數位設計原理與應用

本書簡介：

本書內容是針對數位設計方面的課程所設計，除了可做為電機、電子與資訊工程等相關科系的教科書外，更可做為數位設計者的參考書籍。在教材的設計上，除了包含傳統數位設計的基本概念與邏輯函數外，同時也兼顧使用CAD（計算機輔助設計）工具軟體來完成實際的應用。為了完成此學習過程，以Altera® Quartus® II軟體為基礎的CAD工具已包含在本書所附加的光碟內。

課程特色

本書內容由近代的數位設計原理開始，經過閘、邏輯裝置與暫存器等人為的設計層次，並使用VHDL硬體描述語言以高層次的演算法完成系統的設計，最後以近代的CAD工具為基礎進行模擬，並在實際晶片上完成硬體電路。

本書介紹的CAD工具為Altera Quartus II軟體，能提供設計到Altera CPLD與FPGA的自動對映。Quartus II提供的設計輸入方式包含硬體描述語言與圖形編輯方式，並能以整合的方式同時使用這兩種方式完成電路設計。

課程內容

本書共分為十三章，並劃分為Altera Quartus II軟體的發展環境與使用方法（第0章），數位設計基本原理（第1～3章），VHDL硬體描述語言基礎（第4～5章），組合邏輯電路設計（第6～8章）與序向邏輯電路設計（第9～12章）。課程內容分為：

第0章：Altera Quartus II軟體介紹

介紹如何使用Quartus II軟體來做邏輯電路設計。本章中以fir_filter濾波器設計為例，以由上而下的方式，一個步驟接著一個步驟的導引方式來完成使用Quartus II設計fir_filter濾波器。

第1章：數位設計概念

除了介紹近代數位設計的一般性概念外，並說明如何使用電子設計自動化（EDA）軟體工具來執行合成與模擬，以完成在可程式邏輯裝置上的實際實作。

第2章：數字系統與數碼

從數字系統簡介開始，發展產生各種數字系統的表示法與轉換。另外，也描述一些常用的資料表示方式與各種數碼。

第3章：基本邏輯原理

發展與硬體實作無關的邏輯觀念與布林代數，說明布林代數在數位邏輯電路上的應用，並介紹各種邏輯函數的簡化方式。

第4章：VHDL硬體描述語言的基本概念

除了介紹整個VHDL的設計環境外，並對VHDL的程式基本架構與基本的語言組織做完整的描述。

第5章：VHDL程式設計

學習使用行為模型、資料流程模型與結構化模型等三種基本的VHDL方法來完成邏輯電路與系統的描述。另外，還實際使用Quartus II軟體完成以VHDL程式設計加減法電路的合成與模擬。

第6章：組合邏輯設計原理

介紹組合邏輯電路的分析方法與設計程序，並說明如何使用通用閘，最後用實際的邏輯閘來實作完成設計的邏輯函數。

第7章：組合邏輯裝置設計

以基本邏輯閘設計許多常見的組合邏輯裝置，如全加器、解碼器、編碼器、多工器、解多工器、同位電路、比較器等，並描述如何使用VHDL來完成這些指定的功能。

第8章：算術邏輯單元的設計

先提出一個典型的算術邏輯單元（ALU）設計，並且發展出一系列設計其他算術邏輯單元結構的設計步驟，最後並說明如何以Quartus II元件庫模組（LPM）來完成算術邏輯單元的VHDL程式設計。

第9章：序向邏輯基本裝置

以序向（有限狀態）機的觀念來描述基本序向邏輯電路（閂及正反器），並說明序向處理的一些基本概念。

第10章：暫存器與計數器

說明資料儲存的實際裝置，並設計各種型式的暫存器與計數器。

第11章：同步序向電路

使用狀態圖與狀態表等傳統設計工具分析序向電路，並發展將設計規格轉換成狀態圖的演算法，進而設計各種同步序向電路。

第12章：非同步序向電路

描述非同步序向邏輯電路基本模式的基本觀念，說明危機或競跑情況的分析程序，進而發展設計無競跑非同步序向電路。