可编程逻辑器件原理开发与应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:西安电子科技大学出版社

作者:赵曙光

出品人:

页数:340

译者:

出版时间:2001-4-1

价格:22.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787560609003

丛书系列:

图书标签:

• 电子
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• 计算机
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• 电子技术
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计算机系统导论：从硬件基石到软件架构的全面解析 本书导读 本书旨在为读者构建一个全面、深入且易于理解的计算机系统认知框架。它不仅仅是一本介绍计算机硬件和软件基础知识的教材，更是一部系统梳理信息技术发展脉络、剖析现代计算设备工作机理的深度参考书。我们聚焦于如何将复杂的电子元件组织成高效、可靠的计算机器，并在此基础上构建出能够支撑日常应用和前沿科技的软件生态。 全书内容紧密围绕“系统”二字展开，从最底层的物理实现，逐步向上抽象至用户可感知的应用层面，确保读者能够清晰地理解每一层级之间的依赖关系和信息流转机制。 --- 第一部分：计算的物理基础与数字逻辑 本部分是理解整个计算机系统的基石。我们从信息的最基本形态——比特（Bit）出发，探讨如何利用电子元件来表示、存储和处理这些信息。 1. 信息的数字化与编码： 深入解析二进制系统的原理及其在计算机中的绝对统治地位。详细介绍布尔代数（Boolean Algebra）作为逻辑运算的基础，以及如何使用逻辑门（AND, OR, NOT, XOR等）构建更复杂的逻辑电路。我们将通过大量的实例展示如何将现实世界中的数据（如数字、字符、图像和声音）高效、无损地转化为机器可识别的二进制码。 2. 组合逻辑电路设计： 阐述如何利用逻辑门搭建执行特定功能的组合电路。重点剖析译码器、多路复用器、加法器等核心数字电路的设计流程，并引入硬件描述语言（HDL）的初步概念，用于描述和仿真这些电路的行为，而非仅仅停留在原理图层面。 3. 时序逻辑电路与存储单元： 介绍计算机中“记忆”功能的实现。详细讲解触发器（Flip-Flop）和锁存器（Latch）的工作原理，它们是构建所有状态保持电路的基础。在此基础上，构建寄存器、计数器以及小型静态随机存取存储器（SRAM）的基本结构，明确时钟信号在同步时序逻辑中的关键作用。 4. 硬件实现技术概述： 简要回顾集成电路（IC）的发展历程，从早期的分立元件到中小规模集成电路，再到今天的超大规模集成电路（VLSI）。介绍半导体材料的基础知识及其在构建晶体管中的核心地位，为后续的处理器架构打下物理基础。 --- 第二部分：中央处理器（CPU）的结构与指令集 本部分将视角聚焦于计算机的核心——中央处理器。我们深入剖析CPU的内部结构、工作流程以及它与内存的交互方式。 1. 处理器架构的演进： 介绍经典的冯·诺依曼（Von Neumann）和哈佛（Harvard）架构的异同及其对现代CPU设计的影响。对比精简指令集计算机（RISC）和复杂指令集计算机（CISC）的设计哲学和性能权衡。 2. 指令集架构（ISA）： 详细解析指令集的构成要素：数据类型、寻址模式、指令格式以及操作码的设计。通过分析典型的MIPS或RISC-V指令集，使读者能够理解汇编语言代码是如何映射到具体的硬件操作。 