了得網工業技術_數字邏輯與數字繫統

編輯推薦

（1）繫統性強：本書組織結構合理、思路清晰。以“基礎→原理→器件→繫統”為主線，幫助學生建立數字繫統的概念。（2）論述簡潔：每章每節盡量不超過五部分內容，這樣便於讀者記憶和理解。（3）時代性強：介紹新技術和新方法，反映學科前沿方向，適應數字技術快速發展的需要。（4）實踐性好：增加了實驗和應用所需的內容，以期在教學過程中，將理論教學更緊密地與實踐教學相結合，促進學生的思維啟發和能力培養。

內容簡介

數字邏輯與數字繫統課程是電子信息類專業學生必修的專業主干課程。本書共5章：第1章是數字邏輯基礎部分，具體包括數字技術的相關概念、數制與編碼、邏輯代數基礎及邏輯門電路等內容；第2章是組合邏輯電路部分，講述了邏輯電路的描述方法、組合邏輯電路的分析與設計方法和常用的MSI組合邏輯器件的原理及其應用；第3章是時序邏輯電路部分，講述了時序邏輯電路中基本的件、時序邏輯電路的分析與設計方法和常用的MSI時序邏輯器件的原理及其應用；第4章是可編程邏輯器件部分，講述了可編程邏輯的基本概念、簡單可編程邏輯、復雜可編程邏輯和硬件描述語言VHDL的基礎知識內容；*後一章講述了數字繫統的描述工具、小型控制器的設計、簡易計算機的設計、A/D和D/A轉換以及PCM編碼的原理。另外，本書為了進一步體現其實踐性，在附錄部分給出了數字邏輯課程實驗指導，門電路、器件及其型號和引腳圖等內容。本書配套教學資源有PPT、習題解答等，課程網站見西安交通大學課程中心。

作者簡介

朱正東，1991年起任西安交通大學講師，1997-1999年工作於新加坡，2001年起擔任信息類本科主干課程“數字邏輯電路”、“彙編語言程序設計”等的主講教師。

第1章數字邏輯基礎1
1.1 數字技術的相關概念1
1.1.1 物理量的表示1
1.1.2 數字繫統與數字技術2
1.2 數制與編碼4
1.2.1 數制及其相互轉換4
1.2.2 數的表示及其運算9
1.2.3 十進制數的代碼表示及其運算13
1.2.4 可靠性編碼15
1.3 邏輯代數基礎17
1.3.1 邏輯代數常用概念及邏輯運算18
1.3.2 邏輯代數的定律、定理及規則20
1.3.3 邏輯函數的表示22
1.3.4 邏輯函數的化簡27第1章數字邏輯基礎1

