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[英] 皮德.明斯等 著

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• 数字电路设计
• FSM
• Verilog HDL
• 状态机
• 硬件描述语言
• 可编程逻辑器件
• FPGA
• 数字系统设计
• 电路设计
• 电子工程

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111532927

商品编码：29571803316

包装：平装

出版时间：2016-06-01

基本信息

书名：基于FSM和Verilog HDL的数字电路设计

定价：120.00元

作者：皮德.明斯等

出版社：机械工业出版社

出版日期：2016-06-01

ISBN：9787111532927

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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馆配的重点书

内容提要

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本书介绍了基于有限状态机（FSM）的数字电路硬件设计，通过结合工程案例来展示FSM是如何融入其中的。同时，本书还运用硬件描述语言VerilogHDL，通过编写可执行和仿真的代码，让读者从实际应用的角度获得一个完整的数字电路的设计思路。本书从设计方法，到编程语言，比较系统地介绍了数字电路的硬件设计，并结合实际案例进行详细的剖析。读者能够从本书中学到完整的设计思路，并可以借鉴或整合到自己的方案中，极大地方便了相关高校学生与专业人士的学习和运用。

目录

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目录
译者序
原书前言
章有限状态机和状态图以及数字电路和系统设计的基本概念
1.1概述
1.2学习资料
1.3小结
第2章使用状态图控制外部硬件分系统20
2.1概述
2.2学习资料
2.3小结
第3章根据状态图综合硬件电路
3.1关于FSM的综合
3.2学习资料
3.3小结
第4章同步FSM设计
4.1传统状态图的综合方法
4.2处理未使用的状态
4.3信号高/低位指示系统
4.3.1使用测试平台测试FSM
4.4简易波形发生器
4.4.1采样频率和每种波形的采样个数
4.5骰子游戏
4.5.1骰子游戏系统公式
4.6二进制数据串行发送系统
4.6.1图4.15移位寄存器里的RE计数单元
4.7串行异步接收系统
4.7.1FSM公式
4.8加入奇偶校验的串行接收系统
4.8.1整合奇偶校验83
4.8.2图4.26对应的D触发器公式
4.9异步串行发送系统
4.9.1异步串行发送系统公式
4.10看门狗电路
4.10.1D触发器公式
4.10.2输出公式
4.11小结
第5章运用独热编码技术设计FSM
5.1独热编码简介
5.2数据采集系统
5.3内存共享系统
5.4简易波形发生器
5.4.1工作原理
5.4.2解决方案
5.4.3 D触发器输入端d对应的方程
5.4.4输出公式
5.5运用微处理器（微控制器）控制FSM
5.6存储芯片测试系统
5.7独热编码和第4章常规设计方法的对比
5.8动态存储空间访问控制系统
5.8.1触发器公式
5.8.2输出公式
5.9如何运用微处理器来控制DMA系统
5.10使用FSM检测连续的二进制序列
5.11小结
第6章Verilog HDL
6.1硬件描述语言背景介绍
6.2用Verilog HDL进行硬件建模：模块
6.3模块的嵌套：建立构架
6.4Verilog HDL仿真：一个完整的设计过程
参考文献
第7章Verilog HDL体系
7.1内置基本单元和类
7.1.1Verilog的类
7.1.2Verilog逻辑值和数字值
7.1.3如何赋值
