数字系统设计基础教程

第2章 布尔代数和逻辑门 22
2.1 数据表示及处理 22
2.2 基本逻辑运算 23
2.2.1 非运算 23
2.2.2 或门 24
2.2.3 与门 25
2.3 基本恒等式 26
2.3.1 非恒等式 26
2.3.2 或恒等式 26
2.3.3 与恒等式 27
2.4 代数定律 27
2.4.1 交换律 27
2.4.2 结合律 27
2.4.3 分配律 28
2.5 或非门和与非门 29
2.6 有用的布尔恒等式 31
2.7 代数简化 32
2.8 完全逻辑集 34
2.8.1 基于与非门的逻辑 35
2.8.2 基于或非门的逻辑 35
2.9 IEEE逻辑门符号 36
2.10 问题 37
第3章 组合逻辑设计 41
3.1 问题的确定 41
3.2 标准逻辑形式 42
3.2.1 乘积之和形式 42
3.2.2 和之乘积形式 43
3.3 提取标准形式 44
3.3.1 最小项和最大项 45
3.3.2 SOP和POS形式的属性 47
3.4 异或门及等效运算 47
3.5 逻辑阵列 49
3.5.1 AND阵列和OR阵列 49
3.5.2 SOP阵列和POS阵列 52
3.5.3 逻辑阵列的应用 55
3.6 BCD和7段显示 55
3.7 卡诺图 58
3.8 3变量卡诺图 61
3.8.1 “不关心”条件 64
3.8.2 可选的3变量卡诺图布局 65
3.9 4变量卡诺图 66
3.10 逻辑设计者的作用 69
3.11 问题 69
第4章 数字硬件 75
4.1 将电压作为逻辑变量 75
4.2 数字集成电路 76
4.3 逻辑延迟时间 80
4.3.1 输出转换时间 80
4.3.2 传输延时 82
4.3.3 扇入和扇出 83
4.3.4 扩展到其他逻辑门 84
4.3.5 逻辑级联 85
4.4 基本电子电路 88
4.4.1 电阻 88
4.4.2 电容 89
4.4.3 RC电路 91
4.4.4 RC电路在数字电路上的应用 93
4.5 传输线 94
4.5.1 串扰 95
4.5.2 电磁干扰 96
4.6 逻辑种类 97
4.6.1 CMOS 97
4.6.2 TTL 97
4.6.3 ECL 98
4.7 硬件设计者 99
4.8 问题 99
附录 102
第5章 VHDL的基本概念 105
5.1 引言 105
5.1.1 基本概念 105
5.1.2 硬件描述语言的使用 106
5.2 VHDL中模块的定义 106
5.2.1 并发运算 112
5.2.2 标识符 114
5.2.3 传输延迟 115
5.3 结构建模 116
5.4 条件建模 121
5.5 二进制字 124
5.6 库 126
5.7 VHDL的学习 127
5.8 问题 127
第6章 CMOS逻辑电路 131
6.1 CMOS电子电路 131
6.2 电子逻辑门 132
6.3 MOSFET 133
6.4 CMOS中的NOT函数 136
6.4.1 互补对 136
6.4.2 CMOS反相器 137
6.5 MOSFET逻辑形式的应用 138
6.5.1 NOR门 140
6.5.2 NAND门 142
6.5.3 CMOS与逻辑的联系 143
6.6 CMOS中的复合逻辑门 144
6.6.1 3输入逻辑门 145
6.6.2 通用的4输入逻辑门 148
6.6.3 逻辑级联 150
6.7 MOSFET的逻辑形式 151
6.7.1 FET的逻辑描述 151
6.7.2 电压传输特征 152
6.7.3 互补定律 153
6.7.4 电流开关 155
6.7.5 光纤传输网络 156
6.8 问题 157
第7章 硅芯片和VLSI 163
7.1 VLSI工程 163
7.1.1 计算机芯片 163
7.1.2 硅晶体特性 164
7.1.3 pn结 166
7.1.4 硅器件 167
7.2 掩膜和光刻 168
7.3 MOSFET 171
7.3.1 MOSFET开关 172
