本书以作者近十年的数字电路系统设计经验为基础，结合华南理工大学和深圳大学的教学实践，精心选择了9个课程设计案例，覆盖了计算机、电子与信息等专业的数字系统、数字逻辑等课程的主要内容。
　 主要特点
　 ● 内容新颖 本书以VHDL和Verilog硬件描述语言为主要设计手段，采用当前主流EDA开发工具，并涉及软硬件联合设计、片上总线系统等数字电路系统设计领域的前沿问题。
　 ● 实用性强 本书的案例大多取材于作者在设计实践中遇到的代表性问题，全面介绍数字系统中的设计方法、编码风格、验证等关键性问题，能有效帮助读者提高数字系统的设计水平。
　 ● 层次分明 本书既包括基本的组合逻辑和时序逻辑经典电路分析与设计，也包括比较复杂的数字电路系统设计实例，适合不同层次读者的学习需求。
　 ● 便于自学 读者可以在一台计算机上完成本书的全部设计案例，而且书中还包含了所有问题的源代码。

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数字电路系统是当前信息产业发展中最为活跃的一个部分，涉及计算机、电子与通信、自动控制等众多领域，它极大地推动了信息社会的构建和发展，也成为我国信息产业发展的基石。作为数字电路系统的入门课程，数字系统设计（数字逻辑）已经成为高等院校电子信息类专业的一门基础课程，也是从事计算机、电子与通信、自动控制技术的研究和应用的专业技术人员必须掌握的重要知识之一。
　 数字系统设计是连接基本数字电路器件和系统级数字电路设计的桥梁。在过去的30年中，以集成电路为基础的数字电路器件一直遵循摩尔定律发展，集成度和性能按照指数增长，而成本则按照指数下降，这为系统级数字电路设计提供了更为广阔的设计空间。同时，随着计算机、通信等产业的快速发展，应用领域的不断扩展，对系统级电路的设计要求也不断提高。数字系统设计课程经过多年的发展，形成了比较成熟和完善的课程体系。但是在实际教学中，还需要在已有的教学框架下充分反映数字电路技术的最新进展，使得学生切实掌握数字系统设计的基本原理，并具备将这些原理灵活应用于实际系统设计过程中，具备独立完成比较复杂数字电路系统的设计能力。
　 作者根据多年数字系统设计教学和工程实践的经验体会到，只通过书本不可能让学生真正掌握数字系统设计的内在设计思想，传统的以课堂讲授为主，以教师为中心的教学和学习方法，会使学生感到枯燥和抽象，难以充分领会多年来数字电路系统设计实践所发展出来的一般方法和技巧，难以提高数字电路的实际设计能力。因此，作者希望通过结合理论课程的学习，再加上自主地完成课程设计，使学生在自主分析和设计数字电路的过程中，理解其基本工作原理、一般设计流程和常用的设计技巧，具备初步的数字电路设计能力。
　 随着集成电路技术的发展，目前的数字系统设计正在从传统的小规模集成电路向以FPGA、CPLD、ASIC等半定制和全定制电路的方向发展，设计方法也从传统的原理图设计向采用高级硬件描述语言方向发展。本书以硬件描述语言为主要设计方法，以当前主流的数字电路设计软件为电路分析和模拟的基本工具，使得学生能在一台普通的计算机上完成所有的数字电路系统课程设计内容。这样，使得学生能充分利用业余时间自学，提高学习的兴趣和效率，也可以完成较大规模的数字电路系统设计，在一定程度上弥补了传统实验环境的不足。
　 作者根据教学实践，针对数字系统设计课程的特点，总结和提炼出9个课程设计题目。这些题目既包含了传统的数字系统设计实例，也反映了当前数字电路研究和开发的重要方向，例如数据加解密电路、软硬件联合设计、片上总线系统等。这些题目可以分成基础电路分析、基本电路的硬件描述语言程序设计、综合电路设计、高级专题4个层次。在基础电路分析中，本书以经典的74181芯片为分析对象，主要提高学生数字逻辑运算和分析能力，并掌握加法器电路设计的基本思想；在基本电路的硬件描述语言程序设计中，本书首先介绍ISE软件的基本使用方法，然后以实例为核心介绍面向综合的组合逻辑和时序逻辑硬件描述语言设计风格，以及数字电路测试程序的设计方法，主要使学生掌握基于主流EDA软件完成数字电路系统设计的基本能力；在综合电路设计中，本书以密钥选择加法器、优先级编码器和通用串行接口为实例，说明了比较复杂的数字系统设计方法，使得学生能将组合逻辑和时序逻辑综合在一起构成一个完整的实际电路系统；在高级专题中，本书介绍软硬件联合设计与验证，片上总线等两个比较专业的主题，使得学生能初步接触到当前数字电路系统设计的发展动向，也可供学有余力的学生进一步钻研。