基於FSM和Verilog HDL的數字電路設計 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[英] 皮德.明斯等 著

圖書標籤:

• 數字電路設計
• FSM
• Verilog HDL
• 狀態機
• 硬件描述語言
• 可編程邏輯器件
• FPGA
• 數字係統設計
• 電路設計
• 電子工程

店鋪： 北京愛讀者圖書專營店

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111532927

商品編碼：29571803316

包裝：平裝

齣版時間：2016-06-01

基本信息

書名：基於FSM和Verilog HDL的數字電路設計

定價：120.00元

作者：皮德.明斯等

齣版社：機械工業齣版社

齣版日期：2016-06-01

ISBN：9787111532927

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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館配的重點書

內容提要

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本書介紹瞭基於有限狀態機（FSM）的數字電路硬件設計，通過結閤工程案例來展示FSM是如何融入其中的。同時，本書還運用硬件描述語言VerilogHDL，通過編寫可執行和仿真的代碼，讓讀者從實際應用的角度獲得一個完整的數字電路的設計思路。本書從設計方法，到編程語言，比較係統地介紹瞭數字電路的硬件設計，並結閤實際案例進行詳細的剖析。讀者能夠從本書中學到完整的設計思路，並可以藉鑒或整閤到自己的方案中，極大地方便瞭相關高校學生與專業人士的學習和運用。

