具体描述
计算机科学核心：数字系统基础与高级主题 本书旨在为读者提供对现代数字系统设计和实现原理的深入理解，内容覆盖从最基本的逻辑门操作到复杂的处理器架构设计。它不仅是电子工程和计算机科学专业学生的必备教材，也是致力于深入了解底层硬件工作原理的工程师和技术人员的宝贵参考资料。 --- 第一部分：基础构建块——布尔代数与组合逻辑 第一章：数字系统导论与数制转换 本章首先确立了数字系统的核心概念，区分了模拟信号与数字信号的本质差异，并解释了数字技术在现代计算中的不可替代性。我们将详细探讨不同数制（二进制、八进制、十六进制及十进制）之间的转换方法，重点剖析二进制补码系统在负数表示中的应用及其对硬件实现的影响。此外，还将介绍用于数据编码的标准格式，如 BCD（二进制编码的十进制）和 ASCII 字符编码，为后续的逻辑运算打下坚实的数理基础。 第二章：布尔代数与逻辑门 布尔代数是数字逻辑设计的数学语言。本章将系统阐述布尔代数的基本公理、定理和定律（如德摩根定律、分配律）。随后，深入研究基本逻辑门——AND、OR、NOT、XOR、NAND 和 NOR 门——的真值表、布尔表达式和电路符号。我们将强调 NAND 和 NOR 门作为通用门（Universal Gates）的重要性，它们是实现任何复杂逻辑功能的最小逻辑单元。本章末尾会涉及逻辑表达式的简化技术，为接下来的卡诺图分析做铺垫。 第三章：组合逻辑电路的化简与实现 组合逻辑电路的特点是其输出仅依赖于当前的输入，与历史状态无关。本章的核心在于教授如何高效地设计和化简这类电路。我们将详细讲解卡诺图（Karnaugh Maps, K-Maps）的使用方法，包括如何处理“无关项”（Don't Cares）以获得最简“积之和”（SOP）或“和之积”（POS）形式。对于多变量函数的化简，将引入更强大的方法——Quine-McCluskey (QM) 算法，并对比分析 K-Map 和 QM 算法在不同规模问题中的适用性。 第四章：组合逻辑功能模块详解 本章将理论付诸实践，分析和设计一系列至关重要的标准组合逻辑功能模块。这包括： 多路复用器（Multiplexers, MUX）： 作为数据选择器，讨论其实现原理和在函数实现中的应用。 译码器（Decoders）与编码器（Encoders）： 重点关注 BCD 到七段显示译码器在人机交互界面中的作用。 加法器与算术逻辑单元（ALU）： 从半加器、全加器开始，逐步构建串行加法器、并行加法器（如先行进位加法器），并介绍如何利用这些单元构建基础的算术逻辑单元。 --- 第二部分：时序逻辑与状态机设计 第五章：基本存储单元与锁存器 与组合逻辑不同，时序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入，还取决于电路的“状态”——即过去的输入历史。本章从最基础的存储元件——锁存器（Latches）开始，详细分析 SR 锁存器的结构、操作和潜在的竞争条件（Race Conditions）。随后，引入时钟的概念，过渡到更稳定的触发器（Flip-Flops）：D 触发器、JK 触发器和 T 触发器，深入探讨它们的特性表、状态图以及时序电路设计中至关重要的时钟控制机制。 第六章：寄存器、计数器与存储器基础 本章探讨如何利用触发器构建更高层次的存储结构。我们将分析不同类型的寄存器（如并行输入/并行输出、串行输入/并行输出等）的功能和应用。计数器部分将区分异步（Ripple）计数器和同步计数器，并讲解如何设计具有特定模数的计数器。最后，将引入半导体存储器的基础知识，包括 RAM（随机存取存储器）和 ROM（只读存储器）的基本操作原理，以及它们在数字系统中的作用。 第七章：有限状态机（FSM）的设计与分析 有限状态机是控制单元设计的核心模型。本章将聚焦于两种主要的 FSM 模型： 米利（Mealy）模型： 输出依赖于当前状态和当前输入。 穆尔（Moore）模型： 输出仅依赖于当前状态。 