3. CPU的微架构实现： 深入探索数据通路（Datapath）的设计，包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器堆和总线结构。重点讲解指令执行的五个经典阶段（取指、译码、执行、访存、写回），并引入流水线技术（Pipelining）的概念，分析如何通过指令级并行（ILP）提高吞吐量，以及如何解决流水线冲突。 4. 控制单元的设计： 阐述如何设计控制单元（Control Unit）——CPU的大脑。对比硬布线控制（Hardwired Control）和微程序控制（Microprogrammed Control）的优缺点，理解它们如何生成时序信号来协调数据通路中的所有操作。 --- 第三部分：存储系统与内存管理 一个高效的系统不仅需要强大的计算核心，还需要快速、可靠的存储机制。本部分探讨了分层存储体系的原理和实现。 1. 存储器的层次结构： 明确从寄存器、高速缓存（Cache）到主存（RAM），再到辅助存储（硬盘、SSD）的性能-容量-成本关系。重点阐述程序访问的局部性原理（时间局部性和空间局部性），这是Cache机制得以有效运作的理论基础。 2. 高速缓存技术详解： 深入解析Cache的工作机制，包括映射方式（直接映射、全相联、组相联）、块替换策略（如LRU）以及写操作策略（写直通、写回）。分析多级Cache（L1, L2, L3）之间的协同工作方式。 3. 主存与内存管理： 介绍动态随机存取存储器（DRAM）的工作原理和刷新机制。核心讲解虚拟内存（Virtual Memory）的概念，以及如何通过分页（Paging）和分段（Segmentation）将虚拟地址转换为物理地址。重点剖析转换后援缓冲器（TLB）的作用及其对性能的影响。 4. 内存一致性与并发访问： 讨论多核系统中缓存一致性协议（如MESI协议）的基本思想，确保系统在并行执行任务时数据的正确性。 --- 第四部分：输入/输出（I/O）系统与总线结构 本部分关注CPU如何与外部世界及其他硬件组件进行通信。 1. 总线系统： 剖析系统总线（地址总线、数据总线、控制总线）的结构和工作协议。介绍总线仲裁（Bus Arbitration）机制，确保多个设备能有序地共享总线资源。 2. I/O 传输模式： 对比程序控制 I/O、中断驱动 I/O 和直接内存存取（DMA）的工作流程。重点分析DMA如何卸载CPU的I/O负担，实现高效的数据块传输。 3. 外部设备接口： 概述常见外部设备（如键盘、显示器、网络接口卡）与系统通信的接口标准和驱动程序的工作原理。 --- 第五部分：操作系统的核心职能（系统软件视角） 虽然本书侧重硬件和底层结构，但理解操作系统如何管理这些资源至关重要。本部分将从系统结构的角度，简要介绍操作系统在硬件之上的管理角色。 1. 进程与线程管理： 阐述进程的生命周期、上下文切换的开销，以及线程与进程的区别。介绍处理器调度算法（如FCFS, SJF, 优先级调度）在实现公平性和高效性之间的权衡。 2. 并发与同步： 探讨多任务环境中共享资源带来的竞态条件问题。介绍经典的同步机制，如信号量（Semaphores）、管程（Monitors）以及互斥锁（Mutexes）在保护临界区中的应用。 3. 文件系统基础： 简要介绍文件系统的抽象概念，包括目录结构、文件分配方式（如FAT, Inodes）以及数据持久化的基本策略。 --- 结语 本书的结构旨在提供一个“自下而上”的视角：从构成计算的最小逻辑单元，到构建出能执行复杂程序的中央处理器，再到管理这些资源的操作系统抽象层。通过对这些基础原理的透彻理解，读者将不仅能“使用”计算机，更能“理解”计算机，为未来深入学习嵌入式系统、计算机网络、高级操作系统设计或硬件加速技术打下坚实、全面的理论基础。

