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出版者:电子工业出版社

作者:张钧良等编

出品人:

页数:258

译者:

出版时间:2001-1

价格:22.0

装帧:平装

isbn号码:9787505363649

丛书系列:

图书标签:

• 计算机组成原理
• 计算机体系结构
• 数字逻辑
• 汇编语言
• 计算机硬件
• 存储系统
• CPU
• 输入输出
• 流水线
• 并行处理

《数字逻辑与电路设计基础》 图书简介 本书旨在为读者提供深入浅出、全面系统的数字逻辑电路和基础电子电路的理论知识与工程实践技能。不同于侧重于计算机系统内部结构和指令集层面的著作，《数字逻辑与电路设计基础》将焦点完全置于构成所有数字系统的最底层基石之上——晶体管级别的开关行为、布尔代数在硬件实现中的应用，以及如何利用这些基础构建出复杂的组合逻辑和时序逻辑电路。 本书结构清晰，内容涵盖了从最基本的电子元件特性到复杂系统模块设计的完整流程，尤其强调理论与实际设计工具（如硬件描述语言HDL）的结合。 --- 第一部分：基础电子元件与模拟电路入门 在深入数字世界之前，理解驱动这些数字开关的物理基础至关重要。本部分详细探讨了构成现代集成电路（IC）的基本单元——半导体器件的工作原理。 1. 半导体物理基础： 追溯到材料科学的层面，讲解了本征半导体、N型和P型掺杂的概念，以及载流子（电子和空穴）的迁移率和扩散现象。这是理解二极管和三极管工作特性的物理前提。 2. 二极管的应用与模型： 详细分析了PN结在正向偏置、反向偏置下的I-V特性曲线。重点介绍了几种常用二极管（如稳压二极管、发光二极管）的工程模型，并探讨了它们在整流、钳位和箝位电路中的实际应用。 3. BJT与MOSFET晶体管基础： 本章是理解数字开关的基础。我们深入分析了双极性结型晶体管（BJT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的结构、工作区（截止、放大、饱和/线性区）以及其作为电子开关的特性。特别强调了MOSFET在CMOS技术中的重要性，对比了BJT和MOSFET在功耗、开关速度和集成密度上的优劣。 4. 基础模拟放大电路： 虽然本书核心是数字电路，但理解晶体管作为线性放大器的工作方式，有助于读者掌握其作为开关时的非线性特性。本章简要介绍共源极、共集电极等基本放大组态，并探讨负载线分析法。 --- 第二部分：布尔代数与组合逻辑电路设计 本部分是本书的核心，专注于如何使用布尔代数来描述和实现逻辑功能，并设计出不含记忆元件的电路。 5. 布尔代数与逻辑门： 系统阐述了布尔代数的基本公理、定理（如德摩根定律、分配律）。随后，详细介绍了基本逻辑门（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR）的真值表、符号表示和物理实现（基于CMOS的反相器和缓冲器）。着重强调NAND和NOR门作为“通用门”的重要性及其在逻辑电路设计中的简化作用。 6. 逻辑函数的化简： 介绍了几种关键的逻辑化简技术。首先是代数法，通过应用布尔代数规则简化表达式。其次是卡诺图（Karnaugh Map, K-Map）法，通过图形化的方式系统地找出最小项集和冗余项，实现对两变量到六变量逻辑函数的简化。