7.1.4Verilog HDL基本门电路
7.2操作符和描述语句
7.3Verilog HDL操作符运用案例：汉明码编码器
7.3.1汉明码编码器的仿真
参考文献
第8章运用Verilog HDL描述组合逻辑和时序逻辑
8.1描述数据流模式：回顾连续赋值语句
8.2描述行为模式：时序模块
8.3时序语句模块：阻塞和非阻塞
8.3.1时序语句
8.4用时序模块描述组合逻辑
8.5用时序模块描述时序逻辑
8.6描述存储芯片
8.7描述FSM
8.7.1实例1：国际象棋比赛计时器
8.7.2实例2：带有自动落锁功能的密码锁FSM
参考文献
第9章异步FSM
9.1概述
9.2事件触发逻辑的设计
9.3使用时序公式综合事件FSM
9.3.1捷径法则
9.4在可编程逻辑器件里运用乘积求和公式的设计方法
9.4.1去掉当前状态和下一个状态的标记：n和n 1
9.5运用事件触发的方法设计带有指示功能的单脉冲发生器FSM
9.6另一个事件触发FSM的完整案例
9.6.1重要说明
9.6.2带有电流监视器的电机控制系统
9.7用FSM控制悬停式割草机
9.7.1系统描述和解决方案
9.8没有输入条件的状态切换
9.9特例：微处理器地址空间响应
9.10运用米利（Mealy）型输出
9.10.1水箱水位控制系统的解决方案
9.11使用继电器的电路
9.12事件触发FSM里竞争冒险的条件
9.12.1输入信号之间的竞争
9.12.2二次状态变量之间的竞争
9.12.3主要变量和二次变量之间的竞争
9.13用微处理器系统产生等待周期
9.14用异步FSM设计甩干系统
9.15使用两路分支要注意的问题
9.16小结
参考文献
0章佩特里（Petri）网络
10.1简易佩特里网络概述
10.2使用佩特里网络设计简单时序逻辑
10.3并行佩特里网络
10.3.1另一个并行佩特里网络案例
10.4并行佩特里网络里的同步传输
10.4.1弧线的有效和失效
10.5用有效弧线和失效弧线同步两个佩特里网络
10.6共享资源的控制
10.7二进制数据的串行接收器
10.7.1**个佩特里网络的公式
10.7.2**个佩特里网络输出公式
10.7.3主佩特里网络公式
10.7.4主网络输出公式
10.7.5移位寄存器
10.7.6移位寄存器的公式
10.7.7 4位计数器
10.7.8数据锁存器
10.8小结
参考文献
附录
附录A本书所使用的逻辑门和布尔代数
A.1本书涉及的基本逻辑门符号和布尔代数表达式
A.2异或门和同或门
A.3布尔代数法则
A.3.1基本或法则
A.3.2基本与法则
A.3.3结合律和交换律
A.3.4分配律
A.3.5针对静态逻辑1竞争冒险的辅助法则
A.3.6统一法则
A.3.7逻辑门里信号的延迟效应
A.3.8De Morgan法则
A.4运用布尔代数的一些例子
A.4.1将与门和或门转换成与非门
A.4.2将与门和或门转换成或非门
A.4.3逻辑相邻定律
A.5小结
附录B计数器和移位寄存器电路设计方法
B.1同步二进制递增或递减计数器
B.2用T触发器构建4位同步递增计数器
B.3并行加载计数器：运用T触发器
B.4在低成本PLD器件平台上用D触发器来构建并行加载计数器
B.5二进制递增计数器：带有并行输入
B.6驱动计数器（包括FSM）的时钟电路
B.7使用自由状态设计计数器
B.8移位寄存器
B.9第4章里的异步接收器
B.9.1异步接收器中用到的11位移位寄存器
B.9.2 4位计数器338
B.9.3第4章异步接收模块的系统仿真
B.10小结
附录C使用Verilog HDL仿真FSM
C.1概述
C.2单脉冲同步FSM设计：使用VerilogHDL仿真
C.2.1系统概述
C.2.2模块框图
C.2.3状态图
C.2.4状态图对应的公式
C.2.5Verilog描述代码
C.3测试平台和其存在的目的
C.4使用SynaptiCAD公司的VeriLoggerExtreme仿真器
C.5小结
附录D运用Verilog行为模式构建FSM
D.1概述
D.2回顾带有指示功能的单脉冲/多脉冲发生器FSM
D.35.6节中存储芯片测试系统
D.4小结

