前言
本書寫給所有需要設(shè)計(jì)和構(gòu)建真正的數(shù)字電路的讀者。為達(dá)到這個(gè)目的，讀者必須掌握數(shù)字電路的基本原理，同時(shí)理解它們在真實(shí)世界中是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的。正是基于這一理念，我們選取了“原理與實(shí)踐”這兩大主題。
　　在過去的30年里，隨著集成電路的速度和集成度的快速提高，數(shù)字設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)歷了重大轉(zhuǎn)變。過去，數(shù)字設(shè)計(jì)者用成千甚至上萬的門電路和觸發(fā)器來構(gòu)建系統(tǒng)，因此專業(yè)課程的重點(diǎn)就是如何最小化和有效地利用芯片及板級資源。
　　今天，一個(gè)芯片可以包含幾千萬個(gè)晶體管，并且可以通過編程來構(gòu)建片上系統(tǒng)。過去要實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)，需要用幾百個(gè)包含上百萬單個(gè)門電路和觸發(fā)器的分立芯片。如今，產(chǎn)品開發(fā)能否成功更多地取決于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正確、完整地定義產(chǎn)品詳細(xì)功能的能力，而不是將需要的所有電路集成到一塊電路板或芯片上的能力。因此，現(xiàn)代專業(yè)課程的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)方法論和軟件工具，包括硬件描述語言（HDL）。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用HDL便可以完成超大型分層數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
　　借助HDL，一方面可以看到典型設(shè)計(jì)的抽象層次變得更高，超越了單個(gè)門電路和觸發(fā)器的層次。但與此同時(shí)，芯片級和電路板級數(shù)字電路的速度和集成度的提高，也迫使設(shè)計(jì)者必須在較低的電子電路級提升競爭力。
　　大多數(shù)優(yōu)秀的數(shù)字設(shè)計(jì)師都精通或者至少熟悉上述兩個(gè)抽象層次。本書提供了高級（HDL）、低級（電子電路）以及“廣泛中間級”（門電路、觸發(fā)器和一些較高級的數(shù)字設(shè)計(jì)構(gòu)件）的多層次基礎(chǔ)知識。
　　目標(biāo)讀者本書可以作為電氣工程、計(jì)算機(jī)工程或計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)課程的入門教材或中級教材。對于計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生，如果不熟悉基本電子學(xué)概念或者對數(shù)字器件的電氣特性不感興趣，可以跳過第14章，書中其他章節(jié)基本上都不需要這一章內(nèi)容作為預(yù)備知識。另一方面，具有基本電子學(xué)基礎(chǔ)的讀者，則可通過閱讀第14章來快速掌握數(shù)字電子學(xué)知識。
　　雖然本書是入門級的，但卻比普通的入門教材包含更多內(nèi)容。我希望常規(guī)課程采用書中不超過三分之二的材料，但是，每門課程所用到的是不同的三分之二。因此，請各位教師或讀者按照自己的需要決定閱讀內(nèi)容。為了幫助大家做選擇，我已經(jīng)在可選章節(jié)的標(biāo)題上打了星號。一般情況下，可以跳過這些章節(jié)而不影響后續(xù)必選章節(jié)的內(nèi)容連貫性。此外，矩形文本框（如下所示）中的材料也是可以跳過的。
