本书涵盖了数字电子技术的基本理论和基本概念，并以硬件描述语言为工具，介绍数字电路及系统的设计方法。

本书特点
　　●本书在每章的开始都给出了教学要点和教学参考时数。
　　●本书保持了数字电路及系统内容的完整性和理论的系统性。
　　●书中列举了大量的基于VHDL门电路、触发器、组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器和数字系统设计的实例，供读者参考。

无

在20世纪90年代， 国际上在电子和计算机技术领域比较先进的国家， 一直在积极探索新的电子电路设计方法， 在设计方法、 工具等方面进行了彻底的变革， 并取得巨大成功。在电子设计技术领域， 可编程逻辑器件（PLD）已得到很好地普及， 这些器件为数字系统的设计带来极大的灵活性。由于该器件可以通过软件编程对其硬件结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷， 极大地改变了传统的数字系统设计方法、
　 设计
　　过程和设计观念。随着可编程逻辑器件集成规模不断扩大、 自身功能不断完善， 以及计算机辅助设计技术的提高， 使现代电子系统设计领域的电子设计自动化（Electronic　Design　Automaˉtion ， EDA）技术得到快速发展。
　　目前， EDA技术已经成为很多高等工科院校本科学生的必修课程， 但在此之前同学们还必须修数字电子技术课程。然而这两门课程的内容是互相支持的， 关系是十分紧密的。
　　讲授
　　数字电子技术时免不了要涉及EDA技术， 但讲授EDA技术前还必须先修数字电子技术。为了解决这个矛盾， 《数字系统的VHDL设计》教材的构思应运而生。教材把两门课程的内容紧密地融合为一体， 教学中把数字电子技术和EDA技术合并为一门课程， 在此课程学习的基础上， 增加一门EDA实训课程， 使学生们在EDA技术的学习中， 既学到了理论， 又得到实际设计的锻炼。
　　本教材是基于硬件描述语言（Hardware　Description　Language，HDL）而编写的。目前， 国际最流行的、 并成为IEEE标准的两种硬件描述语言是VHDL和Verilog HDL，两种HDL各具特色。作者已完成了《数字系统的Verilog HDL设计》（机械工业出版社2007年8月出版）一书的编写， 本书将介绍作为数字电路与系统设计工具的VHDL， 以满足不同读者的需要。
　　VHDL是超高速集成电路硬件描述语言（Very　H igh　Speed　ntegrated　Circuit Hardware　Deˉscription　Language）的缩写， 于1985年在美国国防部的支持下正式推出， 是目前标准化程度最高的硬件描述语言。IEEE（The　Institute　of　Electrical　and　Electronics　En
gineers）于1987年将VHDL采纳为IEEE　STD 1076ˉ1987（即VHDLˉ 87）标准， 并于1993年升级为IEEE　STD 1076ˉ1993（即VHDLˉ93）版本标准。VHDL经过20多年的发展、 应用和完善， 以其强大的系统描述能力、 规范的程序设计结构、 灵活的语言表达风格和多层次的仿真测试手段，在电子设计领域受到了普遍认同和广泛接受， 成为现代EDA领域的首选硬件描述语言。目前流行的
　　EDA工具软件全部支持VHDL， 它在EDA领域的学术交流、 电子设计的存档、专用集成电路（ASIC）设计等方面， 担任着不可缺少的角色。专家认为， VHDL与Verilog　VHD语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务， VHDL是现代电子设计师必须掌握的硬件设计计算机语言。
　　为了保持数字电路及系统内容的完整性和理论的系统性， 本书讲述了数制与编码、 逻辑代数与VHDL基础、 门电路、 组合逻辑电路、 触发器、 时序逻辑电路、 存储器、 数模与模数转换、数字系统电路、 可编程逻辑器件、 VHDL仿真和VHDL综合共12部分内容。每章的开始都给出了教学要点和教学参考时数， 全部内容可安排64～72学时完成。
