現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐

第1章 現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)導(dǎo)論 1
1.1 硬件平臺(tái) 1
1.2 軟件平臺(tái) 17
第2章 現(xiàn)代數(shù)字電路基礎(chǔ) 22
2.1 基本邏輯門(mén)和CMOS電路 22
2.1.1 反相器和CMOS電路 23
2.1.2 基本邏輯單元 26
2.2 輸入和輸出 30
2.2.1 端口I/O標(biāo)準(zhǔn) 30
2.2.2 邏輯值和噪聲容限 39
2.2.3 漏極開(kāi)路輸出(OD)和集電極開(kāi)路輸出(OC) 40
2.2.4 端口的上拉和下拉電阻 41
2.3 布爾代數(shù) 45
2.3.1 基礎(chǔ)知識(shí) 45
2.3.2 德摩根定律 48
2.3.3 異或邏輯 48
2.3.4 香農(nóng)擴(kuò)展 50
2.3.5 布爾空間 50
2.3.6 積之和與和之積以及非全配邏輯 53
2.3.7 邏輯化簡(jiǎn) 55
2.4 習(xí) 題 81
2.5 參考文獻(xiàn) 83
第3章 硬件描述語(yǔ)言入門(mén) 84
3.1 數(shù)字電子設(shè)計(jì)概述 84
3.2 硬件描述語(yǔ)言 87
3.3 自上而下和層次化 96
3.4 數(shù)據(jù)流—行為—結(jié)構(gòu)化 106
3.4.1 組合邏輯例一:二選一多路器的數(shù)據(jù)流描述 107
3.4.2 組合邏輯例二:二選一多路器的行為描述 109
3.4.3 組合邏輯例三:二選一多路器的結(jié)構(gòu)化描述 112
3.4.4 時(shí)序邏輯例一:鎖存器和觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)化描述 115
3.4.5 時(shí)序邏輯例二:鎖存器和觸發(fā)器的行為描述 121
3.5 信號(hào)延遲 125
3.6 內(nèi)部信號(hào) 128
3.7 可定參設(shè)計(jì) 132
3.8 數(shù)據(jù)類(lèi)型 136
3.9 代碼模型分析 147
3.9.1 代碼模型分析例一:七段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路和Verilog顯式建模 148
3.9.2 代碼模型分析例二:七段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路和VHDL顯式建模 156
3.10 順序框架 166
3.11 循環(huán)框架和循環(huán)語(yǔ)句 171
3.12 驗(yàn) 證 180
3.12.1 驗(yàn)證的理論和方法 180
3.12.2 驗(yàn)證工具和操作流程 181
3.13 習(xí) 題 188
3.14 參考文獻(xiàn) 191
第4章 有限狀態(tài)機(jī) 193
4.1 有限狀態(tài)機(jī)理論 193
4.2 有限狀態(tài)機(jī)中的同步電路背景知識(shí) 197
4.3 有限狀態(tài)機(jī)的編碼描述 198
4.3.1 有限狀態(tài)機(jī)的一段式描述 199
4.3.2 有限狀態(tài)機(jī)的二段式描述 200
4.3.3 有限狀態(tài)機(jī)的三段式描述 201
4.4 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 203
4.5 有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)例子:參數(shù)可定制分頻器 208
4.5.1 基于轉(zhuǎn)移觀點(diǎn)的FSM_1S編碼米利機(jī)設(shè)計(jì)方案 209
4.5.2 基于狀態(tài)觀點(diǎn)的FSM_1S編碼米利機(jī)設(shè)計(jì)方案 212
4.5.3 基于轉(zhuǎn)移觀點(diǎn)的FSM_3S編碼米利機(jī)設(shè)計(jì)方案 216
4.5.4 基于轉(zhuǎn)移觀點(diǎn)的FSM_2S編碼米利機(jī)外置計(jì)數(shù)方案 220