　　這是一個(gè)簡單一些讀者抱怨之前的版本太厚了，我縮減了這一版的篇幅，但依然要提醒大家注意：
　　的文本框示例不必一字不落地讀完所有內(nèi)容，打星號的章節(jié)都可以略過。
　　寫在這種框里的內(nèi)容通常也可以略過。
　　我要求出版社調(diào)大了字號（本書采用11磅字，而大部分科技類教材都采用10磅字），這樣不僅閱讀起來更加舒服，而且圖表的位置也更加合理。隨手翻開一頁，你會(huì)發(fā)現(xiàn)大部分圖表和對圖表內(nèi)容的講解都位于同一頁。（我親自做的排版工作，著實(shí)花了一番心血。）本書的主題非常全面，在學(xué)習(xí)后續(xù)課程時(shí)，你可以再回頭翻看相關(guān)知識點(diǎn)，甚至參加工作后，依然能從書里學(xué)到新東西。不過，教科書總會(huì)過時(shí)，難逃被丟進(jìn)垃圾桶的厄運(yùn)，但也有些“幸運(yùn)兒”成了書架上的藏品，它的命運(yùn)最終將系于讀者之手。
　　有些課程會(huì)把本書當(dāng)作中級教程或?qū)嶒?yàn)課本來使用。高年級學(xué)生可以跳過基礎(chǔ)內(nèi)容而直接進(jìn)入感興趣的章節(jié)。一旦掌握了基礎(chǔ)知識，你會(huì)發(fā)現(xiàn)Verilog數(shù)字設(shè)計(jì)實(shí)例中包含更多重要的和有趣的知識。
　　建議讀者好好利用貫穿全書的頁邊注釋，這將幫助你把握重要的定義和知識點(diǎn)。
　　各章內(nèi)容概述接下來簡短介紹一下本書15章的主要內(nèi)容。這可能會(huì)讓你想起一般軟件指南中所說的，“寫給不喜歡閱讀手冊的人”�？催^這部分后，也許你就不必閱讀本書的剩余內(nèi)容了。
　　第1章給出了一些基本定義和重要主題的預(yù)覽，還有一點(diǎn)關(guān)于數(shù)字電路的內(nèi)容，使讀者在不深入閱讀第14章的情況下可以順利學(xué)習(xí)其他內(nèi)容。
　　第2章介紹二進(jìn)制數(shù)制和編碼。在軟件課程中已經(jīng)熟悉二進(jìn)制數(shù)制的讀者，仍需要閱讀2.10～2.13節(jié)，以便理解硬件是如何使用二進(jìn)制編碼的。高年級學(xué)生可以閱讀2.14節(jié)和2.15節(jié)，其中清楚地介紹了檢錯(cuò)碼。每個(gè)讀者都應(yīng)該閱讀2.16.1節(jié)，因?yàn)樵谠S多現(xiàn)代系統(tǒng)中都要用到它。
　　第3章講解組合邏輯設(shè)計(jì)原理，包括開關(guān)代數(shù)、組合電路分析、綜合與最小化。
　　第4章從文檔標(biāo)準(zhǔn)開始介紹各種數(shù)字設(shè)計(jì)實(shí)踐，文檔標(biāo)準(zhǔn)可能是設(shè)計(jì)者開始實(shí)踐時(shí)的第一步，也是很重要的一步。然后介紹定時(shí)的概念，特別是組合電路的定時(shí)，最后以關(guān)于HDL、設(shè)計(jì)流程和工具的討論結(jié)束。
　　第5章是關(guān)于Verilog的教程和參考資料，Verilog是本書剩余部分所采用的硬件描述語言。所有讀者都應(yīng)該閱讀前幾節(jié)內(nèi)容，但是部分讀者可能希望跳過其余內(nèi)容，直到需要時(shí)再開始閱讀。這也是沒問題的，因?yàn)樾碌腣erilog結(jié)構(gòu)集中在后續(xù)章節(jié)（主要是第6章），第一次用到時(shí)才會(huì)進(jìn)行講述。
　　第6章描述了兩個(gè)通用的組合構(gòu)件ROM和PLD。然后介紹兩個(gè)最常用的功能構(gòu)件—譯碼器和多路復(fù)用器，每一個(gè)都會(huì)給出門級和基于Verilog的設(shè)計(jì)。讀者可以從這里直接跳到第9章的狀態(tài)機(jī)，然后再回到第7章和第8章。