目錄

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目錄
譯者序
原書前言
章有限狀態機和狀態圖以及數字電路和係統設計的基本概念
1.1概述
1.2學習資料
1.3小結
第2章使用狀態圖控製外部硬件分係統20
2.1概述
2.2學習資料
2.3小結
第3章根據狀態圖綜閤硬件電路
3.1關於FSM的綜閤
3.2學習資料
3.3小結
第4章同步FSM設計
4.1傳統狀態圖的綜閤方法
4.2處理未使用的狀態
4.3信號高/低位指示係統
4.3.1使用測試平颱測試FSM
4.4簡易波形發生器
4.4.1采樣頻率和每種波形的采樣個數
4.5骰子遊戲
4.5.1骰子遊戲係統公式
4.6二進製數據串行發送係統
4.6.1圖4.15移位寄存器裏的RE計數單元
4.7串行異步接收係統
4.7.1FSM公式
4.8加入奇偶校驗的串行接收係統
4.8.1整閤奇偶校驗83
4.8.2圖4.26對應的D觸發器公式
4.9異步串行發送係統
4.9.1異步串行發送係統公式
4.10看門狗電路
4.10.1D觸發器公式
4.10.2輸齣公式
4.11小結
第5章運用獨熱編碼技術設計FSM
5.1獨熱編碼簡介
5.2數據采集係統
5.3內存共享係統
5.4簡易波形發生器
5.4.1工作原理
5.4.2解決方案
5.4.3 D觸發器輸入端d對應的方程
5.4.4輸齣公式
5.5運用微處理器（微控製器）控製FSM
5.6存儲芯片測試係統
5.7獨熱編碼和第4章常規設計方法的對比
5.8動態存儲空間訪問控製係統
5.8.1觸發器公式
5.8.2輸齣公式
5.9如何運用微處理器來控製DMA係統
5.10使用FSM檢測連續的二進製序列
5.11小結
第6章Verilog HDL
6.1硬件描述語言背景介紹
6.2用Verilog HDL進行硬件建模：模塊
6.3模塊的嵌套：建立構架
6.4Verilog HDL仿真：一個完整的設計過程
參考文獻
第7章Verilog HDL體係
7.1內置基本單元和類
7.1.1Verilog的類
7.1.2Verilog邏輯值和數字值
7.1.3如何賦值
7.1.4Verilog HDL基本門電路
7.2操作符和描述語句
7.3Verilog HDL操作符運用案例：漢明碼編碼器
7.3.1漢明碼編碼器的仿真
參考文獻
第8章運用Verilog HDL描述組閤邏輯和時序邏輯
8.1描述數據流模式：迴顧連續賦值語句
8.2描述行為模式：時序模塊
8.3時序語句模塊：阻塞和非阻塞
8.3.1時序語句
8.4用時序模塊描述組閤邏輯
8.5用時序模塊描述時序邏輯
8.6描述存儲芯片
8.7描述FSM
8.7.1實例1：國際象棋比賽計時器
8.7.2實例2：帶有自動落鎖功能的密碼鎖FSM
參考文獻
第9章異步FSM
9.1概述
9.2事件觸發邏輯的設計
9.3使用時序公式綜閤事件FSM
9.3.1捷徑法則
9.4在可編程邏輯器件裏運用乘積求和公式的設計方法
9.4.1去掉當前狀態和下一個狀態的標記：n和n 1
9.5運用事件觸發的方法設計帶有指示功能的單脈衝發生器FSM
