數字系統設計

本書為“十四五”普通高等教育系列教材。本書共分9 章，分別是數字系統及描述方法、數字系統設計基礎、可編程邏輯器件、現場可編程門陣列、VHDL硬件描述語言、簡單Testbench 設計、EDA 軟件介紹、基於EDA 技術的現代數字系統設計、數字系統設計選題。本書每章有本章小結和習題，書後有附錄。書中詳細設計了大量的應用實例，使理論和實踐聯繫更加緊密；引入了VHDL語言基礎、EDA 軟件Multisim12.0、QuartusII、Testbench 和可編程邏輯器件PLD 等的介紹，使讀者瞭解現代數字系統的設計方法。內容豐富實用，有利於培養學生的實踐動手能力。

前言

第1 章 數字系統及描述方法1

1.1 數字系統的基本概念1

1.1.1 數字系統1

1.1.2 數字系統的組成2

1.1.3 數據處理器3

1.1.4 控制器6

1.2 數字系統的硬件描述8

1.2.1 系統框圖8

1.2.2 算法流程圖8

1.2.3 算法狀態機（ASM） 11

本章小結18

習題18

第2 章 數字系統設計基礎19

2.1 數字系統的設計方法19

2.2 數字系統設計的設計步驟20

2.3 數字系統設計實例22

2.3.1 設計一個交通燈信號控制器22

2.3.2 8 位彩燈控制器的設計27

2.3.3 電子密碼鎖電路的設計30

2.3.4 多路電子搶答器的設計32

2.3.5 汽車尾燈控制器電路設計38

2.3.6 數字定時器的設計42

2.3.7 數字頻率計電路的設計44

2.3.8 報時式數字鐘的設計47

本章小結51

習題51

第3 章 可編程邏輯器件52

3.1 PLD 基本電路的結構、功能與習慣表示法52

3.2 可編程邏輯陣列（PLA） 53

3.3 可編程陣列邏輯（PAL） 55

3.4 通用陣列邏輯（GAL） 58

3.5 在系統可編程邏輯器件（ISPPLD） 61

3.6 複雜可編程邏輯器件（CPLD） 63

3.7 在系統可編程通用數字開關（ispGDS） 64

本章小結 65

習題 66

第4 章 現場可編程門陣列 67

4.1 FPGA 概述 67

4.1.1 Xilinx 公司產品 67

4.1.2 Intel（Altera）公司產品 69

4.1.3 Lattice 公司產品 71

4.1.4 FPGA 的發展趨勢 72

4.2 FPGA 的結構原理 72

4.2.1 查找表結構 72

4.2.2 典型FPGA 的結構原理 74

本章小結 82

習題 82

第5 章 VHDL 硬件描述語言 83

5.1 VHDL 的主要構件 83

5.2 VHDL 的數據對象和數據類型 89

5.3 VHDL 的操作符 91

5.4 VHDL 的基本語句 92

5.5 VHDL 設計基本邏輯電路舉例 96

本章小結 101

習題 101

第6 章 簡單Testbench 設計 102

6.1 概述 102

6.2 仿真簡介 102

6.2.1 仿真的級別 102

6.2.2 Testbench 的仿真流程 103

6.3 簡單Testbench 設計 103

6.3.1 Testbench 程序基本結構 103

6.3.2 激勵信號的產生 104

6.3.3 VHDL Testbench 測試基準實例111

本章小結 119

習題119

第7 章 EDA 軟件介紹120

7.1 Multisim12.0 軟件介紹120

7.1.1 Multisim12.0 軟件基本界面121

7.1.2 項目及原理圖文件的創建122

7.1.3 原理圖的繪製與仿真123

7.1.4 虛擬儀器的介紹131

7.2 Quartus II 開發軟件介紹133

7.2.1 Quartus II 開發系統的特點133

7.2.2 Quartus II 設計過程133

7.2.3 Quartus II 軟件的基本操作與應用135

本章小結161

習題162

第8 章 基於EDA 技術的現代數字系統設計164

8.1 現代數字系統設計概述164

8.2 現代數字系統設計方法166

8.2.1 原理圖設計法167

8.2.2 HDL 程序設計法167

8.2.3 波形輸入設計法167

8.2.4 狀態機設計法167

8.2.5 基於IP 的設計法167

8.3 現代數字系統設計流程168

8.4 基於EDA 的數字系統設計實例170

8.4.1 數字鐘的設計170

8.4.2 汽車尾燈電路設計182

8.4.3 8 位彩燈控制器的設計184

8.4.4 交通信號燈單元電路的設計187

8.4.5 電子搶答器的設計195

本章小結201

習題202

第9 章 數字系統設計選題204

9.1 報時式數字鐘的設計204

9.2 鍾控定時電路的設計205

9.3 智力競賽搶答器的設計206

9.4 交通燈控制器的設計206

9.5 數字頻率計的設計207

9.6 彩燈控制器的設計 208

9.7 電梯控制器的設計 209

9.8 乒乓球遊域控制器的設計 210

9.9 電子密碼鎖的設計 211

9.10 汽車尾燈控制器的設計 212

9.11 數字電壓表的設計 213

9.12 路燈控制器的設計 214

9.13 出租車自動計費器的設計 215

附錄 217

參考文獻 225前言

第1 章 數字系統及描述方法1