通过上述课程设计的实际练习，学生能够循序渐进地独立理解数字电路系统的基本设计思想，掌握一般设计流程和常用设计工具，并接触到当前数字电路系统设计方法的最新发展方向。本书从第2章开始，每一章是一个课程设计题目，包括了课程设计的目的、要求、相关知识、课程设计分析和扩展，书后附有参考程序和参考文献。本书在编写过程中主要参考了近年来出版的最新书籍和文献资料，以及国内外著名大学的教学课件内容，可以作为高等院校计算机、电子信息、通信、自动控制及相关专业的配套课程设计教材，也可作为从事数字电路系统设计的工程人员的参考资料。作者在教学中也利用这些素材做了一些尝试，并取得了比较好的教学效果。
　 本书由陈虎构思与统稿。第1～6章，8～9章由陈虎编写，第7、10章由梁松海编写。本书的大部分内容在华南理工大学计算机学院和深圳大学电子信息学院的“数字系统设计”课程中使用过，陈辉、张帆等对题目的设计、文字内容的完善提出了建议。在这里向参与过教学过程，并给予帮助的人们表示衷心感谢。
　 本书的编写得到奚建清教授、齐德昱教授、张平健副教授、吴涛博士和毕盛老师的大力帮助。他们对本书的构思，写作方法等提出了宝贵的意见，使作者受益匪浅。
　 数字电路的发展与知识的更新速度很快，限于作者的学术水平，本书难免有错误与不妥之处，诚恳地希望读者批评指正，共同提高数字系统设计课程设计的教学水平。
　 作　 者
　 于华南理工大学计算机科学与工程学院
　 2006年9月

专家指导委员会
从书序言
前言
第1章　数字系统设计课程设计概述 1
1.1　数字系统设计课程的教学特点 1
1.2　数字系统设计课程的实验教学与课程设计的关系 2
1.3　数字系统设计课程的知识点 2
1.4　课程设计要求及评分标准 4
第2章　74181电路分析 5
2.1　课程设计目的 5
2.2　课程设计要求 5
2.3　74181芯片介绍 5
2.4　74181电路分析 7
2.4.1　输入级电路分析 7
2.4.2　逻辑操作 7
2.4.3　算术操作 8
2.5　总结 9
第3章　Xilinx ISE WebPACK的安装与使用 10
3.1　课程设计目的 10
3.2　课程设计要求 10
3.3　ISE WebPACK的安装 11
3.4　创建项目 12
3.5　输入源程序 16
3.6　电路测试 19
3.7　综合报告 23
3.8　总结与改进 25
第4章　组合逻辑的设计与实例分析 26
4.1　课程设计目的 26
4.2　课程设计要求 26
4.3　硬件描述语言的描述层次 26
4.4　组合逻辑的硬件描述语言设计风格 28
4.4.1　VHDL语言组合逻辑的设计风格 28
4.4.2　Verilog语言组合逻辑的设计风格 29
4.5　桶型移位器 31
4.6　总结与改进 34
第5章　时序逻辑的设计与实例分析 35
5.1　课程设计目的 35
5.2　课程设计要求 35
5.3　D触发器的描述方法 35
5.3.1　D触发器的VHDL语言描述 36
5.3.2　D触发器的Verilog语言描述 37
5.4　序列检测器 38
5.4.1　序列检测器的VHDL语言描述 39
5.4.2　序列检测器的VHDL测试程序 41
5.4.3　序列检测器的Verilog语言描述 42
5.4.4　序列检测器的Verilog测试程序 43
5.5　自动售货机 44
5.6　总结与改进 48
第6章　HDCP中的密钥选择向量 49
6.1　课程设计目的 49
6.2　课程设计要求 49
6.3　HDCP简介 49
6.4　HDCP中的密钥向量选择算法 50
6.5　密钥选择向量算法的电路设计 51
6.6　密钥选择向量部件的硬件描述语言程序 53
