本书是一本系统介绍数字电路设计的权威教材，旨在教会读者关于数字设计的基本概念。全书共分12章，内容涉及数字系统和二进制数、布尔代数与逻辑门、门级最小化，组合逻辑、同步时序逻辑、寄存器和计数器、存储器和可编程逻辑设备、寄存器传输级设计、异步时序逻辑、数字集成电路、标准IC和FPGA实验、标准图形符号等。全书结构严谨，内容深入浅出，紧密联系实际，教辅资料齐全。

本书是国外经典的一本著作，作者是业界非常有名的一位教授，出版过数字系统方面的多部著作。本书结构严谨，注重理论与实践的结合。在国外再版过多次，是一本难得的数字电路设计方面的优秀教材。

M. Morris Mano，美国加利福尼亚州立大学电子和计算机工程系的教授，出版过多部有关数字逻辑、计算机设计基础的教材；Michael D. Ciletti，美国科罗拉多大学教授。

第1章 数字系统与二进制数
1.1 数字系统
1.2 二进制数
1.3 数制的转换
1.4 八进制和十六进制数
1.5 补码
1.6 带符号的二进制数
1.7 二进制码
1.8 二进制存储与寄存器
1.9 二进制逻辑
习题
参考文献
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第2章 布尔代数和逻辑门
2.1 引言 第1章 数字系统与二进制数
1.1 数字系统
1.2 二进制数
1.3 数制的转换
1.4 八进制和十六进制数
1.5 补码
1.6 带符号的二进制数
1.7 二进制码
1.8 二进制存储与寄存器
1.9 二进制逻辑
习题
参考文献
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第2章 布尔代数和逻辑门
2.1 引言
2.2 基本定义
2.3 布尔代数的公理
2.4 布尔代数的基本定理和性质
2.5 布尔函数
2.6 范式与标准式
2.7 其他逻辑运算
2.8 数字逻辑门
2.9 集成电路
习题
参考文献
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第3章 门电路化简
3.1 引言
3.2 图形法化简
3.3 四变量卡诺图
3.4 和之积式的化简
3.5 无关条件
3.6 与非门和或非门实现
3.7 其他两级门电路实现
3.8 异或函数
3.9 硬件描述语言
习题
参考文献
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第4章 组合逻辑
4.1 引言
4.2 组合电路
4.3 分析步骤
4.4 设计步骤
4.5 二进制加减器
4.6 十进制加法器
4.7 二进制乘法器
4.8 数值比较器
4.9 译码器
4.10 编码器
4.11 数据选择器
4.12 组合电路的HDL模型
习题
参考文献
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第5章 同步时序逻辑
5.1 引言
5.2 时序电路
5.3 存储元件： 锁存器
5.4 存储元件： 触发器
5.5 钟控时序电路分析
5.6 时序电路的可综合HDL模型
5.7 状态化简与分配
5.8 设计过程
习题
参考文献
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第6章 寄存器和计数器
6.1 寄存器
6.2 移位寄存器
6.3 行波计数器
6.4 同步计数器
6.5 其他计数器
6.6 寄存器和计数器的HDL描述
习题
参考文献
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第7章 存储器和可编程逻辑器件
7.1 引言
7.2 随机存取存储器
7.3 存储器译码
7.4 检纠错
7.5 只读存储器
7.6 可编程逻辑阵列
7.7 可编程阵列逻辑
