前 言 读者对象 本书可以用作数字电子学、电子工程技术或者计算机工程领域的基础课程的教科书。书中也提供了基础内容之外扩展知识所需要的较深层次的内容。 学习本书不需要具备数字系统的先修知识。读者如果已了解或正在学习基本的直流电路以及高等数学等方面的课程，则可以充分利用本书的材料获取更多知识，但这些并非必需。在学习“逻辑门电路”(第11章)以及“模拟与数字电路的接口”(第12章)等章节时，如果读者具备晶体管和运算放大器的初步知识，则更容易理解书中的相关内容。数字电子学高级课程中经常会提及第11章和第12章中的内容。 关于本书：可编程逻辑用于数字设计教学 历史上，电子工程技术领域的数字逻辑和数字设计课程大多采用固定逻辑功能的TTL(晶体管-晶体管逻辑电路)和CMOS(互补金属氧化物半导体电路)中小规模集成电路(SSI和MSI)作为授课和实验教学的主要内容。但是，数字设计领域发生了很大的变化，越来越多的数字系统采用可编程逻辑器件(PLD)实现，大量介绍固定功能的逻辑器件的内容显得陈旧。新的逻辑器件需要新的教学思想，就目前电子工程技术的资源而言，采用可编程逻辑器件的教学尚不多见。 过去，大部分数字器件是功能固定的器件。器件供应商提供功能在一定范围内的器件(比如计数器、解码器、移位寄存器等)，每个器件封装在独立的管壳内。数字系统则由多个这样的器件构成，有些情况下，采用这种方式设计的数字系统并不经济合理，其主要原因在于系统中芯片的个数太多。大部分经典的数字电路电子学的教科书都隐含着一种假设，即工程师和工程技术人员都可以理解这些功能固定的器件是如何工作的。 可编程逻辑器件的出现，使得用户可以采用单个和多个芯片定义数字系统的功能，而不依赖于芯片供应商提供的标准功能器件。用户在设计数字系统时，需要利用个人计算机或者工作站上的功能强大的软件。可编程器件的可编程及大容量的特性使得数字系统设计的效率和灵活性大大提高，因此在工业中得到越来越广泛的应用。 PLD已经进入数字电路课程多年，但通常作为数字系统设计众多方案中的一项，而且通常作为可选内容，而不是基本教学内容。近年来技术的进步使得采用可编程逻辑器件作为数字系统设计的主体已经成为可能，其中的原因主要包括如下两方面： 首先，新型的复杂可编程逻辑器件(CPLD)可以很容易地通过个人计算机的串口或者并口进行编程、擦除和再编程，而不需要将器件从数字系统上拆除。数字可编程逻辑器件的这一特征称为在线可编程能力或者系统上编程能力。这样，就节省了复杂的编程硬件，避免了将器件从系统板上插上拔下等可能引起的物理损伤，以及静电放电(ESD)带来的电气损坏。其次，普通个人计算机用户可利用的计算能力比过去大大增加，个人计算机的计算资源使得可以运行可编程器件的设计软件。现在，只要有了PC机和CPLD板，每个学生都可以在自己家里完成数字系统设计并完成硬件实验原型，而这在过去是不可想象的。 本书集中介绍了新的数字系统设计思想，使用Altera公司的大学计划提供的实验室用电路设计包(UP-1)进行讲授。该实验包中包括可编程逻辑器件的开发软件MAX+PLUS II。这是一个基于Windows的软件包，学生可以利用这个软件包采用基于文本的格式(VHDL)或者图形格式(原理图输入)对CPLD进行设计、测试和编程。这里VHDL是一种行业标准的可编程器件设计语言，其意义是超高速集成电路硬件描述语言(VHSIC Hardware Description Language)。而VHSIC则是Very High Speed Integrated Circuit的缩写，其意义是超高速集成电路。VHDL和MAX+PLUS II的基本功能非常简单，可供数字系统设计初级课程的学生用来设计数字电路，高年级学生也可以使用这套软件进行项目开发。 