最后，引入奎因-麦克拉斯基（Quine-McCluskey）算法作为处理复杂、多变量函数的系统化工具。 7. 组合逻辑电路的构建与分析： 介绍如何将化简后的布尔表达式转换为实际的逻辑门电路图。重点分析并设计了若干标准组合逻辑单元： 编码器与译码器： 如BCD到七段显示译码器、优先编码器。 数据选择器（MUX）与数据分配器（DEMUX）： 分析其作为多路信号选择和数据路由的强大功能。 加法器与算术单元： 从半加器、全加器开始，逐步构建出串行加法器和并行（携带选择器控制的）快速加法器结构。 --- 第三部分：时序逻辑电路与状态机 本部分转向处理时间依赖性电路，即那些具有“记忆”功能的电路单元。 8. 锁存器与触发器： 详细剖析了基本存储单元的构建。从SR锁存器（带或不带同步控制的）开始，解释了“禁止状态”问题。随后，深入讲解了D触发器（延迟触发器）和JK触发器，重点关注它们在时钟边沿（上升沿或下降沿）触发下的行为，以及如何避免亚稳态问题。 9. 寄存器与移位寄存器： 介绍如何将多个触发器同步连接起来形成并行数据存储单元——寄存器。深入研究了各种移位寄存器（串入并出、并入串出、双向移位）的工作机制及其在数据缓冲、串并行转换中的应用。 10. 异步与同步时序系统： 区分异步（无全局时钟控制）和同步（由单一全局时钟控制）系统设计的差异和挑战。重点放在同步时序电路的分析上，包括建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的限制对系统速度的决定性影响。 11. 有限状态机（FSM）设计： FSM是控制逻辑设计的核心。本章首先介绍状态图、状态转移表和状态编码的原理。接着，采用标准的米利（Mealy）模型和穆尔（Moore）模型进行设计实例演示，例如交通灯控制器、序列检测器等。讨论了如何使用D触发器和组合逻辑电路来实现自动机的功能，并探讨了状态编码优化以减少逻辑门数量的方法。 --- 第四部分：可编程逻辑器件与系统接口 本部分将理论电路设计提升到实际硬件实现层面，介绍了现代电子设计中不可或缺的可编程器件。 12. 可编程逻辑器件（PLD）概述： 介绍了可编程只读存储器（PROM）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）的基本结构。解释了它们如何通过可编程的逻辑阵列和可编程的互连资源来实现任意布尔函数的快速原型设计。 13. 硬件描述语言（VHDL/Verilog）入门： 鉴于现代数字系统设计几乎完全依赖HDL，本章提供了一个实用的入门。重点讲解如何用HDL来描述组合逻辑（使用连续赋值或`always`块）和时序逻辑（同步描述时钟和复位），以及如何进行仿真和综合。书中会使用清晰的例子将上一部分介绍的加法器和FSM结构转化为硬件描述代码。 14. 时序分析与时钟域： 讨论了在大型系统中，信号跨越不同时钟域（Clock Domain Crossing, CDC）时可能出现的同步问题。介绍了一些基本的CDC同步机制，如双触发器同步链，以确保系统可靠性。 --- 适用读者： 本书适合于电子工程、计算机工程、自动化等专业的本科生作为核心教材，也适合于希望系统学习数字电路设计原理的工程师和高级技术爱好者。本书的深度和广度，使其成为从理论基础走向现代硬件描述语言应用的理想桥梁。

