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出版者:Prentice Hall

作者:Tocci, Ronald J./ Widmer, Neal S./ Moss, Gregory L.

出品人:

页数:976

译者:

出版时间:2006-1

价格:$ 169.05

装帧:HRD

isbn号码:9780131725799

丛书系列:

图书标签:

• 数字系统
• 计算机组成原理
• 数字逻辑
• 电路设计
• 嵌入式系统
• 硬件设计
• Verilog
• VHDL
• FPGA
• 计算机工程

《数字系统导论：从基础逻辑到现代计算》 书籍简介 本书旨在为读者构建一个坚实而全面的数字系统知识框架，内容涵盖从最基础的布尔代数和逻辑门操作，到复杂的组合逻辑电路、时序逻辑电路的设计与实现，并深入探讨现代计算机架构中的核心概念。本书的编排逻辑清晰，理论与实践紧密结合，旨在培养读者分析、设计和实现复杂数字系统的能力。 第一部分：数字世界的基石——数制与布尔代数 本部分将读者引入数字逻辑的理论基础。首先，详细阐述了不同数制之间的转换原理，包括二进制、八进制、十进制和十六进制，并重点讲解了补码系统在有符号数表示中的重要性，这是理解现代处理器如何处理负数运算的关键。 随后，深入探讨了布尔代数（Boolean Algebra）的公理、定理和运算法则。我们将详尽解析逻辑运算的特性，如德摩根定理（De Morgan's Laws）和分配律，并展示如何运用这些代数工具对逻辑表达式进行化简。化简过程不仅是理论练习，更是设计高效、低成本数字电路的必备技能。 本章还引入了逻辑门的物理实现基础，讨论了基本门（AND, OR, NOT）到通用门（NAND, NOR）的构建方式，为后续的电路设计打下直观基础。 第二部分：组合逻辑电路的设计与分析 组合逻辑是数字系统的核心组成部分，其输出仅依赖于当前的输入状态，不含记忆元件。本章专注于组合逻辑电路的设计方法论。 内容从最小项（minterms）和最大项（maxterms）的系统性表示开始，逐步引导读者掌握卡诺图（Karnaugh Maps, K-Map）的绘制与简化技术。K-Map作为一种图形化工具，能够直观地简化包含多达四到五个变量的布尔函数，是进行逻辑设计优化的重要手段。对于更复杂的系统，本书将全面介绍如何应用诸如Quine-McCluskey算法等更系统化的简化方法。 在掌握了函数简化后，我们将聚焦于标准组合逻辑组件的实现： 1. 多路复用器（Multiplexers, MUX）与译码器（Decoders）： 详细分析它们如何作为通用逻辑电路实现任意逻辑函数，并给出它们在数据选择和地址解码中的实际应用案例。 2. 加法器与算术逻辑单元（ALU）： 重点解析半加器（Half Adder）和全加器（Full Adder）的设计，并推导如何通过串行和并行结构构建多位加法器。此外，本章会概述如何利用这些组件构建一个基础的算术逻辑单元，实现加、减、与、或等基本算术和逻辑操作。 3. 可编程逻辑器件（PLD）基础： 简要介绍可编程只读存储器（PROM）和可编程逻辑阵列（PLA/PAL）的基本结构和编程原理，展示如何利用这些器件快速实现定制化的组合逻辑功能。 第三部分：时序逻辑电路——引入时间维度 时序逻辑电路的特点是其输出不仅取决于当前输入，还取决于存储在系统中的历史状态。本章是理解存储器和状态机的关键。 首先，我们将深入探讨基本存储单元：锁存器（Latches）和触发器（Flip-Flops）。详细分析RS, D, JK, 和 T型触发器的特性，重点关注它们在时钟沿（上升沿或下降沿）的工作机制，以及如何避免和消除竞争冒险（Race Conditions）。 接着，本书将系统介绍时序逻辑系统的设计流程： 1. 状态图与状态表（State Diagrams and Tables）： 如何使用图形化工具描述一个系统的预期行为。 2. 状态简化（State Minimization）： 运用可达性分析和等效性测试，减少设计所需的触发器数量，从而降低硬件成本和功耗。 3. 时序电路设计实例： 详细设计和分析寄存器（Registers）、移位寄存器（Shift Registers）以及通用异步和同步计数器（Counters）。 第四部分：有限状态机（FSM）与控制单元设计 有限状态机是数字系统控制逻辑的核心模型。本部分将把组合逻辑和时序逻辑完美结合起来。 我们将使用经典的梅利（Mealy）模型和摩尔（Moore）模型来对系统进行建模。通过对比两种模型的优缺点，读者可以更好地理解输出信号与状态和输入之间的关系。 本书将提供多个层次的FSM设计案例，包括： 序列检测器（Sequence Detectors）： 设计能够识别特定输入序列的电路。 交通灯控制器： 一个经典的同步FSM应用案例，展示如何协调多个相互依赖的逻辑流程。 此外，本章还会探讨如何利用PLD（如CPLD/FPGA）来实现复杂的FSM，为实际的硬件描述语言（HDL）学习做铺垫。 第五部分：存储器与先进数字系统概念 本部分将视野从纯逻辑电路扩展到更宏观的存储结构和系统级考虑。 1. 存储器组织： 详细解析静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）的基本单元结构、读写时序和组织方式（如位线、字线）。讨论存储器芯片的译码和扩展技术。 2. 总线结构基础： 介绍系统内数据传输的基本协议，包括读/写周期、仲裁机制，以及数据总线、地址总线和控制总线的概念。 3. 时序约束与冒险（Timing Constraints and Hazards）： 深入探讨亚稳态（Metastability）的成因及其在异步输入处理中的对策。分析电路中存在的静态和动态逻辑冒险，并给出消除这些冒险的方法，确保系统在所有工作频率下的可靠性。 总结 《数字系统导论：从基础逻辑到现代计算》不仅仅是一本逻辑电路教科书，它更是一个从抽象数学原理到具体硬件实现的全面指南。通过大量的图示、详细的步骤推导和贴近实际的工程案例，本书旨在帮助电子工程、计算机工程以及相关专业的学生和工程师，彻底掌握数字系统设计的核心技术，为后续学习微处理器、嵌入式系统和集成电路设计打下不可动摇的基础。本书的重点在于培养设计者的“数字思维”——一种将复杂功能分解、简化并转化为高效硬件电路的能力。

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