作者介绍

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文摘

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序言

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《基于FSM和Verilog HDL的数字电路设计：原理、实践与应用》 引言 在当今高度数字化的世界里，数字电路的设计与实现是信息技术发展的基石。从微小的嵌入式系统到庞大的高性能计算集群，无不依赖于精巧设计的数字电路。本书旨在为读者提供一个深入理解和掌握基于有限状态机（Finite State Machine, FSM）和Verilog硬件描述语言（Verilog HDL）的数字电路设计方法的全面指南。我们不仅会剖析FSM的核心概念及其在数字系统中的关键作用，还会详细阐述Verilog HDL的语法、结构以及如何在实际项目中应用它进行高效的电路设计和仿真。本书的最终目标是 equipping 读者具备独立完成复杂数字电路设计的能力，并为进一步探索更高级的数字系统设计技术奠定坚实的基础。 第一部分：数字电路设计基础与有限状态机（FSM） 第一章：数字电路设计概述 本章将为读者搭建一个坚实的数字电路设计认知框架。我们将从数字电路的基本构成元素——逻辑门（AND, OR, NOT, XOR等）出发，介绍它们的功能原理和逻辑符号。随后，我们将深入探讨组合逻辑电路（Combinational Logic Circuits）的设计思想，讲解如何通过真值表、卡诺图等方法来优化逻辑表达式，实现诸如加法器、译码器、多路选择器等基本功能模块。本章还将触及顺序逻辑电路（Sequential Logic Circuits）的概念，初步介绍触发器（Flip-Flops）和锁存器（Latches）作为存储元件的意义，为后续FSM的学习做好铺垫。同时，我们会简要介绍数字系统设计的层次化方法，强调模块化设计的重要性，以及不同抽象层次（行为级、寄存器传输级、门级）的概念，帮助读者理解设计流程的宏观图景。 第二章：有限状态机（FSM）的理论基础 有限状态机是描述和实现时序逻辑电路的强大工具。本章将系统地介绍FSM的理论概念。我们将详细解析FSM的构成要素：状态（States）、输入（Inputs）、输出（Outputs）和状态转移（Transitions）。重点将放在两种最常用的FSM模型：摩尔机（Moore Machine）和米利机（Mealy Machine）的原理和区别。我们将深入分析它们的定义、状态图（State Diagrams）和状态转移表（State Transition Tables）的绘制方法。通过具体的例子，例如简单的交通灯控制器或序列检测器，读者将学会如何将实际问题抽象化为FSM模型。此外，本章还会讨论FSM在处理异步（Asynchronous）和同步（Synchronous）事件时的行为差异，以及如何根据应用需求选择合适的FSM模型。 第三章：FSM的设计方法与状态编码 掌握了FSM的理论基础后，本章将聚焦于实际的设计方法。我们将详细介绍如何从需求规格转化为FSM的状态图和状态转移表。关键的设计流程包括：定义系统所需的状态，确定状态之间的转移条件，以及为每个状态和转移定义相应的输出。其中，“状态编码”（State Encoding）是FSM实现中的一个重要环节，它直接影响到电路的面积、速度和功耗。我们将介绍不同的状态编码技术，如独热码（One-Hot Encoding）、二进制编码（Binary Encoding）和格雷码（Gray Code）编码，并分析它们各自的优缺点。通过对比分析，读者将学会如何在设计中权衡和选择最适合的状态编码策略。此外，本章还将讨论FSM设计的常见陷阱，如冒险（Hazards）问题，并介绍规避这些问题的方法。 第二部分：Verilog HDL语言与电路实现 第四章：Verilog HDL入门 Verilog HDL是进行数字电路设计的标准语言之一。本章将为初学者提供一个全面而循序渐进的Verilog HDL学习路径。我们将从最基本的Verilog概念开始，介绍其数据类型（如`reg`, `wire`）、运算符（算术、逻辑、位运算符）和赋值语句（阻塞赋值`=`与非阻塞赋值`<=`）。接着，我们将讲解Verilog模块（`module`）的结构，包括端口声明（`input`, `output`, `inout`）和端口连接。重点将放在行为级建模，介绍如何使用`always`块来描述组合逻辑和时序逻辑。读者将学习如何利用`if-else`, `case`, `for`等结构来编写Verilog代码。本章还将介绍Verilog的实例化（Instantiation）概念，即如何将一个模块用作另一个模块的组件，体现了设计的模块化思想。 第五章：使用Verilog HDL实现组合逻辑电路 本章将展示如何利用Verilog HDL高效地实现各种组合逻辑电路。我们将以常见的逻辑门为基础，逐步过渡到更复杂的组合功能模块，如多路选择器（Multiplexers）、数据选择器、优先级编码器、全加器、并行加法器等。我们将演示如何使用逻辑运算符直接描述逻辑功能，以及如何利用`assign`语句实现连续赋值。