数字逻辑电路实践教程——基于FPGA和Verilog_鲁鹏程、张丽艳、邵温、高雪园_9787302698821

本书是一本数字逻辑电路设计的实践教材。全书分为7章，第1~3章以“技术”为主，主要介绍现代逻辑电路的发展、主流 FPGA的软硬件开发平台、Verilog硬件描述语言及 Quartus 和 Vivado两款EDA软件的使用；第4、5章以“理论”为主，主要介绍数字逻辑电路中常用的逻辑电路及 Vcrilog实现、状态机理论及硬件实验中常用的外围电路；第6、7章以“实践”为主，分为基础实验和综合设计两个环节。基础实验题目具有一定的层次性、设计性和应用性，可帮助学生巩固知识并掌握基本技能；综合设计题目具有一定的系统性和工程性，并留有创新的空间，通过这些题目的练习，能够提升数字逻辑电路的设计能力、动手能力及工程实践能力。本书可作为高等院校计算机科学与技术、物联网工程、电子信息、自动控制等专业“数字逻辑电路设计”“数字系统设计”等课程的实验教学用书，也可作为从事数字系统设计相关技术人员的参考书。

“数字逻辑电路”是信息技术类专业一门重要的基础核心课程，具有较强的理论性和实践性。通过学习本课程，读者可以掌握数字逻辑电路的分析和设计方法，学会电路调试及故障查询方法并提高实践动手能力，还可以培养耐心、细致的科研作风，为后续专业课打好基础。
FPGA作为一种半定制产品，具有配置灵活、可重构的特点，在一个芯片内就可以实现包括组合电路、时序电路、存储器等在内的各种数字电路，还可以根据设计需求进行定制和优化，使设计和开发更加高效和便捷，因此基于FPGA平台进行数字逻辑电路的设计，已成为越来越多工程师的首选方案。
本书共7章，第1～3章主要介绍技术方面的内容，重点是Verilog HDL语法规则和EDA软件的使用；第4、5章主要介绍理论方面的内容，重点是状态机理论和常用外围电路的工作原理；第6、7章以实践为主，分为基础实验和综合设计，重点内容是“自顶向下的设计方法”。
各章主要内容如下：
第1章首先介绍逻辑电路的发展，并引出FPGA可编程芯片；然后详细介绍FPGA主流厂商、产品及软硬件开发平台；最后就如何进行预习、实验和总结给出了建议。
第2章主要介绍Verilog HDL的程序结构、基本语法规则、仿真验证以及编程规范。
第3章以一个四人表决电路为例，介绍数字逻辑电路传统与现代的设计方法，以及该电路在Quartus和Vivado环境中的实现过程。
第4章通过实例，介绍基本组合逻辑电路和时序逻辑电路的特点及Verilog实现；通过“序列检测器”介绍状态机理论。
第5章将硬件实验中常用的外设分为输入、显示、机电控制和其他四个种类，分别介绍这些外设的工作原理及其典型控制电路。
第6章按照数字逻辑电路的特点，将基础实验分成组合逻辑、时序逻辑、接口电路三大类，每类实验设置若干任务并给出设计指导，题目设置上具有一定的层次性、设计性和应用性。
第7章介绍数字系统设计的基本概念、方法，以“数字秒表”为例详细介绍实现一个数字系统的全过程，最后提供一些实际题目作为练习。题目在设置时给出一定的扩展提示，且尽可能接近真实场景，具有一定的系统性、工程性、创新性。
本书未指定具体的实验台或开发板型号，而是将相关电路以典型电路的形式呈现，希望读者通过学习这些电路，具备举一反三的能力，在面对不同开发板或模块时能够看懂外围电路原理。
附录部分提供了“实验台外设引脚分配表”，读者可根据所用开发板的资源分配情况填入信号名和引脚号，也可由教师在安排预习任务时填入。“实验任务单”可根据课程学时从基础实验和综合设计中选择适合的任务填入。
书中的实例分别在Quartus Prime 20.1 Lite Edition和Vivado 2019.2环境下测试通过。
这两款软件均有多个版本，除了在芯片的支持上有所不同外，对于数字逻辑电路开发几乎没有差别。读者在选择软件版本时，只要选择能够支持所选开发板的FPGA型号就可以。如果不希望软件安装后占用过多的存储空间，可以选择稍早一些的版本；如果想体验一些新的功能，可选择较新的版本。
本书由北京工业大学“数字逻辑实验”课程教学团队编写，第1章由高雪园编写，第2章、附录由邵温编写，第3、4章由张丽艳编写，第5～7章由鲁鹏程编写。鲁鹏程负责全书的策划、组织整理和定稿。
本书获得了北京工业大学教育教学研究课题的资助（ER2022SJB04）。北京工业大学计算机学院实验中心的韩德强、杨淇善两位老师研制了实验平台与扩展模块，为本书的实践案例设计和教学资源开发提供了有力支持。此外，清华大学出版社编辑团队为本书的编校工作付出了大量心血。在此，向所有给予帮助的单位和个人表示衷心的感谢！
限于编者的水平与经验，书中难免有疏漏和错误之处，敬请读者批评指正。
编者
2025年6月

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