数字逻辑与计算机硬件设计基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:电子工业出版社

作者:（美）M.Morris Mano Charles R.Kime

出品人:

页数:650

译者:

出版时间:2002-7

价格:58.00

装帧:平装

isbn号码:9787505376625

丛书系列:

图书标签:

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《数字电路设计与应用实践》 书籍简介 本书深入探讨了现代数字电路的理论基础、设计方法与工程实践。全书围绕着如何将抽象的逻辑概念转化为实际可用的硬件系统展开，旨在为读者建立起从基础逻辑门到复杂系统级设计的完整认知框架。 本书内容涵盖了数字电子学的所有核心领域，并强调了理论与实践的紧密结合。我们不局限于对基本元器件的介绍，而是着重于如何运用这些基础构建出高效、可靠、功能强大的数字系统。 第一部分：基础逻辑与抽象建模 本部分是理解数字系统的基石。首先，我们详细剖析了布尔代数、逻辑函数优化（如Karnaugh图和Quine-McCluskey方法）在实际电路设计中的应用。不同于仅仅停留在数学推导，本书将重点放在如何通过逻辑综合来简化电路规模和降低功耗。 随后，我们将引入半导体器件层面的非理想特性对逻辑功能的影响。MOS晶体管作为现代数字集成电路的基本开关，其阈值电压、开关速度和负载能力是设计中必须考虑的关键参数。本书将介绍CMOS逻辑家族的结构、暂态响应以及噪声容限的精确计算方法。 信息的表示与编码是数字系统的语言。本书将系统性地介绍各种编码方案（如BCD、格雷码、汉明码）的应用场景，并深入讲解如何设计和实现高速的加法器、乘法器等算术逻辑单元（ALU）。我们将对比组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计哲学差异，为后续复杂状态机的构建打下基础。 第二部分：时序电路与状态机设计 时序电路是实现记忆和控制功能的核心。本部分详尽阐述了锁存器（Latch）和触发器（Flip-Flop）的工作原理、主从结构以及它们在同步和异步系统中的应用。我们将特别关注时序约束——建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）——对系统稳定性的决定性影响，并介绍如何使用时序分析工具来验证设计的时序完整性。 状态机的设计是数字系统工程师必备的技能。本书将侧重于有限状态机（FSM）的设计方法，涵盖摩尔（Moore）和米利（Mealy）两种类型的状态机。我们将通过多个实际案例，如交通信号灯控制器、串行数据解码器等，演示状态图的绘制、状态编码的选择（如独热编码与二进制编码对电路复杂度的影响），以及如何系统地消除毛刺（Glitch）和竞争冒险（Race Condition）。 同步化问题是所有时序电路设计的核心挑战。本书将深入探讨异步输入信号的同步化处理，详细介绍双触发器同步器（Two-Flip-Flop Synchronizer）的工作机制及其局限性，并探讨更高级别的跨域（CDC）同步技术。 第三部分：可编程逻辑器件与硬件描述语言 现代硬件设计已高度依赖于硬件描述语言（HDL）。本书将以业界主流的Verilog HDL为主要工具，辅以VHDL作为对比介绍。我们不仅教授语法，更强调“结构化思维”和“综合可实现性”的设计风格。 Verilog部分将涵盖模块实例化、连续赋值与过程赋值的区分、生成块（Generate Block）的应用，以及如何使用时序检查（Timing Checks）来保证代码符合硬件实际。我们将详细讲解如何将高层次的算法描述（如并行处理结构）有效地映射到硬件资源上。 可编程逻辑器件（PLD）是实现原型和中小型系统的关键平台。本书将聚焦于现场可编程门阵列（FPGA）的架构，包括其内部的查找表（LUT）、触发器、块RAM（BRAM）和数字信号处理单元（DSP Slice）。读者将学习如何使用综合工具将HDL代码映射到特定的FPGA资源上，理解资源约束与性能之间的权衡。 第四部分：数据通路与控制器设计 一个完整的数字系统通常由数据通路（Data Path）和控制器（Controller）两大部分组成。数据通路负责数据的算术和逻辑运算，而控制器负责协调数据流的时序和操作。 本书将指导读者设计标准的数据通路组件，例如多路选择器、寄存器组、算术单元的流水线化结构。重点在于如何通过寄存器和流水线级的设计来提高系统的吞吐量，并计算关键路径的时延。 控制器设计部分将深入探讨硬布线逻辑（Hardwired Logic）和微程序控制（Microprogrammed Control）的优缺点。我们将通过设计一个简易的处理器模型（如一个八位RISC核的简化版），演示如何将指令集（Instruction Set）的解码逻辑集成到状态机控制器中，从而实现对数据通路操作的精确时序控制。 第五部分：系统级考量与接口设计 成功的数字系统设计必须考虑外部接口和系统级性能。本部分将涉及存储器的组织与访问协议，包括静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）的接口时序。 输入/输出（I/O）接口设计是系统集成的关键。我们将介绍异步串行通信（如UART）和同步并行通信（如SPI、I2C）的基本原理和HDL实现，以及如何处理总线仲裁和数据传输握手协议。 最后，本书将介绍数字系统中的时钟管理。详细分析了时钟树综合（Clock Tree Synthesis, CTS）的原理，如何降低时钟偏斜（Skew）和抖动（Jitter），并讨论了如何设计和验证低功耗数字电路，包括时钟门控（Clock Gating）技术的应用。 通过对以上五个部分内容的系统学习，读者将具备从零开始设计、仿真、综合并最终实现在可编程硬件上的中等复杂度的数字系统的能力。本书强调的是“设计”而非“组装”，旨在培养工程师对底层硬件行为的深刻理解和系统级的架构思维。