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这本书的实战价值远超出了我对一本理论著作的预期，它真正做到了“学以致用”。我发现作者在各个章节后面精心设计了一系列贴近工业界实际需求的案例分析，这些案例并非简单的“Hello World”式的演示，而是涉及了信号处理、状态机设计、总线接口等复杂功能的完整实现。特别是关于高速接口设计那几章，作者不仅展示了代码实现，更深入探讨了如何进行时序约束（Timing Constraints）的设定和验证，这对于任何想要从事底层硬件开发的工程师来说都是极其宝贵的一手经验。我曾按照书中的步骤，尝试复现一个基于FPGA的FIR滤波器项目，结果发现，书中提供的代码模板和优化建议，极大地缩短了我原本预计的调试时间。书中对不同厂商（如Xilinx和Altera）工具链的兼容性讨论也十分到位，体现了作者深厚的行业洞察力，使得读者在面对实际项目选型时，能够做出更明智的决策，而不是被单一工具或厂商的视角所局限。

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这本书最令人印象深刻的地方，在于它对“设计哲学”的探讨，而非仅仅停留在“操作手册”的层面。作者在多处不经意间流露出的对硬件抽象层次的深刻理解，让人受益匪浅。比如，书中有一段关于“时钟域交叉（CDC）”的讨论，作者并未仅仅罗列出同步器（Synchronizer）和握手协议（Handshake Protocol）等技术名词，而是深入探讨了为何在异步系统中，时序上的“不确定性”本身就是一种必须被管理的资源，并从信息论的角度解释了亚稳态的本质。这种将底层物理限制提升到系统设计哲学高度的论述方式，极大地拓宽了读者的思维边界。它教育我们，使用可编程逻辑器件并不仅仅是把C语言或VHDL代码编译到芯片上，而是在数字世界中构建一个稳定、可预测、高性能的电子系统，而这本书，正是教授我们如何培养这种系统级思维的最佳向导。

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从语言风格上来说，这本书展现出一种独特的、近乎学术论文的严谨性与工程实践的灵活性之间的完美平衡。它在阐述理论基础时，引用的参考文献和术语规范都非常严谨，使得读者在查阅标准和深入研究时，能找到可靠的理论支撑。然而，一旦进入到具体的设计实例和代码剖析部分，其行文风格立刻转为一种务实、高效的工程师口吻，直击问题核心，杜绝一切冗余的修饰。例如，在讨论资源浪费问题时，作者没有进行空泛的批判，而是直接给出了几种典型的低效代码模式，并附带了使用汇编级代码视角分析资源消耗的对比图。这种“理论支撑+实践纠错”的双重叙事结构，极大地提升了阅读体验的层次感，让读者在理解“为什么”的同时，也清晰地掌握了“怎么做”以及“如何做得更好”。

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这本书的排版和装帧简直是教科书级别的典范，初次捧读便被其严谨的逻辑结构和清晰的图文并茂所折服。我尤其欣赏作者在介绍基本概念时所采取的循序渐进的策略，它不像某些技术书籍那样上来就抛出复杂的公式和晦涩的术语，而是非常耐心地从最基础的器件结构讲起，用通俗易懂的语言勾勒出整个可编程逻辑器件（PLD）家族的全貌。比如，在讲解CPLD和FPGA的内部架构差异时，作者运用了大量的对比图表，这些图表不仅直观易懂，而且精准地揭示了两者在资源分配和时序控制上的核心区别。对于初学者而言，这种详尽的铺垫是至关重要的，它能有效降低学习曲线的陡峭程度，使读者能够稳健地建立起对硬件描述语言（HDL）在不同平台上的映射关系。此外，书中对开发流程的描述也极为细致，从RTL设计到综合、布局布线，每一步骤的关键考量和常见陷阱都被一一剖析，让人感觉仿佛有一位经验丰富的工程师在身旁进行一对一指导，这种教学的深度和广度，在同类书籍中实属罕见。

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这本书的配套资源和学习辅助体系构建得相当完善，这一点是很多纯文字教材所无法比拟的。我特别赞赏作者在网络上为本书维护的勘误表和代码库，这表明了作者对于知识的时效性和准确性的高度负责态度。在深入学习过程中，我发现书中的一些高级主题，如片上调试（On-Chip Debugging）工具的使用和IP核的集成，虽然在书本上已有详述，但作者提供的外部链接指向了更权威的官方文档和最新的技术更新。这使得本书不仅仅是一个静态的知识载体，而是一个动态的、与行业同步发展的学习平台。对于那些希望通过自学掌握FPGA/CPLD技能的读者来说，这种持续的维护和资源延伸，是保证学习不“过时”的关键要素，它确保了我们所学的知识框架能够适应不断迭代的硬件技术标准。

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