　　第1章: 数制与编码， 介绍脉冲信号和数字信号的特点、 数制及其转换、 二-十进制编码和字符编码， 还介绍了现代数字系统的设计方法。
　　第2章: 逻辑代数和VHDL基础， 介绍分析和设计数字逻辑电路功能的数学方法。首先介绍逻辑代数的基本概念、 逻辑函数及其表示方法、 基本公式、 常用公式和重要定理， 然后介绍VHDL硬件描述语言的基本知识， 作为数字系统的设计基础。
　　第3章: 门电路， 门电路是构成数字系统的基本单元， 本章介绍各种类型（TTL、 CMOS等）门电路的结构、 逻辑功能和电气特性， 为实际使用这些器件打下基础。
　　第4章: 组合逻辑电路， 介绍组合逻辑电路的特点、 组合逻辑电路的分析方法和设计方法，以及加法器、 编码器、 译码器、 数据选择器、 数据比较器、 奇偶校验器等常用组合逻辑电路的电路结构、 工作原理和使用方法。通过组合逻辑电路分析方法的介绍， 让读者了解一些常用组合逻辑部件的功能及用途。在组合逻辑电路设计内容中， 主要介绍基于VHDL的设计方法。最后介绍组合逻辑电路中的竞争———冒险。
　　第5章: 触发器， 介绍触发器的类型、 电路结构和功能的表示方法， 并介绍基于VHDL的触发器设计， 为时序逻辑电路的学习打下基础。
　　第6章: 时序逻辑电路， 介绍时序逻辑电路的结构及特点、 常用集成时序逻辑部件的功 能及使用方法、 时序逻辑电路的分析方法和基于VHDL的时序逻辑电路的设计方法。在时序逻辑电路设计内容中， 介绍了数码锁存器、 移位寄存器、 同步计数器、 异步计数器、 序列信号发生器、 序列信号检测器等电路的设计。
　　第7章: 半导体存储器， 介绍半导体存储器的结构、 工作原理和使用方法， 并介绍基于VHDL的半导体存储器的设计， 最后介绍存储器的应用。
　　第8章: 数模和模数转换， 介绍A/D转换器和D/A转换器的原理、 电路结构和主要技术指标，并以集成A/D转换器和D/A转换器为例， 介绍A/D转换器和D/A转换器的应用。
　　第9章: 数字系统设计， 介绍基于VHDL的数字系统电路的设计， 包括在电子、 信息、 通信、 计算机、 自动控制等技术领域的设计实例。
　　第10章: 可编程逻辑器件， 介绍可编程逻辑器件的分类、 结构和编程方法， 为这类器件的使用打下基础。
　　第11章: VHDL仿真， 介绍VHDL的仿真语句、 仿真测试软件的设计方法和基于ModelˉSim（EDA）工具的仿真的方法。
　　第12章: VHDL综合与优化， 介绍综合的概念、 VHDL综合工具、 数字电路与系统设计的硬件实现方法和设计优化。
　　书中列举了大量的基于VHDL门电路、 触发器、 组合逻辑电路、 时序逻辑电路、 存储器和数字系统设计的实例， 供读者参考。每个设计实例都经过了EDA工具软件的编译和仿真，确保无误。全书逻辑电路图尽可能地采用国标GB4728.12ˉ85符号， 为了与国际教材和EDA软件接轨， 也提供了国际IEEE标准符号。
　　本书主要由桂林电子科技大学的江国强编著， 马峻同志参加了第11、12章的编写， 对于书中的错误和不足之处， 恳请读者指正， 联系方式如下:
　　Eˉmail:hm jgq@guet.edu.cn
　　地址: 桂林电子科技大学（541004）
　　电话: （0773）5601095

本书涵盖了数字电子技术的基本理论和基本概念，并以硬件描述语言为工具，介绍数字电路及系统的设计方法。

本书特点
　　●本书在每章的开始都给出了教学要点和教学参考时数。
　　●本书保持了数字电路及系统内容的完整性和理论的系统性。
　　●书中列举了大量的基于VHDL门电路、触发器、组合逻辑电路、时序逻辑电路、存储器和数字系统设计的实例，供读者参考。

前言
第1章 数制与编码1
1.1 概述1
1.1.1 模拟电子技术和数字电子技术1
1.1.2 脉冲信号和数字信号1
1.1.3 数字电路的特点2
1.2 数制2
1.2.1 四种数制2
1.2.2 数制之间的转换3
1.3 编码5
1.3.1 二-十进制编码6
1.3.2 字符编码6
1.4 现代数字系统的设计方法7
本章小结8
　　
　　思考题和习题
　　 9
　　
　　 第2章 逻辑代数和VHDL基础
　　　10
　　
　　2.1 逻辑代数基本概念
　　 10
　　