4.5.5 基于狀態(tài)觀點(diǎn)的FSM_2S編碼米利機(jī)外置計(jì)數(shù)方案 223
4.5.6 基于轉(zhuǎn)移觀點(diǎn)的FSM_1S編碼米利機(jī)外置計(jì)數(shù)方案 227
4.5.7 基于轉(zhuǎn)移觀點(diǎn)的FSM_1S編碼摩爾機(jī)外置計(jì)數(shù)方案 231
4.6 有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)例子:自動(dòng)售貨機(jī) 235
4.6.1 采用CN_Mealy_EBD方案的設(shè)計(jì)例子 236
4.6.2 采用CN_Mealy_NBD方案的設(shè)計(jì)例子 241
4.6.3 采用CN_Moore_NBD方案的設(shè)計(jì)例子 244
4.6.4 采用ON_Mealy_NBD方案的設(shè)計(jì)例子 246
4.6.5 采用ON_Moore_NBD方案的設(shè)計(jì)例子 249
4.7 多種方案的總結(jié) 251
4.8 狀態(tài)轉(zhuǎn)移表(鍵盤(pán)去抖電路設(shè)計(jì)例子) 253
4.9 算法機(jī)和算法流程圖 259
4.10 線性序列機(jī) 265
4.10.1 線性序列機(jī)例子:周期信號(hào)發(fā)生器 269
4.10.2 線性序列機(jī)例子:LPM 分頻器 271
4.10.3 線性序列機(jī)例子:UART接收器 273
4.11 習(xí) 題 277
4.12 參考文獻(xiàn) 280
第5章 同步電路基礎(chǔ) 281
5.1 同步電路的概念 281
5.1.1 提高速度 281
5.1.2 避免毛刺 284
5.2 激勵(lì)和響應(yīng) 284
5.3 同步機(jī)制 286
5.4 同步翻轉(zhuǎn)噪聲和功耗 287
5.5 時(shí)鐘偏斜和時(shí)鐘抖動(dòng) 288
5.6 同步電路的節(jié)點(diǎn) 289
5.6.1 使用行為語(yǔ)句描述節(jié)點(diǎn) 290
5.6.2 閉節(jié)點(diǎn) 291
5.6.3 開(kāi)節(jié)點(diǎn) 292
5.6.4 空節(jié)點(diǎn) 292
5.6.5 節(jié)點(diǎn)的等效 293
5.7 同步信號(hào) 301
5.8 同步電路的離散信號(hào)分析 302
5.8.1 原則和概念 303
5.8.2 應(yīng)用例子 304
5.8.3 使用節(jié)拍流程圖進(jìn)行節(jié)拍分析 308
5.8.4 單拍矢量的閉節(jié)點(diǎn)分析和零拍矢量的開(kāi)節(jié)點(diǎn)分析 312
5.8.5 節(jié)拍間隔控制 320
5.8.6 使用TPS的設(shè)計(jì)例子:脈沖寬度調(diào)制器 335
5.9 同步電路的連續(xù)信號(hào)分析 351
5.9.1 節(jié)點(diǎn)中的電平敏感邏輯與工作速度的關(guān)系 351
5.9.2 節(jié)點(diǎn)中的寄存器與工作速度的關(guān)系 352
5.9.3 時(shí)序設(shè)計(jì)概述 353
5.9.4 約會(huì)謎題和靜態(tài)時(shí)序定律 355
5.9.5 靜態(tài)時(shí)序分析 358
5.9.6 節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘輸出延遲tco 358
5.9.7 基于節(jié)點(diǎn)的最短周期與最高頻率 360
5.9.8 基于節(jié)點(diǎn)的建立時(shí)間tsu 和保持時(shí)間th 361
5.9.9 時(shí)序檢查 362
5.9.10 相同時(shí)鐘域的時(shí)序檢查 363
5.9.11 相關(guān)時(shí)鐘域的時(shí)序檢查 381
5.9.12 無(wú)關(guān)時(shí)鐘域和亞穩(wěn)定性 385
5.10 使用TimeQuest的時(shí)序檢查和時(shí)序約束 400
5.11 流水線設(shè)計(jì) 409
5.11.1 流水線的均衡 412
5.11.2 流水線的設(shè)計(jì)方法 413
5.11.3 流水線設(shè)計(jì)的例子:流水線加法器 415
5.12 習(xí) 題 419