对于更复杂的组合逻辑，我们将展示如何使用`always @()`块来描述，并强调`always @()`块与组合逻辑之间的对应关系。此外，本章还将介绍如何通过Verilog实现数据通路（Datapath）的设计，例如ALU（Arithmetic Logic Unit）的设计，为后续的系统级设计打下基础。 第六章：使用Verilog HDL实现顺序逻辑电路与FSM 本章是将FSM理论转化为实际Verilog代码的关键。我们将详细演示如何使用Verilog HDL实现前面章节介绍的摩尔机和米利机。重点将放在如何使用`always @(posedge clk)`或`always @(negedge clk)`块来描述同步时序逻辑，以及如何结合`if`或`case`语句来实现状态的转移和输出的生成。我们将提供具体的Verilog代码示例，展示如何从状态转移图和状态转移表中直接生成Verilog代码。同时，我们将讨论在Verilog中如何表示状态寄存器（State Register）以及如何处理复位（Reset）信号（同步复位与异步复位）。本章还将介绍如何对实现后的FSM进行仿真验证，确保其功能正确性。 第七章：Verilog HDL的高级特性与综合 为了编写更高效、更易于维护的Verilog代码，本章将介绍一些高级特性。我们将深入讲解`generate`语句的使用，它能够实现参数化设计和代码的重复实例化，极大地提高了设计的灵活性。此外，我们还将讨论如何使用用户自定义的参数（`parameter`）来创建可配置的模块。本章还将触及Verilog的同步信号（`clock`）和异步信号（`reset`）的处理，强调时钟域（Clock Domain）的概念。一个非常重要的环节是“综合”（Synthesis），我们将解释什么是逻辑综合，以及综合工具（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）如何将Verilog代码转换为门级网表。我们将讨论在编写Verilog代码时需要注意的“可综合性”（Synthesizability）问题，避免使用那些综合工具无法理解的结构，以确保代码能够成功地映射到硬件。 第三部分：数字电路设计的实践与应用 第八章：数字系统设计流程与仿真 本章将全面梳理一个典型的数字电路设计流程，从需求分析、高层设计、RTL（Register-Transfer Level）编码，到仿真验证、逻辑综合、布局布线（Place and Route），最后到硬件实现。我们将重点讲解仿真（Simulation）在设计流程中的关键作用。读者将学习如何使用Verilog的测试平台（Testbench）来验证设计的正确性。我们将介绍如何编写结构化、可复用的测试平台，如何生成激励信号，以及如何使用时序检查（Timing Checks）和断言（Assertions）来提高验证的效率和覆盖率。本章还将讨论不同的仿真工具（如ModelSim, VCS）及其使用方法。 第九章：基于FSM和Verilog的典型数字系统设计实例 理论学习最终要回归实践。本章将通过一系列典型的数字系统设计实例，将前面学到的FSM理论和Verilog HDL语言融会贯通。我们将设计诸如： 串口通信控制器（UART Controller）： 这是一个经典的异步通信模块，涉及到状态机对发送和接收数据的时序进行控制。 定时器/计数器： 实现可编程的定时和计数功能，通常需要FSM来管理不同的工作模式和时间基准。 简单的内存控制器： 演示如何通过FSM控制读写操作，访问内存设备。 自定义协议的解码器： 例如，设计一个简单的红外遥控解码器，需要FSM来识别和解析特定的数据编码。 每个实例都将包含详细的需求分析、FSM设计（状态图、转移表）、Verilog HDL代码实现、测试平台编写以及仿真验证过程。通过这些具体的例子，读者能够深刻理解FSM和Verilog在实际项目中的应用价值，并学习如何解决设计过程中可能遇到的各种问题。 第十章：进阶主题与未来展望 为了帮助读者在数字电路设计领域持续成长，本章将简要介绍一些进阶主题。我们将初步探讨低功耗设计（Low-Power Design）技术，包括时钟门控（Clock Gating）和电源门控（Power Gating）的概念。此外，我们还会提及一些重要的验证方法学，如UVM（Universal Verification Methodology）。最后，我们将展望数字电路设计领域的未来发展趋势，例如对FPGA（Field-Programmable Gate Array）和ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）设计的深入理解，以及人工智能在芯片设计中的应用前景。本章旨在激发读者的学习兴趣，为他们指明进一步深入研究的方向。 结论 本书通过系统地阐述有限状态机（FSM）的理论精髓，并结合Verilog HDL这一强大的硬件描述语言，为读者构建了一个扎实的数字电路设计知识体系。我们从基础概念入手，逐步深入到FSM的设计方法、Verilog的语言特性、电路实现，再到实际的设计流程和典型应用实例。我们力求在理论与实践之间找到最佳的平衡点，使读者不仅能够理解“是什么”，更能掌握“怎么做”。通过本书的学习，读者将能够自信地运用FSM和Verilog HDL进行各种数字电路的设计，并为应对未来更具挑战性的数字系统设计任务做好充分的准备。