1.1 數字技術的相關概念1

1.1.1 物理量的表示1

1.1.2 數字繫統與數字技術2

1.2 數制與編碼4

1.2.1 數制及其相互轉換4

1.2.2 數的表示及其運算9

1.2.3 十進制數的代碼表示及其運算13

1.2.4 可靠性編碼15

1.3 邏輯代數基礎17

1.3.1 邏輯代數常用概念及邏輯運算18

1.3.2 邏輯代數的定律、定理及規則20

1.3.3 邏輯函數的表示22

1.3.4 邏輯函數的化簡27

1.4 邏輯門電路33

1.4.1 早期邏輯門33

1.4.2 晶體管-晶體管邏輯（TTL）35

1.4.3 MOS晶體管邏輯36

1.4.4 集成電路38

習題140

第2章組合邏輯電路43

2.1 邏輯電路的描述43

2.1.1 框圖43

2.1.2 電路圖45

2.1.3 時序圖52

2.2 組合邏輯電路分析與設計54

2.2.1 組合邏輯電路分析54

2.2.2 組合邏輯電路設計57

2.3 組合電路中的競爭與險像59

2.3.1 競爭60

2.3.2 險像61

2.3.3 險像的判別63

2.3.4 險像的消除64

2.4 常用MSI組合邏輯器件65

2.4.1 譯碼器與編碼器65

2.4.2 數據分配器與多路選擇器70

2.4.3 三態緩衝器79

2.4.4 比較器與加法器81

習題288

第3章時序邏輯電路90

3.1 時序邏輯電路基礎90

3.1.1 時序電路概述90

3.1.2 時序電路的件93

3.2 同步時序電路的分析與設計99

3.2.1 同步時序電路的分析99

3.2.2 同步時序電路的設計102

3.2.3 同步時序電路設計舉例114

3.3 脈衝異步時序電路的分析與設計117

3.3.1 脈衝異步時序電路概述117

3.3.2 脈衝異步時序電路的分析118

3.3.3 脈衝異步時序電路的設計119

3.4 常用時序邏輯器件122

3.4.1 計數器122

3.4.2 寄存器130

3.4.3 脈衝發生器135

習題3143

第4章可編程邏輯器件148

4.1 可編程邏輯概述148

4.1.1 PLD的基本結構148

4.1.2 PLD的編程工藝和表示方法149

4.1.3 PLD的設計過程149

4.2 簡單可編程邏輯器件（SPLD）151

4.2.1 可編程隻讀存儲器（PROM）151

4.2.2 可編程邏輯陣列（PLA）154

4.2.3 可編程陣列邏輯（PAL）155

4.2.4 通用陣列邏輯（GAL）162

4.3 復雜可編程邏輯（CPLD）166

4.3.1 在繫統可編程ISP器件167

4.3.2 現場可編程邏輯器件（FPGA）174

4.4 硬件描述語言（VHDL）178

4.4.1 VHDL基礎178

4.4.2 常用語句181

4.4.3 設計實體186

4.4.4 層次結構設計190

習題4192

第5章數字繫統194

5.1 數字繫統概述194

5.1.1 數字繫統的基本模型194

5.1.2 數字繫統設計方法197

5.1.3 數字繫統設計描述工具198

5.2 小型控制器的設計207

5.2.1 計數器型控制器207

5.2.2 選擇器型控制器209

5.2.3 時序型控制器210

5.2.4 小型控制器設計舉例211

5.3 簡易數字計算機繫統215

5.3.1 框圖設計216

5.3.2 控制器設計217

5.3.3 邏輯部件的設計225

5.4 A/D轉換和D/A轉換227

5.4.1 模數A/D轉換227

5.4.2 數模D/A轉換234

5.4.3 PCM編碼236

習題5237

附錄A 數字邏輯電路實驗240

A1.1 基礎知識240

A1.1.1 實驗的基本過程240

A1.1.2 實驗操作規範和常見故障檢查方法241

A1.1.3 數字集成電路特點及使用須知243

A1.1.4 數字邏輯電路的測試方法244

A1.2 數字邏輯電路基本實驗245

A1.2.1 軟件工具的使用245

A1.2.2 器件測試實驗246

A1.2.3 分析和設計實驗251

A1.3 綜合設計實驗257

A1.3.1 設計實驗一數字時鐘設計257

A1.3.2 設計實驗二電子密碼鎖設計260

A1.3.3 設計實驗三出租車計價器設計264

A1.3.4 可參考選擇題目266

附錄B 門電路、器件及其型號和引腳圖267

參考文獻276

前言

序
數字繫統的典型代表——計算機已有近七十年的發展歷史。在人類文明長河中，70年不過是轉眼一瞬間，但是計算機的出現給人類社會帶來了*令人矚目的變化。人類的生活、工作都因為計算機的存在發生了翻天覆地的變化，傳統領域因計算機的引入而煥發生機，新的領域因計算機的存在而不斷出現，計算機已經滲透到人類社會的各個角落。
計算機的基礎是數字邏輯。計算機是根據布爾代數、二進制、數字邏輯電路所構造的復雜的數字繫統。但不管今天的計算機有多復雜，它仍然是由*基本的數字邏輯電路一點點構成的。要理解、設計、制造計算機，必須要對數字邏輯和數字繫統有深刻認識，正因為此，美國計算機權威學術機構ACM和IEEE-CS、中國歷屆計算機學科教學指導委員會都把“數字邏輯與數字繫統”列為計算機專業乃至電子與信息類專業的*重要的專業基礎課程之一。序