5.13 參考文獻(xiàn) 422
第6章 數(shù)字邏輯通信 423
6.1 基本概念 424
6.2 流傳輸 426
6.2.1 無(wú)反制的流式傳輸 427
6.2.2 具有反制功能的流式傳輸(SAB,SFB,SPB) 430
6.2.3 下游主動(dòng)反制模式 432
6.2.4 下游快速反制模式 450
6.3 主從傳輸 468
6.3.1 從機(jī)請(qǐng)求等待模式 470
6.3.2 從機(jī)數(shù)據(jù)完成模式 486
6.4 習(xí) 題 509
6.5 參考文獻(xiàn) 510
第7章 可綜合性編碼 511
7.1 編寫(xiě)綜合友好的代碼 511
7.2 并發(fā)語(yǔ)句和順序語(yǔ)句的可綜合性 512
7.3 循環(huán)語(yǔ)句的可綜合性 拾'3515
7.4 行為語(yǔ)句的可綜合性 520
7.5 條件語(yǔ)句的可綜合性 523
7.6 鎖存器和開(kāi)節(jié)點(diǎn) 531
7.7 狀態(tài)機(jī)的可綜合性 536
7.7.1 顯式米利狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)例子:曼徹斯特編碼器 539
7.7.2 顯式摩爾狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)例子:曼徹斯特編碼器 542
7.8 Verilog的阻塞賦值和非阻塞賦值 546
7.9 參考文獻(xiàn) 552
第8章 開(kāi)漏輸出和I2C控制器設(shè)計(jì)實(shí)踐 554
8.1 線與驅(qū)動(dòng)和開(kāi)漏輸出 554
8.2 基于開(kāi)漏輸出和線與的驗(yàn)證 557
8.3 I2C的命令 558
8.3.1 啟動(dòng)命令 558
8.3.2 停止命令 558
8.3.3 讀命令 558
8.3.4 寫(xiě)命令 559
8.4 具有開(kāi)漏輸出的I2C控制器設(shè)計(jì) 559
8.4.1 設(shè)計(jì)需求 559
8.4.2 頂層設(shè)計(jì)(主機(jī)驅(qū)動(dòng)器) 561
8.4.3 頂層架構(gòu)(含開(kāi)漏和驅(qū)動(dòng)源) 561
8.4.4 開(kāi)漏驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì) 562
8.4.5 開(kāi)漏驅(qū)動(dòng)源的驗(yàn)證 571
8.5 應(yīng)用例子 573
8.5.1 頂層設(shè)計(jì) 573
8.5.2 具有開(kāi)漏驅(qū)動(dòng)源的頂層架構(gòu) 574
8.5.3 設(shè)計(jì)例子中主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和驗(yàn)證 576
第9章 精簡(jiǎn)指令集CPU設(shè)計(jì)實(shí)踐 578
9.1 分段序列機(jī)和控制的管理模式 578
9.2 需求和指令 579
9.3 頂層設(shè)計(jì)和頂層架構(gòu) 581
9.4 中斷設(shè)計(jì)和系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 582
9.5 RISC_SPM 的數(shù)據(jù)通道設(shè)計(jì) 585
9.5.1 通用寄存器模塊reg_model 585
9.5.2 存儲(chǔ)器模塊mem_model 586
9.5.3 程序指針模塊pc_model 586
9.5.4 多路器模塊 587
9.5.5 算術(shù)邏輯單元模塊alu_model 588
9.5.6 零標(biāo)志寄存器模塊z_model 589
9.6 主控制器設(shè)計(jì)MFSM 589
9.6.1 取指周期 589
9.6.2 運(yùn)算指令周期 591
9.6.3 讀指令周期 593
9.6.4 寫(xiě)指令周期 595
9.6.5 無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令周期 596
9.6.6 空操作指令周期 5999.6.7 零標(biāo)志轉(zhuǎn)移指令周期 599
9.6.8 端口輸出指令周期 600
9.6.9 立即數(shù)指令周期 601
