本书将“数字电子技术”与“微型计算机原理”“单片机原理”和“DSP技术及应用”等多门课程内容有机融合，增强了基于FPGA的现代数字电子技术设计方法，涵盖了微控制器结构框架、硬件*小系统、存储器配置、中断和程序引导、集成开发环境、编程语言等微处理器的普遍和共性概念。本书介绍了8051、TMS320F28335、MSP430和MSP432等微控制器，以共性概念引导读者去使用这些微控制器，边学边做，培养软、硬件设计能力和调试能力。
本书结合了数字化出版技术，通过大量二维码提供了辅助教学和实验的资源。
本书可以作为电气类、仪器类、自动化类、电子信息类、计算机类等电类专业中“数字电路”“单片机原理”“DSP技术及应用”的课程教材，也可作为非电类专业和其他工程技术人员自学数字电路和微处理器系统的教材和参考书。
前言
第1章数字电子技术基本概念1
1.1数字世界是0和1的世界1
1.2模拟信号和数字信号2
1.3时钟脉冲信号及技术指标4
1.4并行通信和串行通信5
1.5数字电路分类及基本单元6
1.6数字电子技术和微控制器的重要性7
思考题8
第2章数字逻辑基础9
2.1数制9
2.1.1几种常用的数制9
2.1.2数制之间的转换11
2.2码制13
2.2.1二十进制码14
2.2.2格雷码15
2.2.3奇偶校验码16
2.2.4字符码16
2.2.5汉字编码18
2.3算术运算与逻辑运算19
2.3.1算术运算19
2.3.2基本逻辑运算及逻辑符号22
2.3.3复合逻辑运算24
2.3.4逻辑代数的基本定理和规则25
2.4逻辑函数及其表示方法26
2.4.1逻辑函数的概念26
2.4.2逻辑函数的表示方法27
2.4.3逻辑函数各种表示方法之间的
转换31
2.5逻辑函数的化简与变换33
2.5.1化简与变换的意义33
2.5.2代数化简法34
2.5.3卡诺图化简法35
2.5.4具有无关项逻辑函数的化简36
2.5.5现代数字系统设计中的化简37
本章小结38
思考题和习题39
第3章集成逻辑门电路42
3.1集成电路的基本概念42
3.1.1集成电路的分类和封装42
3.1.2集成逻辑门的主要技术指标45
3.1.3常用集成逻辑门型号47
3.2半导体器件的开关特性48
3.2.1双极型晶体管的开关特性48
3.2.2场效应晶体管的开关特性50
3.3TTL系列集成逻辑门内部电路及
电气特性52
3.3.1TTL与非门的内部结构及工作
原理52
3.3.2电压传输特性和噪声容限54
3.3.3输入和输出特性及扇出数55
3.3.4TTL与非门输入端负载特性58
3.3.5TTL集电极开路门和三态
逻辑门58
3.4CMOS集成逻辑门电路61
3.4.1CMOS逻辑电路的基本原理
及其特点62
3.4.2CMOS 缓冲器、漏极开路门和
三态门65
3.4.3CMOS传输门及数据选择器66
3.5集成逻辑器件接口的三要素67
3.5.1TTL与CMOS系列之间的接口
问题68
3.5.2逻辑门电路使用中的几个实际
问题70
本章小结71
思考题和习题72
第4章锁存器和触发器77
4.1基本概念77
4.2锁存器78
4.2.1基本RS锁存器78
4.2.2时钟控制RS锁存器80
4.2.3时钟控制D锁存器82
4.2.4锁存器在MCS51系列单片机硬件
小系统中的应用83
4.3触发器84
4.3.1维持阻塞D触发器85
4.3.2边沿JK触发器89
本章小结92
思考题和习题92
第5章可编程逻辑器件96
5.1可编程逻辑器件的发展历程及趋势96
5.1.1可编程逻辑器件的发展历史96
5.1.2可编程逻辑器件的发展趋势98
5.1.3我国FPGA发展现状99
5.2可编程逻辑器件的分类100
5.2.1按集成度分类100
5.2.2按结构分类101
5.2.3按编程工艺分类101
5.3低密度PLD简介102
5.3.1PLD的逻辑符号及连线表示
方法102
5.3.2PLD的基本结构框架103
5.3.3低密度PLD结构103
5.4复杂可编程逻辑器件108
5.4.1CPLD的结构框架及特点108
5.4.2CPLD硬件小系统109
5.5现场可编程门阵列110
5.5.1FPGA的结构框架110
5.5.2FPGA的设计流程112
5.5.3CPLD与FPGA的对比总结113
本章小结114
思考题和习题114
第6章Verilog硬件描述语言116
6.1硬件描述语言概述116
6.1.1Verilog HDL和VHDL简介116
6.1.2Verilog HDL与C语言117
6.1.3Verilog HDL的可综合性118
6.2Verilog HDL基本结构118
6.3Verilog HDL语法简介120