數字繫統的典型代表——計算機已有近七十年的發展歷史。在人類文明長河中，70年不過是轉眼一瞬間，但是計算機的出現給人類社會帶來了*令人矚目的變化。人類的生活、工作都因為計算機的存在發生了翻天覆地的變化，傳統領域因計算機的引入而煥發生機，新的領域因計算機的存在而不斷出現，計算機已經滲透到人類社會的各個角落。

計算機的基礎是數字邏輯。計算機是根據布爾代數、二進制、數字邏輯電路所構造的復雜的數字繫統。但不管今天的計算機有多復雜，它仍然是由*基本的數字邏輯電路一點點構成的。要理解、設計、制造計算機，必須要對數字邏輯和數字繫統有深刻認識，正因為此，美國計算機權威學術機構ACM和IEEE-CS、中國歷屆計算機學科教學指導委員會都把“數字邏輯與數字繫統”列為計算機專業乃至電子與信息類專業的*重要的專業基礎課程之一。

隨著大規模集成電路和計算機繫統設計技術的發展，數字邏輯及數字繫統設計在組合邏輯與時序邏輯設計的基礎上，又增加了許多新的內容和方法，硬件繫統設計除了采用邏輯門等小規模集成電路器件以外，更多地使用了中大規模甚至超大規模集成電路器件。另外，通過引入電子設計自動化技術，設計者可以利用硬件描述語言完成從邏輯級到繫統級的描述、設計和驗證，使得設計正確性和設計效率更高，設計成本更低，所設計的繫統性能更好，更為可靠。這些新內容必須補充到數字邏輯與數字繫統課程中，使學生了解和掌握**的數字繫統設計手段。

本書的主編朱正東博士和伍衛國博士是西安交通大學計算機專業的學者、教授，另外幾位參編者張超博士、符均博士和陳國崗老師分別是信息與通信、自動控制和電子技術領域的年輕學者和資深教師。他們長期從事數字邏輯課程的教學工作，不僅教學經驗豐富，而且還在計算機、電子、自動控制、通信等領域從事相關的研究工作，成果頗豐。他們集多年教學和科研經驗重新編寫了本書，旨在為電子與信息類專業的學生提供一本內容更全面、結構更合理、更容易學習和掌握的教材。該書保持了原西安交通大學編著和使用的《數字邏輯》教材的基本內容與特點，結合數字設計技術的**發展，更新了可編程邏輯技術等內容，增加了目前在數字繫統設計中占主導地位的硬件描述語言VHDL，其目的是便於讀者掌握新技術，以新的手段從事數字繫統的設計。

本書具備下列特點：

（1）繫統性強：本書組織結構合理、思路清晰。以“基礎→原理→器件→繫統”為主線，幫助學生建立數字繫統的概念。

（2）論述簡潔：每章每節盡量不超過五部分內容，這樣便於讀者記憶和理解。

（3）時代性強：介紹新技術和新方法，反映學科前沿方向，適應數字技術快速發展的需要。

（4）實踐性好：增加了實驗和應用所需的內容，以期在教學過程中，將理論教學更緊密地與實踐教學相結合，促進學生的思維啟發和能力培養。

我相信，在教學實踐中采用本書，將會有效改善該課程的教學效果，提升學生學習的興趣。我也熱切希望通過教學實踐，得到對本書的改進反饋意見，大家共同努力，使本書成為一本優秀的教材。

北京航空航天教授錢德沛

前言

本書是為西安交通大學電子信息類專業本科生規劃建設教材，教材內容適合於電子和電氣的所有相關專業，以及需要數字繫統來實現自動控制的其他專業。各專業可以根據各自特點及其計劃課時選擇教材中的內容講授，具體可參照書中“教學課時安排建議表”。

