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本書是一本數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)的實(shí)踐教材。全書分為7章，第1~3章以“技術(shù)”為主，主要介紹現(xiàn)代邏輯電路的發(fā)展、主流 FPGA的軟硬件開發(fā)平臺(tái)、Verilog硬件描述語言及 Quartus 和 Vivado兩款EDA軟件的使用；第4、5章以“理論”為主，主要介紹數(shù)字邏輯電路中常用的邏輯電路及 Vcrilog實(shí)現(xiàn)、狀態(tài)機(jī)理論及硬件實(shí)驗(yàn)中常用的外圍電路；第6、7章以“實(shí)踐”為主，分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)兩個(gè)環(huán)節(jié)�；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)題目具有一定的層次性、設(shè)計(jì)性和應(yīng)用性，可幫助學(xué)生鞏固知識(shí)并掌握基本技能；綜合設(shè)計(jì)題目具有一定的系統(tǒng)性和工程性，并留有創(chuàng)新的空間，通過這些題目的練習(xí)，能夠提升數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力及工程實(shí)踐能力。本書可作為高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息、自動(dòng)控制等專業(yè)“數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)”“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)用書，也可作為從事數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)人員的參考書。

“數(shù)字邏輯電路”是信息技術(shù)類專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)核心課程，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。通過學(xué)習(xí)本課程，讀者可以掌握數(shù)字邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法，學(xué)會(huì)電路調(diào)試及故障查詢方法并提高實(shí)踐動(dòng)手能力，還可以培養(yǎng)耐心、細(xì)致的科研作風(fēng)，為后續(xù)專業(yè)課打好基礎(chǔ)。
FPGA作為一種半定制產(chǎn)品，具有配置靈活、可重構(gòu)的特點(diǎn)，在一個(gè)芯片內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)包括組合電路、時(shí)序電路、存儲(chǔ)器等在內(nèi)的各種數(shù)字電路，還可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行定制和優(yōu)化，使設(shè)計(jì)和開發(fā)更加高效和便捷，因此基于FPGA平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)，已成為越來越多工程師的首選方案。
本書共7章，第1～3章主要介紹技術(shù)方面的內(nèi)容，重點(diǎn)是Verilog HDL語法規(guī)則和EDA軟件的使用；第4、5章主要介紹理論方面的內(nèi)容，重點(diǎn)是狀態(tài)機(jī)理論和常用外圍電路的工作原理；第6、7章以實(shí)踐為主，分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)，重點(diǎn)內(nèi)容是“自頂向下的設(shè)計(jì)方法”。
各章主要內(nèi)容如下：
第1章首先介紹邏輯電路的發(fā)展，并引出FPGA可編程芯片；然后詳細(xì)介紹FPGA主流廠商、產(chǎn)品及軟硬件開發(fā)平臺(tái)；最后就如何進(jìn)行預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和總結(jié)給出了建議。
第2章主要介紹Verilog HDL的程序結(jié)構(gòu)、基本語法規(guī)則、仿真驗(yàn)證以及編程規(guī)范。
第3章以一個(gè)四人表決電路為例，介紹數(shù)字邏輯電路傳統(tǒng)與現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法，以及該電路在Quartus和Vivado環(huán)境中的實(shí)現(xiàn)過程。
第4章通過實(shí)例，介紹基本組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)及Verilog實(shí)現(xiàn)；通過“序列檢測(cè)器”介紹狀態(tài)機(jī)理論。
第5章將硬件實(shí)驗(yàn)中常用的外設(shè)分為輸入、顯示、機(jī)電控制和其他四個(gè)種類，分別介紹這些外設(shè)的工作原理及其典型控制電路。
第6章按照數(shù)字邏輯電路的特點(diǎn)，將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)分成組合邏輯、時(shí)序邏輯、接口電路三大類，每類實(shí)驗(yàn)設(shè)置若干任務(wù)并給出設(shè)計(jì)指導(dǎo)，題目設(shè)置上具有一定的層次性、設(shè)計(jì)性和應(yīng)用性。
第7章介紹數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念、方法，以“數(shù)字秒表”為例詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的全過程，最后提供一些實(shí)際題目作為練習(xí)。題目在設(shè)置時(shí)給出一定的擴(kuò)展提示，且盡可能接近真實(shí)場(chǎng)景，具有一定的系統(tǒng)性、工程性、創(chuàng)新性。
本書未指定具體的實(shí)驗(yàn)臺(tái)或開發(fā)板型號(hào)，而是將相關(guān)電路以典型電路的形式呈現(xiàn)，希望讀者通過學(xué)習(xí)這些電路，具備舉一反三的能力，在面對(duì)不同開發(fā)板或模塊時(shí)能夠看懂外圍電路原理。
附錄部分提供了“實(shí)驗(yàn)臺(tái)外設(shè)引腳分配表”，讀者可根據(jù)所用開發(fā)板的資源分配情況填入信號(hào)名和引腳號(hào)，也可由教師在安排預(yù)習(xí)任務(wù)時(shí)填入。“實(shí)驗(yàn)任務(wù)單”可根據(jù)課程學(xué)時(shí)從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)中選擇適合的任務(wù)填入。
書中的實(shí)例分別在Quartus Prime 20.1 Lite Edition和Vivado 2019.2環(huán)境下測(cè)試通過。
這兩款軟件均有多個(gè)版本，除了在芯片的支持上有所不同外，對(duì)于數(shù)字邏輯電路開發(fā)幾乎沒有差別。讀者在選擇軟件版本時(shí)，只要選擇能夠支持所選開發(fā)板的FPGA型號(hào)就可以。如果不希望軟件安裝后占用過多的存儲(chǔ)空間，可以選擇稍早一些的版本；如果想體驗(yàn)一些新的功能，可選擇較新的版本。
本書由北京工業(yè)大學(xué)“數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)編寫，第1章由高雪園編寫，第2章、附錄由邵溫編寫，第3、4章由張麗艷編寫，第5～7章由魯鵬程編寫。魯鵬程負(fù)責(zé)全書的策劃、組織整理和定稿。
本書獲得了北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究課題的資助（ER2022SJB04）。北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心的韓德強(qiáng)、楊淇善兩位老師研制了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與擴(kuò)展模塊，為本書的實(shí)踐案例設(shè)計(jì)和教學(xué)資源開發(fā)提供了有力支持。此外，清華大學(xué)出版社編輯團(tuán)隊(duì)為本書的編校工作付出了大量心血。在此，向所有給予幫助的單位和個(gè)人表示衷心的感謝！
限于編者的水平與經(jīng)驗(yàn)，書中難免有疏漏和錯(cuò)誤之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
編者
2025年6月

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