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| 編輯推薦： |
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本书强调电路设计的规范性与工程实践能力的培养，可以作为高等院校计算机科学与技术、物联网工程、信息安全专业的教材。
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| 內容簡介： |
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本书是一本数字逻辑电路设计的实践教材。全书分为7章，第1~3章以“技术”为主，主要介绍现代逻辑电路的发展、主流 FPGA的软硬件开发平台、Verilog硬件描述语言及 Quartus 和 Vivado两款EDA软件的使用；第4、5章以“理论”为主，主要介绍数字逻辑电路中常用的逻辑电路及 Vcrilog实现、状态机理论及硬件实验中常用的外围电路；第6、7章以“实践”为主，分为基础实验和综合设计两个环节。基础实验题目具有一定的层次性、设计性和应用性，可帮助学生巩固知识并掌握基本技能；综合设计题目具有一定的系统性和工程性，并留有创新的空间，通过这些题目的练习，能够提升数字逻辑电路的设计能力、动手能力及工程实践能力。本书可作为高等院校计算机科学与技术、物联网工程、电子信息、自动控制等专业“数字逻辑电路设计”“数字系统设计”等课程的实验教学用书，也可作为从事数字系统设计相关技术人员的参考书。
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| 關於作者： |
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鲁鹏程，博士，高级实验师，长期从事计算机系统、嵌入式等领域的科研和教学工作，先后主讲“计算机组成原理”、“计算机体系结构”、“数字逻辑实验”及“计算机硬件类综合型课程设计”等多门本科生课程，参与出版教材2本，译著3部，在国内外重要期刊和会议上发表10余篇学术论文。
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| 目錄：
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第1章概述1
1.1逻辑器件概述1
1.1.1固定逻辑芯片1
1.1.2可编程逻辑器件2
1.2主流FPGA平台概述7
1.2.1Intel FPGA产品概况7
1.2.2Xilinx FPGA产品概况9
1.3FPGA开发软硬件平台11
1.3.1硬件平台选择11
1.3.2软件开发平台11
1.4基于FPGA的数字逻辑实验12
1.4.1实验预习12
1.4.2实验过程14
1.4.3实验报告14
第2章Verilog HDL基础16
2.1Verilog HDL简介16
2.2Verilog HDL基本结构17
2.2.1模块定义17
2.2.2模块实例化20
2.3Verilog HDL语言要素22
2.3.1标识符22
2.3.2关键字22
2.3.3注释22
2.3.4常量22
2.3.5参数23
2.3.6变量25
2.3.7运算符25
2.4Verilog HDL基本语句29
2.4.1赋值语句29
2.4.2always块语句30
2.4.3initial块语句32
2.4.4条件语句33
2.4.5循环语句35
2.4.6任务和函数37
2.5Verilog HDL验证40
2.5.1Testbench文件的基本格式40
2.5.2时钟激励产生41
2.5.3复位信号设计42
2.5.4数据信号的产生43
2.5.5系统函数和系统任务45
2.6Verilog代码规范49
2.6.1命名规范49
2.6.2编码规范50
2.6.3注释规范51
第3章基于FPGA和EDA的数字逻辑电路设计52
3.1FPGA设计流程52
3.2设计实例——四人表决器54
3.3基于Quartus的数字逻辑电路开发流程58
3.3.1创建工程58
3.3.2设计输入62
3.3.3编译工程67
3.3.4波形仿真68
3.3.5引脚分配75
3.3.6编程下载77
3.3.7层次化设计78
3.4基于Vivado的数字逻辑电路开发流程81
3.4.1创建工程81
3.4.2添加设计文件84
3.4.3仿真87
3.4.4综合88
3.4.5实现90
3.4.6编程下载91
3.4.7层次化设计91
第4章基本逻辑电路设计实例94
4.1常用组合逻辑电路的设计94
4.1.1编码器94
4.1.2译码器96
4.1.3数据选择器98
4.1.4数值比较器99
4.1.5加法器100
4.2常用时序逻辑电路的设计101
4.2.1锁存器和触发器102
4.2.2计数器106
4.2.3寄存器107
4.2.4移位寄存器107
4.2.5存储器109
4.3有限状态机的设计111
4.3.1有限状态机简介111
4.3.2有限状态机设计实例114
第5章数字系统常用外围电路121
5.1输入模块121
5.1.1开关和按键121
5.1.2矩阵式键盘123
5.2显示模块124
5.2.1发光二极管124
5.2.2数码管127
5.2.3LED点阵130
5.2.4LCD液晶屏131
5.2.5OLED液晶屏135
5.2.6VGA显示138
5.3机电控制模块142
5.3.1继电器模块142
5.3.2直流电机143
5.3.3步进电机145
5.3.4舵机148