7.8 时序可编程器件
习题
参考文献
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第8章 寄存器传输级设计
8.1 引言
8.2 寄存器传输级定义
8.3 HDL的寄存器传输级描述
8.4 算法状态机（ASM）
8.5 设计举例（ASMD流程图）
8.6 设计举例的HDL描述
8.7 时序二进制乘法器
8.8 控制逻辑
8.9 二进制乘法器的HDL描述
8.10 用数据选择器进行设计
8.11 无竞争设计（软竞争条件）
8.12 无锁存设计（为什么浪费硅片？）
8.13 语言的其他特性
习题
参考文献
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第9章 用标准IC和FPGA进行实验
9.1 实验介绍
9.2 实验1： 二进制和十进制数
9.3 实验2： 数字逻辑门
9.4 实验3： 布尔函数化简
9.5 实验4： 组合电路
9.6 实验5： 代码转换
9.7 实验6： 使用数据选择器进行设计
9.8 实验7： 加法器和减法器
9.9 实验8： 触发器
9.10 实验9： 时序电路
9.11 实验10： 计数器
9.12 实验11： 移位寄存器
9.13 实验12： 串行加法
9.14 实验13： 存储器单元
9.15 实验14： 灯式手球
9.16 实验15： 时钟脉冲发生器
9.17 实验16： 并行加法器和累加器
9.18 实验17： 二进制乘法器
9.19 Verilog HDL模拟实验和使用FPGA的快速原型验证
第10章 标准图形符号
10.1 矩形符号
10.2 限定符号
10.3 相关符号
10.4 组合部件符号
10.5 触发器符号
10.6 寄存器符号
10.7 计数器符号
10.8 RAM符号
习题
参考文献
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附录A 半导体和CMOS集成电路
部分习题解答

译 者 序
当今的信息时代， 数字系统在我们的日常生活中起着越来越重要的作用， 并被广泛地应用于通信、 计算机、 自动控制、 GPS导航、 互联网、 物联网、 大数据等领域。从数字电话到数字电视， 从数字通用光盘到数字计算机， 从数码相机到军用雷达、 医用CT仪器设备， 数字技术的应用比比皆是。由于数字技术在处理和传输信息方面的各种优点， 数字电路得到非常广泛的应用。
“数字电路与逻辑设计”是电子工程、 信息工程、 计算机科学与技术等专业的一门非常重要的专业基础课。对于每一个工科电子信息类专业的学生和设计工程师， 数字电路与数字设计的基础知识是必备常识。我们翻译本书的目的正是要为电子工程、 信息工程专业和其他相近专业的本科生提供一本优秀的教材。
数字设计经历了从单元电路到系统电路、 从小规模电路到大规模、 超大规模集成电路的发展过程。随着微电子技术和信息处理技术的飞速发展， 各种类型的数字集成电路不断推出并广泛应用于各种技术领域， 数字电路与数字系统的设计方法与设计手段也发生了很大的变化。利用先进的EDA软件工具和可编程逻辑器件， 采用硬件描述语言已经成为当今数字设计技术的主流。
M.Morris Mano编著的《数字设计》是一本系统介绍数字电路与系统设计理论和技术的巨著， 自本书第一版出版以来已经被许多所著名大学选作教材。我们翻译的是这本书的第五版， 该版保留了前四版中经检验的经典内容， 主要包括二进制与布尔代数基础、 组合逻辑电路的分析与设计、 时序逻辑电路的分析与设计、 寄存器与计数器、 寄存器传输级设计、 存储器与可编程逻辑器件、 数字集成电路与FPGA实验、 标准图形符号等。根据最新的IEEE 1364标准更新和扩充了有关Verilog HDL的内容， 增加了半导体技术和CMOS集成电路的知识。全书中有大量的例题， 以帮助读者对所学知识的理解。每章末尾都附有大量的习题， 这些习题中的一部分是为巩固已学知识而设立的， 另一部分则是为开拓学生视野、 紧密联系工程实际而设立的。全书内容系统完整， 结构新颖， 理论严谨， 深入浅出， 是一本不可多得的好教材。