1.1 數字系統的基本概念1

1.1.1 數字系統1

1.1.2 數字系統的組成2

1.1.3 數據處理器3

1.1.4 控制器6

1.2 數字系統的硬件描述8

1.2.1 系統框圖8

1.2.2 算法流程圖8

1.2.3 算法狀態機（ASM） 11

本章小結18

習題18

第2 章 數字系統設計基礎19

2.1 數字系統的設計方法19

2.2 數字系統設計的設計步驟20

2.3 數字系統設計實例22

2.3.1 設計一個交通燈信號控制器22

2.3.2 8 位彩燈控制器的設計27

2.3.3 電子密碼鎖電路的設計30

2.3.4 多路電子搶答器的設計32

2.3.5 汽車尾燈控制器電路設計38

2.3.6 數字定時器的設計42

2.3.7 數字頻率計電路的設計44

2.3.8 報時式數字鐘的設計47

本章小結51

習題51

第3 章 可編程邏輯器件52

3.1 PLD 基本電路的結構、功能與習慣表示法52

3.2 可編程邏輯陣列（PLA） 53

3.3 可編程陣列邏輯（PAL） 55

3.4 通用陣列邏輯（GAL） 58

3.5 在系統可編程邏輯器件（ISPPLD） 61

3.6 複雜可編程邏輯器件（CPLD） 63

3.7 在系統可編程通用數字開關（ispGDS） 64

本章小結 65

習題 66

第4 章 現場可編程門陣列 67

4.1 FPGA 概述 67

4.1.1 Xilinx 公司產品 67

4.1.2 Intel（Altera）公司產品 69

4.1.3 Lattice 公司產品 71

4.1.4 FPGA 的發展趨勢 72

4.2 FPGA 的結構原理 72

4.2.1 查找表結構 72

4.2.2 典型FPGA 的結構原理 74

本章小結 82

習題 82

第5 章 VHDL 硬件描述語言 83

5.1 VHDL 的主要構件 83

5.2 VHDL 的數據對象和數據類型 89

5.3 VHDL 的操作符 91

5.4 VHDL 的基本語句 92

5.5 VHDL 設計基本邏輯電路舉例 96

本章小結 101

習題 101

第6 章 簡單Testbench 設計 102

6.1 概述 102

6.2 仿真簡介 102

6.2.1 仿真的級別 102

6.2.2 Testbench 的仿真流程 103

6.3 簡單Testbench 設計 103

6.3.1 Testbench 程序基本結構 103

6.3.2 激勵信號的產生 104

6.3.3 VHDL Testbench 測試基準實例111

本章小結 119

習題119

第7 章 EDA 軟件介紹120

7.1 Multisim12.0 軟件介紹120

7.1.1 Multisim12.0 軟件基本界面121

7.1.2 項目及原理圖文件的創建122

7.1.3 原理圖的繪製與仿真123

7.1.4 虛擬儀器的介紹131

7.2 Quartus II 開發軟件介紹133

7.2.1 Quartus II 開發系統的特點133

7.2.2 Quartus II 設計過程133

7.2.3 Quartus II 軟件的基本操作與應用135

本章小結161

習題162

第8 章 基於EDA 技術的現代數字系統設計164

8.1 現代數字系統設計概述164

8.2 現代數字系統設計方法166

8.2.1 原理圖設計法167

8.2.2 HDL 程序設計法167

8.2.3 波形輸入設計法167

8.2.4 狀態機設計法167

8.2.5 基於IP 的設計法167

8.3 現代數字系統設計流程168

8.4 基於EDA 的數字系統設計實例170

8.4.1 數字鐘的設計170

8.4.2 汽車尾燈電路設計182

8.4.3 8 位彩燈控制器的設計184

8.4.4 交通信號燈單元電路的設計187

8.4.5 電子搶答器的設計195

本章小結201

習題202

第9 章 數字系統設計選題204

9.1 報時式數字鐘的設計204

9.2 鍾控定時電路的設計205

9.3 智力競賽搶答器的設計206

9.4 交通燈控制器的設計206

9.5 數字頻率計的設計207

9.6 彩燈控制器的設計 208

9.7 電梯控制器的設計 209

9.8 乒乓球遊域控制器的設計 210

9.9 電子密碼鎖的設計 211

9.10 汽車尾燈控制器的設計 212

9.11 數字電壓表的設計 213

9.12 路燈控制器的設計 214

9.13 出租車自動計費器的設計 215

附錄 217

參考文獻 225

孟祥，北華大學，碩士研究生導師。現就職於北華大學電氣與信息工程學院，從事教學與科研工作。多年來從事電子技術，測控技術與儀器領域的教學與研究工作，獲吉林省教學成果獎二等獎1項，吉林市科技進步一等獎1項。曾主持和參加省級科研“汽車車主身份智能識別及智能啓動系統”、“基於射頻技術及圖像識別的無序檢測智能門禁系統”、“循環流化牀鍋爐燃燒系統智能建模與協調優化控制關鍵技術研究”、“BH-9000系列遠程數字化温度採集模塊”、“智能熱能計量系統”、“衞星運輸包裝箱環境控制系統”、“膠囊微型機器人驅動控制系統”等項目。發表教學論文3篇，主編教材3部，獲軟件著作權3項，發表學術論文15餘篇，被三大檢索收錄5篇。指導學生大學生競賽獲國家一等獎1項，二等獎兩項，省一等獎5項。