评分☆☆☆☆☆

我一直以来都对电子工程领域充满好奇，尤其是那些能够驱动现代科技的“幕后英雄”——数字电路。当我在书店里看到《基于FSM和Verilog HDL的数字电路设计》这本书时，立刻被它所吸引。Finite State Machine（FSM）是设计复杂数字系统的关键，而Verilog HDL则是将这些设计转化为实际硬件的语言。我迫切地希望这本书能够帮助我深入理解FSM的设计原理，包括如何构建状态图、状态转换表，以及如何将它们高效地映射到Verilog HDL代码中。更重要的是，我希望通过这本书，能够掌握Verilog HDL在实际项目中的应用技巧，例如如何编写模块化的代码、如何进行时序约束、以及如何进行仿真和综合。这本书的出现，为我提供了一个绝佳的学习平台，让我能够系统地学习并实践数字电路设计的核心技术，为我未来的学习和职业发展打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

《基于FSM和Verilog HDL的数字电路设计》这本书，对于我这样希望系统性掌握数字电路设计知识的人来说，简直是一场及时雨。Finite State Machine (FSM) 作为构建复杂数字逻辑系统的基石，其重要性不言而喻，而Verilog HDL作为实现这些逻辑的有力工具，更是现代电子工程师必备的技能。我特别期待这本书能够在这两个方面提供一个非常全面和深入的讲解。我希望不仅仅是概念的介绍，更希望能够深入到FSM的各种类型（如Moore型和Mealy型），以及它们各自的优缺点和适用场景。在Verilog HDL方面，我期待看到其在描述组合逻辑和时序逻辑方面的最佳实践，以及如何编写高效、可综合的代码。更重要的是，我希望这本书能够强调设计和验证的重要性，如何通过Testbench来验证设计的正确性，以及如何优化设计以满足时序和面积的要求。一本好的教材，不仅要传授知识，更要培养解决问题的能力，而这本书似乎正具备这样的潜力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题本身就预示着一次深入的数字逻辑探索之旅。Finite State Machine (FSM) 是理解和设计许多数字系统的核心，而Verilog HDL则是实现这些设计的强大工具。我非常看重的是，这本书是否能够提供清晰且易于理解的 FSM 设计流程，从抽象的状态机概念，到具体的逻辑实现。我期望书中能够详细阐述不同类型的 FSM，例如 Moore 型和 Mealy 型，以及它们在不同应用场景下的选择和实现细节。同时，对于 Verilog HDL 的讲解，我希望它不仅仅是语法层面的介绍，更能涵盖实际设计中的最佳实践，例如如何编写可读性高、易于维护和仿真的代码，以及如何有效地使用 Verilog HDL 进行时序电路和组合电路的设计。一本优秀的教材，应该能够激发读者的兴趣，并引导他们逐步掌握复杂的概念。我期待这本书能够做到这一点，让我能够自信地运用 FSM 和 Verilog HDL 来解决实际的数字电路设计问题。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，让我对学习数字电路设计这件事充满了期待。一直以来，我对电子技术都抱有浓厚的兴趣，但总感觉缺乏一个清晰的指引，尤其是在涉及到FSM和Verilog HDL这样的核心技术时。这本书的标题正是我所需要的，它精准地概括了学习的重点，让我知道该从哪里入手，如何构建我对于数字电路设计的完整认知。我尤其看重的是，书中是否能够提供足够多的实例和案例分析。毕竟，理论知识的掌握固然重要，但将这些理论转化为实际的设计能力，才是学习的最终目的。我希望书中能够通过大量的实例，展示FSM在实际数字电路设计中的应用，例如在通信系统、嵌入式控制器等领域，让我能够看到理论的落地之处。同时，对于Verilog HDL的讲解，我也期待其能够不仅仅停留在语法的层面，更能深入到设计方法学、仿真验证等实践环节，让我能够真正上手，体验到从设计到仿真的完整流程。这本书的引入，让我感觉自己离数字电路设计的世界又近了一步。

评分☆☆☆☆☆

一本真正能够引导我踏入数字电路设计殿堂的佳作！当我在书架上瞥见《基于FSM和Verilog HDL的数字电路设计》时，一种莫名的亲切感油然而生。它不仅仅是一个标题，更像是一盏指路明灯，承诺着将我从概念的迷雾中解脱出来，引领我走进那些严谨而又充满创造力的数字逻辑世界。作者的笔触，细腻且富有洞察力，仿佛是一位经验丰富的导师，循循善诱地讲解着有限状态机（FSM）这一核心概念。我期待着能够清晰地理解FSM的状态转移、状态编码以及如何将其转化为实际可执行的硬件描述。同时，Verilog HDL作为现代数字电路设计的标准语言，其重要性不言而喻。我希望这本书能够深入浅出地介绍Verilog HDL的语法、设计风格以及如何利用它来实现复杂的数字系统。从最基础的门电路到更复杂的时序逻辑，我期待着每一个章节都能带来扎实的基础知识和实践技巧，让我能够真正掌握如何使用Verilog HDL来描述和验证我的设计。这本书的出现，无疑为我学习数字电路设计提供了一个绝佳的起点。