数字逻辑原理与FPGA设计

读者可登录湖北省课程共享中心网站 http://mooc1 .chucoonline.com/course/216043183. html 获取视频讲解资料。
本书电子资料包括35段共计680分钟视频讲解、“DE2-115 开发板引脚配置信息”文档, 并配有教学课件供任课老师选用, 请发送邮件至goodtextbook@126 .com或致电010-82339817申请索取。

　　《数字逻辑原理与FPGA设计（第3版）》系统介绍了数字逻辑的基本原理与FPGA设计的实际应用，并通过大量设计实例详细介绍了基于FPGA技术的数字逻辑设计方法。
　　《数字逻辑原理与FPGA设计（第3版）》分为10章，包括数字系统、数制与编码、逻辑代数基础、组合逻辑电路的分析与设计、时序逻辑电路的分析与设计、可编程逻辑器件、VerilogHDL设计基础、FPGA设计入门、数字逻辑基础实验、数字系统FPGA设计实践等，并安排习题近百道、实验题10个、综合性设计课题10个。
　　《数字逻辑原理与FPGA设计（第3版）》中列举的设计实例均经QuartusⅡ13.1工具编译通过，并在DE2-115开发板上通过了硬件测试。所提供电子资料中包含了部分习题解答、部分设计实例与实验题的VerilogHDL源程序，以及综合性设计实例与设计课题参考源程序。
　　为便于教学，《数字逻辑原理与FPGA设计（第3版）》电子资料包括35段共计680分钟教学视频，并配有教学课件供任课老师选用，读者请发邮件或致电申请索取。
　　《数字逻辑原理与FPGA设计（第3版）》可作为普通高等院校计算机、电子、通信、自动控制等电子与电气类相关专业的本科教材，也可作为成人自学考试用书及电子设计工程师技术培训的指导教材，还可作为从事数字逻辑电路和系统设计的电子工程师的参考用书。

第1章绪论1

1.1数字时代1

1.1.1模拟信号1

1.1.2数字信号1

1.2数字系统2

1.2.1数字技术的优势2

1.2.2数字逻辑电路3

1.2.3数字系统的组成4

1.2.4典型的数字系统———计算机4

1.2.5数字逻辑的内容及研究方法5

1.3数制及其转换6

1.3.1数制6

1.3.2数制转换7

1.4带符号二进制数的代码表示9

1.5编码12

1.5.1BCD码12

1.5.2格雷码13

1.5.3奇偶校验码13

1.5.4ASCII码14

1.6习题15

第2章逻辑代数基础17

2.1逻辑代数的基本概念17

2.1.1逻辑变量及基本运算17

2.1.2逻辑表达式18

2.1.3逻辑代数的公理18

2.2逻辑函数21

2.2.1逻辑函数的定义21

2.2.2逻辑函数的表示法21

2.2.3复合逻辑23

2.3逻辑函数的标准形式25

数字逻辑原理与FPGA设计(第3版)