7.3.2 pFET 176
7.3.3 MOSFET设计规则 178
7.3.4 晶体管等比例缩小 179
7.4 基本电路版图 181
7.4.1 CMOS反相器 181
7.4.2 电气模型 183
7.5 MOSFET阵列和与或非门 188
7.5.1 连线策略 189
7.5.2 与非门和或非门 190
7.5.3 复合门 190
7.5.4 小结 192
7.6 单元、库和层次化设计 192
7.6.1 创建单元库 192
7.6.2 单元布局 194
7.6.3 系统层次 195
7.7 布局和布线 196
7.7.1 互连 198
7.7.2 线延迟 199
7.8 问题 200
第8章 逻辑部件 204
8.1 数字部件的概念 204
8.2 相等比较器 205
8.3 有效BCD码检测部件 206
8.4 译码器 207
8.5 多路复用器 209
8.5.1 作为逻辑单元的多路复用器 212
8.5.2 VHDL描述 213
8.6 多路输出选择器 214
8.6.1 VHDL描述 215
8.6.2 多路传输系统 216
8.7 二进制加法器 217
8.7.1 全加器 218
8.7.2 半加器 219
8.7.3 加法器电路 219
8.7.4 VHDL描述 221
8.7.5 并行加法器 222
8.7.6 加法器CMOS电路 224
8.8 减法 225
8.8.1 减法逻辑电路 228
8.8.2 负数 230
8.9 乘法 232
8.10 传输门逻辑 234
8.10.1 传输门多路复用器 235
8.10.2 异或门和同异门 236
8.10.3 CMOS传输门 237
8.11 小结 238
8.12 问题 239
第9章 存储元件与阵列 243
9.1 一般属性 243
9.2 锁存器 243
9.2.1 SR锁存器 244
9.2.2 D锁存器 246
9.3 时钟与同步 246
9.3.1 时钟SR锁存器 247
9.3.2 时钟D锁存器 248
9.4 主-从触发器和边沿触发器 248
9.4.1 主-从D型触发器 248
9.4.2 其他类型的触发器 253
9.5 寄存器 254
9.5.1 基本存储寄存器 254
9.5.2 移位寄存器 255
9.6 随机存取存储器 258
9.6.1 静态RAM单元 258
9.6.2 SRAM阵列 259
9.6.3 动态RAM 262
9.6.4 奇偶和错误检验码 262
9.7 只读存储器 264
9.8 CD ROM 265
9.9 CMOS 存储器 268
9.9.1 CMOS SRAM 268
9.9.2 动态存储器 269
9.9.3 ROM 272
9.10 传输门电路 272
9.10.1 基本锁存器 272
9.10.2 TG触发器 274
9.11 问题 275
第10章 时序逻辑网络 278
10.1 时序逻辑网络的概念 278
10.1.1 时序逻辑网络的要求 279
10.1.2 时序逻辑网络的基本结构 280
10.2 时序逻辑网络分析 282
10.2.1 单状态变量电路 282
10.2.2 多状态变量电路 285
10.2.3 时序电路的一般特征 287
10.3 时序电路设计 287
10.4 二进制计数器 289
10.5 状态机的重要性 292
10.6 问题 293
第11章 计算机基础 297
11.1 计算机操作概述 297
11.1.1 计算机的主要组件 297
11.1.2 计算机能做什么 298
11.1.3 冯·诺依曼模型 299
11.1.4 编程 300
11.1.5 计算机寄存器 301
11.2 中央处理器：初识 302
11.2.1 取指令网络 302
11.2.2 数据通道的概念 303
11.2.3 数据通道操作 305
11.3 数据通道组件 306
11.3.1 寄存器文件 306
11.3.2 算术逻辑单元 309
11.3.3 局部存储器 312
