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出版者:中国科学技术大学出版社

作者:窦建华

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2001-08-01

价格:25.8

装帧:

isbn号码:9787312012747

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跨越藩篱：现代电子设计与系统集成概论 面向未来挑战的全新视野 本书并非聚焦于传统的电路元件与基础定律，而是将视角提升至一个更高的维度——现代电子设计的方法论、系统集成的前沿技术以及信息技术（IT）与电子技术（ET）深度融合的未来趋势。我们旨在为读者提供一套超越基础理论框架的知识体系，以应对当前快速迭代的工程实践需求。 本书的编写哲学是“从系统需求出发，逆向推导最佳实现路径”。我们假设读者已经具备了对基础电子元件（如电阻、电容、电感、晶体管等）的基本操作和分析能力，不再赘述欧姆定律或基尔霍夫定律的推导过程。相反，我们将笔墨集中在如何利用这些基础模块，构建出复杂、高效、可靠的现代电子系统。 --- 第一部分：高级系统建模与仿真策略 本部分深入探讨在复杂电子系统设计初期，如何选择并应用恰当的模型和仿真工具，以最大限度地预测系统行为并减少物理原型制作的成本。 1. 抽象层次的艺术：从行为级到寄存器传输级（RTL） 我们首先分析不同抽象层次（Behavioral, Algorithmic, Register-Transfer Level, Gate Level）的适用场景和优缺点。重点讨论如何使用高层次综合（HLS）工具链，将C/C++或SystemC等高级语言描述的算法，自动映射到硬件实现结构上。这不是关于如何编写一个特定的逻辑门，而是关于如何用最高效的语言描述系统的功能目标。 2. 跨域耦合仿真：机电一体化的挑战 现代嵌入式系统往往涉及多个物理域的交互，例如电源管理单元（PMU）与主处理器之间的动态功耗调节、传感器信号采集与后端的数字信号处理（DSP）之间的时序耦合。本章详述联合仿真（Co-simulation）技术，包括如何使用工具接口（如FMI/FMU标准）连接Spice级电路仿真器、有限元分析（FEA）工具和系统级建模环境（如MATLAB/Simulink），实现真正的多物理场协同设计验证。 3. 鲁棒性分析与容错设计建模 系统可靠性是现代工程的生命线。本章不涉及基本的元器件级可靠性计算，而是侧重于系统级的故障注入与分析（Fault Injection Analysis）。我们将介绍如何建立状态机模型来模拟间歇性错误、随机软错误（Soft Errors）对整个系统性能的影响，并探讨如冗余编码、看门狗定时器（Watchdog Timers）的系统级部署策略。 --- 第二部分：嵌入式计算核心与异构架构 本部分将重点放在驱动现代电子设备的核心——嵌入式处理器的设计与优化，特别是应对日益增长的并行计算需求。 1. 现代微处理器架构演进与指令集扩展 我们将回顾从冯·诺依曼到哈佛架构的经典演变，但更侧重于特定领域架构（DSA）的设计哲学。深入分析RISC-V生态系统，探讨如何基于开放指令集架构，定制专属的指令集扩展（Custom Instructions）以加速特定应用（如AI推理或网络协议栈）。讨论向量处理单元（Vector Processing Units）在通用计算中的应用前景。 2. 