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出版者:电子工业出版社

作者:渥伦斯基

出品人:

页数:312

译者:凌纯清

出版时间:2004-7

价格:33.00元

装帧:

isbn号码:9787505399495

丛书系列:

图书标签:

• hardware
• FPGA
• 硬件编程
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《数字电路基础与实践》 本书旨在为读者构建坚实的数字电路理论基础，并提供丰富的实践指导，帮助读者理解和掌握现代数字系统的核心构成原理和设计方法。全书共分为三个主要部分，层层递进，由浅入深。 第一部分：数字电路基础理论 本部分将系统性地介绍数字电路的基本概念和理论框架。我们将从最基础的逻辑门（AND, OR, NOT, XOR等）开始，讲解它们的工作原理以及如何组合实现更复杂的逻辑功能。布尔代数作为数字逻辑设计的数学工具，将得到详细阐述，包括其公理、定理以及化简方法，例如卡诺图（Karnaugh Map）和奎因-麦克拉斯基（Quine-McCluskey）算法，帮助读者有效地简化逻辑表达式，优化电路设计。 接着，我们将深入探讨组合逻辑电路的设计，包括加法器、减法器、比较器、译码器、编码器、多路选择器和分频器等核心模块。每个模块的原理、真值表、逻辑图和设计步骤都将进行清晰的讲解，并通过实例展示其应用。 之后，我们将重点介绍时序逻辑电路，这是数字系统设计的另一大关键。我们将详细讲解触发器（Flip-Flop），包括SR、D、JK和T触发器，以及它们的时钟触发机制、状态转移和特性。在此基础上，我们将进一步探讨寄存器（Register）和移位寄存器（Shift Register）的功能和设计，它们在数据存储和传输中的重要作用。计数器（Counter）的设计也将是本部分的重点，我们将介绍同步计数器和异步计数器的原理，以及如何设计各种模数的计数器。 最后，本部分还将触及有限状态机（Finite State Machine，FSM）的概念，包括摩尔（Moore）型和米利（Mealy）型状态机的定义、状态图、状态表以及如何将其转化为实际的硬件电路。这为理解更复杂的数字控制器和时序控制逻辑奠定基础。 第二部分：数字系统设计与实现 在掌握了数字电路的基础理论后，本部分将引导读者进入数字系统的实际设计与实现环节。我们将重点介绍硬件描述语言（HDL）在数字系统设计中的作用，并以Verilog HDL为主要示例语言进行讲解（不涉及VHDL）。Verilog HDL作为一种强大的建模语言，能够高效地描述数字硬件的功能和结构，从门级到行为级，提供多种抽象层次的设计方法。 我们将讲解Verilog HDL的基本语法，包括数据类型、运算符、赋值语句、模块定义、输入输出端口、过程块（initial和always块）等。通过实际例子，我们将演示如何使用Verilog HDL来描述组合逻辑电路（如加法器、多路选择器）和时序逻辑电路（如触发器、计数器、寄存器）。 本部分还将深入探讨常用的数字系统模块设计，例如存储器（Memory）的设计，包括RAM（Random Access Memory）和ROM（Read-Only Memory）的基本原理和Verilog实现。我们还将讨论一些高级设计概念，例如流水线（Pipelining）技术，它如何通过将操作分解成多个阶段来提高系统吞吐量。 此外，本部分还将介绍数字系统的时序分析和优化。我们将讨论时钟信号的生成与分配、时序约束、建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）等关键时序参数，以及如何识别和解决时序违例问题，以确保数字系统在目标时钟频率下稳定可靠地运行。 第三部分：数字系统项目实践与应用 为了巩固理论知识并提升实践能力，本部分将提供一系列具有代表性的数字系统设计项目。这些项目将涵盖不同应用领域，例如： 简单数据处理器： 设计一个能够执行基本算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（AND, OR, NOT）的数据处理器，包括指令译码、数据通路和控制单元的设计。 交通灯控制器： 设计一个模拟真实交通场景的交通灯控制器，根据预设的逻辑和时序控制不同方向的交通灯状态。 简单的数字时钟： 设计一个带有秒、分、小时显示的数字时钟，包括时间计数、显示驱动和按键输入处理。 简单的UART（通用异步收发器）模块： 设计一个用于串行通信的基本UART模块，实现数据的发送和接收。 对于每一个项目，我们将提供详细的设计思路、Verilog HDL代码示例、仿真波形以及实现步骤。读者可以跟随这些项目，亲自动手实践，将理论知识转化为实际可工作的数字系统。 此外，本部分还将简要介绍数字系统设计的流程，包括需求分析、架构设计、模块设计、仿真验证、综合（Synthesis）、布局布线（Place and Route）以及最终的硬件实现（例如使用FPGA或其他可编程逻辑器件）。我们将探讨仿真工具（如ModelSim, QuestaSim）和综合工具（如Vivado, Quartus）的基本使用方法，帮助读者了解从代码到硬件的完整流程。 目标读者： 本书适合所有对数字电路设计和数字系统实现感兴趣的读者，包括： 大学本科生： 电子工程、计算机科学、自动化等专业的学生，作为课程辅助教材或自学材料。 初级硬件工程师： 希望系统学习数字电路基础和HDL设计入门的工程师。 业余爱好者： 对数字逻辑和电子制作有浓厚兴趣的技术爱好者。 任何希望深入理解数字世界运作原理的读者。 通过学习本书，读者将能够理解数字系统的基本原理，掌握使用Verilog HDL进行数字逻辑设计的方法，并具备独立完成简单数字系统设计项目的能力。