11.4 指令和数据通道 312
11.5 控制器 318
11.6 CISC和RISC体系结构 321
11.6.1 CISC和微编程 322
11.6.2 RISC机器 323
11.6.3 现代计算机 324
11.7 浮点操作 325
11.7.1 算术操作 326
11.7.2 计算机应用 327
11.8 计算机设计的VLSI 327
11.9 问题 329
第12章 先进计算机概念 333
12.1 计算速度 333
12.2 流水线 333
12.2.1 数据冒险 338
12.2.2 解决冒险 339
12.3 高速缓存 339
12.4 超标量结构 344
12.5 并行计算的基本概念 345
12.5.1 并行机分类 347
12.5.2 并行计算示例 348
12.5.3 一般结构 351
12.5.4 通用设计变量 353
12.5.5 互联网络 353
12.5.6 并行计算的挑战 355
12.5.7 光互联 355
12.6 问题 356
12.7 参考文献 359
结束语 360

.　　虽然本书为初学者介绍了一些该领域相对特别的方面，但我们都尽所有的努力来使讨论保持在一致的水平上。此教程对于学完了标准入门课程的电子工程、计算机工程和计算机科学的学生来说应是容易接受的。
　　
　　本书是特别为数字系统设计这门学科的入门课程而著述的，书中所用的材料都已经过课堂检验以确保论述的连贯性。本书的目的是通过详细的论述使得学生对每个主题的定量和定性这两个方面都有全面的理解。但是，设计本书的目的不是为了提供高级的论述和细节的分析；复杂的问题应在更高级的教程中讲授。本书可以用于为数字设计、计算机结构、VHDL、电子电路和VLSI等学科的高级课程的学习打下基础。VHDL可能是其中的一个例外，因为我们发现将其合并到使用独立的课本和计算机工具的同样课程中十分有用。另外，本书也可作为非专业人员的数字设计的入门课程。
　　
　　课本的使用
　　
　　根据计划的重点不同，可以用不同的方法使用此课本。大纲提供了三个不同的专题组：逻辑设计、综合和VLSI以及基本计算机结构。
　　
　　逻辑设计的基础在第1、2、3、8、9和10章中讲述。这些内容可作为讨论CMOS和VLSI这样一些课程的基础。我们强烈推荐这些课程的基础还应包括关于VHDL的第5章内容；实际上，如果时间允许的话，值得花费一些时间通过采用专用的课本将其扩展到实验室。第4章讨论在现实世界中硬件延迟的有关方面，教师应将4.1节到4.3节作为最小限度的介绍内容。
　　
　　硬件的细节内容包含在第4、6和7章中。每一章的写法都是为了说明前几节中提出的最重要的概念。这使得教师可以在没有讲完整章内容的情况下介绍一些素材。在第6章中，6.1节到6.5节讲述了CMOS基础，而剩下的章节将读者带到更为高级的层次。第7章中从开始直到7.4.1节所提供的材料使读者对硅片集成电路有一个总体的看法。7.6节“单元、库和层次设计”是值得认真讨论的内容，因为它强调了有关设计过程的一些重要方面。这一章的其它章节是可选的，但这些章节增强了总体的主题。这几章可独立地作为高年级学生、毕业生以及参加工作的工程师的VLSI课程的初级读本。
　　
　　第11章和第12章介绍了计算机和计算机结构。这两章讨论了什么是计算机以及计算机是如何构成的等基础知识，并为更高级的研究打下基础。但是，这两章的内容十分详细，可以确保学生在没有学习此学科其它课程的情况下能够理解其中的重要概念。
　　
　　此书的写作过程始终将学生的需要牢记心中。本书讲述了许多只有在常规的高级课程中才能够讲授的内容，而常规的高级课经常留给学生的任务就是将各种各样的素材和概念连接在一起。本书自始至终强调设计层次的概念，以此观点作为中心主题，本书介绍了从自底向上到自顶向下的所有层次级别上的设计过程。
　　
