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出版者:机械工业出版社

作者:陈立周 主编

出品人:

页数:245

译者:

出版时间:2001-6

价格:20.50元

装帧:

isbn号码:9787111044024

丛书系列:

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《数字逻辑设计与FPGA实现》 内容简介： 本书系统地阐述了数字逻辑设计的核心概念、理论基础以及现代FPGA（现场可编程门阵列）技术在实现这些设计中的应用。本书旨在为读者提供一个坚实的数字系统设计框架，从最基本的逻辑门电路原理出发，逐步深入到复杂的组合逻辑和序逻辑电路的设计与分析，最终引导读者掌握如何利用FPGA这一强大的可编程器件将数字逻辑设计转化为实际的硬件系统。 第一部分：数字逻辑基础 第一章：数字信号与逻辑门 深入探讨数字信号的本质，与模拟信号的根本区别。 详细介绍二进制数制、BCD码、格雷码等常用编码方式，以及它们在数字系统中的作用。 重点讲解布尔代数的基本公理、定理和定律，包括逻辑AND、OR、NOT、XOR、NAND、NOR等基本逻辑门的功能、真值表和逻辑符号。 分析各种逻辑门之间的等价关系，以及如何运用布尔代数进行逻辑表达式的化简。 介绍逻辑门的物理实现，如二极管、三极管等基本元器件如何构成逻辑门，为理解数字电路的底层工作原理打下基础。 第二章：组合逻辑电路设计 阐述组合逻辑电路的定义及其特性：输出仅取决于当前输入，无记忆性。 系统介绍卡诺图（Karnaugh Map）化简方法，详细讲解如何构建和使用卡诺图来最小化逻辑表达式，以及不同变量数量的卡诺图使用技巧。 介绍 Quine-McCluskey 算法，作为一种更系统、适用于计算机程序的逻辑化简方法，并与卡诺图进行对比分析。 深入讲解常用的组合逻辑电路模块，如编码器（Encoder）和译码器（Decoder）的设计原理、应用场景（如地址译码、BCD转七段数码管显示）。 详细介绍数据选择器（Multiplexer/MUX）和数据分配器（Demultiplexer/DEMUX）的功能、结构及其在信号路由、数据选择中的应用。 分析加法器（Adder）和减法器（Subtractor）的设计，包括半加器、全加器、并行加法器、进位保持加法器等，以及它们在算术运算中的关键作用。 探讨比较器（Comparator）的设计，用于比较两个二进制数的大小，以及其在控制逻辑中的应用。 通过实际案例，演示如何根据需求，从零开始设计和实现一个复杂的组合逻辑电路。 第三章：序逻辑电路设计 定义序逻辑电路及其核心特征：具有记忆性，输出不仅取决于当前输入，还取决于其过去的输入序列（状态）。 详细介绍触发器（Flip-Flop）的概念，包括SR触发器、D触发器、JK触发器、T触发器等。 深入分析不同触发器的状态转换图、状态表、时序图，以及它们的建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）等关键参数。 讲解锁存器（Latch）与触发器的区别，以及它们在时序控制中的作用。 系统介绍移位寄存器（Shift Register）的设计，包括串入串出、串入并出、并入串出、并入并出等工作模式，以及它们在数据传输、延迟、数据编码/解码中的应用。 深入讲解计数器（Counter）的设计，包括同步计数器和异步计数器。 详细介绍各种计数器的类型，如行波计数器（Ripple Counter）、二进制计数器、十进制计数器（Decade Counter）、环形计数器（Ring Counter）、约翰逊计数器（Johnson Counter）等，以及它们在频率分频、定时、事件计数等方面的应用。 分析有限状态机（Finite State Machine, FSM）的设计方法，包括摩尔（Mealy）型和米利（Moore）型状态机的区别与联系。 详细讲解状态图、状态表的设计流程，以及如何将其转化为序逻辑电路。 通过具体示例，展示如何设计和实现一个复杂的状态机，例如交通信号灯控制器、电梯控制系统等。 第二部分：FPGA设计与实现 第四章：FPGA体系结构与开发流程 介绍FPGA（现场可编程门阵列）的基本概念及其相对于ASIC（专用集成电路）的优势，如灵活性、低开发成本、快速上市等。 详细阐述FPGA内部的结构组成：可配置逻辑块（CLB）、输入/输出块（IOB）、可编程互连资源（Routing Resources）以及底层存储器（Block RAM）和DSP（数字信号处理）模块等。 介绍不同FPGA厂商（如Xilinx, Intel/Altera）的产品系列和特点。 