　　2.1.1 逻辑常量和逻辑变量
　　 10
　　
　　2.1.2 基本逻辑和复合逻辑
　　 10
　　
　　2.1.3 逻辑函数的表示方法
　　 14
　　
　　2.1.4 逻辑函数的相等
　　 16
　　
　　2.2 逻辑代数的运算法则
　　 17
　　
　　2.2.1 逻辑代数的基本公式
　　 17
　　
　　2.2.2 逻辑代数的基本定理
　　 17
　　
　　2.2.3 逻辑代数的常用公式
　　 19
　　
　　2.2.4 异或运算公式
　　 20
　　
　　2.3 逻辑函数的表达式
　　 20
　　
　　2.3.1 逻辑函数的常用表达式
　　 20
　　
　　2.3.2 逻辑函数的标准表达式
　　 21
　　
　　2.3.3 约束及其表示方法
　　 23
　　
　　2.4 逻辑函数的公式简化法
　　 24
　　
　　2.4.1 逻辑函数简化的意义
　　 24
　　
　　 2.4.2 逻辑函数的公式简化法
　　 25
　　
　　2.5 VHDL基础
　　 26
　　
　　2.5.1 VHDL设计实体的基本
　　 结构
　　 26
　　
　　2.5.2 VHDL语言要素
　　 28
　　
　　2.5.3 VHDL的顺序语句
　　 38
　　
　　2.5.4 并行语句
　　 43
　　
　　本章小结
　　 46
　　
　　思考题和习题
　　 47
　　
　　 第3章 门电路
　　　49
　　
　　3.1 概述
　　 49
　　
　　3.2 TTL集成门
　　 50
　　
　　3.2.1 TTL集成与非门
　　 50
　　
　　3.2.2 TTL与非门的外部特性
　　 51
　　
　　3.2.3 TTL与非门的主要参数
　　 55
　　
　　3.2.4 TTL与非门的改进电路
　　 55
　　
　　3.2.5 TTL集成电路多余输入端的
　　 处理
　　 57
　　
　　3.2.6 TTL其他类型的集成
　　 电路
　　 57
　　
　　3.2.7 TTL电路的系列产品
　　 59
　　
　　3.3 其他类型的双极型集成电路
　　 60
　　
　　3.3.1 ECL电路
　　 60
　　
　　3.3.2 I
　　　2
　　 L电路
　　 60
　　
　　3.4 MOS集成门
　　 60
　　
　　3.4.1 MOS管
　　 60
　　
　　3.4.2 MOS管开关的电路结构
　　 和工作原理
　　 62
　　
　　3.4.3 MOS非门
　　 63
　　
　　3.4.4 MOS门
　　 64
　　
　　3.4.5 CMOS门的外部特性
　　 68
　　
　　3.5 基于VHDL的门电路设计
　　 69
　　
　　本章小结
　　 71
　　
　　习题
　　 71
　　 第4章 组合逻辑电路
　　　73
　　
　　4.1 概述
　　 73
　　
　　4.1.1 组合逻辑电路的结构和
　　 特点
　　 73
　　
　　4.1.2 组合逻辑电路的分析
　　 方法
　　 73
　　
　　4.1.3 组合逻辑电路的设计
　　 方法
　　 74
　　
　　4.2 若干常用的组合逻辑电路
　　 77
　　
　　4.2.1 算术运算电路
　　 78
　　
　　4.2.2 编码器
　　 80
　　
　　4.2.3 译码器
　　 83
　　
　　4.2.4 数据选择器
　　 87
　　
　　4.2.5 数值比较器
　　 90
　　
　　4.2.6 奇偶校验器
　　 92
　　
　　4.3 基于VHDL的组合逻辑电路设计
　　 94
　　
　　4.3.1 加法器的设计
　　 94
　　
　　4.3.2 编码器的设计
　　 96
　　
　　4.3.3 译码器的设计
　　 99
　　
　　4.3.4 数据选择器的设计
　　 101
　　
　　4.3.5 数值比较器的设计
　　 103
　　
　　4.3.6 奇偶校验器的设计
　　 104
　　
　　4.4 组合逻辑电路的竞争———冒险
　　 现象
　　 106
　　
　　本章小结
　　 108
　　
　　习题
　　 109
　　
　　 第5章 触发器
　　　112
　　
　　5.1 概述
　　 112
　　
　　5.2 基本RS触发器
　　 112
　　
　　5.2.1 由与非门构成的基本RS
　　 触发器
　　 113
　　
