数字逻辑基础

“数字逻辑”是电子信息类专业学生的重要专业基础课。

本课程的主要目的是，使学生掌握研究与设计数字系统必需的理论基础和基本方法，培养科学、严谨的思维模式，为学习后续课程打下坚实基础。

本课程的主要特点是，理论与实际结合十分紧密。理论既抽象又具体，方法灵活多变。随着电子信息技术的迅猛发展，数字系统的逻辑规模越来越庞大，逻辑关系越来越复杂，这一形势对本课程的教学提出了新的要求。在课程体系上，要求在掌握分析和设计逻辑电路的基本理论和方法的同时，注重从局部与具体向全局与抽象层次的转变，逐步建立起系统的观念。避免如黑格尔批评的那样：“只见树木，不见森林”。在实现方法上，不仅要培养局部逻辑的分析与设计能力，而且要强调由“树木”组织“森林”的综合能力。因此，应充分利用最新科技成果，提高学习效率。

按照上述特点，采用从典型实例出发引入概念的方式，再进行归纳、总结和运用巩固。在方法的运用上，有意识地引导学生从“按部就班”的基本步骤逐步进入到技巧性运用中，充分体现把理论变为实际应用过程的透明性、直观性；对于局部逻辑的分析与设计，突出输入、输出信号的来源、格式及它们之间的因果关系，为构建数字系统埋下伏笔。在系统设计上，强调由模块构建系统的基本方法，在实例中体现系统观念。复杂的数字系统设计已经超出本书的知识范围，但本书在有意识地引入系统的观念方面进行了探索。在本书中，致力于贯穿科学的方法论。

本书系统地介绍了数字逻辑的基本原理与设计方法。为适应当前高等教育的发展形势，结合作者长期的教学实践，在内容安排上进行了调整。全书分为7章。第1章详细介绍了逻辑代数的基础知识（这是后续章节的直接基础），而没有介绍数制和编码，其用意是避免初学者混淆数值运算与逻辑运算的本质区别，分散对学习逻辑代数的注意力；第2章介绍逻辑门与组合逻辑的分析与设计；第3章为触发器与时序逻辑分析，这两章将器件及其在电路中的具体运用有机地整合在一起，使读者尽快领略到器件的用武之地，明确学习目的；第4章为时序逻辑设计，其特点为从规范的设计步骤逐步推进到灵活运用，并逐步引入工程设计中广泛运用的数字逻辑设计与开发的强大工具——MAX+plus II，其目的是使理论尽快地得到验证与运用，增加学习的趣味性；第5章介绍当前广泛应用的各类半导体存储器，并给出了具有实用价值的例子；第6章介绍可编程逻辑器件的原理与基本开发技术，并以目前广泛使用的CPLD器件为蓝本，以一个初具系统规模的实例，讨论了运用MAX+plus II进行开发的步骤及方法；第7章简单介绍了信号产生与变换电路的原理，这些知识对于数字系统设计是必须具备的。

本书的举例和各章后所附的习题，大部分取材于实际工程应用，以避免就解释理论而虚构例题，使学习目标更加真实、明确。为了使学习成果及时得到体现，在例题中逐步引入MAX+plus II开发工具，对举例进行设计和仿真。MAX+plus II的图形符号设计方式具有操作规范、直观易学的特点，它不仅是数字系统的工程设计的强大工具，而且也是学习数字逻辑的有效手段。教学实践表明，对于MAX+plus II的初次接触者，只要能熟练操作Windows下的一些应用软件，具备绘制逻辑电路的基础，就能运用这一工具实现简单电路的设计及仿真，非常适合电子信息类专业的学生学习。为此，本书从第2章开始，按照由简易到深入的学习规律逐步引入这一工具。书中的大部分设计例题通过了MAX+plus II的设计与仿真。

本书是作者长期从事数字逻辑教学与科研的结晶。全书主要由管庶安执笔编写，参加本书编写工作的还有张红武、李禹生、刘兵、谢兆鸿、毛哲、周龙、周红、刘光蓉、向云柱、何健等。在本书编写过程中，李鸣、阮灵老师以及邓淑珍、管丹同学为本书的文字校对、绘图、编排等做了大量工作，在此深表谢意。限于作者的学识水平，书中难免存在不妥及疏漏之处，恳请广大同行及专家学者赐教。