系统介绍FPGA的设计流程：需求分析、逻辑设计（RTL设计）、仿真验证、综合（Synthesis）、布局布线（Place & Route）、时序约束、比特流生成、下载与调试。 讲解硬件描述语言（HDL）在FPGA设计中的关键作用，主要介绍Verilog HDL和VHDL两种语言的基本语法、数据类型、运算符、行为级建模、数据流建模和结构级建模。 强调RTL（Register-Transfer Level）设计理念，及其在描述硬件功能和结构时的重要性。 第五章：基于Verilog/VHDL的FPGA设计实践 Verilog HDL 实践： 从简单的逻辑门和组合逻辑电路入手，逐步编写Verilog代码，实现加法器、译码器、多路选择器等。 设计移位寄存器和计数器，展示如何通过时钟和复位信号控制序逻辑电路的行为。 使用状态机（FSM）的方法，编写Verilog代码实现复杂的控制逻辑，如简单的协议解析器或状态控制器。 介绍Verilog中的参数化设计（parameterized design）和模块化设计（modular design），提高代码的可重用性和可维护性。 讲解模块实例化、端口映射等概念。 强调仿真（simulation）的重要性，介绍 testbench 的编写技巧，用于验证设计的正确性。 VHDL 语言实践（可选，或与Verilog对比）： （如果包含VHDL）同Verilog，介绍VHDL的基本语法、实体（entity）、架构（architecture）、信号（signal）、变量（variable）等核心概念。 通过VHDL代码实现与Verilog实例中类似的数字逻辑功能。 讲解VHDL的进程（process）语句在描述并发和顺序逻辑中的应用。 介绍VHDL的组件（component）和实例化。 强调VHDL仿真验证。 第六章：FPGA设计工具链与高级应用 介绍主流FPGA开发工具（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）的基本操作界面和功能。 详细讲解综合（Synthesis）的过程，包括逻辑优化、门级网表生成。 深入讲解布局布线（Place & Route）的过程，解释逻辑单元和互连线的物理映射。 重点讲解时序约束（Timing Constraints）的设置，包括时钟定义、输入/输出延迟约束等，以及如何分析和优化时序违例。 介绍时序报告（Timing Report）的解读，以及如何根据报告进行设计优化。 讲解仿真工具（如ModelSim, QuestaSim）的使用，用于功能仿真和时序仿真。 介绍IP核（Intellectual Property Core）的使用，如DSP模块、存储器控制器、处理器等，以及如何集成第三方IP核以加速设计。 初步探讨FPGA在嵌入式系统中的应用，如作为SoC（System on Chip）的一部分，与处理器协同工作。 简要介绍调试技术，如使用FPGA自带的逻辑分析仪（ILA/SignalTap）进行在线调试。 第七章：实际项目案例分析 本章将通过几个具体的、具有代表性的FPGA设计项目，将前面章节的理论知识融会贯通。 案例一：LED闪烁与按键控制系统 设计一个简单的LED流水灯，通过时钟分频实现不同频率的闪烁。 加入按键输入，实现按键控制LED闪烁模式（如加速、减速、停止）。 分析状态机在按键消抖（Debouncing）和模式切换中的应用。 案例二：简易UART（通用异步收发传输器）设计 设计一个能够发送和接收数据的UART模块。 讲解UART的通信协议，包括起始位、数据位、停止位、奇偶校验位等。 使用有限状态机实现数据的发送和接收逻辑。 重点分析时序同步和采样问题。 案例三：DRAM控制器接口（简化版） （可选，根据读者基础）介绍DRAM的基本工作原理和时序。 设计一个简化的DRAM读写控制器接口，展示如何根据DRAM时序生成控制信号（如RAS, CAS, WE）。 强调时序约束和精确的时钟域管理。 本书特色： 循序渐进的教学方法： 从最基础的数字逻辑概念，逐步深入到复杂的FPGA设计流程和高级应用。 理论与实践相结合： 既有深入的理论阐述，又有大量的Verilog/VHDL代码示例和项目案例，读者可以通过实践加深理解。 注重工程实践： 强调仿真验证、时序约束、工具链使用等在实际FPGA开发中至关重要的工程技能。 现代FPGA技术视角： 聚焦当前主流的FPGA设计方法和工具，帮助读者掌握最新的技术趋势。 目标读者： 本书适合于电子工程、计算机科学、自动化等相关专业的本科生、研究生，以及从事数字电路设计、嵌入式系统开发、FPGA应用的工程师和技术爱好者。读者应具备基本的数字电路和计算机体系结构知识。