我们将系统地介绍 FSM 的设计流程：状态图的绘制、状态编码、状态表的建立、以及到实际逻辑电路的转换。同时，会深入探讨状态机的简化方法，包括等效状态的识别与合并，以减少硬件资源的使用。 第八章：高级时序分析与同步问题 在高速数字电路中，时序是一个关键的限制因素。本章将引入更复杂的时序概念，例如建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的违背（Violation）可能导致的亚稳态问题。我们将分析时钟漂移（Clock Skew）和毛刺（Glitches）对系统可靠性的影响，并介绍同步设计中常用的时钟域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）技术和单比特同步器。 --- 第三部分：中、大规模集成电路与硬件描述语言 第九章：集成电路家族与逻辑电平 本章回顾了数字逻辑器件的发展历程，从早期的 RTL（电阻晶体管逻辑）到 TTL（晶体管-晶体管逻辑）和 CMOS（互补金属氧化物半导体）技术。重点分析不同逻辑家族（如 TTL 的扇出系数、CMOS 的低功耗特性）的优缺点及其接口要求。此外，还将讨论逻辑电平标准、输入/输出缓冲器的设计，以及在混合信号系统中进行逻辑电平转换的必要性。 第十至十二章：硬件描述语言（VHDL/Verilog） 现代数字系统设计几乎完全依赖于硬件描述语言（HDL）。本部分将用专门的章节分别介绍 VHDL 和 Verilog（或 SystemVerilog）的核心语法和结构。 第十章（VHDL 基础）： 介绍 VHDL 的实体（Entity）、架构（Architecture）、数据类型、并发与顺序语句，以及如何使用这些语言特性来描述组合逻辑和时序逻辑。 第十一章（Verilog 基础）： 介绍 Verilog 的模块定义、门级、数据流级、行为级建模，以及如何使用 `always` 块来区分组合和时序逻辑。 第十二章（HDL在系统设计中的应用）： 重点讲解如何使用 HDL 进行模块级验证（Testbench 的编写）、综合（Synthesis）过程的理解，以及如何利用 HDL 映射到 FPGA 或 ASIC 目标平台。本章将通过实际案例（如设计一个简单的CPU控制器）来展示从行为描述到门级网表的完整流程。 --- 第四部分：现代计算系统的高级主题 第十三章：可编程逻辑器件（PLD）架构 本章聚焦于实现数字逻辑的物理载体。我们将探讨可编程逻辑器件的演变： PAL（可编程阵列逻辑）和 GAL（通用阵列逻辑）： 简单的 AND-OR 结构。 CPLD（复杂可编程逻辑器件）： 多个逻辑阵列的互连。 FPGA（现场可编程门阵列）： 深入剖析 FPGA 的核心组成块——查找表（LUT）、可配置逻辑块（CLB）、输入/输出块（IOB）和布线资源，以及它们如何实现任意的数字电路。 第十四章：数据通路与控制单元：微处理器基础 本部分将综合前述所有知识，构建一个简化但完整的单周期数据通路。我们将分析指令的获取、译码、执行和写回过程。重点讲解如何设计一个组合逻辑或微程序控制单元来产生恰当的时序控制信号，以驱动数据通路中的算术逻辑单元、寄存器堆和内存访问模块，从而完成加法、加载和分支等基本操作。 第十五章：存储器层次结构与接口 本章将扩展到更大型的存储系统。分析内存访问速度与容量之间的权衡，详细介绍高速缓存（Cache）的工作原理，包括映射策略（直接映射、全相联、组相联）和替换算法（如 LRU）。最后，介绍如何设计标准接口协议（如简单的握手协议）以实现处理器与外部存储器之间的高效数据交换。 --- 本书特色： 理论与实践的紧密结合： 每章包含大量的动手练习题和仿真示例。 强调现代设计流程： 深度融入 HDL 编程和综合工具的使用视角。 全面的覆盖范围： 从底层晶体管级概念延伸至系统级的数据通路设计。
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