⚫

·2·

2.3.1最小项及最小项表达式25

2.3.2最大项及最大项表达式27

2.3.3逻辑函数表达式的转换方法28

2.3.4逻辑函数的相等32

2.4逻辑代数的重要定理33

2.4.1重要定理33

2.4.2重要定理与最小项、最大项的关系35

2.5逻辑函数化简36

2.5.1代数化简法36

2.5.2卡诺图化简法37

2.5.3具有任意项的逻辑函数化简42

2.6习题43

第3章组合逻辑电路45

3.1逻辑门电路的外特性45

3.1.1简单逻辑门电路45

3.1.2复合逻辑门电路49

3.1.3逻辑门电路的主要外特性参数51

3.1.4正逻辑与负逻辑53

3.2组合逻辑电路分析54

3.2.1组合逻辑电路的基本特点54

3.2.2分析流程55

3.2.3常用组合逻辑电路分析举例56

3.3组合逻辑电路设计64

3.4设计方法的灵活运用65

3.4.1逻辑代数法66

3.4.2利用无关项简化设计67

3.4.3分析设计法69

3.5组合逻辑电路的险象70

3.5.1险象的产生与分类71

3.5.2险象的判断与消除71

3.6常用组合逻辑电路设计74

3.6.18421码加法器74

3.6.2七段译码器76

3.6.3多路选择器与多路分配器78

3.7习题81

第4章时序逻辑电路分析85

4.1时序逻辑电路模型85

⚫目录

·3·

4.2触发器86

4.2.1基本RS触发器87

4.2.2常用触发器90

4.2.3各类触发器的相互转换95

4.2.4集成触发器的主要特性参数97

4.3同步时序逻辑电路98

4.3.1同步时序逻辑电路描述99

4.3.2同步时序逻辑电路分析103

4.4异步时序逻辑电路107

4.5常用时序逻辑电路109

4.5.1寄存器109

4.5.2计数器113

4.5.3节拍发生器117

4.6习题118

第5章时序逻辑电路设计120

5.1同步时序逻辑电路设计的基本方法120

5.2建立原始状态125

5.3状态化简127

5.3.1状态化简的基本原理127

5.3.2完全定义状态化简方法129

5.4状态编码131

5.4.1确定存储状态所需的触发器个数132

5.4.2用相邻编码法实现状态编码132

5.5确定激励函数及输出方程133

5.5.1选定触发器类型133

5.5.2求激励函数及输出函数133

5.5.3电路的“挂起”及恢复问题134

5.6时序逻辑设计举例136

5.6.1序列检测器设计136

5.6.2计数器设计138

5.6.3基于MSI器件实现任意模值计数器140

5.7习题144

第6章可编程逻辑器件147

6.1概述147

6.1.1可编程逻辑器件的发展历程147

6.1.2可编程逻辑器件分类149

6.1.3可编程逻辑器件的结构150

数字逻辑原理与FPGA设计(第3版)

⚫

·4·

6.2简单PLD原理151

6.2.1PLD中阵列的表示方法151

6.2.2PROM153

6.2.3PLA器件155

6.2.4PAL器件156

6.2.5GAL器件156

6.3CPLD158

6.3.1传统CPLD的基本结构158

6.3.2最新CPLD的基本结构158

6.4FPGA159

6.4.1FPGA的基本结构160

6.4.2Altera公司CycloneⅣ系列器件的结构161

6.4.3最新FPGA的基本结构163

6.5习题163

第7章VerilogHDL设计基础166

7.1硬件描述语言简介166

7.1.1概述166

7.1.2HDL语言的特点166

7.1.3VerilogHDL语言与VHDL语言的比较167

7.2VerilogHDL程序的基本语法168

7.2.1VerilogHDL程序结构168

7.2.2VerilogHDL基本语法169

7.2.3VerilogHDL数据流建模176

7.2.4VerilogHDL行为建模177

7.2.5VerilogHDL结构建模179

7.2.6VerilogHDL层次化设计181

7.3VerilogHDL基本语句182

7.3.1选择语句182

7.3.2重复语句184

7.3.3任务和函数语句186

7.4常见组合逻辑电路的VerilogHDL设计189

7.4.1编码器、译码器、选择器189

7.4.2数值比较器192

7.5常见时序逻辑电路的VerilogHDL设计193

7.5.1触发器193

7.5.2锁存器和寄存器195

7.5.3计数器196

7.6有限状态机的VerilogHDL设计198

⚫目录

·5·

7.6.1有限状态机198

7.6.2状态机的设计198

7.6习题203

第8章FPGA设计基础207

8.1EDA技术概述207

8.1.1EDA技术的发展历程207

8.1.2EDA技术的主要内容208

8.1.3EDA技术的发展趋势209

8.2FPGA设计方法与设计流程209

8.2.1基于FPGA的层次化设计方法209

8.2.2基于FPGA技术的数字逻辑系统设计流程211

8.3FPGA设计工具———QuartusⅡ13.1214

8.3.1QuartusⅡ13.1的安装215

8.3.2QuartusⅡ13.1设计流程216

8.4QuartusⅡ13.1设计入门219

8.4.1启动QuartusⅡ13.1219

8.4.2设计输入223

8.4.3编译综合228

8.4.4仿真测试230

8.4.5硬件测试234

8.5习题237

第9章数字逻辑实验指南238

9.1基于原理图输入设计4位加法器238

9.1.1设计提示238

9.1.2QuartusⅡ设计流程238

9.2基于VerilogHDL文本输入设计七段数码显示译码器240

9.2.1设计提示240

9.2.2QuartusⅡ设计流程240

9.3基于混合输入方式的QuartusⅡ设计246

9.3.1设计要求246

9.3.2设计提示246

9.3.3QuartusⅡ设计流程246

9.4基于宏功能模块LPM_ROM的4位乘法器设计249

9.4.1设计提示249

9.4.2QuartusⅡ设计流程250

9.5数字逻辑基础型实验256

实验1多位加法器的FPGA设计256

数字逻辑原理与FPGA设计(第3版)