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我购买这本书的初衷，是希望它能成为我自学微机系统设计时的一本可靠参考书，能够贯穿硬件底层与软件接口之间的桥梁。然而，这本书在涉及硬件和软件交界的部分，处理得尤为草率。硬件部分讲得太抽象，软件部分又讲得太高层，唯独连接这两者的“系统级编程”和“中断处理”等关键环节，几乎是一笔带过，仿佛这是两个毫不相干的领域。例如，它对总线仲裁机制的描述，只是简单地罗列了几个时序图，却完全没有深入讲解在实际多核处理器环境下，如何通过软件手段来优化总线访问冲突，以提高并行计算的效率。对于那些需要深入理解底层驱动或固件开发的读者而言，这本书提供的视角是片面且浅薄的。它更像是一本为了应付教学大纲而拼凑出来的教材，缺乏一个真正有实践经验的专家对系统全貌的深刻洞察和整合能力。结果就是，我拿着这本书，依然感觉自己站在知识的边缘，无法真正踏入核心领域。

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这本书的内容深度和广度，与书名所承诺的“原理及其应用”之间，存在着一个巨大的鸿沟。我原本期望能深入了解CPU内部的微架构设计，比如流水线、缓存一致性协议这些核心概念，但书中对这些部分的阐述，基本上停留在高中物理课本的水平，只是把“输入、处理、输出”这几个词换成了更专业的术语，缺乏实际的案例分析和深入的数学推导。至于“应用”部分，更是敷衍了事，仅仅罗列了一些标准接口的引脚定义，却几乎没有提及如何用这些接口去驱动实际的外部设备，或者在嵌入式系统设计中会遇到哪些典型的编程陷阱和优化技巧。这感觉就像是看了一本理论菜谱，写了各种食材的名称和重量，却完全没有告诉你要怎么开火、掌握火候，最后成品是什么样子。如果只是想了解个皮毛，市面上其他免费的在线资料可能都比它详尽。对于有一定基础，想更进一步的读者来说，这本书的价值微乎其微，更像是一本“入门入门”的入门读物，甚至还不如这个定位。

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作者的行文风格，用“晦涩难懂”来形容都显得过于客气了。我尝试从头到尾认真阅读了几遍，发现很多关键概念的定义都是含糊其辞，或者用了一大堆复杂的长难句来绕圈子，仿佛作者在刻意炫耀自己的词汇量，而不是致力于清晰地传达知识。举个例子，他在解释一个基础的逻辑门工作原理时，居然用了接近半页的篇幅，一会儿跳到布尔代数，一会儿又突然扯到量子力学的一个无关紧要的类比，读完之后我不仅没搞懂那个逻辑门是干嘛的，反而对量子力学产生了一点误解。更别提术语的统一性了，同一个概念，在不同的章节里，作者会随机更换三四种不同的叫法，这使得读者必须时刻保持高度警惕，生怕遗漏了哪一种新的“别名”。这种写作习惯，对于需要快速吸收知识的工程师或学生来说，简直是噩梦，极大地拖慢了学习进度，并且让人对作者的专业素养产生了深深的怀疑。

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关于随书附带的光盘或者配套资源，那简直就是一场数字时代的闹剧。宣传单上信誓旦旦地写着提供了丰富的实验代码和仿真模型，我满怀期待地插入光盘，结果发现里面的文件结构混乱不堪，很多路径都是错误的，指向了不存在的文件夹。更令人恼火的是，那些所谓的“实验代码”，大部分是DOS时代的批处理文件，界面是绿色的命令行背景，根本无法在现代操作系统环境下直接运行。即使费劲周折修改了路径和环境配置，运行起来也是各种报错，编译不过，链接失败。很明显，这些配套资料是多年以前的旧货，根本没有进行任何更新维护，直接拿来凑数。对于现代应用开发来说，这种过时的资源不仅毫无帮助，反而浪费了大量时间去调试那些本不该出现的基础错误。如果资源无法跟上时代，不如就不要承诺提供，这种挂羊头卖狗肉的做法，实在让人气愤。

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这本书的排版和印刷质量简直是一场灾难。我拿到手的时候，就有一种不祥的预感，打开一看，果然如此。纸张薄得跟宣纸似的，稍微用力翻一下就担心会撕破。更要命的是，油墨似乎还没干透，每翻一页，手上都会沾上黑乎乎的印记，简直是在挑战读者的耐心和清洁度。章节之间的过渡生硬得像是硬生生地把几份不相关的讲义拼凑起来，逻辑链条断裂了好几处，初学者根本无法顺畅地跟上作者的思路。插图更是让人摸不着头脑，很多图例都模糊不清，线条重叠，根本看不出它到底想表达哪个元器件的连接方式，或者哪个电路的结构走向。我怀疑印制部门是不是在赶工期，随便拿了一批次品就出厂了。对于一本技术书籍来说，阅读体验是至关重要的，而这本绝对是把阅读体验做到了地板以下。我光是适应这种阅读环境就花了好几天时间，实在太影响学习效率了。

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