6.3.1基本词法120
6.3.2数据类型121
6.3.3操作符123
6.3.4赋值语句125
6.3.5三种描述方式127
6.4层次化设计与模块实例化132
6.4.1自顶向下的设计方法132
6.4.2模块的实例化132
6.5有限状态机设计134
6.5.1有限状态机的概念简介134
6.5.2有限状态机设计的一般原则和
步骤135
6.6仿真验证135
6.6.1测试平台搭建136
6.6.2时钟和复位信号的产生方法136
本章小结138
思考题和习题139
第7章组合逻辑电路与器件140
7.1 组合逻辑电路的基本概念和器件
符号140
7.1.1组合逻辑电路的基本概念140
7.1.2中规模集成逻辑器件的符号141
7.2译码器和编码器142
7.2.1地址译码器142
7.2.2地址译码器的应用144
7.2.3数码管和BCD七段显示
译码器146
7.2.4编码器150
7.2.5基于Verilog HDL的译码器和
编码器设计152
7.3多路选择器和多路分配器156
7.3.1多路选择器的功能描述157
7.3.2多路选择器的扩展和应用157
7.3.3多路分配器159
7.3.4基于Verilog HDL的多路选择器
设计160
7.4加法器和比较器161
7.4.1两个1位二进制加法器161
7.4.2先行进位的多位二进制加法器162
7.4.3数值比较器165
7.4.4基于Verilog HDL的加法器和
比较器设计167
7.5算术/逻辑运算单元169
7.5.1芯片级ALU169
7.5.2基于Verilog HDL的ALU设计169
本章小结170
思考题和习题171
第8章时序逻辑电路与器件173
8.1时序逻辑电路的结构、分类和描述
方式173
8.2基于触发器时序逻辑电路的分析和
设计175
8.2.1触发器构成的时序逻辑电路
分析175
8.2.2触发器构成的时序逻辑电路
设计178
8.2.3基于有限状态机的时序逻辑电路
设计181
8.3集成计数器183
8.3.1异步集成计数器184
8.3.2同步集成计数器185
8.3.3集成计数器的扩展与应用187
8.3.4微控制器片内的计数器192
8.3.5基于Verilog HDL的计数器
设计192
8.4寄存器193
8.4.1寄存器及应用194
8.4.2移位寄存器195
8.4.3CPU中的寄存器200
8.4.4基于Verilog HDL的移位寄存器
设计201
本章小结202
思考题和习题202
第9章脉冲信号的产生与整形
电路206
9.1施密特触发器206
9.1.1传输特性及符号206
9.1.2门电路构成的施密特触发器207
9.1.3集成施密特触发器及应用209
9.2单稳态触发器212
9.2.1触发特性及符号212
9.2.2门电路构成的单稳态触发器212
9.2.3集成单稳态触发器214
9.2.4单稳态触发器的应用216
9.3多谐振荡器218
9.3.1门电路构成的多谐振荡器218
9.3.2石英晶体多谐振荡器218
9.4555定时器及其应用222
9.4.1555定时器工作原理222
9.4.2555定时器构成的施密特
触发器224
9.4.3555定时器构成的单稳态
触发器225
9.4.4555定时器构成的多谐振荡器226
本章小结227
思考题和习题228
第10章半导体存储器233
10.1半导体存储器的基本概念233
10.1.1半导体存储器的分类 233
10.1.2半导体存储器的性能指标235
10.2随机存取存储器236
10.2.1RAM的基本结构236
10.2.2SRAM的存储单元238
10.2.3DRAM的存储单元239
10.2.4双端口RAM240
10.3只读存储器240
10.3.1ROM的基本结构241
10.3.2各类可编程ROM及存储单元
简介241
10.4集成存储器结构和时序简介244
10.5存储器与微控制器接口247
10.5.1存储器与微控制器接口方式247
10.5.2存储器的编址248
10.5.3存储器与MCS51系列单片机的
连接举例248
10.6存储器容量的扩展 249
10.6.1位扩展249
10.6.2字扩展250
本章小结252
思考题和习题252
第11章数/模和模/数转换256
11.1数/模转换器256
11.1.1转换原理256
11.1.2DAC的结构框架257
11.1.3DAC常用的转换技术257
11.1.4DAC的主要参数260
11.1.5集成DAC及应用262
11.2模/数转换器263
11.2.1A/D转换的一般过程263
11.2.2ADC常用的转换技术266