⚫

·6·

实验2译码器的FPGA设计256

实验3计数器的FPGA设计257

实验4100分频十进制加法计数器的FPGA设计258

实验5伪随机信号发生器的FPGA设计258

实验6应用VerilogHDL完成简单组合电路的FPGA设计259

实验7应用VerilogHDL完成简单时序电路的FPGA设计260

实验8基于VerilogHDL语言的4位多功能加法计数器的FPGA设计260

实验9移位运算器的FPGA设计261

实验10循环冗余校验(CRC)模块的FPGA设计264

9.6习题265

第10章数字系统的FPGA设计实践267

10.1数字钟的FPGA设计268

10.1.1设计要求268

10.1.2功能描述268

10.1.3数字钟的层次化设计方案269

10.1.4数字钟的顶层设计和仿真274

10.1.5硬件测试275

10.2乐曲演奏电路FPGA设计277

10.2.1设计要求277

10.2.2原理描述277

10.2.3乐曲硬件演奏电路的层次化设计方案279

10.2.4乐曲硬件演奏电路顶层电路的设计和仿真283

10.2.5硬件测试283

10.3数字系统FPGA设计课题选编284

课题1多功能运算器的FPGA设计284

课题2时序发生器的FPGA设计284

课题3设计一个具有三种信号灯的交通灯控制系统285

课题4设计一个基于FPGA芯片的弹道计时器286

课题5设计一个基于FPGA芯片的汽车尾灯控制器287

课题6数字密码锁的FPGA设计288

课题7电梯控制器的FPGA设计289

课题8自动售饮料控制器的FPGA设计290

课题9出租车自动计费器的FPGA设计290

课题10基于FPGA的信号发生器设计291

参考文献292

2019年我国电子信息产业销售收入总规模已突破20万亿元,行业收入占工业总体比重超过20%。电子信息产业在工业经济中的支撑作用凸显,更加促进了信息化和工业化的高层次融合。物联网、云计算、大数据、嵌入式等新兴技术的不断发展,对电子产业信息人才的培养模式提出了新的挑战。教育部于2012年颁布的《高等学校本科专业目录》将电子信息类专业进行了整合,为各高校建立系统化人才培养体系,培养理论基础扎实、专业技能宽、兼顾基础和系统的高层次信息类人才给出了指导思想。
基于以上指导思想,本次修订在第2版的基础上,对第1~6章的内容作了部分删减和更新,并修正了部分错误;将第7章的内容全部更新,将VHDL语言改为目前流行的VerilogHDL语言;在第8章中,针对新的实验开发系统DE2115,通过具体实例介绍了FPGA设计工具QuartusⅡ13.1的基本使用方法和设计技巧;基于DE2-115系列平台,更新了第9章和第10章中有关FPGA设计的内容。

为便于读者自学,在附录中给出了台湾友晶公司DE2115开发板的FPGA引脚分配表。《数字逻辑原理与FPGA设计(第3版)》是作者多年教学与科研经验的总结,是作者对“数字逻辑”课程体系、教学内容、教学方法和教学手段进行综合改革形成的教研成果。本书从传授知识和培养能力的目标出发,结合本课程教学的特点、难点和要点,按照“数字时代、数制与编码、逻辑代数基础、组合逻辑和时序逻辑的分析与设计、VerilogHDL设计基础、可编程逻辑器件及其开发工具、数字逻辑基础实验、数字系统FPGA设计”的体系结构来编写。在内容上,将数字逻辑与FPGA设计有机结合在一起,方便读者快速进入现代数字逻辑设计领域。
本课程理论教学建议48~56学时,实验教学建议16学时,另外小学期可独立设计实验课,集中安排32学时的课程综合设计实践。具体如下:第1章4学时,第2章6学时,第3章8学时,第4章8学时,第5章8学时,第6章2学时,第7~9章共12学时,第10章8学时。
本书由刘昌华负责统稿,并编写第1~6章、第8章、第9章及附录;班鹏新编写第7章;周劲编写第10章。在本书编写过程中,作者参考了许多同行专家的专著和文章,IntelFPGA(Altera)大学计划武汉轻工大学FPGA&SOPC联合实验室、武汉轻工大学数学与计算机学院“数字逻辑”课程组及电气与电子工程学院“数字电路”课程组的全体老师均提出了许多宝贵意见,并给予了大力支持和鼓励,在此一并表示感谢。
书中错误和不足,敬请各位专家批评指正。
刘昌华
2020年12月15日于武汉轻工大学