Altera UP-1电路扳包括两片Altera公司的PLD和一些标准的输入、输出器件(DIP开关、按键、发光二极管、七段数码显示器等)。如果读者需要了解UP-1以及Altera公司的PLD更多的信息，可以访问Altera公司大学项目的网站。 也有一些公司正在开发几款低成本的硬件平台。这些硬件平台也是基于Altera公司的PLD器件，但只带有一片PLD和一些改进的接口。其中Intectra公司(intectra@best.com)的一款产品已经面世，本书的全部例子都可以在这款硬件平台上运行，也可以在Altera公司的UP-1上运行。 本书结构 本书虽然以CPLD为基础，但并不意味着忽略了数字电路基础。本书基础内容部分包括二进制和十六进制数制、基本逻辑函数、布尔代数、逻辑最小化、简单的组合与时序逻辑电路(第1~3章)，与传统教材的差别在于：后续几章重点讨论的应用内容从固定逻辑功能的SSI和MSI转换到了CPLD。 本书从第4章起即开始介绍CPLD，有关VHDL和MAX+PLUS II应用的介绍将贯穿本书。学生在本课程学习中学到的数字系统的设计方法将成为学习和实验的完整组成部分，而不仅仅只是一种补充。关于MAX+PLUS II设计环境的介绍(第4章)、组合逻辑电路(第5章)、运算电路(第6章)、锁存器和触发器(第7章)、PLD结构(第8章)、计数器和移位寄存器(第9章)、状态机(第10章)等内容都是以CPLD和VHDL代码编写为核心的。第12章的有关章节介绍了CPLD与模数变换器和数模变换器的接口。本书还提供了其他一些教学内容，比如TTL和CMOS逻辑器件的电学特性、低电压CMOS器件(第11章)、模数变换器和数模变换器电路(第12章)和存储器电路(第13章)。 本书特色 本书结构严谨，内容全面，便于学生从不同的角度有效地学习、了解和掌握数字电路的基础知识： 章首部分 每章章首部分都包括“学习大纲”和“学习目标”。概括了该章所涉及的基本概念和学习目的，让学生做到有的放矢。 关键术语和注意事项 本书每章大部分小节都包含了关键术语的定义，并在最后部分给出全部术语的列表。术语在首次出现时，采用黑体表示。而“注意”部门提供相关的建议、提示和特殊技巧等。 VHDL实例 本书中给出了大量包含详细解答的示例练习，贯穿于全书各个章节。通过其中的一些VHDL代码编写的示例来介绍了行业内标准的数字硬件设计方法。而有些例子本身就是实际应用。书中的例子由浅入深，便于读者学习。 屏幕截图和图表 本书大量使用图表、图例、表格、屏幕截图，以利于理解数字系统的原理。屏幕截图可帮助读者正确地理解和使用Altera公司的MAX+PLUS II设计环境所得到的结果。 思考题 大部分章小节后面都包括思考题，以利于读者理解并巩固新学到的概念。在每一章的最后统一给出了该章所有思考题的答案。 小结 “小结”部分概括该章已介绍的关键内容。 习题 在每一章的后面提供了相应的习题。习题按照章节先后顺序组织。并将一些基础习题和难度较大的习题错开。附录A提供了编号为奇数的习题的解答。 合作站点 本书中大部分源代码和图形设计文件均可供下载，请访问合作站点： http: //www.tupwk.com.cn/downpage Online Companion资源和RealAudio文件 本书对应的网络公司Delmar Electronics公司的Web站点为。本书作者为学生录制了音频教学材料，以RealAudio格式放在该网站上。音频教学材料提供有关本书困难问题的深入讨论。Online Companion还提供教材的更新、在线测试等。 电子学技术站点 读者可通过网页浏览工具连接到Delmar电子技术公司的网站，在此还可以获取与本教材相关的Online Companion补充资源。