9.6另一個事件觸發FSM的完整案例
9.6.1重要說明
9.6.2帶有電流監視器的電機控製係統
9.7用FSM控製懸停式割草機
9.7.1係統描述和解決方案
9.8沒有輸入條件的狀態切換
9.9特例：微處理器地址空間響應
9.10運用米利（Mealy）型輸齣
9.10.1水箱水位控製係統的解決方案
9.11使用繼電器的電路
9.12事件觸發FSM裏競爭冒險的條件
9.12.1輸入信號之間的競爭
9.12.2二次狀態變量之間的競爭
9.12.3主要變量和二次變量之間的競爭
9.13用微處理器係統産生等待周期
9.14用異步FSM設計甩乾係統
9.15使用兩路分支要注意的問題
9.16小結
參考文獻
0章佩特裏（Petri）網絡
10.1簡易佩特裏網絡概述
10.2使用佩特裏網絡設計簡單時序邏輯
10.3並行佩特裏網絡
10.3.1另一個並行佩特裏網絡案例
10.4並行佩特裏網絡裏的同步傳輸
10.4.1弧綫的有效和失效
10.5用有效弧綫和失效弧綫同步兩個佩特裏網絡
10.6共享資源的控製
10.7二進製數據的串行接收器
10.7.1**個佩特裏網絡的公式
10.7.2**個佩特裏網絡輸齣公式
10.7.3主佩特裏網絡公式
10.7.4主網絡輸齣公式
10.7.5移位寄存器
10.7.6移位寄存器的公式
10.7.7 4位計數器
10.7.8數據鎖存器
10.8小結
參考文獻
附錄
附錄A本書所使用的邏輯門和布爾代數
A.1本書涉及的基本邏輯門符號和布爾代數錶達式
A.2異或門和同或門
A.3布爾代數法則
A.3.1基本或法則
A.3.2基本與法則
A.3.3結閤律和交換律
A.3.4分配律
A.3.5針對靜態邏輯1競爭冒險的輔助法則
A.3.6統一法則
A.3.7邏輯門裏信號的延遲效應
A.3.8De Morgan法則
A.4運用布爾代數的一些例子
A.4.1將與門和或門轉換成與非門
A.4.2將與門和或門轉換成或非門
A.4.3邏輯相鄰定律
A.5小結
附錄B計數器和移位寄存器電路設計方法
B.1同步二進製遞增或遞減計數器
B.2用T觸發器構建4位同步遞增計數器
B.3並行加載計數器：運用T觸發器
B.4在低成本PLD器件平颱上用D觸發器來構建並行加載計數器
B.5二進製遞增計數器：帶有並行輸入
B.6驅動計數器（包括FSM）的時鍾電路
B.7使用自由狀態設計計數器
B.8移位寄存器
B.9第4章裏的異步接收器
B.9.1異步接收器中用到的11位移位寄存器
B.9.2 4位計數器338
B.9.3第4章異步接收模塊的係統仿真
B.10小結
附錄C使用Verilog HDL仿真FSM
C.1概述
C.2單脈衝同步FSM設計：使用VerilogHDL仿真
C.2.1係統概述
C.2.2模塊框圖
C.2.3狀態圖
C.2.4狀態圖對應的公式
C.2.5Verilog描述代碼
C.3測試平颱和其存在的目的
C.4使用SynaptiCAD公司的VeriLoggerExtreme仿真器
C.5小結
附錄D運用Verilog行為模式構建FSM
D.1概述
D.2迴顧帶有指示功能的單脈衝/多脈衝發生器FSM
D.35.6節中存儲芯片測試係統
D.4小結

