Logic and Computer Design Fundamentals, Third Edition pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Prentice Hall

作者:M. Morris Mano

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2003-10-01

价格:USD 116.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780131405394

丛书系列:

图书标签:

• Logic Design
• Computer Architecture
• Digital Logic
• Computer Organization
• Boolean Algebra
• Digital Systems
• FPGA
• Verilog
• VHDL
• Computer Fundamentals

数字世界的基石：计算机系统与逻辑设计核心原理 （本书籍信息：不包含《Logic and Computer Design Fundamentals, Third Edition》的任何内容） --- 导言：穿越硅谷的脉络，探寻计算的本源 在信息技术飞速发展的今天，我们日常所依赖的每一个电子设备、每一次数据交换，其背后都蕴含着一套严谨、精妙的逻辑结构和硬件设计哲学。本书旨在为读者提供一个全面且深入的视角，去理解现代计算机系统的底层构造、信息的数字化表示方法，以及驱动这一切的布尔代数和逻辑电路原理。我们不满足于仅仅停留在应用层面，而是致力于揭示计算的“为什么”和“如何做到”，为志在构建下一代智能系统的工程师、科学家和高级技术爱好者打下坚实的基础。 本书的叙事结构围绕着信息表示、组合逻辑、时序逻辑、数据通路设计以及指令集架构（ISA）这五大核心支柱展开。我们力求以一种循序渐进、逻辑严密的方式，引导读者从最基础的二进制世界，逐步构建起复杂而高效的中央处理器（CPU）。 --- 第一部分：信息与数字世界的构建块 本部分聚焦于计算机科学中最基本的元素——信息是如何被量化、编码和存储的。我们将从数学的严谨性出发，锚定数字系统的理论基础。 1. 数字系统与编码：从现实到比特流 本章深入探讨了数字表示法，包括不同进制系统（二进制、八进制、十六进制）之间的转换及其在计算机内部的应用。重点分析了定点数和浮点数的标准表示格式（如IEEE 754），揭示了如何用有限的比特来精确或近似地表示无限的实数范围。此外，我们详细讲解了错误检测与纠正码（如奇偶校验、汉明码）的设计原理，强调了数据完整性在可靠系统中的极端重要性。 2. 布尔代数与逻辑门：运算的最小单元 作为数字电路的理论基石，布尔代数被赋予了极大的篇幅。我们不仅复习了基本运算（AND, OR, NOT, XOR），还系统地介绍了德摩根定律、分配律等代数化简工具。随后，内容转向物理实现，探讨了CMOS技术作为现代集成电路的基础，并分析了实际逻辑门的传输延迟、扇入/扇出等关键参数对电路性能的影响。如何使用卡诺图（Karnaugh Maps）和奎因-麦克拉斯基（Quine-McCluskey）算法进行高效的逻辑函数最小化，是本章的核心实践技能。 3. 组合逻辑电路设计：即时响应的构建 本章将理论转化为实际电路。从基础的编码器（Encoders）、译码器（Decoders）、多路复用器（Multiplexers, MUX）到数据选择器，这些基本构建块被用来实现复杂的组合功能。我们详尽分析了算术逻辑单元（ALU）的内部结构，包括如何设计全加器、多位加法器以及乘法器。重点在于理解如何将布尔函数转化为实际的门级电路，并分析电路的竞争冒险（Hazard）现象及消除方法，确保输出的确定性。 --- 第二部分：时序、存储与状态的引入 数字系统不仅需要即时计算，还需要记忆和同步。本部分引入了“时间”的概念，探讨了如何利用反馈和时钟信号来构建存储单元和控制逻辑。 4. 存储元件：从触发器到寄存器 本章的重点是时序逻辑的基石——触发器（Flip-Flops）。我们详细区分了基本SR锁存器、时钟控锁存器（Gated Latch），以及应用广泛的D触发器和JK触发器。通过对这些基本单元的时序图分析，读者将理解建立时间和保持时间（Setup and Hold Times）的重要性。随后，内容扩展到更高级的存储结构：寄存器堆（Register File）的设计，以及同步电路与异步电路的设计哲学差异。 5. 状态机设计：控制流程的数字化 有限状态机（Finite State Machines, FSM）是数字控制系统的核心抽象工具。本章系统介绍了米里（Mealy）模型和摩尔（Moore）模型的构建过程，包括状态图的绘制、状态分配（如灰码分配）以最小化触发器数量，以及最终的状态转移逻辑和输出逻辑的综合。我们将通过实际案例，如序列检测器或简单的交通灯控制器，演示如何将抽象的控制需求转化为硬件描述语言（HDL）或门级电路。 6. 存储器组织与接口：海量数据的管理 本章转向大规模存储。我们将探讨静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）的基本单元结构及其读写机制。更重要的是，我们深入分析了存储器层次结构的概念——为什么需要缓存（Cache）？我们阐述了直接映射、集合关联、全关联等缓存映射策略，以及写回（Write-Back）和写穿（Write-Through）策略，理解这些决策如何直接影响系统的整体性能。 --- 第三部分：从逻辑到架构——计算机核心的构建 在掌握了底层逻辑和存储后，本部分将这些元素整合起来，构建出执行程序指令的机器核心。 7. 数据通路与控制单元：CPU的内部运作 这是全书最具综合性的部分。我们首先设计单周期数据通路，展示如何连接ALU、寄存器堆、存储器和控制逻辑，以在一个时钟周期内执行一条指令。随后，我们将引入多周期数据通路的设计，通过引入控制信号的时序步骤来优化硬件资源共享，从而提高执行效率。我们将详细推导微操作（Micro-operations）序列，并展示硬布线控制逻辑（Hardwired Control）或微程序控制（Microprogrammed Control）是如何生成正确的控制信号以驱动数据通路中的所有组件的。 8. 指令集架构（ISA）基础：机器与软件的契约 本章探讨CPU如何“理解”软件。我们专注于精简指令集计算（RISC）的基本原则，分析加载-存储（Load-Store）架构的优势。关键内容包括：指令格式的设计（如R型、I型、J型）、寻址模式的分类及其对内存访问效率的影响。我们将构建一个基础的32位RISC指令集，并使用汇编语言编写简单的程序片段，以直观展示指令是如何映射到数据通路操作的。 9. 提高性能的艺术：流水线技术 为了打破单周期实现的吞吐量瓶颈，本章详述了指令流水线（Instruction Pipelining）技术。我们将五级流水线（取指、译码、执行、访存、写回）作为模型，详细分析了流水线带来的加速潜力。核心挑战——数据相关、控制相关（分支预测）——被系统性地剖析，并介绍了转发（Forwarding/Bypassing）单元和分支延迟槽/分支预测器等硬件机制如何解决这些冲突，确保在保持大部分硬件共享的同时，显著提高指令吞吐量。 --- 结语：面向未来的设计思维 本书的终极目标是培养读者一种“从零开始构建”的思维模式。理解了逻辑门的物理限制、状态机的抽象能力以及流水线的性能权衡之后，读者将能够更好地评估和设计现代处理器、FPGA应用或嵌入式系统的复杂架构，真正掌握数字世界运行的底层奥秘。