本书由徐志军教授负责翻译前言， 第1章至第4章由徐志军和倪雪共同翻译， 第5章至第7章、 第9章由尹廷辉和薛红共同翻译， 第8章、 第10章及附录由尹廷辉翻译。全书由徐志军审校统稿。硕士研究生徐程骥、 孔磊、 陈志伟协助完成了部分章节的翻译工作， 南京工业大学的何英老师对本书的翻译提供了很多的帮助， 在此特向他们致以深切的谢意。
数字设计是一门正在发展的技术， 涉及面广， 技术更新快， 新器件不断涌现。由于译者学识所限， 疏漏乃至错误在所难免， 敬请读者指正。
第五版前言
自从《数字设计（第四版）》出版以来， 基于数字技术来接收、 控制和传输信息的设备在商业领域中的应用呈现快速增长的趋势， 新的手机和手持移动设备层出不穷， 性能也在大幅提升。在这些美观的用户界面之下,使用二进制代码进行数据传输的二进制系统扮演了很重要的角色。这些系统的基本理论并没有发生太大变化,然而制造商对某些核心理论的完善， 以及现代化设计工具的应用进一步推动了市场的发展。因此， 为适应新技术， 本书精炼了内容并且加强了对数字器件的传统理解和现代设计方法介绍。
《数字设计与Verilog实现（第五版）》的内容大部分建立在前面四个版本基础上的， 除此之外， 用户的反馈也帮助我们确定了一部分内容编写的方向。 这个版本中的内容更侧重于数字设计的基础课程以及当今主流数字系统设计技术——CMOS电路。 本书适合的读者范围很广， 计算机科学、 计算机工程以及电子工程专业的学生均可阅读。 本书的核心内容包括： （1）布尔逻辑， （2）逻辑门， （3）同步有限状态机， (4) 数据通路控制器。所有这些都是要通过数字系统的设计来实现的。
该版同时取消了一些电子电路的内容,所以读者可能无法再找到有关异步状态机或者双极型晶体管的描述。 另外， 随着网络上有关的辅助材料越来越多， 我们减少了关于FPGA的篇幅。 现在的设计者更倚重于硬件描述语言(HDL)， 《数字设计与Verilog实现（第五版）》把更多的注意力放在了应用上， 以及怎样才能思路清晰地使用Verilog HDL对数字系统进行设计和开发。
多样化的学习方法
《数字设计与Verilog实现（第五版）》提供了多样化的学习方法。称作VARK的学习方法区分了四种主要的学习模式： (V) Visual， 视觉； (A) Aural， 听觉； (R) Reading， 阅读； (K)Kinesthetic， 动觉。 VARK方法以及范例可以用来支持课堂教学。本书中提供了高标准的图例图解(Visual)， 对于大量的范例及讨论， 学生使用免费的模拟器进行实验， 内容包括怎样设计一个逻辑系统并使它正常工作（Kinesthetic）， 而最后的听觉（Aural）部分的内容则交给教师来完成。 因此， 使用《数字设计与Verilog实现（第五版）》来开展数字设计课程教学， 可以给学生带来丰富且循序渐进的学习体验。
有些人可能会对本书的内容以及第一堂课就涉及硬件描述语言(HDL)抱有疑问， 事实上我们注意到， 伴随着新生的为集成电路设计的CAD工具的大量普及， 当今工业界已经逐步淘汰了20世纪80年代开始的基于原理图的设计。原理图创造了一种用接线图对系统功能进行描述的方法， 然而其不足之处在于对于任何人来说， 想要在较短时间内没有任何仪器的帮助和说明书， 仅由画在纸上的逻辑电路原理图来确定电路功能无疑是很困难的。因此工业界转而把目光放在硬件描述语言(诸如Verilog HDL)上， 开始使用HDL来描述逻辑功能的设计， 并且囊括了功能说明、 模拟、 仿真测试以及与实际硬件系统（如标准ASIC或FPGA单元）的综合调试。原理图方法只有通过对详细的并且精确分级的设计模块文档的仔细分析， 才能达到实用的目的。较旧的范例中,设计者们依仗多年的经验来制作电路原理图以说明其功能。而在当今工业的设计图中， 设计者们使用硬件描述语言来更直接、 更有效地说明数字系统的功能， 而不需要多年积累的经验， 同时通过综合的模拟工具来自动生成原理图作为参考。工业实践证明传统原理图带来的低效能如果不被新的分析方法取代， 将会给新一代大型复杂集成电路的设计带来巨大困难。