作者介紹

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文摘

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序言

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《基於FSM和Verilog HDL的數字電路設計：原理、實踐與應用》 引言 在當今高度數字化的世界裏，數字電路的設計與實現是信息技術發展的基石。從微小的嵌入式係統到龐大的高性能計算集群，無不依賴於精巧設計的數字電路。本書旨在為讀者提供一個深入理解和掌握基於有限狀態機（Finite State Machine, FSM）和Verilog硬件描述語言（Verilog HDL）的數字電路設計方法的全麵指南。我們不僅會剖析FSM的核心概念及其在數字係統中的關鍵作用，還會詳細闡述Verilog HDL的語法、結構以及如何在實際項目中應用它進行高效的電路設計和仿真。本書的最終目標是 equipping 讀者具備獨立完成復雜數字電路設計的能力，並為進一步探索更高級的數字係統設計技術奠定堅實的基礎。 第一部分：數字電路設計基礎與有限狀態機（FSM） 第一章：數字電路設計概述 本章將為讀者搭建一個堅實的數字電路設計認知框架。我們將從數字電路的基本構成元素——邏輯門（AND, OR, NOT, XOR等）齣發，介紹它們的功能原理和邏輯符號。隨後，我們將深入探討組閤邏輯電路（Combinational Logic Circuits）的設計思想，講解如何通過真值錶、卡諾圖等方法來優化邏輯錶達式，實現諸如加法器、譯碼器、多路選擇器等基本功能模塊。本章還將觸及順序邏輯電路（Sequential Logic Circuits）的概念，初步介紹觸發器（Flip-Flops）和鎖存器（Latches）作為存儲元件的意義，為後續FSM的學習做好鋪墊。同時，我們會簡要介紹數字係統設計的層次化方法，強調模塊化設計的重要性，以及不同抽象層次（行為級、寄存器傳輸級、門級）的概念，幫助讀者理解設計流程的宏觀圖景。 第二章：有限狀態機（FSM）的理論基礎 有限狀態機是描述和實現時序邏輯電路的強大工具。本章將係統地介紹FSM的理論概念。我們將詳細解析FSM的構成要素：狀態（States）、輸入（Inputs）、輸齣（Outputs）和狀態轉移（Transitions）。重點將放在兩種最常用的FSM模型：摩爾機（Moore Machine）和米利機（Mealy Machine）的原理和區彆。我們將深入分析它們的定義、狀態圖（State Diagrams）和狀態轉移錶（State Transition Tables）的繪製方法。通過具體的例子，例如簡單的交通燈控製器或序列檢測器，讀者將學會如何將實際問題抽象化為FSM模型。此外，本章還會討論FSM在處理異步（Asynchronous）和同步（Synchronous）事件時的行為差異，以及如何根據應用需求選擇閤適的FSM模型。 第三章：FSM的設計方法與狀態編碼 掌握瞭FSM的理論基礎後，本章將聚焦於實際的設計方法。我們將詳細介紹如何從需求規格轉化為FSM的狀態圖和狀態轉移錶。關鍵的設計流程包括：定義係統所需的狀態，確定狀態之間的轉移條件，以及為每個狀態和轉移定義相應的輸齣。其中，“狀態編碼”（State Encoding）是FSM實現中的一個重要環節，它直接影響到電路的麵積、速度和功耗。我們將介紹不同的狀態編碼技術，如獨熱碼（One-Hot Encoding）、二進製編碼（Binary Encoding）和格雷碼（Gray Code）編碼，並分析它們各自的優缺點。通過對比分析，讀者將學會如何在設計中權衡和選擇最適閤的狀態編碼策略。此外，本章還將討論FSM設計的常見陷阱，如冒險（Hazards）問題，並介紹規避這些問題的方法。 第二部分：Verilog HDL語言與電路實現 第四章：Verilog HDL入門 Verilog HDL是進行數字電路設計的標準語言之一。本章將為初學者提供一個全麵而循序漸進的Verilog HDL學習路徑。我們將從最基本的Verilog概念開始，介紹其數據類型（如`reg`, `wire`）、運算符（算術、邏輯、位運算符）和賦值語句（阻塞賦值`=`與非阻塞賦值`<=`）。接著，我們將講解Verilog模塊（`module`）的結構，包括端口聲明（`input`, `output`, `inout`）和端口連接。重點將放在行為級建模，介紹如何使用`always`塊來描述組閤邏輯和時序邏輯。讀者將學習如何利用`if-else`, `case`, `for`等結構來編寫Verilog代碼。本章還將介紹Verilog的實例化（Instantiation）概念，即如何將一個模塊用作另一個模塊的組件，體現瞭設計的模塊化思想。 第五章：使用Verilog HDL實現組閤邏輯電路 本章將展示如何利用Verilog HDL高效地實現各種組閤邏輯電路。我們將以常見的邏輯門為基礎，逐步過渡到更復雜的組閤功能模塊，如多路選擇器（Multiplexers）、數據選擇器、優先級編碼器、全加器、並行加法器等。我們將演示如何使用邏輯運算符直接描述邏輯功能，以及如何利用`assign`語句實現連續賦值。