6.7　密钥选择向量部件的测试程序 58
6.8　总结与改进 59
第7章　优先级编码器 61
7.1　课程设计目的 61
7.2　课程设计要求 61
7.3　优先级编码器 61
7.4　总结与改进 64
第8章　异步串行接口 66
8.1　课程设计目的 66
8.2　课程设计要求 66
8.3　异步串行接口基本原理 66
8.4　异步串行接口接收和发送原理 68
8.5　接收端的设计 68
8.6　发送部分的设计 71
8.7　总结与改进 72
第9章　散列表查找引擎 74
9.1　课程设计目的 74
9.2　课程设计要求 74
9.3　查找引擎的总体结构 74
9.4　软件硬件接口设计 77
9.5　查找引擎中的存储器 78
9.6　查找引擎有限状态机的设计 79
9.7　查找引擎数据路径的设计 80
9.8　软硬件联合验证 82
9.9　总结与改进 86
第10章　片上总线系统 87
10.1　课程设计目的 87
10.2　课程设计要求 87
10.3　片上总线基本原理 87
10.4　AHB的基本传输过程 89
10.5　猝发传输 90
10.6　系统设计要求 92
10.7　总线控制部分的设计 93
10.8　从设备的设计 94
10.9　主设备的设计 95
10.10　系统测试程序的设计 96
10.11　总结与改进 98
附录A　部分参考程序 100
附录B　电路图形符号对照表 138
参考文献 140

近年来，我国在计算机应用、计算机软件和电子类相关专业的人才培养方面，取得了长足的进展，每年的毕业生都有数十万人。但是这些毕业生走进企业、公司、政府机构或研究单位之后，往往深刻地感觉到缺乏实际开发设计项目的经验，不善于综合运用所学理论，对知识的把握缺乏融会贯通的能力。
　 综合考察目前高等院校教学大纲、课程设置以及内容安排等方面的情况，多数学校还是比较重视训练学生的实际设计能力。但是，从安排设计实践的内容上看，基本上是围绕相关课程教学内容而展开的，不能够构成对实际问题的解决方案；从配套程序的规模上看，一般只是几十行到几百行的源代码，或者是一个单独电路的设计，远远小于一个小型项目的规模；从设计的结构上看，由于设计实践是围绕着课程教学内容而进行的，问题已经高度抽象，学生很难得到有关综合运用所学知识的整体训练机会。而且，这些内容相对简单、问题域已经高度抽象、规模较小的设计实践一人基本上就能完成，学生几乎无法通过这些设计实践，去真正获得有关项目管理和团队协作等方面的基本训练和工作经验。
　 由此可以看出，大多数学校对学生实际设计能力的训练与国外知名大学和国内精品课程相比较，还是存在一些差距的。为此，机械工业出版社华章分社和一批高等院校的教师，针对当前高等院校计算机硬件、软件和电子类相关课程教学中存在的问题，参考国内外知名大学相关课程成功的教学经验，设计编写了这套“高等院校计算机课程设计指导丛书”，其目的就是通过课程设计的一系列训练，把知识获取和项目实践两个方面有机地结合起来。
　 在这套“高等院校计算机课程设计指导丛书”中的每一门课程设计里，都安排了由多个子项目组成的一个课程设计项目。学生们可以在教师的指导下，逐步设计实现这些子项目，并最终完成一个功能相对完整，可以运行的系统，其代码可以是数千行，甚至上万行。通过这种设计课程，学生一方面可以结合课程的教学内容循序渐进地进行设计方面的实践训练，另一方面，在参与一系列子项目的实践过程中，还能提高如何综合运用所学知识解决实际问题的能力，以及获得有关项目管理和团队合作等等众多方面的具体经验，增强对相关课程具体内容的理解和掌握能力，培养对整体课程知识综合运用和融会贯通能力。
　 参加丛书编写的各高等院校的教师都有着丰富的教学、科研，以及与企业合作开发项目等多方面的经验。每个课程设计中的子项目和整体项目，都来自教师们具体的科研和设计开发实践，所选设计项目与教学内容配合紧密，项目的难度与规模适宜。
　 最后，感谢机械工业出版社华章分社编辑们的大力支持，使出版有关这套丛书的计划，从单纯的构想演化成带有油墨芳香的真实。
　 丛书写作组