具体描述
微型计算机原理及接口技术，ISBN：9787302097693，作者：李伯成编著
《数字电路设计与应用》 书籍简介 本书旨在为读者提供一套全面、深入且具有实践指导意义的数字电路设计与应用知识体系。全书结构严谨，内容涵盖了从基础的逻辑门、组合逻辑电路、时序逻辑电路，到复杂的存储器、可编程逻辑器件（PLD）及现场可控门阵列（FPGA）的应用开发。本书的编写严格遵循工程实践的要求，力求在理论深度与实际操作之间找到最佳的平衡点，确保读者不仅理解数字系统的底层原理，更能熟练运用现代设计工具进行系统级开发。 第一部分：数字系统基础与逻辑设计 本部分是构建数字电路知识大厦的基石。首先，我们从信息论和数制转换入手，详细阐述二进制、八进制、十六进制等不同数制在计算机科学中的重要性，并系统介绍编码（如BCD码、格雷码、海明码）的原理和应用。 随后，内容深入到逻辑代数的核心。重点解析布尔代数的基本公理、定理及其在电路分析中的应用。我们详尽讲解了逻辑函数的化简方法，包括代数化简法、卡诺图（Karnaugh Map, K-map）的五变量及以上展开，以及最常用的计算机辅助化简工具——Quine-McCluskey（QM）算法的详细步骤与实例分析。通过这些工具，读者能够高效地获得最优化的逻辑表达式。 在逻辑门部分，本书不仅介绍了标准的TTL和CMOS逻辑门，还深入探讨了它们在不同工作电压、功耗和速度下的特性差异。更重要的是，我们引入了标准单元库（Standard Cell Library）的概念，为后续的集成电路设计打下基础。 第二部分：组合逻辑电路分析与设计 组合逻辑电路是数字系统的核心组成部分之一，其输出仅取决于当前的输入状态。本部分详细剖析了各类重要的组合逻辑模块。 加法器与算术逻辑单元（ALU）的构造是重点。我们从半加器、全加器开始，逐步推导出串行加法器、并行加法器（如超前加法器Carry Lookahead Adder）的设计原理，阐明了速度瓶颈的来源与优化策略。乘法器和除法器的基本算法（如阵列乘法器、Booth算法）也被引入，帮助读者理解复杂算术运算的硬件实现。 多路选择器（MUX）、译码器（Decoder）、编码器（Encoder）和数值比较器的设计与应用被系统梳理。特别强调了它们在数据路由、地址解码和信号转换中的关键作用。本书提供了大量如何使用这些基本模块来构建更复杂的组合逻辑系统的实例，例如数字信号的并行/串行转换。 本章还专门辟出章节讨论三态缓冲器（Tri-state Buffer）和总线仲裁机制，这是多处理器系统和存储器共享总线结构中不可或缺的概念。 第三部分：时序逻辑电路与状态机设计 时序逻辑电路的引入标志着系统开始具备“记忆”能力，是构建控制器和数据存储单元的基础。 脉冲和触发器是时序电路的基石。本书详尽对比了SR、D、JK、T触发器的结构、特性表、状态图和激励表，特别是如何解决“竞争冒险”问题以及建立、保持时间对系统稳定性的影响。同步和异步清零/置位的处理在实际应用中的优先级分析是本书的一大特色。 寄存器和移位寄存器的设计与应用被深入探讨，重点分析了串入并出（SIPO）、并入串出（PISO）等模式，以及在数据暂存和序列生成中的作用。 计数器部分，从最简单的异步计数器，过渡到复杂的同步计数器和任意模N计数器的设计。我们使用状态转移图（State Diagram）作为设计规范，系统讲解了如何使用D触发器或T触发器来实现精确的时序控制。 有限状态机（FSM）的设计是本部分的难点与重点。本书采用经典的Mealy模型和Moore模型进行对比分析，并提供了一套完整的设计流程：从状态定义、状态简化、状态分配（如Gray码分配）到电路实现。通过若干个实际的控制序列设计案例（如交通灯控制器、串行数据检测器），帮助读者掌握FSM的工程化设计方法。 第四部分：存储器系统与半导体器件 本部分将理论与现代半导体存储技术紧密结合。首先阐述了存储器的基本概念，如容量、存取时间和组织结构。 RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）的内部结构被详细剖析，特别是SRAM（静态RAM）的六晶体管单元工作原理和DRAM（动态RAM）的刷新机制。本书结合实际的存储器芯片（如SRAM芯片、EEPROM）的数据手册，讲解如何进行地址译码和数据接口设计，以构建更大的存储空间。 缓存（Cache）系统作为CPU性能的关键，被重点介绍。包括SRAM的工作原理、Cache的映射策略（直接映射、全相联、组相联）和写回/写穿策略的优劣对比。 第五部分：可编程逻辑器件与硬件描述语言（HDL）基础 进入现代数字系统设计领域，PLD/FPGA是不可或缺的工具。本书将数字设计从传统的逻辑门级提升到行为级描述。 首先介绍CPLD（复杂可编程逻辑器件）的结构，重点讲解其内部的宏单元（Macrocell）如何实现逻辑函数的灵活映射。随后，深入到FPGA的体系结构，包括逻辑单元（LUT）、触发器、布线资源、I/O模块等关键组成部分。 本书引入VHDL或Verilog语言（根据版本选择或并重），讲解如何使用硬件描述语言来描述组合逻辑、时序逻辑和状态机。强调HDL代码的风格要求，以及如何确保代码的可综合性（Synthesizability）。 最后，本书会结合具体的设计实例（如一个简单的8位CPU控制器），展示完整的“设计输入（HDL）→逻辑综合→布局布线→时序仿真→目标器件下载”的全流程，使读者获得从概念到物理实现的完整工程经验。 总结 本书内容覆盖了数字电子技术的核心知识体系，从最底层的晶体管开关特性到高级的系统级设计方法，均有详尽阐述。本书适合作为高等院校电子工程、计算机科学与技术、自动化等专业本科生或研究生的教材或参考书，同时对希望系统学习数字系统设计与FPGA开发的工程师也具有极高的参考价值。
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