　　5.2.2 由或非门构成的基本RS
　　 触发器
　　 115
　　
　　5.3 钟控触发器
　　 116
　　
　　5.3.1 钟控RS触发器
　　 116
　　
　　5.3.2 钟控D型触发器
　　 118
　　
　　5.3.3 钟控JK触发器
　　 119
　　
　　5.3.4 钟控T型触发器
　　 120
　　
　　5.3.5 钟控T′触发器
　　 121
　　
　　5.4 集成触发器
　　 121
　　
　　 5.4.1 边沿JK触发器
　　 121
　　
　　5.4.2 维持-阻塞结构集成触
　　 发器
　　 122
　　
　　5.5 触发器之间的转换
　　 123
　　
　　5.5.1 用JK触发器实现其他类型
　　 触发器
　　 123
　　
　　5.5.2 用D触发器实现其他类型
　　 触发器的转换
　　 124
　　
　　5.6 基于VHDL的触发器设计
　　 125
　　
　　5.6.1 基本RS触发器的设计
　　 125
　　
　　5.6.2 D锁存器的设计
　　 127
　　
　　5.6.3 D触发器的设计
　　 128
　　
　　5.6.4 JK触发器的设计
　　 128
　　
　　本章小结
　　 130
　　
　　习题
　　 130
　　
　　 第6章 时序逻辑电路
　　　133
　　
　　6.1 概述
　　 133
　　
　　6.1.1 时序逻辑电路功能的描述
　　 方法
　　 133
　　
　　6.1.2 时序逻辑电路的分析
　　 方法
　　 134
　　
　　6.1.3 同步时序逻辑电路和异步
　　 时序逻辑电路
　　 136
　　
　　6.2 寄存器和移位寄存器
　　 136
　　
　　6.2.1 数码寄存器
　　 136
　　
　　6.2.2 移位寄存器
　　 137
　　
　　6.2.3 集成移位寄存器
　　 138
　　
　　6.3 计数器
　　 140
　　
　　6.3.1 同步计数器的分析
　　 140
　　
　　6.3.2 异步计数器
　　 143
　　
　　6.3.3 集成计数器
　　 146
　　
　　6.4 同步时序逻辑电路的设计
　　 149
　　
　　6.4.1 数码寄存器的设计
　　 149
　　
　　6.4.2 移位寄存器的设计
　　 152
　　
　　6.4.3 同步计数器的设计
　　 153
　　
　　6.4.4 顺序脉冲发生器的设计
　　 159
　　
　　6.4.5 序列信号发生器的设计
　　 160
　　
　　6.4.6 序列信号检测器的设计
　　 163
　　
　　6.4.7 一般同步时序逻辑电路的
　　 设计
　　 164
　　
　　6.5 异步时序逻辑电路的设计
　　 169
　　
　　本章小结
　　 171
　　习题
　　 171
　　
　　 第7章 半导体存储器
　　　174
　　
　　7.1 概述
　　 174
　　
　　7.1.1 半导体存储器的结构
　　 174
　　
　　7.1.2 半导体存储器的分类
　　 175
　　
　　7.2 随机存储器
　　 176
　　
　　7.2.1 静态随机存储器
　　 176
　　
　　7.2.2 动态随机存储器
　　 177
　　
　　7.2.3 随机存储器的典型芯片
　　 178
　　
　　7.3 只读存储器
　　 179
　　
　　7.3.1 固定只读存储器
　　 179
　　
　　7.3.2 可编程只读存储器
　　 180
　　
　　7.3.3 可擦除可编程只读存
　　 储器
　　 180
　　
　　7.4 半导体存储器的应用
　　 181
　　
　　7.5 基于VHDL的存储器设计
　　 182
　　
　　7.5.1 RAM的设计
　　 182
　　
　　7.5.2 ROM的设计
　　 184
　　
　　本章小结
　　 185
　　
　　习题
　　 185
　　
　　 第8章 数模和模数转换
　　　186
　　
　　8.1 概述
　　 186
　　
　　8.2 数模转换
　　 187
　　
　　8.2.1 D/A转换器的结构
　　 187
　　
　　8.2.2 D/A转换器的主要技术
　　 指标
　　 190
　　
　　8.2.3 集成D/A转换器
　　 190
　　
　　8.3 模数转换
　　 192
　　