内存层次结构与数据流优化 性能瓶颈往往存在于数据搬运而非计算本身。本章细致剖析多级缓存（L1/L2/L3）的命中率优化、缓存一致性协议（Cache Coherency Protocols）在多核系统中的挑战，以及近存计算（Processing-In-Memory, PIM）等前沿概念如何重塑数据密集型应用的执行模型。 3. 异构计算的编程模型与调度 从CPU到GPU，再到FPGA和专用ASIC加速器，现代系统是异构的。我们探讨任务调度器（Task Schedulers）如何智能地将工作负载分配给最适合的硬件单元。重点介绍OpenCL、SYCL等跨平台并行编程框架，以及如何在系统层面管理不同处理单元间的数据同步和延迟。 --- 第三部分：连接与接口技术的前沿突破 本部分关注电子系统如何与外部世界、与其他系统进行高效、安全的信息交换。 1. 高速串行通信的物理层设计 超越低速的I2C和SPI，本章聚焦于GHz级别的信号完整性（SI）和电源完整性（PI）挑战。详细阐述均衡技术（Equalization），包括发射端预加重（Pre-emphasis）和接收端判别反馈均衡（DFE），以应对PCB走线带来的损耗和串扰。讨论SerDes（Serializer/Deserializer）的眼图分析和抖动（Jitter）预算管理。 2. 传感器融合与物联网（IoT）数据处理 现代系统中，从感知层获取的原始数据需要进行智能处理。本章讨论卡尔曼滤波（Kalman Filtering）、粒子滤波（Particle Filtering）等算法在低功耗微控制器上的高效实现。探讨时间同步技术（如PTP/NTP）在分布式传感器网络中的关键作用。 3. 安全机制的硬件级实现 随着系统互联的加深，安全已从软件层面深入到硬件信任根（Root of Trust）。我们将介绍可信执行环境（TEE）的架构，如ARM TrustZone，以及非对称加密加速器的设计要点，确保系统启动、固件更新和敏感数据处理的机密性与完整性。 --- 第四部分：设计自动化与持续集成实践 本部分着眼于将工程实践提升到工业化、可复用性的水平。 1. 硬件描述语言（HDL）的高阶应用与验证 不再局限于Verilog或VHDL的语法，本章侧重于高级验证方法学。介绍使用SystemVerilog进行功能覆盖率驱动的验证（Coverage-Driven Verification），以及构建随机激励生成器（Random Testbench）以发现隐藏的设计缺陷。探讨形式化验证（Formal Verification）在关键控制逻辑验证中的应用。 2. 芯片-封装-系统（CPS）协同设计 随着芯片尺寸的缩小和封装密度的增加，芯片（Chip）、封装（Package）和系统（System）之间的边界日益模糊。本章讲解如何将封装层面的寄生参数模型（如IBIS-AMI模型）反馈给系统级设计人员，确保高速接口在实际产品中的性能可预测性。 3. 固件与硬件的联合调试与OTA更新 对于嵌入式产品，生命周期管理至关重要。本章讨论如何利用JTAG/SWD接口进行深层调试，以及设计原子性（Atomic）的空中下载（OTA）固件更新机制，确保即使在更新过程中断电，设备仍能安全恢复工作状态。 --- 本书的价值定位： 本书是为高级电子工程师、系统架构师、嵌入式软件开发者以及研究生量身定制的进阶读物。它弥合了传统电子学教育与当前尖端工程实践之间的鸿沟，强调系统思维、跨学科融合和面向未来的可扩展性设计。阅读本书，你将获得驾驭复杂电子系统从概念到量产的全景视角和核心工具集。