11.2.3ADC的主要参数270
11.2.4微控制器片内ADC271
11.2.5集成ADC及应用273
本章小结273
思考题和习题274
第12章微处理器基本概念277
12.1微处理器简介277
12.1.1微处理器分类277
12.1.2我国微处理器发展现状279
12.2CPU结构281
12.2.1CPU的控制器281
12.2.2CPU的运算器283
12.3CPU的程序引导过程和流水线
技术283
12.4CPU对存储器的地址配置及I/O
端口的编址和控制方式284
12.4.1数据和程序存储器的地址配置
方式284
12.4.2I/O端口的编址和控制
方式285
12.5CPU与外部的数据传送方式和中断
概念289
12.5.1CPU与外部直接的数据传送
方式289
12.5.2查询方式289
12.5.3中断方式290
12.5.4中断的响应过程291
思考题292
第13章微控制器硬件框架性概念294
13.1MCU内部结构框架及片内外设接口
简介294
13.2MCU总线概念296
13.2.1总线的定义和分类296
13.2.2MCU内部总线结构297
13.2.3总线的基本结构298
13.3MCU硬件小系统299
13.3.1电源和复位电路299
13.3.2时钟电路300
13.3.3外部总线扩展电路302
13.3.4JTAG接口302
13.3.5MCS51系列MCU的小
系统303
13.4MCU片内的GPIO电路结构304
13.4.1MCU片内的GPIO电路结构
特点305
13.4.2具体MCU片内的GPIO电路
举例305
13.5MCU片内串行通信接口306
思考题309
第14章软件系统和编程语言310
14.1软件系统简介310
14.2机器语言310
14.3汇编语言311
14.3.1RISC与CISC指令集312
14.3.2汇编语言的指令格式及转换313
14.3.3汇编语言的伪指令314
14.4高级语言315
14.5程序流程图315
14.5.1程序流程图的图形符号和
结构316
14.5.2画流程图的步骤317
14.5.3包含中断的MCU流程图画法319
14.6MCU的集成开发环境320
思考题320
第15章8051微控制器321
15.18051 MCU结构框图及总线321
15.28051 MCU的CPU结构和寄存器
介绍322
15.38051 MCU存储器的地址空间配置324
15.3.18051 MCU存储器配置及上电
程序引导324
15.3.2片内RAM和特殊功能寄存器
及复位初值325
15.48051 MCU汇编语言指令集327
15.4.1寻址方式327
15.4.2汇编指令328
15.58051 MCU中断系统及汇编语言编程
举例329
15.68051 MCU的GPIO结构331
15.6.18051 MCU的P0端口331
15.6.28051 MCU的P1、P2和P3
端口332
15.78051 MCU的片内外设接口333
思考题和习题334
第16章TMS320F28335微控制器337
16.1TMS320C2000简介338
16.2TMS320F28335的结构及主要特性339
16.3TMS320F28335的硬件小系统342
16.4TMS320F28335存储器配置及上电
程序引导343
16.4.1TMS320F28335的存储器配置343
16.4.2TMS320F28335的上电程序
引导345
16.5TMS320F28335中断系统346
16.6TMS320F28335的片内外设及实验348
思考题349
第17章MSP430系列微控制器350
17.1MSP430系列微控制器的结构和
特点概述350
17.2MSP430系列微控制器的实验平台
简介352
17.2.1MSPEXP430G2 LaunchPad352
17.2.2LaunchPad G2口袋实验平台352
17.3MSP430系列微控制器时钟模块
结构与实验353
17.4MSP430系列微控制器片内外设
模块以及实验355
17.4.1基础模块及实验355
17.4.2Grace图形化工具简介355
17.4.3同步I2C总线原理及应用356
17.4.4同步SPI原理及应用360
思考题362
第18章基于ARM核的MSP432
微控制器363
18.1MSP432 MCU简介363
18.2MSP432的实验平台及开发软件
简介363
思考题364
附录常用逻辑门电路逻辑符号365
参考文献367
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