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出版者:Prentice Hall

作者:John F. Wakerly

出品人:

页数:946

译者:

出版时间:2000-8

价格:USD 105.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780130898968

丛书系列:

图书标签:

• 数字电路
• 数字设计
• 计算机组成原理
• 逻辑设计
• 数字电路
• Verilog
• VHDL
• FPGA
• EDA
• 计算机硬件
• 电子工程

数字时代的基石：深入剖析现代电子系统设计原理 导言：从逻辑门到复杂系统的飞跃 在信息技术飞速发展的今天，我们所依赖的每一个数字设备——从智能手机到超级计算机，从医疗仪器到航空航天系统——其核心都建立在精妙的数字逻辑之上。本书旨在深入探讨数字系统的设计原理和实现方法，覆盖从最基础的布尔代数到构建复杂、高效能集成电路（IC）的完整流程。我们不局限于理论的阐述，更注重将理论与现代工程实践紧密结合，为读者提供一套全面、实用的数字电路设计知识体系。 本书的构建逻辑是层层递进的。首先，我们将奠定坚实的数学和硬件描述语言基础；随后，深入研究组合逻辑和时序逻辑电路的设计与优化；最后，我们将目光投向大型系统级的架构，探讨如何将数百万个晶体管组织成功能强大的处理器和存储单元。 --- 第一部分：基础理论与描述工具 本部分旨在为读者构建理解数字系统的基本“词汇”和“语法”。 第一章：数制、编码与布尔代数复习 虽然数制转换（二进制、八进制、十六进制）和逻辑门（AND, OR, NOT, XOR）是基础，但我们将重点放在它们在实际电路中的物理实现和速度限制上。布尔代数不仅是数学工具，更是电路简化的基石。本章将详细介绍德摩根定律、分配律等在电路化简中的应用，并引入卡诺图（Karnaugh Maps）和奎因-麦克拉斯基（Quine-McCluskey）方法，讲解如何系统地、无冗余地化简复杂逻辑表达式，这是降低硬件成本和功耗的第一步。 第二章：数字逻辑门的实现与特性 探讨不同类型的逻辑门（如TTL和CMOS）的物理特性。我们将分析扇入（Fan-in）、扇出（Fan-out）、传播延迟（Propagation Delay）和静态功耗，这些参数直接决定了数字电路的性能和可靠性。特别关注CMOS技术的优势，及其在低功耗设计中的核心地位。本章会深入讲解阈值电压和噪声容限对电路稳定性的影响。 第三章：硬件描述语言（HDL）：VHDL与Verilog入门 现代数字设计几乎完全依赖于硬件描述语言进行抽象和验证。本章将作为设计流（Design Flow）的引路人。我们将详细介绍VHDL和Verilog两种主流语言的基本语法、数据类型和结构化建模方法（行为级、数据流级和结构级描述）。重点在于如何使用这些语言精确地描述时序行为和组合逻辑功能，为后续的综合（Synthesis）做好准备。 --- 第二部分：组合逻辑与时序逻辑电路设计 这是数字系统设计的核心操作层面，关注如何构建运算和存储单元。 第四章：组合逻辑电路的深度解析 组合电路的输出仅依赖于当前的输入。本章系统地设计和分析关键的组合功能模块： 1. 加法器与算术逻辑单元（ALU）：从半加器到全加器，再到串行进位加法器（Ripple Carry Adder, RCA）和更快的先行进位加法器（Carry Lookahead Adder, CLA）的设计原理和速度权衡。 2. 译码器、编码器与数据选择器（Multiplexers, MUX）：展示这些通用块如何在数据路由和控制信号生成中发挥核心作用。 3. 竞争与冒险（Hazards）：这是一个高级话题，讲解在组合逻辑中，由于不同信号路径长度不同导致的短暂错误信号（毛刺）。我们将学习如何识别这些冒险并采用扇入或延迟消除技术来抑制它们。 第五章：时序逻辑电路：存储与状态机 时序电路的输出不仅取决于当前输入，还取决于电路的先前状态，这使得它们能够“记忆”信息。 1. 锁存器与触发器（Latches and Flip-Flops）：详细分析SR、D、JK和T触发器的结构，重点区分锁存器（电平敏感）和触发器（边沿敏感）的工作方式。 2. 时序电路的时序约束：讲解建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的物理意义，以及时钟抖动（Jitter）对系统稳定性的威胁。 3. 有限状态机（Finite State Machines, FSM）：采用米里（Mealy）和穆尔（Moore）模型设计复杂的控制器。我们将应用状态最小化技术和状态编码优化（如独热编码或格雷码编码），以提高控制器的效率和速度。 第六章：同步电路设计与时序分析 现代系统必须是同步的，所有操作由一个中心时钟驱动。本章专注于同步设计的挑战： 1. 时钟分布网络（Clock Distribution Network）：讨论时钟偏斜（Clock Skew）问题，以及如何使用H树（H-Tree）或锁相环（PLL）来最小化时钟到达时间的差异。 2. 亚稳态（Metastability）：当异步信号试图进入一个同步系统时，可能发生的不可预测状态。我们将学习使用双触发器同步器来处理跨时钟域（CDC）的信号。 --- 第三部分：中等规模系统构建与可编程逻辑 本部分将电路模块组合成具有实际功能的单元，并介绍实现它们的现代工具。 第七章：存储单元与内存组织 深入研究各种存储单元的结构和应用： 1. 寄存器堆（Register Files）：它们是处理器中的高速缓存，本章分析如何设计多端口寄存器堆以支持并行读写操作。 2. RAM与ROM的结构：理解静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）的单元结构，以及它们在系统内存层次结构中的定位。 3. 先进的缓存设计：初步介绍直接映射、组相联和全相联缓存的工作原理，包括命中/未命中处理逻辑。 第八章：可编程逻辑器件（PLD）与FPGA架构 从通用门级设计转向硬件可重构性： 1. 可编程逻辑器件概述：介绍PLA、PAL到复杂可编程逻辑器件（CPLD）的发展历程。 2. 现场可编程门阵列（FPGA）核心架构：详细剖析FPGA的组成部分：查找表（Look-Up Tables, LUTs）、可配置逻辑块（CLBs）、布线资源和I/O单元。我们将分析如何将我们之前设计的逻辑电路映射到这些资源上。 --- 第四部分：系统级设计、优化与验证 本部分关注设计效率、性能提升以及验证的必要性。 第九章：数字系统性能优化技术 从功能正确的电路到高性能电路的飞跃： 1. 流水线技术（Pipelining）：通过将一个复杂操作分解成多个阶段，显著提高系统的吞吐量。我们将分析流水线中的主要瓶颈——结构冒险、数据冒险和控制冒险。 2. 并行化与数据通路设计：讨论如何通过并行加法、并行乘法器等技术加速核心计算功能。 3. 功耗考虑：在深亚微米工艺中，功耗是关键指标。本章将介绍时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）以及降低动态功耗和静态功耗的实用技巧。 第十章：系统级验证与仿真 设计完成后，验证其正确性是耗时最长的阶段。 1. 仿真环境的建立：使用HDL进行激励测试平台（Testbench）的编写，实现分层验证。 2. 形式验证基础：介绍如何使用数学方法而非模拟仿真来证明设计满足特定规范，例如等价性检查（Equivalence Checking）。 3. 综合与布局布线（Place and Route）：简要概述从RTL代码到门级网表，再到最终GDSII版图的后端流程，强调设计约束（SDC文件）在指导物理实现中的关键作用。 --- 结论与展望 本书以严谨的工程视角，系统地覆盖了数字电路设计的所有关键环节。通过对基础理论的透彻理解和对现代设计工具的熟练掌握，读者将能够自信地步入 ASIC 或 FPGA 设计的复杂世界，构建出高效、可靠的下一代数字系统。未来的数字设计将更加依赖于高层次综合（HLS）和系统级验证，本书所奠定的坚实底层基础，是应对这些未来挑战的必备前提。