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这本书的作者显然是一位极富教学经验的“老手”，他深知初学者在学习电路分析时最容易在哪里“卡壳”。最让我感到惊喜的是他对**非线性元件特性**的处理方式。很多同类书籍往往在讲到二极管或三极管的I-V特性曲线时，要么过于简化，要么直接抛出复杂的微分方程让读者望而却步。然而，这本书采用了一种非常巧妙的图形分析法，结合了负载线和理想模型的对比，生动地展示了工作点的选取过程。我印象特别深刻的是关于半导体PN结的建立过程的描述，作者用到了一个非常形象的比喻，将势垒区比喻成一道“电势的鸿沟”，这一下子就击中了问题的核心。这种深入浅出、直击本质的叙述风格，使得原本被认为是最枯燥、最难啃的半导体基础知识，变得既易懂又富有启发性。阅读它，我感觉自己不是在啃教材，而是在听一位经验丰富的工程师在耐心讲解他的“独门秘籍”。

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这本书的装帧和印刷质量简直是艺术品级别的。封面设计简洁而富有力量感，那种深邃的蓝色调仿佛能让人一头扎进复杂的电路图世界，但又不会让人感到压抑。纸张的质感非常出色，厚实且光滑，即便是长时间翻阅，手指触感也十分舒适。更令人赞叹的是内页的排版，字体选择和字号都经过了精心考量，使得阅读起来毫不费力，即便是那些密密麻麻的公式和图例，也能清晰辨识。尤其是那些电路图，线条的粗细过渡自然，元件符号清晰准确，这对于我们初学者来说太重要了，避免了太多因看不清图示而产生的误解。我可以想象，作者和出版团队在设计这本书的物理形态上花费了多少心血，这不仅仅是一本教材，更像是一件值得珍藏的工具书。如果说内容是灵魂，那么这本书的物理呈现就是一副完美的躯壳，极大地提升了学习过程中的愉悦感和专业度。我甚至愿意把它放在书架上展示，而不是仅仅束之高阁，这在技术类书籍中是少有的体验。

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我花了整整一个周末来研读这本书的前三章，发现它在理论深度和实际应用之间的平衡点把握得极其精准，简直是教科书级别的范例。它没有那种堆砌理论概念的空洞感，而是每引入一个新概念，都能立刻通过一到两个精心构造的实例来加以印证。比如讲解基尔霍夫定律时，作者并没有简单地罗列公式，而是设计了一个包含多个电源和复杂负载的网络，一步步引导读者如何建立节点电压方程和网孔电流方程，整个推导过程逻辑严密，环环相扣。更妙的是，在讲解完纯理论分析后，紧接着就引入了仿真软件（虽然没有明确指出是哪个，但读者的直觉会倾向于Spice类工具）的验证环节，让理论不再是纸上谈兵。这种“学-做-验”的循环学习法，极大地增强了我对抽象概念的具象化理解能力。对于一个在校学生或者希望转行的人来说，这种手把手的引导是无价的。

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我必须提及本书在**复数域分析**和**暂态响应**这两大难点上的处理。通常，涉及拉普拉斯变换和相量法的章节是学生们集体“翻车”的高危区域。这本书对此的处理可以说是匠心独运，它没有急于直接跳入复杂的拉普拉斯逆变换，而是花了大量的篇幅回顾了傅里叶级数和欧拉公式，为引入复数奠定了坚实的数学基础。当真正开始讲解相量法时，作者对“相量”的物理意义——即交流电的幅值和相位——的解释非常到位，使得相量不再仅仅是一个数学工具，而成为了描述电压和电流状态的有效载体。对于暂态分析，它对RLC电路的二阶特性（过阻尼、临界阻尼、欠阻尼）的区分讲解得极其清晰，特别是针对不同阻尼情况下的自然响应曲线的绘制和对比，提供了丰富的图示，让人一眼就能看出它们在时域上的巨大差异。这种对基础概念的深度挖掘和可视化呈现，为后续学习更高级的控制理论打下了无比坚实的基础。

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这本书的章节结构和内容组织展现了一种令人称赞的系统性和连贯性。它没有采用那种零散的、单元式的讲解模式，而是将整个电路分析过程视为一个有机整体来构建知识体系。例如，在讲解交流稳态分析之后，作者立刻引入了功率因数校正的实际工程问题，这使得读者能够清晰地看到理论知识在解决实际电网效率问题中的直接应用价值。这种“理论服务于实践”的编排思路贯穿始终。此外，书末附带的习题设计也极具代表性，它们不是那种简单的套公式练习，而是包含了大量需要综合运用前几章知识才能求解的综合题，难度梯度设置合理，从基础巩固到挑战进阶，层层递进。我特别喜欢它在每章末尾设置的“回顾与展望”部分，它能帮助读者将本章知识点放置到整个电路分析框架中进行定位，极大地帮助了知识的内化与记忆。总而言之，这是一部结构严谨、内容详实且富有洞察力的经典教材。

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