作 者

2005年5月于武汉

序
前言
第1章 逻辑代数基础 1
本章学习目标 1
1.1 概述 1
1.1.1 数字系统的基本概念 1
1.1.2 数字逻辑技术的主要内容 2
1.2 逻辑代数的基本概念 3
1.2.1 逻辑变量及基本运算 3
1.2.2 逻辑表达式 3
1.2.3 逻辑代数的公理 4
1.3 逻辑函数 6
1.3.1 逻辑函数的定义 6
1.3.2 逻辑函数的表示法 7
1.3.3 复合逻辑 8
1.4 逻辑函数的标准形式 10
1.4.1 最小项及最小项表达式 10
1.4.2 最大项及最大项表达式 11
1.4.3 逻辑函数表达式的转换方法 13
1.4.4 逻辑函数的相等 17
1.5 逻辑代数的重要定理 18
1.5.1 重要定理 18
1.5.2 重要定理与最小项、最大项 19
1.6 逻辑函数化简 20
1.6.1 代数化简法 21
1.6.2 卡诺图化简法 22
1.6.3 列表化简法 27
习题一 34
第2章 逻辑门与组合逻辑 36
本章学习目标 36
2.1 逻辑门 36
2.1.1 简单逻辑门电路 36
2.1.2 复合逻辑门电路 40
2.1.3 门电路的主要外特性参数 43
2.1.4 正逻辑与负逻辑 44
2.2 组合逻辑电路分析 46
2.2.1 基本分析方法 46
2.2.2 半加器与全加器 47
2.2.3 编码器与译码器 50
2.2.4 总线收发器 55
2.3 组合逻辑设计的基本设计方法 56
2.4 设计方法的灵活运用 58
2.4.1 逻辑表达式的合理变换 58
2.4.2 利用无关项简化设计 60
2.4.3 用分析法实现设计 63
2.5 组合逻辑电路的险象 64
2.5.1 险象的产生与分类 64
2.5.2 险象的判断与消除 65
2.6 常用组合逻辑电路设计 68
2.6.1 8421码加法器 68
2.6.2 七段译码器 71
2.6.3 多路选择器与多路分配器 73
2.7 组合逻辑电路的计算机仿真 77
2.7.1 输入设计源文件 77
2.7.2 编译源文件 79
2.7.3 编辑仿真通道文件 80
2.7.4 波形仿真 81
2.7.5 仿真结果分析 82
习题二 82
第3章 触发器与时序逻辑分析 86
本章学习目标 86
3.1 时序逻辑电路模型 86
3.2 触发器 88
3.2.1 基本R-S触发器 88
3.2.2 常用触发器 92
3.2.3 各类触发器的相互转换 98
3.2.4 触发器应用一例 101
3.2.5 集成触发器的主要特性参数 101
3.3 同步时序逻辑分析 102
3.3.1 同步时序逻辑电路描述 103
3.3.2 同步时序逻辑分析的一般步骤 107
3.4 同步时序逻辑分析举例 111
3.4.1 系列检测器 111
3.4.2 移位寄存器 114
3.4.3 计数器 115
3.5 异步时序逻辑分析 116
3.5.1 异步时序逻辑的特点 116
3.5.2 分析方法与步骤 117
习题三 119
第4章 时序逻辑设计 122
本章学习目标 122
4.1 同步时序逻辑设计的基本方法 122
4.2 建立原始状态 128
4.3 状态化简 130
4.3.1 状态化简的基本原理 130
4.3.2 完全定义状态化简方法 132
4.4 状态编码 135
4.4.1 确定存储状态所需的触发器个数 135
4.4.2 用相邻编码法实现状态编码 136
4.5 确定激励函数及输出方程 137
4.5.1 选定触发器类型 137
4.5.2 求激励函数及输出函数 137
4.5.3 电路的“挂起”及恢复问题 139
4.5.4 设计结果仿真 140
4.6 同步时序逻辑设计举例 140
4.6.1 计数器 141
4.6.2 移位寄存器 148
4.6.3 用MSI实现定时器 153
4.7 异步时序逻辑电路的设计 158
习题四 162
第5章 半导体存储器 165
本章学习目标 165
5.1 半导体存储器的分类 165
5.2 随机读写存储器RAM 166
5.2.1 SRAM 166
5.2.2 DRAM 168
5.3 掩模只读存储器MROM 169
5.4 可编程只读存储器 170
5.4.1 一次性编程只读存储器OTP 170
5.4.2 紫外线可擦除可编程只读存储器EPROM 170
5.4.3 电可擦除可编程只读存储器E2PROM 171
5.4.4 闪烁存储器FLASH E2PROM 171
5.4.5 只读存储器应用举例 172
习题五 174
第6章 可编程逻辑器件及开发 176
本章学习目标 176
6.1 可编程逻辑器件概述 176
6.2 逻辑可编程的基本原理 177
6.2.1 组合逻辑可编程的基本原理 177
6.2.2 可编程点的工作原理 179
6.2.3 时序逻辑可编程的基本原理 180
6.3 MAX7000系列CPLD的结构 181
6.4 PLD开发技术 182
6.4.1 PLD器件的开发过程 183
6.4.2 一个开发实例 186
习题六 196
第7章 信号产生与变换 198
本章学习目标 198
7.1 脉冲信号产生与变换 198
7.1.1 NE555的电路结构与工作原理 198
7.1.2 NE555的应用 199
7.2 时钟信号电路 203
7.2.1 基本时钟信号产生电路 203
7.2.2 时钟信号的变换 204
7.3 D/A转换 206
7.3.1 D/A转换的原理 206
7.3.2 集成D/A转换器TLC7524 208
7.4 A/D转换 209
7.4.1 A/D转换的原理 209
7.4.2 集成A/D转换器MCP3201 212
习题七 214
附录1 数制及其转换 215
附录2 常用编码 219
参考文献 222

1. 数字逻辑设计 [蔡燕娟 吴娇梅 主编]
2. 数字逻辑电路 [李中发 主编 向阳 彭敏放 张晚英]