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这本书的排版真是让人眼前一亮，封面设计简约而不失专业感，内页纸张的质地也相当不错，阅读起来眼睛不容易疲劳。内容上，作者似乎将更多的篇幅投入到了对底层原理的深度剖析上，比如关于半导体物理的入门讲解，虽然对初学者来说可能略显艰涩，但对于想深入理解数字电路的同学来说，无疑是一份宝贵的资料。书中穿插了大量的历史背景介绍，这让冰冷的逻辑电路变得有血有肉起来，仿佛能看到工程师们当年攻克难关的场景。不过，我个人希望能看到更多现代EDA工具的使用示例，毕竟理论结合实践才能更好地应对当前的设计挑战。总体而言，这是一本非常适合有一定基础，追求理论深度的读者的参考书。

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这本书的插图和图表质量绝对是行业内的顶尖水准。每一个电路图都清晰明了，标注详尽，即便是复杂的时序图和状态转移图，也能通过精心的设计让人一目了然。特别要提到的是，书中对不同逻辑族（如TTL、CMOS的不同系列）的电气特性对比表格做得非常专业，这些都是在实际工程中非常关键的选型依据。我发现作者在介绍存储器结构时，用了一种非常直观的方式来展示SRAM和DRAM的工作原理，这比我以前看过的任何教材都更易于理解和记忆。如果说有什么可以改进的地方，那就是书中对FPGA和CPLD等可编程逻辑器件的实际应用案例可以再丰富一些，毕竟现代数字系统设计越来越依赖于这些平台。

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我不得不承认，这本书的份量十足，几乎可以作为一本工具书来常备在手边。它在叙述上保持着一种高度的客观性，几乎没有掺杂任何个人主观倾向，完全聚焦于“是什么”和“为什么是这样”的核心问题。其中关于布尔代数化简和卡诺图（K-map）的介绍部分，虽然是基础，但作者用了一种非常系统化的方法来教授化简的技巧，避免了传统教学中那种依赖直觉的弊端。对于那些需要参加专业资格考试的读者来说，这本书无疑提供了非常坚实的理论基础，几乎涵盖了所有可能考到的核心知识点。唯一让我感到困惑的是，在某些章节的术语翻译上，似乎存在一些细微的不一致性，如果能统一术语标准，阅读体验会更顺畅。

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拿到这本书的时候，首先感受到的是它内容的广度和深度。它不仅仅停留于传统的组合逻辑和时序逻辑的讲解，还相当详尽地探讨了超大规模集成电路（VLSI）的一些基础概念，甚至涉及到了低功耗设计的一些前沿思考。章节的组织逻辑性极强，从最基本的门电路开始，逐步过渡到复杂的控制器设计，每一步的推导都非常严谨，论证链条几乎是无懈可击的。我特别欣赏其中关于同步时序逻辑设计中的亚稳态问题的处理部分，作者没有一笔带过，而是用生动的案例分析了时钟域交叉带来的实际问题，并提供了多种解决方案的优劣对比。美中不足的是，配套的习题数量相对较少，如果能增加一些需要综合运用多章节知识的综合设计题，对于巩固学习效果会更有帮助。

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这本书的语言风格非常平实、克制，不追求华丽的辞藻，而是用最精确的数学和逻辑语言来构建知识体系。它更像是一本严谨的学术手册，而不是一本轻松的入门读物。对于那些习惯了碎片化学习的读者来说，可能需要极大的耐心去啃下这些硬骨头。书中对不同逻辑门电路的抽象模型进行了详尽的数学建模，这对于理解电路在不同工作状态下的行为特性非常有帮助。我印象最深的是关于CMOS器件特性的描述，它清晰地解释了电压阈值、噪声容限等关键参数是如何影响最终的电路性能的。如果读者完全没有接触过任何电子学基础，直接阅读此书可能会感到吃力，建议先对基础电子元件有所了解。

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