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要说《Digital Design》这本书，它给我的第一印象就是“严谨”和“全面”。我从头开始阅读，被书中对数字世界最基本元素的解释所吸引。作者首先深入浅出地讲解了二进制数的表示、运算以及它们在数字系统中的基础地位。我特别喜欢他对数制转换和编码方式的讲解，比如ASCII码、BCD码等，这些都是我们在进行数据表示和通信时必不可少的基础。然后，书中开始引入布尔代数，不仅仅是简单的逻辑运算，还包括了代数化简、定理证明等内容，这让我对逻辑运算的内在规律有了更深刻的理解。我最欣赏的是，书中对组合逻辑电路的讲解，比如编码器、译码器、数据选择器、比较器等等，每一个都配有详细的逻辑图和真值表，并且会分析它们的具体应用场景。当我看到这些基本逻辑单元如何被组合起来实现更复杂的功能时，我感到非常兴奋。而且，书中还对不同逻辑门（AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR）的特性进行了详细的比较和分析，包括它们的时间延迟、功耗等参数，这些都是在实际电路设计中需要考虑的重要因素。我感觉这本书就像是一座知识的宝库，里面蕴藏着理解数字硬件运行机制的钥匙。我还在期待书中关于时序逻辑和状态机的讲解，那部分的内容听起来就非常具有挑战性，但也充满了吸引力。