我们再次说明， 在《数字设计与Verilog实现（第五版）》的第一课就涉及硬件描述语言， 并不代表要摒弃传统基础理论和手工设计方法。对于学生来说理解硬件是如何工作的仍然非常重要。 因此我们保留了详尽的组合和连续逻辑模块的内容。手工设计在锻炼学生能力的同时， 将结果与HDL范例中得到的结果进行比较， 可以进一步加深学生对硬件知识的理解。无论如何， 我们想强调的是“硬件是如何设计的”， 为学生将来在工业上的工作实践打下坚实基础， 这就是为什么基于硬件描述语言的设计实践是至关重要的。
适用性
书中内容的次序很好地适应了课程需求， 是由基于传统手工工艺的数字电路设计、 使用硬件描述语言的数字电路设计和在两者之间或两者混合的课程组成。因为当今综合性设计工具的高度自动化使得逻辑分析最小化。卡诺图以及其他相关的主题可以被最优化地呈现在数字设计的开始或者在使用硬件描述语言测试、 设计、 模拟电路之后。本书的内容包含了手工设计电路和基于硬件描述语言设计电路的范例。通过每章结尾前后参照的习题， 让传统手工设计任务变成采用硬件描述语言并且需要同伴一起完成的任务。通过在模拟结果、 习题的解答和手工设计的解决方案中添加注释， 将传统手工设计和基于硬件描述语言的电路设计有机结合起来。
内容的更新
《数字设计与Verilog实现（第五版）》遵循最新的IEEE 1364标准， 此次修订后的版本更新如下：
● 去除了一些非典型的逻辑电路（诸如RTL、 DTL、 射级耦合逻辑电路）。
● 在每章的最后加上了有关“网络搜索主题”的内容来指导学生在互联网上进行相关内容的扩展阅读。
● 每章最后对大约三分之一的问题进行了复习。
● 包含所有新的习题的解答手册。
● 有关卡诺图化简的内容更加合理。
● 增加了基本的CMOS技术在逻辑门上的应用。
● 附录中包含了有关半导体技术的介绍。
设计方法论
这个版本对于如何在数字系统中设计状态机来控制数据通道提供了一种比较系统的方法论。 此外,这些材料的框架用来解决控制器如何处理数据通道发出的信号等实际问题,例如系统反馈(响应)的问题。 因此， 我们提供了设计复杂交互数字系统的基本方法。这种方法论在人工以及基于硬件描述语言的设计中都可以得到运用。
合适的HDL内容
仅仅局限于介绍硬件描述语言的语法是远远不够的,书中只在需要的地方提供了这些Verilog语法元素， 而且正确的语法并不意味着这个电路模块就能够正常实现它的功能或者顺利组合成一个物理硬件。我们希望学生能够通过生产实践,确认手工模型能够有效地被综合成物理硬件电路。如果不能做到这点会导致软件竞争问题的出现， 并会造成模拟的结果与综合成物理硬件后的结果不符。同样， 设计时不进行生产实践也许能够得到正确的模拟结果， 但因为设计者的方法不同， 从而在设计过程中会不经意地造成硬件闭锁。而工业实践会给我们提出无竞争和无闭锁的设计要求， 所以对学生来说， 在生产过程中学习和运用硬件描述语言模型而不是仅仅依赖于综合工具是十分重要的。验证
在生产过程中的一个重要步骤是检验电路是否能够正常工作。现在的数字电路教学过程中并没有足够地重视验证这个环节， 而是仅仅关注设计本身,验证通常被看成是第二位的。这种观点会带来一种“这个电路将会很好地工作”的不成熟的想法。同样,生产过程中一般是通过分析模型是否“可读、 可携带、 可回收”来对基于硬件描述语言的模型进行检验的。通过对硬件描述语言模型进行检验， 可获取可观的收益。我