逻辑和输出逻辑转化为实际的电路。我们将介绍使用D触发器和组合逻辑实现FSM的典型结构。本章还将深入探讨状态编码对电路复杂度和性能的影响，并介绍常用的状态编码方法，如二进制编码、格雷码编码以及独热编码（One-Hot Encoding），分析它们各自的优缺点。通过本章的学习，读者将能够将抽象的状态机模型转化为可实际运行的数字电路。 第十二章 存储器 存储器是数字系统中必不可少的一部分。本章将介绍不同类型的存储器，包括随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。我们将详细介绍RAM的读写操作原理，包括静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）的基本结构和工作特点。对于ROM，我们将介绍其不同类型，如掩膜ROM（MROM）、可编程ROM（PROM）、可擦除可编程ROM（EPROM）和电可擦可编程ROM（EEPROM），以及它们的存储机制。本章还将简要介绍存储器的寻址方式和组织结构。 第十三章 可编程逻辑器件（PLD） 可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）为数字电路设计提供了高度的灵活性和集成度。本章将介绍几种主要的PLD类型，包括可编程只读存储器（PROM）、可编程阵列逻辑（PAL）、通用阵列逻辑（GAL）和现场可编程门阵列（FPGA）。我们将阐述它们的结构特点、编程原理以及在实际电路设计中的应用。PLD技术极大地简化了复杂数字系统的开发流程，使得设计者能够快速实现复杂的逻辑功能。 第十四章 时序分析与约束 在复杂的数字系统中，时序的正确性至关重要。本章将深入探讨数字电路的时序分析，包括关键路径（Critical Path）的确定、时序违例（Timing Violations）的产生原因及其后果。我们将介绍建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）等关键时序参数的含义，以及它们对电路稳定运行的影响。本章还将讨论如何通过优化设计、选择合适的器件以及应用时序约束来满足时序要求，确保数字系统的高速可靠运行。 第十五章 数字系统设计流程与工具 本章将概括数字系统的整体设计流程，从需求分析、系统设计、逻辑实现到仿真验证和硬件调试。我们将介绍现代数字逻辑设计中常用的EDA（Electronic Design Automation）工具，如逻辑综合工具、布局布线工具和仿真器。本章还将简要介绍硬件描述语言（HDL）在数字系统设计中的重要作用，以及如何利用HDL进行设计和验证。通过本章的学习，读者将对完整的数字电路设计流程有一个全面的认识，并为后续的深入学习和实践打下基础。 本书的编写力求深入浅出，循序渐进，并辅以丰富的图示和实例，以帮助读者理解抽象的数字逻辑概念。通过学习本书，读者将能够掌握数字逻辑设计的基本原理和方法，并为进一步学习更高级的数字系统设计打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

如果让我用一个词来形容这本书的价值，那就是“实用主义的深度”。它没有浪费篇幅去介绍早已被淘汰的技术细节，而是将笔墨集中在当前主流FPGA和ASIC设计流程中不可或缺的核心技能上。我特别欣赏作者在收尾部分对设计验证（Verification）的引入。虽然本书侧重于设计（Design）本身，但它并没有完全忽略验证的重要性，通过一个简单的Testbench实例，展示了如何使用Verilog进行功能仿真和基本的激励生成。这对于初学者来说是一个非常重要的引导，让他们知道“写完代码”只是完成了工作的一半。这种兼顾理论深度、代码实践、工程规范和验证意识的全面性，使得这本书不仅仅是一本教科书，更像是一份可以随时翻阅的“设计规范手册”。它的内容量和信息密度很高，需要读者投入足够的时间和精力去消化，但最终的回报是显著的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图示质量，也为阅读体验增色不少。在涉及系统级模块划分和接口协议（比如简单的握手协议）的描述时，清晰的方框图和流程图起到了关键的引导作用。很多技术书籍的图表往往模糊不清，导致读者需要反复阅读旁边的文字来猜测图示的含义，但本书在这方面做得非常出色。特别是对跨时钟域（CDC）问题的讨论，图示清晰地画出了双路同步器（Two-Flip-Flop Synchronizer）的结构，并辅以时序分析的示意，即便我对这部分内容略有耳闻，也能瞬间捕捉到其核心的异步采样机制。此外，书中对一些高级特性，如模块实例化、层次化设计管理和基本的设计约束（SDC的初步概念）的介绍，也显示了作者的视野并未局限于单个模块的设计，而是着眼于整个数字系统的集成。这对于培养系统级思维非常有帮助。

评分☆☆☆☆☆

这本书的魅力，很大程度上体现在它对Verilog HDL语言特性的精准把握上。许多教程往往将HDL视为一种单纯的“描述”工具，但本书却将Verilog提升到了“建模”和“约束”的层面。例如，书中对`always @(posedge clk)`和`always @()`的使用边界进行了极其细致的区分，并辅以仿真波形图来演示在不同敏感列表配置下，综合工具可能产生的Latch或组合逻辑的意外行为。我特别欣赏作者在讲解时序逻辑模块（如寄存器、计数器、移位寄存器）时，总是习惯性地展示行为级代码、RTL级代码，以及最终的门级网表示意图（虽然是示意，但足以说明综合的意图）。这种“从高层抽象到底层物理”的贯穿式讲解，极大地提升了读者对代码“意图”的理解，而不是仅仅停留在语法层面。在涉及到复杂的时序控制时，作者还引用了对异步信号采样的建议，这在实际FPGA设计中是避无可避的难题。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计，光是看到“机械工业出版社”这几个字，就让人对内容的扎实程度有了初步的信心。作为一名数字电路设计领域的学习者，我一直渴望找到一本既能深入讲解理论基础，又能紧密结合现代硬件描述语言实践的教材。翻开扉页，那种严谨的学术气息扑面而来，不是那种轻飘飘的入门读物，而是实打实的工程技术指南。我对其中关于有限状态机（FSM）理论的阐述尤为关注，作者没有满足于仅仅罗列状态图和真值表，而是深入剖析了不同编码方式（如独热码、格雷码等）对电路性能，特别是时序特性和功耗的实际影响。这种层层递进的分析，让我深刻体会到理论与实际电路实现之间的微妙联系。尤其是在讲解同步复位和异步复位的设计范式时，书中通过多个经典案例的对比，清晰地展示了在复杂系统中，状态机同步性维护的关键点，这对于避免亚稳态和确保系统可靠性至关重要。整体而言，这本书的理论深度足以支撑起研究生阶段的学习需求，同时其详实的论证过程也为初入职场的工程师提供了极佳的参考手册。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程，就像是跟随一位经验丰富的老工程师进行项目实战演练。它并非堆砌晦涩难懂的数学公式，而是将抽象的数字系统概念，巧妙地嵌入到可操作的工程实例中。举个例子，书中对乘法器和除法器的不同架构（如串行、并行、流水线）进行性能和资源消耗的对比分析时，其表格化的数据呈现方式极其直观。我发现书中提供的Verilog代码片段具有极高的可读性和模块化程度，这显然是作者有意引导读者养成良好的编码习惯。例如，在描述一个复杂的状态机时，它严格遵循了“状态寄存器”、“组合逻辑输出”和“时序输出”分离的结构，这极大地简化了后续的调试工作。对于那些希望快速上手，但又不想牺牲设计质量的读者来说，这本书提供的“最佳实践”模板是无价之宝。它教会我们的不仅仅是“如何做”，更是“为何要这样做”。