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当我翻开《Digital Design》这本书时，我感觉自己仿佛进入了一个由逻辑门和信号组成的奇妙世界。作者以一种非常清晰和有条理的方式，将数字设计的复杂性层层剥开，展现在读者面前。我特别喜欢他对存储单元的讲解，他不仅介绍了RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）的基本结构和工作原理，还详细分析了它们在数字系统中的应用。书中对PLA（可编程逻辑阵列）和PAL（可编程阵列逻辑）的介绍也让我眼前一亮，它让我看到了如何利用可编程逻辑器件来实现自定义的逻辑功能。我感觉这本书让我能够从根本上理解数字系统是如何工作的，并且能够培养我独立设计和分析数字电路的能力。而且，书中对各种接口协议的讲解，比如UART、SPI、I2C等，也让我对不同设备之间如何进行数据通信有了更深入的认识。我感觉这本书就像是一本“数字设计的实战手册”，它不仅教授了理论知识，还提供了大量的实践指导。我还在期待书中关于测试和验证的部分，那部分的内容听起来就非常重要，并且能够帮助我提高数字电路设计的可靠性。

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《Digital Design》这本书，它给我最大的启发在于，它教会了我如何“看懂”数字系统。在阅读之前，我对很多电子产品的内部运作原理都感到非常神秘，但这本书就像是一把钥匙，打开了我认识数字世界的大门。作者从最基础的逻辑门开始，一步步引领我进入了逻辑代数、组合逻辑、时序逻辑的殿堂。我特别喜欢他对算术逻辑单元（ALU）的讲解，他详细分析了ALU是如何通过组合逻辑电路实现各种算术和逻辑运算的，这让我对计算机的核心部件有了更深入的理解。而且，书中对不同类型触发器（D触发器、JK触发器、T触发器）的原理和应用都进行了深入的剖析，这对于理解时序逻辑电路的设计至关重要。我发现，书中对每一个概念的解释都非常透彻，并且会提供大量的图示和实例来帮助读者理解。例如，在讲解时序分析时，书中详细介绍了建立时间和保持时间的概念，以及它们如何影响电路的稳定性，这些细节对于设计可靠的数字系统至关重要。我感觉这本书就像是一本“数字设计的百科全书”，它涵盖了数字设计中最核心的知识点，并且讲解得非常深入。我还在期待书中关于存储器层次结构和缓存机制的讲解，那部分的内容听起来就非常有趣，并且能够帮助我理解计算机性能的深层原因。

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我手上的这本《Digital Design》，给我的感觉就像是进入了一个精密机械的世界，每一个齿轮、每一个杠杆的运动都遵循着精确的规律。从最基础的逻辑门，到复杂的组合逻辑和时序逻辑，作者都用一种非常系统的方式进行讲解。我特别喜欢他对状态机的讲解，他详细地阐述了如何从需求出发，设计出状态转移图，然后将其转化为逻辑电路。书中对不同状态机类型的介绍，以及它们各自的优缺点，都让我受益匪浅。我甚至感觉，阅读这本书的过程，本身就是一种逻辑思维的训练，它能让你学会如何将一个复杂的问题分解成更小的、可管理的部分，然后逐步解决。例如，书中对加法器和减法器的设计，从半加器到全加器，再到多位加法器，每一步都清晰可见，让人能够理解其演进过程。我尤其欣赏书中对时钟信号在数字系统中的作用的讲解，它清晰地阐述了时钟如何同步和控制整个系统的运行，并且详细分析了时钟偏移和抖动等问题可能带来的影响。我感觉这本书不仅仅是在传授技术，更是在培养一种严谨的工程思维。我还在期待书中关于微处理器设计和接口电路的部分，那部分的内容听起来就非常具有实际意义，并且能够帮助我将所学的知识应用于更广泛的领域。