對於更復雜的組閤邏輯，我們將展示如何使用`always @()`塊來描述，並強調`always @()`塊與組閤邏輯之間的對應關係。此外，本章還將介紹如何通過Verilog實現數據通路（Datapath）的設計，例如ALU（Arithmetic Logic Unit）的設計，為後續的係統級設計打下基礎。 第六章：使用Verilog HDL實現順序邏輯電路與FSM 本章是將FSM理論轉化為實際Verilog代碼的關鍵。我們將詳細演示如何使用Verilog HDL實現前麵章節介紹的摩爾機和米利機。重點將放在如何使用`always @(posedge clk)`或`always @(negedge clk)`塊來描述同步時序邏輯，以及如何結閤`if`或`case`語句來實現狀態的轉移和輸齣的生成。我們將提供具體的Verilog代碼示例，展示如何從狀態轉移圖和狀態轉移錶中直接生成Verilog代碼。同時，我們將討論在Verilog中如何錶示狀態寄存器（State Register）以及如何處理復位（Reset）信號（同步復位與異步復位）。本章還將介紹如何對實現後的FSM進行仿真驗證，確保其功能正確性。 第七章：Verilog HDL的高級特性與綜閤 為瞭編寫更高效、更易於維護的Verilog代碼，本章將介紹一些高級特性。我們將深入講解`generate`語句的使用，它能夠實現參數化設計和代碼的重復實例化，極大地提高瞭設計的靈活性。此外，我們還將討論如何使用用戶自定義的參數（`parameter`）來創建可配置的模塊。本章還將觸及Verilog的同步信號（`clock`）和異步信號（`reset`）的處理，強調時鍾域（Clock Domain）的概念。一個非常重要的環節是“綜閤”（Synthesis），我們將解釋什麼是邏輯綜閤，以及綜閤工具（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）如何將Verilog代碼轉換為門級網錶。我們將討論在編寫Verilog代碼時需要注意的“可綜閤性”（Synthesizability）問題，避免使用那些綜閤工具無法理解的結構，以確保代碼能夠成功地映射到硬件。 第三部分：數字電路設計的實踐與應用 第八章：數字係統設計流程與仿真 本章將全麵梳理一個典型的數字電路設計流程，從需求分析、高層設計、RTL（Register-Transfer Level）編碼，到仿真驗證、邏輯綜閤、布局布綫（Place and Route），最後到硬件實現。我們將重點講解仿真（Simulation）在設計流程中的關鍵作用。讀者將學習如何使用Verilog的測試平颱（Testbench）來驗證設計的正確性。我們將介紹如何編寫結構化、可復用的測試平颱，如何生成激勵信號，以及如何使用時序檢查（Timing Checks）和斷言（Assertions）來提高驗證的效率和覆蓋率。本章還將討論不同的仿真工具（如ModelSim, VCS）及其使用方法。 第九章：基於FSM和Verilog的典型數字係統設計實例 理論學習最終要迴歸實踐。本章將通過一係列典型的數字係統設計實例，將前麵學到的FSM理論和Verilog HDL語言融會貫通。我們將設計諸如： 串口通信控製器（UART Controller）： 這是一個經典的異步通信模塊，涉及到狀態機對發送和接收數據的時序進行控製。 定時器/計數器： 實現可編程的定時和計數功能，通常需要FSM來管理不同的工作模式和時間基準。 簡單的內存控製器： 演示如何通過FSM控製讀寫操作，訪問內存設備。 自定義協議的解碼器： 例如，設計一個簡單的紅外遙控解碼器，需要FSM來識彆和解析特定的數據編碼。 每個實例都將包含詳細的需求分析、FSM設計（狀態圖、轉移錶）、Verilog HDL代碼實現、測試平颱編寫以及仿真驗證過程。通過這些具體的例子，讀者能夠深刻理解FSM和Verilog在實際項目中的應用價值，並學習如何解決設計過程中可能遇到的各種問題。 第十章：進階主題與未來展望 為瞭幫助讀者在數字電路設計領域持續成長，本章將簡要介紹一些進階主題。我們將初步探討低功耗設計（Low-Power Design）技術，包括時鍾門控（Clock Gating）和電源門控（Power Gating）的概念。此外，我們還會提及一些重要的驗證方法學，如UVM（Universal Verification Methodology）。最後，我們將展望數字電路設計領域的未來發展趨勢，例如對FPGA（Field-Programmable Gate Array）和ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）設計的深入理解，以及人工智能在芯片設計中的應用前景。本章旨在激發讀者的學習興趣，為他們指明進一步深入研究的方嚮。 結論 本書通過係統地闡述有限狀態機（FSM）的理論精髓，並結閤Verilog HDL這一強大的硬件描述語言，為讀者構建瞭一個紮實的數字電路設計知識體係。我們從基礎概念入手，逐步深入到FSM的設計方法、Verilog的語言特性、電路實現，再到實際的設計流程和典型應用實例。我們力求在理論與實踐之間找到最佳的平衡點，使讀者不僅能夠理解“是什麼”，更能掌握“怎麼做”。通過本書的學習，讀者將能夠自信地運用FSM和Verilog HDL進行各種數字電路的設計，並為應對未來更具挑戰性的數字係統設計任務做好充分的準備。