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这本书最大的价值，或许在于它对于“硬件描述语言的哲学”的探讨。它不仅仅是一本VHDL的语法手册，更像是一部关于如何用硬件思维进行描述的艺术指南。作者反复强调，VHDL是一种描述结构和行为的方式，而不是像C语言那样的顺序执行语言。书中对并发语句（`always`块、`process`）和结构性描述（`component`实例化、`generate`）的区分与应用场景的讲解，细致入微。它教会了我如何区分哪些部分应该被综合成组合逻辑，哪些应该被推断为寄存器或存储单元。特别是关于如何避免设计意图与综合结果不一致的陷阱，书中列举了大量“反面教材”，展示了那些看似正确但实则会导致锁存器（latch）或不可综合代码的写法，并提供了清晰的修改建议。这种前车之鉴的教育方式，比单纯的正面教学更加深刻有力，它让我对HDL代码的规范性和可移植性有了更高的要求。这本书确实是数字系统学习道路上，一本值得反复研读的案头宝典。

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说实话，这本书的内容广度远超我的预期，我原以为它会局限在基础的组合逻辑和简单的状态机实现上，但它真正展现了一个数字系统工程师的思维路径。它花了相当大的篇幅去讨论系统级的考虑，比如时钟域交叉（CDC）问题，这在实际工作中简直是重灾区，很多教程会轻描淡写地带过，但这本书却非常认真地探讨了同步电路和异步电路之间的接口设计，并且提供了多种亚稳态（metastability）的缓解策略，从理论推导到实际代码层面的建议都有涵盖。更让我惊喜的是，书中对于设计流程的描述非常贴近工业标准，它不只是教你写VHDL，更重要的是告诉你如何进行设计输入、仿真验证、逻辑综合和布局布线的初步概念。这一点对于我这种想从学术研究转向工业应用的学习者来说，简直是及时雨。它让我明白了，一套合格的HDL代码，除了功能正确，还必须满足时序要求、面积约束和功耗控制，这些都是在实际FPGA或ASIC设计中必须面对的硬性指标。读完这部分，我感觉自己手中的工具箱里，多了一些“重型机械”，而不仅仅是螺丝刀和扳手。

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这本书的语言风格，与其说是在“教”你，不如说是在“引导”你进行一场严谨的思维探险。它很少使用那种居高临下的说教口吻，而是大量采用“如果我们假设……”、“为了解决X问题，我们不妨考虑Y方案”这种对话式的引导。我特别喜欢它在讲解并行处理和数据通路设计时所采用的视角。当涉及到乘法器或者快速傅里叶变换（FFT）的硬件加速器设计时，作者没有直接抛出那个庞大复杂的结构图，而是从如何将数学运算映射到硬件资源的角度出发，详细分析了串行、并行以及流水线化带来的性能提升和资源消耗的权衡。这种深入底层的剖析，让我对硬件的并行性有了更直观的理解。举个例子，在描述一个简单的加法器时，它不仅展示了RTL级的代码，还回顾了门级电路的延迟计算，这种多层次的解读，使得即便是最基础的概念，也显得内容充实、意味深长。它迫使读者去思考，代码背后的硬件到底是如何运作的，而不是仅仅停留在让仿真器通过的层面。

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从排版和学习体验的角度来看，这本书的编排堪称典范。纸张的质感很好，即便是长时间阅读也不会让人感到眼睛疲劳，这对于动辄需要对照原理图和代码手册进行学习的理工科书籍来说，是至关重要的细节。更值得称赞的是，每一章末尾的“设计挑战”环节，这些题目绝不是那种套路化的填空题或简单的代码重写，它们往往是微型项目，要求你综合运用本章乃至前几章学到的知识来解决一个具体且有意义的问题。我记得有一次，我为了解决其中一个关于异步FIFO的深度问题，花了整整一个周末进行推导和验证。书中提供的参考答案并非是唯一的“正确答案”，而更像是一个基准，鼓励读者探索其他优化路径。这种开放式的设计练习，极大地提升了我的主动学习能力，也让我体会到了“设计”和“编程”之间微妙的区别——设计需要预见性，而编程更多是执行性。这种以项目驱动的学习方式，让知识的吸收变得非常牢固和内化。

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这本书的封面设计得非常简洁，黑白为主调，中间用了一种很现代的字体印着书名，整体看起来非常专业和严谨。我抱着一种对数字逻辑电路的敬畏之心翻开了第一页，期望能找到一份既能打下扎实理论基础，又能快速上手实践的指南。刚开始的章节，对布尔代数和逻辑门的介绍，叙述得非常到位，作者似乎很清楚初学者可能会在哪里卡壳，用了不少类比和图示来解释那些抽象的概念。尤其是对于时序逻辑的讲解，那部分内容我记得特别清楚，它没有急于展示复杂的VHDL代码，而是先用非常形象的例子，比如一个简单的交通信号灯控制器，把状态机（FSM）的设计思想剖析得淋漓尽致。这让我意识到，设计数字系统，工具（VHDL）只是其次，核心的思维方式才是王道。随后的几个章节，开始深入到更复杂的结构，比如总线仲裁和流水线设计，作者的逻辑非常清晰，每一个设计步骤都像是在搭建乐高积木，从最小的单元开始，一步步向上构建。虽然中间有些地方需要我停下来，查阅一些额外的资料来加深理解，但总体来说，这本书的理论深度是相当令人满意的，它真的让我对“硬件实现”这件事有了更宏观的认识，而不是仅仅停留在语法层面。

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