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《Digital Design》这本书，它给我的感觉就像是站在一座宏伟的数字王国门口，而这本书就是为你打开大门的钥匙。我最喜欢的是它对逻辑代数部分的讲解，作者没有止步于基本的布尔运算，而是深入探讨了卡诺图、奎恩-麦克拉斯基算法等化简方法，并且详细解释了它们在简化逻辑电路设计中的重要作用。每一种方法都配有清晰的步骤和详细的例子，让我能够一步步地模仿并理解。而且，书中对各种基本逻辑单元的构建，从简单的加法器、减法器，到更复杂的乘法器、多路选择器，都进行了非常详尽的分析。我特别佩服作者在介绍这些单元时，能够将它们的功能、实现方式以及性能特点都一一列举出来，让我能够对不同单元有更深刻的认识。此外，书中对存储单元（如SRAM, DRAM）的原理讲解也让我大开眼界，了解了这些基本的存储单元是如何构成更大的存储系统的。我感觉这本书不仅仅是在教授如何“设计”数字电路，更是在培养一种“思考”数字电路的方式。它引导读者从最基础的逻辑门开始，逐步构建出越来越复杂的功能模块，最终实现一个完整的数字系统。我还在等待学习书中关于PLA（可编程逻辑阵列）和CPLD（复杂可编程逻辑器件）的设计部分，那部分的内容听起来就像是连接理论与实际产品开发的重要桥梁。

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我最近开始翻阅一本叫做《Digital Design》的书，说实话，这本书的厚度一开始就给了我一种“硬核”的预感，而且事实也证明了我的直觉是对的。拿到手的时候，那种沉甸甸的感觉就暗示着里面蕴含着不少深邃的知识。我特别喜欢它那种严谨的学术风格，从最基础的逻辑门讲起，一步步深入到更复杂的组合逻辑和时序逻辑电路。作者在讲解每一个概念的时候，都不会直接抛出公式，而是会先用非常直观的例子来解释原理，比如他用一个简单的灯光控制电路来引入布尔代数，用一个沙漏的示意图来讲解时序控制，这些都让原本枯燥的理论变得生动起来。我尤其欣赏的是，书中对各种设计工具和实现方法的介绍，虽然我还没有机会去实际操作，但光是阅读文字描述，就感觉自己好像已经掌握了如何使用这些强大的工具来构建复杂的数字系统。例如，书中对Verilog和VHDL这两种硬件描述语言的讲解，虽然篇幅不小，但作者的逻辑非常清晰，从基本语法到如何编写模块、如何进行仿真，一步步引导读者入门。我感觉这不仅仅是一本书，更像是一本数字电路设计的“圣经”，每个章节都像是一个精心构建的知识模块，相互连接，共同构筑起一座理解数字世界的宏伟殿堂。它对逻辑化思维的培养，让我受益匪浅，即使在处理日常问题时，也能下意识地运用到书中所学的逻辑分析方法。我还在期待书中关于FPGA和ASIC设计的部分，那部分的内容听起来就非常吸引人，感觉是学习数字设计的终极目标之一。

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《Digital Design》这本书，在我看来，它不仅仅是一本关于数字电路设计的教材，更是一本关于“工程思维”的启蒙书。作者在讲解每一个概念时，都非常注重理论的严谨性和实践的可行性。我尤其喜欢他对异步电路和同步电路的对比分析，他详细阐述了它们各自的优缺点，以及在不同场景下的适用性。书中对时钟树的讲解也让我印象深刻，它清晰地展示了时钟信号如何在整个芯片中进行分配，以及如何减小时钟偏移和抖动。我感觉这本书能够让我从宏观上理解一个数字系统的设计流程，从需求分析到逻辑设计，再到物理实现，每一个环节都紧密相连。而且，书中还对一些常用的数字逻辑家族（如TTL、CMOS）的特性进行了详细的介绍，包括它们的功耗、速度、噪声容限等参数，这些信息对于选择合适的逻辑器件至关重要。我感觉这本书就像是一本“数字设计的锦囊”，它里面包含了解决各种数字设计问题的智慧和方法。我还在期待书中关于互连线延迟和功耗分析的讲解，那部分的内容听起来就非常重要，并且能够帮助我设计出更高效、更低功耗的数字电路。

