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数字电子技术与微处理器基础(上册)——现代数字电子技术

  • 主 编:宁改娣
  • 书代号:396500
  • I S B N:978-7-5606-3673-3
  • 出版日期:2015-03
  • 印刷日期:2015-03
  • 业务分类:本科;
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内容简介
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本书在传统“数字电子技术”的基础上,增强了基于FPGA的现代数字电子技术设计方法,并将“微处理器”类课程内容和“数字电子技术”有机地结合在一起,消除了传统“数字电子技术”学习内容零散的缺陷,可以更好地理解微处理器的结构和工作原理。针对目前“微处理器”类课程只介绍某一处理器芯片的使用,本书增加了对微处理器结构原理、中断、程序引导、硬件最小系统等普遍性概念的介绍。

上册相对以往同类书籍的特点有:   前移PLD内容以便实验时更好理解和使用PLD;将微处理器典型硬件最小系统渗透到“数字电子技术”相关知识中。例如,介绍译码器作为地址译码器,三态门之后引入总线的概念,在脉冲产生部分介绍微处理器的复位和时钟电路等,最后自然形成了微处理器硬件最小系统,增强所学内容的实用性,也避免原来“数字电子技术”内容零散及不知所用的感觉;删除了主从JK触发器、 基于门的组合电路分析与设计方法、 基于门的斯密特触发器和单稳态触发器的介绍。下册微处理器基础中,介绍微处理器应用的软、硬件普遍性概念和一般规律,而非仅仅学习某一微处理器芯片,重点在于软、硬件基本功训练。

本书可作为高等学校电气工程、计算机科学与技术、控制科学与工程、电子信息工程、生物医学工程、机械设计制造及其自动化等专业的本科生教材,也可供数字电路设计工程师和技术人员参考。

一、 “数字电子技术”和“微处理器”类课程的重要性及现状

“数字电子技术”是进入数字世界的第一门课程,是电类专业必修的专业基础课程,这门课程的掌握情况直接关系到其他专业课程的学习和科研训练。数字电子技术的高速发展印证着摩尔定律,一度靠传统手工设计将中小规模集成器件组合成“板上系统”的时代也早已脱胎为基于可编程逻辑器件(PLD)和专用集成器件(ASIC)实现的“片上系统”时代。教科书、教学和实验内容也因摩尔定律而缩短了适用期,各个高校在该领域形成的金字塔地位将不再坚固。

随着微处理器设计、性能和制造技术的不断发展,“单片机原理”“数字信号处理器原理及应用”“嵌入式系统”等纷纷出现在高等教育的课程设置中。这些充分反映了未来电子技术的发展方向和市场应用的需求,也预示着新的就业方向。

我校“数字电子技术”实验平台和实验内容的更新周期不超过10年,但授课教材和上课内容相对比较落后,自2013年出版了《数字电子技术与接口技术实验》(西安电子科技大学出版社,2013年出版)教材后,更凸显出数字电子技术课程内容的不配套。微处理器就是一个典型的“片上”数字系统,这些年来,只要出现高性能的处理器,就开设一门新课程介绍一个或某一类微处理器IC芯片及其应用,不仅增加了学生负担、学时数,也打乱了教学计划,很多院校为了后续“微机原理”课程,需要将“数子电子技术”(简称“数电”)提前在“模拟电子技术”(简称“模电”)之前,甚至也影响到“电路”课程的安排。而且“微处理器”类课程与“数电”独立开课,存在重复、断层、应用训练少等诸多问题。各“微处理器”类课程也有低层次的重复教学与实验,虽然花费了大量的宝贵学时,但教学的效果和学生掌握的技能并不令人满意。

本书希望在最基础的“数电”课程中增强基于FPGA的现代电子技术设计方法,并将“微处理器”类课程内容和“数电”有机地结合在一起,将微处理器结构作为数字电子技术的一个应用实例,这样不仅消除了传统数字电子技术学习内容零散的缺陷,也可以更好地理解微处理器的结构和工作原理。同时,可以减少总的学时和学分数,方便教学计划的安排。

二、 本书特点

本书与现已出版的“数字电子技术”和“微处理器”类教材相比,增加了计算机的发展概述和数字电子技术的基本概念;增加传统内容的实用性介绍;补充介绍中断控制逻辑需要的优先编码器、算术逻辑单元(ALU)、总线结构、键盘扫描编码、存储器扩展、时钟和复位电路等,掌握这些基本电路,有利于在“数电”课程最后搭建起一个微处理器最小系统。这不仅将数字电子技术零散的内容融为一体,而且在学习各个部分时,学生也会更有兴趣;删减了基于门以及中规模器件的组合/时序电路分析和设计部分。

为了与实验有效配合,增加了对FPGA结构和原理的介绍,补充了Verilog HDL,将触发器和可编程逻辑器件两章内容提前至集成门之后进行讲述。在后续章节中,就可以给出验证性和设计性实验内容,并增加EDA仿真实验,使学生一开始就学习和利用现代电子设计不可或缺的EDA工具。 “数电”的教学环节采取“黑板+PPT+EDA仿真”的模式,这样不仅使课程与实验衔接紧密,加深学生对所学理论知识的理解, 而且利用课外学时也解决了实验时间有限的问题,加强了FPGA的实验效果。MIT、Stanford、UC Berkeley等高校的数电教学基本都是在FPGA上开展的。

微处理器就是一个典型的“片上”数字系统,其结构原理和应用可以很容易地补充到数字电子技术课程中,不仅使数字电子技术原本基础的内容可以在介绍微处理器时系统化,而且可以解决重复、衔接断层等问题,节省学时,有效提高教学效果。

目前的“微处理器”类课程都是介绍某一处理器芯片如何使用的,但微处理器品种繁多,更新换代很快,这种教材编写和教学方式不具备普遍性,不利于学生自学新的微处理器。本书增强对著名处理器厂家不同类型微处理器结构原理、中断、程序引导的普遍性概念介绍,展示给读者一个学习处理器的方法,而非仅仅学会某一处理器芯片的使用。

三、 本书的组织结构

基于上述编写思想,本书命名为“数字电子技术与微处理器基础”。为了配合目前的教学计划以及不同读者需要和方便使用,本书分为上、下两册。上册为“现代数字电子技术”,下册为“微处理器原理及应用”。本书可作为“数字电子技术与微处理器基础”一门课程的教材,也可以独立作为“数字电子技术”和“微处理器基础”两门课程的教材。本书从介绍组成数字系统的一些基本概念入手,逐步深入探索数字世界。

本书作者都是长期从事“电子技术”和“微处理器”类课程教学和实验指导的教师,书中内容是对作者一直从事的“数字电子技术”和“微处理器”类课程教学经验的总结。本书上册编写具体分工为:宁改娣组织讨论和负责教材内容的策划,承担教材的统稿和审稿工作,编写第1~4、7~10章和附录1;金印彬编写第5、6章和附录2;张虹编写第11章。

本书的撰写得到了西安交通大学电子学教研组老师、 依元素科技公司陈俊彦总经理、Xilinx大学计划部负责人谢凯年和陆佳华的大力支持,向各位致以衷心的感谢!

本书可作为高等学校电气工程、计算机科学与技术、控制科学与工程、电子信息工程、生物医学工程、机械设计制造及其自动化等专业的本科生教材,也可作为数字电路设计工程师和技术人员的参考书。

数字电子技术发展日新月异,书中内容若有疏漏和错误,欢迎专家、使用本书的教师和学生提出意见和建议,以便不断完善。

编 者

2014年10月于西安交通大学

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