5.4其他模块150
5.4.1蜂鸣器150
5.4.2超声波测距151
5.4.3温湿度传感器153
第6章基础实验156
6.1组合逻辑电路设计156
6.1.1实验目的156
6.1.2实验任务及要求156
6.1.3实验步骤166
6.2寄存器电路设计167
6.2.1实验目的167
6.2.2实验任务及要求167
6.3计数器电路设计173
6.3.1实验目的173
6.3.2实验任务及要求173
6.4状态机电路设计184
6.4.1实验目的184
6.4.2实验任务及要求184
6.5常用外设驱动电路的设计187
6.5.1实验目的187
6.5.2实验任务及要求187
6.6常用接口协议设计196
6.6.1实验目的196
6.6.2实验任务及要求196
第7章综合设计206
7.1数字系统设计206
7.1.1数字系统的构成206
7.1.2设计方法206
7.1.3设计过程207
7.2设计实例——数字秒表208
7.2.1设计要求208
7.2.2系统设计209
7.2.3详细设计210
7.3设计题目243
7.3.1自动售票机243
7.3.2四人抢答器245
7.3.3交通灯控制器246
7.3.4保险箱数字锁控制器247
7.3.5乒乓球游戏机248
7.3.6数字钟电路250
7.3.7出租车计价器251
7.3.8洗衣机控制器252
7.3.9电梯控制器253
7.3.10自命题254
附录A数码管字形码255
附录BVerilog HDL中的关键字256
附录C实验台外设引脚分配表257
附录D实验任务单259
参考文献260
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| 內容試閱：
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“数字逻辑电路”是信息技术类专业一门重要的基础核心课程，具有较强的理论性和实践性。通过学习本课程，读者可以掌握数字逻辑电路的分析和设计方法，学会电路调试及故障查询方法并提高实践动手能力，还可以培养耐心、细致的科研作风，为后续专业课打好基础。
FPGA作为一种半定制产品，具有配置灵活、可重构的特点，在一个芯片内就可以实现包括组合电路、时序电路、存储器等在内的各种数字电路，还可以根据设计需求进行定制和优化，使设计和开发更加高效和便捷，因此基于FPGA平台进行数字逻辑电路的设计，已成为越来越多工程师的首选方案。
本书共7章，第1～3章主要介绍技术方面的内容，重点是Verilog HDL语法规则和EDA软件的使用；第4、5章主要介绍理论方面的内容，重点是状态机理论和常用外围电路的工作原理；第6、7章以实践为主，分为基础实验和综合设计，重点内容是“自顶向下的设计方法”。
各章主要内容如下：
第1章首先介绍逻辑电路的发展，并引出FPGA可编程芯片；然后详细介绍FPGA主流厂商、产品及软硬件开发平台；最后就如何进行预习、实验和总结给出了建议。
第2章主要介绍Verilog HDL的程序结构、基本语法规则、仿真验证以及编程规范。
第3章以一个四人表决电路为例，介绍数字逻辑电路传统与现代的设计方法，以及该电路在Quartus和Vivado环境中的实现过程。
第4章通过实例，介绍基本组合逻辑电路和时序逻辑电路的特点及Verilog实现；通过“序列检测器”介绍状态机理论。
第5章将硬件实验中常用的外设分为输入、显示、机电控制和其他四个种类，分别介绍这些外设的工作原理及其典型控制电路。
第6章按照数字逻辑电路的特点，将基础实验分成组合逻辑、时序逻辑、接口电路三大类，每类实验设置若干任务并给出设计指导，题目设置上具有一定的层次性、设计性和应用性。
第7章介绍数字系统设计的基本概念、方法，以“数字秒表”为例详细介绍实现一个数字系统的全过程，最后提供一些实际题目作为练习。题目在设置时给出一定的扩展提示，且尽可能接近真实场景，具有一定的系统性、工程性、创新性。
本书未指定具体的实验台或开发板型号，而是将相关电路以典型电路的形式呈现，希望读者通过学习这些电路，具备举一反三的能力，在面对不同开发板或模块时能够看懂外围电路原理。
附录部分提供了“实验台外设引脚分配表”，读者可根据所用开发板的资源分配情况填入信号名和引脚号，也可由教师在安排预习任务时填入。“实验任务单”可根据课程学时从基础实验和综合设计中选择适合的任务填入。
书中的实例分别在Quartus Prime 20.1 Lite Edition和Vivado 2019.2环境下测试通过。
这两款软件均有多个版本，除了在芯片的支持上有所不同外，对于数字逻辑电路开发几乎没有差别。读者在选择软件版本时，只要选择能够支持所选开发板的FPGA型号就可以。如果不希望软件安装后占用过多的存储空间，可以选择稍早一些的版本；如果想体验一些新的功能，可选择较新的版本。
本书由北京工业大学“数字逻辑实验”课程教学团队编写，第1章由高雪园编写，第2章、附录由邵温编写，第3、4章由张丽艳编写，第5～7章由鲁鹏程编写。鲁鹏程负责全书的策划、组织整理和定稿。
本书获得了北京工业大学教育教学研究课题的资助（ER2022SJB04）。北京工业大学计算机学院实验中心的韩德强、杨淇善两位老师研制了实验平台与扩展模块，为本书的实践案例设计和教学资源开发提供了有力支持。此外，清华大学出版社编辑团队为本书的编校工作付出了大量心血。在此，向所有给予帮助的单位和个人表示衷心的感谢！
限于编者的水平与经验，书中难免有疏漏和错误之处，敬请读者批评指正。
编者
2025年6月
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