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《Digital Design》这本书，我只能说，它绝对不是那种可以随便翻翻就能“学到点东西”的书。它更像是一场需要你全神贯注、沉下心来才能真正领略其精髓的学术盛宴。一开始，我被书中那些密密麻麻的公式和图表吓了一跳，但当我尝试着去理解每一个符号、每一个波形图的含义时，我开始逐渐被它严谨的逻辑所吸引。作者并没有回避问题的复杂性，相反，他勇敢地将数字设计中那些最核心、最底层的原理一层层剥开，展现在读者面前。我特别喜欢他对状态机的讲解，他用了非常多的篇幅来阐述不同类型的状态机（有限状态机、穆尔状态机、米利状态机）的原理、设计方法以及它们在实际应用中的区别和联系。每一个例子都伴随着详细的状态转移图和真值表，让人一目了然。而且，书中还引入了大量的实际应用案例，比如处理器流水线的设计、内存控制器的实现等等，这些都让我看到了理论知识是如何转化为实际可用的硬件的，极大地激发了我继续深入学习的兴趣。我感觉这本书不仅仅是在教授技术，更是在培养一种解决问题的能力，一种将抽象概念转化为具体实现的能力。即使是一些非常复杂的集成电路设计流程，书中也能够用相对易懂的方式进行介绍，让我对整个数字系统开发的宏观图景有了更清晰的认识。我不得不承认，阅读这本书需要付出相当大的努力，但回报也同样丰厚。

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我最近在读的《Digital Design》这本书，它给我的感觉就像是接受了一次系统的“逻辑思维训练”。从最基础的逻辑门开始，到布尔代数，再到组合逻辑和时序逻辑，每一个概念都层层递进，环环相扣。作者在讲解每一个逻辑单元时，都不仅仅是给出定义，而是会详细解释其工作原理，并且用大量的图示和真值表来辅助说明。我特别欣赏他对计数器设计的讲解，他分析了不同类型计数器（异步计数器、同步计数器、移位寄存器计数器）的结构和工作方式，并且详细介绍了如何根据需求设计出特定功能的计数器。而且，书中对模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的原理也进行了详细的介绍，这让我对数字信号与模拟信号之间的转换过程有了更清晰的认识。我感觉这本书让我能够更清晰地认识到，一个复杂的数字系统是如何由无数个简单的逻辑单元组合而成的。它培养了我一种“由小见大”的思维方式，能够从最底层的逻辑实现，去理解整个系统的运作。我还在期待书中关于微控制器和嵌入式系统设计的讲解，那部分的内容听起来就非常实用，并且能够帮助我将所学的知识应用于实际的项目开发中。

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我最近在读的《Digital Design》这本书，怎么说呢，它给我带来的最大感受就是“系统性”和“深度”。这本书的结构设计得非常合理，从最基本的概念，比如二进制、逻辑门、布尔代数，到更复杂的组合逻辑和时序逻辑，再到高级的数字系统设计，每一步都衔接得非常紧密，而且知识点之间相互关联，形成了一个完整的知识体系。作者在讲解每一个概念时，都非常注重理论与实践的结合。他不仅会给出严格的数学定义和公式，还会通过大量的图示和实例来帮助读者理解。我特别欣赏他对时序逻辑电路的讲解，他详细地分析了触发器（D触发器、JK触发器、T触发器）的工作原理，以及如何利用它们来构建寄存器、计数器和状态机。书中还对时序分析中的关键概念，如时钟周期、建立时间、保持时间等进行了深入的探讨，这些都是理解数字系统稳定运行的关键。我感觉这本书就像是一本“百科全书”，但又不是那种堆砌知识的百科全书，而是一本真正能够帮助你理解数字世界运作方式的“智慧宝典”。即使是对于一些初学者来说，虽然可能需要花费一些时间来消化，但只要坚持下去，一定能够从中获得巨大的收获。我还在期待书中关于异步电路和时钟域交叉处理的部分，那部分的内容听起来就非常具有挑战性，但也充满了吸引力。

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