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作为一本理论性很强的书籍，它最令人称道的一点就是其极其完善的习题和案例分析。每章末尾的习题设计都非常有梯度，从基础的概念性问题，到需要综合运用多项知识的复杂计算题，应有尽有。这不仅仅是检验我们对知识的掌握程度，更是一种对我们解决问题能力的培养。很多习题都需要我们动脑去思考，去推导，而不是简单地套用公式。更让我惊喜的是，书中还提供了很多与工业界实际应用紧密相关的案例研究，这些案例往往能够将我们在课堂上学到的理论知识，与现实世界的工程挑战联系起来，展现了理论的实际价值。例如，关于FPGA编程的案例，就让我看到了如何将抽象的逻辑设计转化为可以在实际硬件上运行的程序。这种理论与实践相结合的学习方式，极大地增强了我的自信心，也让我对未来在相关领域的学习和工作充满了期待。

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我特别欣赏作者在解释那些看似晦涩的逻辑概念时所采用的循序渐进的方法。他似乎非常懂得初学者可能会遇到的困难，因此在引入新概念之前，总会先花一些时间来建立扎实的基础，并通过各种生动形象的比喻来帮助我们理解。有时候，即使是那些最抽象的理论，在作者的笔下也变得生动有趣起来。我记得有一个章节，讲到组合逻辑电路的设计，作者没有直接丢给我们一大堆公式和定理，而是从一个非常实际的问题出发，一步步引导我们分析，如何通过布尔代数简化，最终得到最优的解决方案。这种“知其然，更知其所以然”的教学方式，让我感觉自己不只是在被动接受知识，而是在积极地参与到知识的构建过程中。而且，书中穿插的那些实际应用案例，更是为理论学习增添了现实的意义，让我能够清晰地看到这些理论如何在现实世界的电子设备和计算机系统中发挥作用。这种将理论与实践紧密结合的编排，极大地提升了我的学习兴趣和动力。

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本书在对计算机硬件基础的阐述方面，真是做到了淋漓尽致。从最基本的逻辑门电路，到更复杂的组合和时序逻辑设计，再到微处理器架构的原理，每一个环节都讲解得非常透彻。让我印象深刻的是，作者在讲解CPU的指令集架构时，并没有止步于简单的指令列表，而是深入剖析了不同指令的执行流程，以及它们如何协同工作来完成复杂的计算任务。而且，书中对存储器层次结构、输入输出接口的原理也都有详尽的描述，帮助我建立起对整个计算机系统如何运作的宏观认识。特别是在讲解流水线技术和缓存机制时，作者用了一些非常直观的图示和模型，让我这个对硬件不太熟悉的读者也能轻松理解其中的奥妙。这本书不仅仅是告诉你“是什么”，更重要的是它告诉你“为什么”，以及“如何”做到。每一次翻阅，我都会有新的发现和领悟，感觉自己对计算机底层运作的理解又进了一层。

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这本书的纸质和装帧都相当扎实，给人一种坚固耐用的感觉。打开书页，你会立刻被那种严谨而清晰的排版所吸引。字体大小适中，行间距合理，即使是长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。纸张的触感也很舒服，不是那种光滑得发腻的类型，而是带有一点细微的纹理，仿佛在翻阅一本值得珍藏的经典。封面设计简洁大方，虽然没有华丽的插图，但那种经典的风格本身就传递出一种学术的厚重感。书本的尺寸也恰到好处，既不会过大到难以携带，也不会小到觉得局促。每一次把它从书架上取下来，或者在咖啡馆里打开它，都有一种仪式感。即使是在灯光不太充足的环境下，书页的反光也处理得很好，不会造成干扰。书本的重量也适中，拿在手里沉甸甸的，却又不会觉得过于负担，非常适合在通勤途中或者午后时光细细品读。封底的文字介绍更是点明了书籍的核心价值，让人迫不及待地想要深入其中探索。整体而言，从拿到这本书的那一刻起，你就能感受到它作为一本严肃学术著作的品质。

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我必须说，这本书的语言风格是一种独特的体验。它不像是某些教科书那样枯燥乏味，充满了晦涩难懂的术语，而是以一种相对平易近人的方式来传达复杂的信息。作者在描述一些关键概念时，常常会用一些巧妙的比喻或者类比，让原本抽象的理论变得更加生动和易于理解。我记得在讲到状态机设计的时候，作者用了一个非常形象的例子来解释状态转移图，让我一下子就抓住了核心要义。虽然书中不可避免地会涉及一些专业的术语，但作者总是会适时地给出清晰的定义和解释，确保读者不会因为语言障碍而产生困惑。这种细致入微的考虑，让我在阅读过程中感到非常顺畅，也能够真正地专注于理解书中的内容，而不是被语言本身所困扰。不得不说，作者在文字表达上的功力，确实让这本书增色不少。

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