　　第7章繼續(xù)討論門級和用Verilog實(shí)現(xiàn)的組合構(gòu)件，包括三態(tài)器件、優(yōu)先編碼器、異或門和奇偶函數(shù)以及比較器，然后用一個(gè)非平凡“隨機(jī)邏輯”函數(shù)的Verilog設(shè)計(jì)實(shí)例引出結(jié)論。
　　第8章討論實(shí)現(xiàn)算術(shù)功能的組合電路，包括加法和減法、移位、乘法和除法。
　　第9章介紹使用D觸發(fā)器的傳統(tǒng)狀態(tài)機(jī)，包括采用狀態(tài)表、狀態(tài)圖、ASM圖和Verilog的狀態(tài)機(jī)的分析和綜合。
　　第10章介紹其他時(shí)序元件，包括鎖存器、邊沿觸發(fā)器件及其Verilog行為模型。這一章還描述了用典型的FPGA實(shí)現(xiàn)的時(shí)序元件，并為感興趣的讀者準(zhǔn)備了關(guān)于時(shí)序型PLD和反饋時(shí)序電路的章節(jié)。
　　第11章重點(diǎn)講解兩個(gè)最常用的時(shí)序電路構(gòu)件—計(jì)數(shù)器和移位寄存器，包括它們的應(yīng)用，以及門級和基于Verilog的例子。
　　第12章包含關(guān)于如何采用Verilog對狀態(tài)機(jī)建模的更詳細(xì)的內(nèi)容，以及更多例子。
　　第13章討論時(shí)序電路設(shè)計(jì)的重要實(shí)際概念，包括同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、時(shí)鐘和時(shí)鐘偏移、異步輸入和亞穩(wěn)定性，以及一個(gè)用Verilog實(shí)現(xiàn)的雙時(shí)鐘同步的詳細(xì)例子。
　　第14章介紹數(shù)字電路運(yùn)算，重點(diǎn)在于邏輯器件的外部特性。學(xué)習(xí)起點(diǎn)是基礎(chǔ)的電子學(xué)知識，包括電壓、電流和歐姆定律。對于如何使真實(shí)電路運(yùn)作起來不感興趣的讀者，或者有權(quán)把這項(xiàng)辛苦活交給別人完成的讀者可以跳過本章。
　　第15章全部都是關(guān)于存儲器件和FPGA的內(nèi)容。存儲器方面包括只讀存儲器以及靜態(tài)、動(dòng)態(tài)讀/寫存儲器的內(nèi)部電路和功能行為特性。最后一節(jié)會(huì)詳細(xì)介紹Xilinx7系列的FPGA結(jié)構(gòu)。
　　大多數(shù)章節(jié)都包含參考資料、訓(xùn)練題和練習(xí)題。訓(xùn)練題通常是簡答題或“輕而易舉”的問題，可以直接根據(jù)書中材料給出答案，而練習(xí)題通常需要花時(shí)間仔細(xì)思考。第14章的訓(xùn)練題尤其廣泛，是為了幫助非電子工程師能較容易地理解本章內(nèi)容而專門設(shè)計(jì)的。
　　與第4版的區(qū)別對于用過本書之前版本的讀者和教師而言，除了普通的更新之外，第5版還有以下關(guān)鍵的不同之處。
　　新版只涉及Verilog，沒有VHDL。在不同語言之間跳轉(zhuǎn)只會(huì)使人分神。另外，Verilog及其后繼SystemVerilog是目前非官方背景下所選擇的HDL。推薦大家閱讀SteveGolson和LeahClark的論文，“再論21世紀(jì)的語言之爭：Verilog與VHDL”（2016SynopsysUsersGroupConference）。這是一篇精彩紛呈且論據(jù)充足的論文，如果你不想閱讀全文的話，可以直接跳到最后一節(jié)。
　　新版有更多HDL的例子，更加強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)流程和測試平臺，包括純粹的激勵(lì)和自檢信號。
　　對于并非旨在培養(yǎng)電子工程師的計(jì)算機(jī)工程專業(yè)的學(xué)生，為了使本書更容易閱讀，關(guān)于CMOS電路的詳細(xì)內(nèi)容移到了第14章，而在第1章中加入了最少量的電子學(xué)知識，這樣，學(xué)生就可以跳過整個(gè)關(guān)于CMOS的章節(jié)。