該教材的編著得到了國家985三期建設項目的支持，也是2014年西安交通大學教學改革教材建設項目之一。

西安交通大學自1977年恢復本科招生以來，電子信息類專業已使用了兩個版本的《數字邏輯》教材。第1版是由知名學者蔣大宗教授等於1979年6月編著的。該教材繫高等學校工科電子類統編教材之一，是按1978年4月在上海召開的該專業教材編審會所討論通過的大綱來編寫的。該教材在西安交通大學等高校廣泛使用。第2版是由西安交通大教授等於1997年7月編著的，該教材是由國家教育委員會高等學校理科計算機科學教學指導委員會計算機及應用教材建設組評選出版，是按照1992年召開的全國數字邏輯教材詳細大綱審定會制定的《數字邏輯教材詳細大綱》，並參考了《ACM/IEEE-CS 91教程》中“數字邏輯”與“數字繫統”所提出的專題及主要概念編寫而成。該教材自出版以來經過三次修訂一直使用至今，受到了廣大老師與學生的好評。

編者自2001年開始使用第2版教材講授該課程以來，一直被該教材的內容豐富、論述的深度所吸引。同時，也一直被該教材沒有現場可編程、在繫統可編程以及硬件描述語言等新內容而感到焦慮。尤其是近年來，各學校為了減輕學生負擔，壓縮了課時，該教材中的許多內容也已名存實亡。尤其是在集成電路與可編程技術高速發展、數字繫統日新月異的今天，教材應該不斷吸取國內外的先進理論和思想，結合長期教學實踐中的研究成果充實教材內容。今天，終於在教師和學生的千呼萬喚中，編者憑著多年的教學實踐經驗，在廣泛研究國內外先進成果的基礎上重新編寫了本教材。

本書繼承了西安交通大學《數字邏輯（第2版）》的優點，精簡了它的內容，引用了它的許多經典例子，增加了對數字繫統的相關概念、晶體管開關的特性、邏輯門電路、555定時器及其構成的施密特單穩態和雙穩態觸發器的介紹，補充了現場可編程、在線可編程以及硬件描述語言VHDL等內容，在*後數字繫統一章還增加了數字繫統的描述工具、小型控制器的設計、簡易數字計算機繫統的設計、A/D和D/A轉換以及PCM編碼原理等內容。為了增強教材的實用性，真正體現實踐教學的重要地位，本書將數字邏輯電路實驗指導，門電路、MSI邏輯器件的型號和引腳圖等內容作為附錄來提供。本書配套教學資源有PPT、習題解答等，可登錄http://www.hxedu.com.cn注冊及下載。課程網站見西安交通大學課程中心（首頁＞任課教師＞電子與信息工程學院＞朱正東）。可以這樣說，新編教材增強了教材的先進性和實用性。讀者通過本教材的學習將掌握數字技術的一些基本概念和基本原理，熟悉從簡單開關電路到復雜計算機的所有數字繫統。通過本課程的學習，將會深入了解數字繫統是如何工作的，並能夠把所學到的知識應用於數字繫統的分析、設計以及故障檢查及排除之中。

本書共5章，由朱正東，伍衛國教授主編和統稿，張超副教授、陳國崗老師、符均老師參加了編寫、修改與審閱工作。王萍副教授、李昕副教授和田琛博士均提出了很多需要增加的內容和修改意見，本書也一一給予采納。在此，編者表示衷心感謝！

本教材的建設還得到了校教務處處長徐忠鋒教授、段琛博士，電子與信息工程學院副院長羅新民教授、桂小林教授，教務主任王楓老師，計算機繫主任趙仲孟教授、張興軍教授，計算機繫數字邏輯資深工程師馬曉農老師，新型機所所長董小社教授，檔案館胡亞南副研究館員等的大力支持和幫助。編者在此對他們表示衷心的感謝！

另外，要特別感謝的是知名學者白中英教授、繆相林教授、董渭清教授和毛文林教授，四位教授長期從事數字邏輯課程的教學，在教學過程中，他們給予了編者許多指導和幫助。

限於作者水平，書中難免存在錯誤及不妥，敬請各位讀者及專家斧正！

編者

2014年11月

於西安交通大學

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