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这本书的装帧设计非常考究，封面采用了深邃的**海军蓝**，配以**烫金**的字体，散发出一种古典而严谨的气息。初次翻阅时，我首先被其**清晰的排版**所吸引。即使是面对那些逻辑性极强的概念，作者也巧妙地运用了**留白**和**字体粗细**的变化来引导读者的视线。内页纸张的质感也十分上乘，拿在手里有种沉甸甸的踏实感，这对于需要长时间研读的技术书籍来说，无疑是一个巨大的加分项。书中的插图部分，特别是关于**数据通路和控制单元**的逻辑图示，线条精准有力，色彩搭配得恰到好处，既避免了过于花哨而分散注意力，又保证了关键信息的可视化效果。阅读过程中，我发现作者在章节的**小标题设计**上也颇具匠心，它们不仅概括了内容，更像是一组组引导性的问句，激发着读者深入探索的欲望。例如，某个关于**流水线技术**的章节标题，就用了一种富有诗意的提问方式，让人在理解其复杂性之前，就已经对效率提升的原理产生了好奇心。这种对**细节的极致追求**，使得这本书不仅仅是一本工具书，更像是一件精美的工艺品，让人爱不释手，愿意一遍遍地去摩挲和品味。

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与其他市面上强调**汇编语言**和**底层代码实现**的教材不同，这本书展现出一种对**“黑箱”内部运行机制**的强烈探索欲，但它又非常克制，不沉溺于底层细节的泥潭。我特别欣赏作者在讲解**I/O系统设计**时所采取的宏观视角。他没有将精力过多地放在具体某个设备的**中断向量表**上，而是着重于阐述**DMA（直接内存存取）**如何通过**总线仲裁**来平衡CPU与外设之间的数据流动，以及这种设计如何影响整个系统的**并发处理能力**。书中对**总线周期**的描述，就仿佛在描绘一出精心编排的舞台剧，清晰地标明了每个参与者（Master, Slave, Arbiter）的出场时机和交互流程。这种**系统级的架构思维**，对于那些期望未来从事**操作系统内核开发**或**嵌入式系统优化**的读者来说，价值难以估量。它教会我们，硬件的效率并非仅仅依赖于时钟频率的提升，更多的是依赖于**结构化的、高效的资源调度**，以及对**延迟和带宽**之间复杂权衡的深刻理解。

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我花费了数周时间，深入研读了这本书中关于**内存层次结构**和**缓存一致性协议**的章节，感受最深的是作者在**理论深度**与**工程实践**之间找到的那个微妙的平衡点。很多同类书籍往往在理论层面堆砌公式，或者在实践层面流于表面，而这本书却成功地将**冯·诺依曼架构**的抽象概念，通过一系列**精心构造的案例**具象化了。比如，在讲解**TLB（转换后援缓冲器）**的工作机制时，作者没有仅仅停留在地址翻译的步骤描述上，而是引入了一个模拟**多进程并发访问**的场景，清晰地展示了**上下文切换**对缓存性能的冲击，并提供了优化建议。这种“先建立模型，再打破模型，最后重建更优模型”的叙述脉络，极大地提升了学习的效率。更值得称道的是，作者对**性能瓶颈分析**的视角非常独到，他似乎预判了初学者会在哪里产生认知障碍，并提前设置了**“陷阱”提示**或**“深度解析”**的侧边栏，用一种略带挑衅的语气引导我们重新审视自己的理解。读完这部分内容，我感觉自己不仅仅是记住了知识点，而是真正地掌握了一种**系统设计者的思维方式**，能够从硬件底层去审视软件效率的根源所在。

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这本书的**自我修正和迭代精神**令人印象深刻。虽然是关于经典的计算机基础，但字里行间透露出对**现代计算趋势**的关注。例如，在讨论**指令级并行**时，作者引入了**超标量处理器**的概念，并巧妙地将**分支预测的错误率**与现代芯片的**功耗预算**联系起来进行讨论。这种对**“过去”知识与“现在”挑战的对话**，让内容显得格外鲜活。我尤其喜欢其中一个关于**浮点数运算单元（FPU）**的章节，它不仅解释了IEEE 754标准的来龙去脉，更进一步探讨了**SIMD（单指令多数据）**指令集如何优化**图形渲染和科学计算**的性能。作者用一种近乎**工程师日记**的口吻，剖析了在有限的芯片面积上，如何权衡**通用性**与**专业加速能力**的取舍。读完后，我能清晰地看到，我们今天习以为常的**多核并行和GPU计算**，是如何从这些早期的指令集设计和硬件约束中一步步演化而来的，这为理解当今的**异构计算**打下了非常坚实且富有历史感的认知基础。

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这本书的**逻辑推进速度**把握得相当老练，尤其是在跨越不同抽象层次时，过渡显得格外自然流畅。初读时，你可能会觉得开篇的**数制转换和逻辑代数**部分似乎有些“基础”得过了头，但随着章节的深入，你会猛然意识到，作者是在为你后续理解**指令集架构（ISA）**的精妙之处，打下坚不可摧的基石。那种感觉就像是攀登一座高山，前期的盘山小路上坡平缓，让你放松警惕，但一旦进入主体攀登阶段，那些看似简单的基础知识点，便化作了支撑你向上攀升的每一步台阶。特别是关于**RISC与CISC**的设计哲学对比那一段，作者没有采用常见的简单对立，而是从**晶体管成本**、**编译复杂度**和**指令解码时间**这三个维度进行交叉论证，呈现出一种**多维度的辩证分析**。这种处理方式，让原本枯燥的架构之争，变成了一场精彩的思想交锋。读完这部分，我不再只是机械地记忆两者的特性列表，而是开始思考，在**特定的硬件限制**和**特定的软件需求**下，哪种设计思想更具生命力，这已然超越了单纯的知识学习，进入了**批判性思维的培养阶段**。

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