　　關(guān)于TTL、SSI、MSI、74系列邏輯、PLD以及CPLD的內(nèi)容都刪除了。
　　簡化了卡諾圖化簡的內(nèi)容。
　　盡管第5章依然是關(guān)于Verilog的綜合性教程和參考資料，但Verilog的概念也散布在第6章和第7章的文本框中。它們會(huì)在需要相關(guān)知識點(diǎn)的地方及時(shí)出現(xiàn)，學(xué)生可以直接在那里找到“好東西”。
　　更強(qiáng)調(diào)基于FPGA的設(shè)計(jì)、FPGA結(jié)構(gòu)特性、綜合結(jié)果以及權(quán)衡。
　　原來關(guān)于組合邏輯元件的一章被分成了三章，以便有需要的讀者可以直接從一開始就跳到狀態(tài)機(jī)的內(nèi)容。而且，還可以在最后講解更多算術(shù)運(yùn)算電路的內(nèi)容。
　　用一整章內(nèi)容講解如何用Verilog實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，包括許多例子。
　　關(guān)于同步設(shè)計(jì)方法論的章節(jié)目前包含一個(gè)詳細(xì)的控制單元加數(shù)據(jù)通路的例子，以及一個(gè)關(guān)于采用異步FIFO的交叉時(shí)鐘域的綜合例子。
　　希望我在書里開的玩笑不會(huì)太糟糕。
　　數(shù)字設(shè)計(jì)軟件工具書中所有Verilog的例子都是采用XilinxVivado套件編譯和測試的，這個(gè)套件包括以Xilinx7系列FPGA為目標(biāo)器件的Verilog、SystemVerilog以及VHDL。然而，這些例子一般并不特別要求采用Vivado編譯，甚至不要求目標(biāo)器件是Xilinx或任何其他FPGA。本書不包含關(guān)于Vivado的教程，而Xilinx有豐富的在線資源可供參考。因此，讀者可以將本書與任何Verilog工具一起使用，包括下面提及的工具。
　　可以從Xilinx下載免費(fèi)的Vivado“Webpack”版本。這個(gè)版本支持較小型的7系列FPGA，帶有ZynqSoc的FPGA以及評估板。這是一個(gè)龐大的文件，超過10GB，但也是一個(gè)綜合工具套件。支持前7系列FPGA以及較小型ZynqFPGA的XilinxISE（IntegratedSoftwareEnvironment）也包含在免費(fèi)的“Webpack”版本中。注意，“l(fā)egacy”模式支持ISE，而自從2013年后，ISE就再也沒有更新過。要獲取任何一種套件，可以登錄www.xilinx.com，搜索“Webpackdownload”。
　　如果你正在使用Altera（現(xiàn)在是Intel的一部分了）器件，他們還提供了不錯(cuò)的“大學(xué)計(jì)劃”和工具。你可以搜索“Alterauniversitysupport”，然后導(dǎo)航到“ForStudent”網(wǎng)頁。免費(fèi)的工具包括QuartusPrimeLite版本，用于以入門級FPGA和CPLD為目標(biāo)器件的Verilog、SystemVerilog和VHDL設(shè)計(jì)。還有一個(gè)配套的ModelSim模擬軟件初始版本，這一版本也是符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的。
　　Altera和Xilinx都提供廉價(jià)的評估板，適用于直接或通過第三方等效實(shí)現(xiàn)基于FPGA的學(xué)生項(xiàng)目。這樣的評估板可以包括開關(guān)、LED、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及運(yùn)動(dòng)傳感器