　　值得重申的是，本书的目的是用作数字系统的入门课程。在任何(或所有)数字设计领域有专长的学生应该学习更为高级的课程以达到熟练工程师和计算机科学家应该达到的水平。本书每个主题都可以提高到更高的层次，但这将会消弱本书主要的目的。有许多更为高级的好课本，专家可以在后续的课程中使用这些书籍。高级书籍中较低层次的素材可以当作低级教程的回顾或者也可以完全将其忽略。这就使得教师可以将重点放在讲解更为困难和耗时的内容上。诸如高级时序电路、VHDL、CMOS VLSI系统和计算机结构等题目都包括在高级教程中。
　　
　　基本原理
　　
　　我认为这本书讲述的内容是电子工程、计算机工程和计算机科学专业的所有学生在毕业之前应该知道的。
　　
　　作为一个教师，我经常担心教学纲要将许多重要的课程当作一门选修的课程。而对于面对新世纪挑战的工程师，理解数字网络和计算机的基本概念至关重要。不是所有的人都需要知道如何设计高性能计算机，有些人只需要知道系统如何构成以及它如何工作就可以了。我告诉我的“非数字”专业(在诸如电路设计、电磁学、和光纤等领域)的学生，我认为他们应该具备阅读和理解“通俗”级的技术文章的能力。如果能达到这个目的，那么作为一个教育工作者，我在工作时就会感到很欣慰。
　　
　　20世纪90年代的十年是取得辉煌技术进步的十年。在这十年中“计算机革命”影响了社会的所有领域。许多曾经被认为是很难处理的问题现在得到了解决。我们的想象力随着新可能性的出现而急剧增长。很少有人不同意这种说法。然而我们讲授数字逻辑基础的教学方法仍然保留在25年前讲授该课程的方法上，那时我第一次学习了这门课程。当时的方法是，数字逻辑通常被当作只有一点点硬件和系统设计内容的独立基础课程来讲授，想要深入学习相关学科的学生不得不另外学习其它课程。虽然这在原理上是可行的，但这忽略了一个事实，即该学科现在已经不再作为一个独立的技术来应用了。现代数字设计由许多人组成的工程组来进行，而其中的每个人都必须理解数字系统设计层次链中从顶层到底层问题的所有方面，并在一到两个领域上有所专长。
　　
　　最近，一个主要集成电路公司的几位面试考查员与我联系讨论他们心目中工程方面“理想的”候选人。他们说经面试的大部分学生希望参与微处理器设计，但其中只有25％具有VLSI背景。他们不需要寻找电路设计师，但他们觉得对于潜在的每个雇员来说，必须知道微处理器是在硅片上构造的，即使是系统设计师和工具设计师也必须了解一些VLSI的基础知识，这些都是显而易见的。虽然可以认为这是一个特殊的情形，但诸如ASIC和FPGA等数字VLSI器件的应用已经以极其快速的步伐得到得到增长。作为教育工作者，如果我们不能为学生提供未来发展所需的背景，那么我们的毕业生将面临很快就会落伍的危险。
　　
　　在本书中，我们提出了现代数字逻辑是由几个相互作用、以紧密结合方式组合在一起的领域组成的观点。现代数字逻辑包括一些传统的研究课题，比如布尔代数、逻辑体系、卡诺图、以及你希望找到的大部分题目，但它远远超过了这些传统的学科领域，它还包括了VHDL、CMOS、VLSI和RISC计算机结构，向现代逻辑设计者展示了数字逻辑设计领域的概况。
　　
　　著述本书有一个更为深层目的，即将多种题目集成在单一的课程中。在佐治亚州工学院，我们埋头于重新设计电子工程/计算机工程的课程以满足下一代的需要，我们决定必须改变现行的教育模式来实现此目标，但是，我们仍然继续保持细节。对于这种教育模式的改变而言，本书是理想的教材，它为现代数字系统设计提供了基础，同时兼顾到将讨论范围限制在经典论题的界限之内。与原来的课程相比较，新教材的不同之处在于，许多称之为“高级”的论题已经转移到入门级，这是正常的演变。这样当计算机结构专门作为一门毕业级的课程时，学生就不需要好记忆力来回忆有关内容了。
　　
　　数字系统设计的发展已远远地超过了传统模式覆盖的范围。事实上，在过去的十年里，传统课程中形成电子和计算机工程基础的每个领域都已经发生了显著的变化。很显然，我们在这些领域的教育方法也需要努力改变，本书便是这种努力的结果。
　　
　　
　　
　　John P. Uyemura
　　
　　佐治亚州，亚特兰大