　　8.3.1 A/D转换器的基本原理
　　 192
　　
　　8.3.2 A/D转换器的类型
　　 194
　　
　　8.3.3 A/D转换器的主要技术
　　 指标
　　 199
　　
　　8.3.4 集成ADC芯片
　　 200
　　
　　本章小结
　　 201
　　
　　习题
　　 202
　　
　　 第9章 数字系统设计
　　　203
　　
　　9.1 数字系统的设计方法
　　 203
　　
　　9.1.1 4位二进制计数器的
　　 设计
　　 204
　　
　　 9.1.2 设计七段显示译码器
　　 dec7s
　　 205
　　
　　9.1.3 计数译码显示系统电路的
　　 设计
　　 206
　　
　　9.2 系统设计实例
　　 209
　　
　　9.2.1 8位频率计的设计
　　 209
　　
　　9.2.2 交通灯控制电路的设计
　　 213
　　
　　9.2.3 数字电压表的设计
　　 217
　　
　　9.2.4 信号发生器的设计
　　 220
　　
　　本章小结
　　 225
　　
　　习题
　　 226
　　
　　 第10章 可编程逻辑器件
　　　227
　　
　　10.1 PLD的基本原理
　　 227
　　
　　10.1.1 PLD的分类
　　 227
　　
　　10.1.2 阵列型PLD
　　 230
　　
　　10.1.3 现场可编程门阵列
　　 233
　　
　　10.1.4 基于查找表的结构
　　 236
　　
　　10.2 PLD的设计技术
　　 238
　　
　　10.2.1 PLD的设计方法
　　 239
　　
　　10.2.2 PLD的设计流程
　　 239
　　
　　10.2.3 在系统可编程技术
　　 239
　　
　　10.2.4 边界扫描技术
　　 242
　　
　　10.3 PLD的编程与配置
　　 243
　　
　　10.3.1 CPLD的ISP方式编程
　　 243
　　
　　10.3.2 使用PC机的并口配置
　　 FPGA
　　 244
　　
　　本章小结
　　 245
　　
　　习题
　　 246
　　
　　 第11章 VHDL仿真
　　　247
　　
　　11.1 VHDL仿真支持语句
　　 247
　　
　　11.1.1 文件操作
　　 247
　　
　　11.1.2 文件操作实例
　　 248
　　
　　11.2 VHDL的仿真方法
　　 249
　　
　　11.2.1 ModelSim的命令式
　　 仿真
　　 250
　　
　　11.2.2 ModelSim的波形仿真
　　 252
　　
　　11.2.3 ModelSim交互命令方式
　　 仿真
　　 256
　　
　　11.2.4 ModelSim批处理工作
　　 方式
　　 257
　　11.3 VHDL测试平台软件的设计
　　 257
　　
　　11.3.1 组合逻辑电路测试平台
　　 软件的设计
　　 258
　　
　　11.3.2 时序逻辑电路测试平台
　　 软件的设计
　　 260
　　
　　11.3.3 数字系统电路测试平台
　　 软件的设计
　　 261
　　
　　本章小结
　　 263
　　
　　习题
　　 264
　　
　　 第12章 VHDL综合与优化
　　　265
　　
　　12.1 综合的概念
　　 265
　　
　　12.2 VHDL设计的硬件实现
　　 266
　　
　　12.2.1 编辑设计文件
　　 266
　　
　　12.2.2 编译设计文件
　　 269
　　
　　 12.2.3 仿真设计文件
　　 270
　　
　　12.2.4 编程下载设计文件
　　 275
　　
　　12.3 设计优化
　　 278
　　
　　12.3.1 面积与速度的优化
　　 279
　　
　　12.3.2 时序约束与选项设置
　　 280
　　
　　12.3.3 Fitter设置
　　 280
　　
　　12.4 Quartus Ⅱ的RTL阅读器
　　 281
　　
　　本章小结
　　 282
　　
　　习题
　　 282
　　
　　 附录A 国产半导体集成电路型号
　　 命名法（GB3430—82）
　　　284
　　 附录B Altera　DE2开发板使用方法
　　　286
　　 参考文献
　　　291