評分☆☆☆☆☆

《基於FSM和Verilog HDL的數字電路設計》這本書，對於我這樣希望係統性掌握數字電路設計知識的人來說，簡直是一場及時雨。Finite State Machine (FSM) 作為構建復雜數字邏輯係統的基石，其重要性不言而喻，而Verilog HDL作為實現這些邏輯的有力工具，更是現代電子工程師必備的技能。我特彆期待這本書能夠在這兩個方麵提供一個非常全麵和深入的講解。我希望不僅僅是概念的介紹，更希望能夠深入到FSM的各種類型（如Moore型和Mealy型），以及它們各自的優缺點和適用場景。在Verilog HDL方麵，我期待看到其在描述組閤邏輯和時序邏輯方麵的最佳實踐，以及如何編寫高效、可綜閤的代碼。更重要的是，我希望這本書能夠強調設計和驗證的重要性，如何通過Testbench來驗證設計的正確性，以及如何優化設計以滿足時序和麵積的要求。一本好的教材，不僅要傳授知識，更要培養解決問題的能力，而這本書似乎正具備這樣的潛力。

評分☆☆☆☆☆

這本書的標題本身就預示著一次深入的數字邏輯探索之旅。Finite State Machine (FSM) 是理解和設計許多數字係統的核心，而Verilog HDL則是實現這些設計的強大工具。我非常看重的是，這本書是否能夠提供清晰且易於理解的 FSM 設計流程，從抽象的狀態機概念，到具體的邏輯實現。我期望書中能夠詳細闡述不同類型的 FSM，例如 Moore 型和 Mealy 型，以及它們在不同應用場景下的選擇和實現細節。同時，對於 Verilog HDL 的講解，我希望它不僅僅是語法層麵的介紹，更能涵蓋實際設計中的最佳實踐，例如如何編寫可讀性高、易於維護和仿真的代碼，以及如何有效地使用 Verilog HDL 進行時序電路和組閤電路的設計。一本優秀的教材，應該能夠激發讀者的興趣，並引導他們逐步掌握復雜的概念。我期待這本書能夠做到這一點，讓我能夠自信地運用 FSM 和 Verilog HDL 來解決實際的數字電路設計問題。

評分☆☆☆☆☆

這本書的齣現，讓我對學習數字電路設計這件事充滿瞭期待。一直以來，我對電子技術都抱有濃厚的興趣，但總感覺缺乏一個清晰的指引，尤其是在涉及到FSM和Verilog HDL這樣的核心技術時。這本書的標題正是我所需要的，它精準地概括瞭學習的重點，讓我知道該從哪裏入手，如何構建我對於數字電路設計的完整認知。我尤其看重的是，書中是否能夠提供足夠多的實例和案例分析。畢竟，理論知識的掌握固然重要，但將這些理論轉化為實際的設計能力，纔是學習的最終目的。我希望書中能夠通過大量的實例，展示FSM在實際數字電路設計中的應用，例如在通信係統、嵌入式控製器等領域，讓我能夠看到理論的落地之處。同時，對於Verilog HDL的講解，我也期待其能夠不僅僅停留在語法的層麵，更能深入到設計方法學、仿真驗證等實踐環節，讓我能夠真正上手，體驗到從設計到仿真的完整流程。這本書的引入，讓我感覺自己離數字電路設計的世界又近瞭一步。

評分☆☆☆☆☆

一本真正能夠引導我踏入數字電路設計殿堂的佳作！當我在書架上瞥見《基於FSM和Verilog HDL的數字電路設計》時，一種莫名的親切感油然而生。它不僅僅是一個標題，更像是一盞指路明燈，承諾著將我從概念的迷霧中解脫齣來，引領我走進那些嚴謹而又充滿創造力的數字邏輯世界。作者的筆觸，細膩且富有洞察力，仿佛是一位經驗豐富的導師，循循善誘地講解著有限狀態機（FSM）這一核心概念。我期待著能夠清晰地理解FSM的狀態轉移、狀態編碼以及如何將其轉化為實際可執行的硬件描述。同時，Verilog HDL作為現代數字電路設計的標準語言，其重要性不言而喻。我希望這本書能夠深入淺齣地介紹Verilog HDL的語法、設計風格以及如何利用它來實現復雜的數字係統。從最基礎的門電路到更復雜的時序邏輯，我期待著每一個章節都能帶來紮實的基礎知識和實踐技巧，讓我能夠真正掌握如何使用Verilog HDL來描述和驗證我的設計。這本書的齣現，無疑為我學習數字電路設計提供瞭一個絕佳的起點。

評分☆☆☆☆☆

我一直以來都對電子工程領域充滿好奇，尤其是那些能夠驅動現代科技的“幕後英雄”——數字電路。當我在書店裏看到《基於FSM和Verilog HDL的數字電路設計》這本書時，立刻被它所吸引。Finite State Machine（FSM）是設計復雜數字係統的關鍵，而Verilog HDL則是將這些設計轉化為實際硬件的語言。我迫切地希望這本書能夠幫助我深入理解FSM的設計原理，包括如何構建狀態圖、狀態轉換錶，以及如何將它們高效地映射到Verilog HDL代碼中。更重要的是，我希望通過這本書，能夠掌握Verilog HDL在實際項目中的應用技巧，例如如何編寫模塊化的代碼、如何進行時序約束、以及如何進行仿真和綜閤。這本書的齣現，為我提供瞭一個絕佳的學習平颱，讓我能夠係統地學習並實踐數字電路設計的核心技術，為我未來的學習和職業發展打下堅實的基礎。