9.6.10 中斷返回指令周期 603
9.6.11 中斷進(jìn)入周期 604
9.6.12 基于PSM 的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 605
9.7 測(cè)試程序一:簡(jiǎn)單的循環(huán) 606
9.7.1 程序流程框圖和數(shù)據(jù)區(qū) 606
9.7.2 手編機(jī)器碼表 607
9.7.3 測(cè)試程序TXT文件 607
9.7.4 測(cè)試平臺(tái)和仿真波形 608
9.8 測(cè)試程序二:流水燈程序 609
9.8.1 程序流程框圖和數(shù)據(jù)區(qū) 610
9.8.2 手編機(jī)器碼表 610
9.8.3 測(cè)試程序TXT文件 612
9.8.4 測(cè)試平臺(tái)和仿真波形 613
9.9 測(cè)試程序三:Fibonacci序列中斷 614
9.9.1 程序流程框圖和數(shù)據(jù)區(qū) 614
9.9.2 手編機(jī)器碼表 614
9.9.3 測(cè)試程序TXT文件 616
9.9.4 測(cè)試平臺(tái)和仿真波形 616
9.10 參考文獻(xiàn) 618
第10章 數(shù)字?jǐn)U頻通信設(shè)計(jì)實(shí)踐 619
10.1 理解擴(kuò)頻和直接序列擴(kuò)頻 620
10.2 線性反饋移位寄存器的M 序列 624
10.3 漢明碼和漢明碼編譯碼器 628
10.4 最小二乘法判決和解擴(kuò) 634
10.5 串行通信收發(fā)器的管理架構(gòu) 636
10.6 串行通信的同步 637
10.6.1 串行通信的比特位同步 638
10.6.2 幀同步 639
10.6.3 串行通信的串并轉(zhuǎn)換 640
10.7 直接擴(kuò)頻收發(fā)器的流式管理架構(gòu)實(shí)踐 641
10.7.1 幀格式設(shè)計(jì) 641
10.7.2 發(fā)送器設(shè)計(jì) 642
10.7.3 接收器設(shè)計(jì) 652
10.7.4 收發(fā)器的ABV驗(yàn)證 673
10.8 參考文獻(xiàn) 680
第11章 數(shù)字圖像中值濾波的設(shè)計(jì)實(shí)踐 681
11.1 概念和方法 682
11.2 流水線吞吐量 684
11.3 中值濾波器的架構(gòu)設(shè)計(jì) 685
11.3.1 頂層設(shè)計(jì) 685
11.3.2 頂層架構(gòu)設(shè)計(jì) 686
11.3.3 中值算法的硬件實(shí)現(xiàn) 689
11.3.4 中值計(jì)算流水線 696
11.3.5 地址發(fā)生器 698
11.4 節(jié)拍分析 699
11.4.1 地址發(fā)生器信號(hào)節(jié)拍分析 701
11.4.2 行緩沖器和流水線緩沖器的信號(hào)節(jié)拍分析 701
11.4.3 計(jì)算陣列信號(hào)節(jié)拍分析 701
11.4.4 中值計(jì)算信號(hào)節(jié)拍分析 703
11.4.5 目標(biāo)字裝配寄存器信號(hào)節(jié)拍分析 703
11.4.6 邊界設(shè)置信號(hào)節(jié)拍分析 704
11.4.7 存儲(chǔ)器寫(xiě)入信號(hào)節(jié)拍分析 704
11.4.8 信號(hào)沖突檢查 705
11.5 控制器設(shè)計(jì) 706
11.6 中值濾波器的可視化驗(yàn)證 711
11.6.1 中值濾波器的可視化驗(yàn)證平臺(tái) 712
11.6.2 源圖像的Photoshop處理 713
11.6.3 使用MATLAB的M 函數(shù)處理 718
11.6.4 源圖像加噪并轉(zhuǎn)換為T(mén)XT文件 719
11.6.5 通過(guò)仿真得到硬件處理的目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)文件 720
11.6.6 顯示硬件仿真得到的目標(biāo)圖像 721
11.7 參考文獻(xiàn) 725
附 錄 726
附錄一 英文縮寫(xiě)對(duì)照 726
附錄二 電路邏輯符號(hào)對(duì)照表 731
附錄三 代碼模型框圖/架構(gòu)圖繪制規(guī)則 732