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出版者:Prentice Hall

作者:Victor P. Nelson

出品人:

页数:842

译者:

出版时间:1995-3-18

价格:USD 210.20

装帧:Paperback

isbn号码:9780134638942

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数字系统设计与实现：从理论到实践的深度探索 图书名称：《数字系统设计与实现：从理论到实践的深度探索》 本书旨在为读者提供一个全面、深入且具有高度实践指导意义的数字电路与系统设计教程。本书超越了基础的布尔代数和逻辑门介绍，着重于现代数字系统设计流程、先进的硬件描述语言应用，以及面向实际应用的系统级优化技巧。 第一部分：数字电路基础的现代视角 本部分重新审视了数字逻辑的基础，但着眼于其在当前半导体工艺和系统架构下的新挑战。我们不会仅仅停留在理想化的门电路模型，而是深入探讨非理想因素对数字性能的影响。 1. 信号完整性与噪声分析： 探讨了在高速数字系统中，互连线寄生参数（电感、电容）如何影响信号边沿、过冲和下冲。详细分析了串扰（Crosstalk）的机理，并介绍了屏蔽、终端匹配等降低噪声的技术。对于时序裕量（Timing Margin）的计算，引入了更贴近实际的工艺角分析方法。 2. 晶体管级CMOS电路的深入解析： 细致剖析了单级和多级CMOS放大器的设计，重点关注亚阈值导通（Subthreshold Conduction）和栅极氧化层漏电（Gate Oxide Leakage）在低功耗设计中的作用。详细介绍了动态阈值电压（Dynamic Threshold Voltage）技术在功耗优化中的应用原理。 3. 组合逻辑的优化技术： 除了标准的多样性逻辑综合（Multi-level Logic Synthesis）方法外，本章引入了基于查找表（LUT）的优化原理，这是现代FPGA架构的核心。讨论了如何通过冗余逻辑插入（Redundancy Insertion）和逻辑平衡（Logic Balancing）技术，在保证功能正确性的前提下，最小化延迟或功耗。 第二部分：同步时序系统的设计与分析 同步电路是所有复杂数字系统的骨架。本部分致力于提供一个严谨的时序分析框架，并介绍先进的时序约束和验证方法。 4. 时钟树综合（CTS）与时钟抖动（Jitter）： 详细阐述了时钟树综合的目标——最小化时钟偏差（Skew）和最大化时钟质量。深入分析了不同类型的时钟抖动（随机抖动、确定性抖动）的来源及其对建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的影响。介绍了几种常用的时钟网络拓扑结构，如H形、X形和平衡树形结构。 5. 静态时序分析（STA）的精进： 采用更复杂的模型来描述路径延迟，包括片内（On-chip）和片间（Off-chip）互连延迟的精确估算。重点讲解了如何处理多周期路径（Multi-cycle Paths）和伪路径（False Paths）的约束设置。引入了先进的PVT（Process, Voltage, Temperature）模型，指导设计者在极端工艺条件下进行鲁棒性设计。 6. 异步反馈与握手协议： 探讨了在系统级设计中，如何安全地整合异步信号。深入分析了单比特和多比特的异步同步器（Asynchronous Synchronizers）的设计，包括对毛刺（Glitches）的抑制机制，并对比了不同握手协议（如两相、四相等效）的性能和功耗权衡。 第三部分：硬件描述语言（HDL）的高级应用与抽象建模 本部分专注于使用硬件描述语言（VHDL/Verilog/SystemVerilog）进行高级抽象设计，强调行为级建模和设计验证的有效性。 7. SystemVerilog的面向对象特性在验证中的应用： 详细介绍了SystemVerilog在构建复杂测试平台（Testbench）中的优势，特别是如何利用类（Classes）、继承和接口（Interfaces）来创建可重用、易维护的验证环境。讲解了随机激励生成（Constrained Random Verification）的核心思想和实现方法。 8. 高层次综合（HLS）导论与实践： 阐述了HLS如何将C/C++等高级语言转换为RTL代码的原理。重点分析了HLS中关键的性能控制参数——数据流（Dataflow）、循环展开（Loop Unrolling）和功能单元共享（Resource Sharing）对最终硬件资源的消耗和运行频率的影响。 9. 算法级性能建模： 介绍如何使用高级语言（如Python或MATLAB）快速搭建算法模型，并通过接口与RTL设计进行快速迭代验证。讨论了在设计早期阶段，如何使用这种方法来确定关键算法模块的最佳硬件/软件划分策略。 第四部分：现代数字系统架构与实现 本部分将设计从单个模块提升到整个系统的层面，关注互连、存储和可靠性问题。 10. 片上网络（NoC）的基本拓扑与路由： 介绍了在多核SoC中，NoC取代传统总线的重要性。深入分析了二维网格（Mesh）、环形（Torus）和十字形（Crossbar）拓扑结构的延迟、带宽和资源消耗的差异。讲解了几种常见的路由算法（如XY路由、自适应路由）及其拥塞控制机制。 11. 存储器子系统与缓存一致性： 详细分析了SRAM和DRAM的工作原理，并讨论了如何在SoC中设计高效的片上存储器层次结构。对于多核系统，全面探讨了缓存一致性协议（如MESI、MOESI）的运作机制、总线嗅探（Bus Snooping）过程以及内存屏障（Memory Barriers）的作用。 12. 可靠性、可测试性与自检（DFT/BIST）： 介绍了数字系统设计中必须考虑的鲁棒性问题。深入讲解了扫描链（Scan Chain）的插入和测试向量的生成过程，以确保结构覆盖率。对于内建自检（BIST），分析了基于LFSR的测试模式生成以及响应压缩技术，以减少测试时间和引脚数量。 总结： 本书通过对数字系统设计中复杂环节的细致解构与重构，旨在培养读者将抽象的算法转化为高效、可靠的物理实现的能力。它不仅是学习数字逻辑的教科书，更是面向现代SoC/FPGA设计工程师的实用参考手册，强调理论的严谨性与工程实践的紧密结合。本书的案例和练习均基于当前主流的设计工具链和行业标准，确保读者所学知识能够直接应用于前沿的芯片设计领域。

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作为一名刚刚接触数字逻辑设计的学生，我必须说这本书就像一位循循善诱的导师，把我从一片茫然带到了豁然开朗的境界。一开始，我对于“逻辑门”这些基础概念感到非常陌生，甚至有些害怕，觉得它们像是一串串无意义的符号。但是，作者用非常生动形象的比喻，将这些抽象的概念具象化了。比如，在讲解 AND 门时，他会把它比作“只有当两个条件都满足时，事情才会发生”，这种贴近生活的类比，让我一下子就抓住了问题的核心。接着，随着内容的深入，书中对于组合逻辑电路（比如全加器、多路选择器）的设计与分析，以及时序逻辑电路（比如 JK 触发器、D 触发器）的工作原理，都讲解得非常透彻。我特别喜欢书中关于时序图的讲解，它能够清晰地展示出不同信号在时间轴上的变化，让我能直观地理解电路的时序行为。而且，这本书并没有止步于理论，还提供了很多动手实践的机会，虽然我还没有机会实际操作，但书中的代码示例和电路图，已经让我对如何将理论转化为实际电路有了初步的认识。对我而言，这本书最大的价值在于，它让我对数字逻辑的世界不再感到畏惧，而是充满了好奇和探索的欲望。

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这绝对是我今年读过的最令人印象深刻的工程类书籍之一。虽然我对数字逻辑设计这个领域并非全然陌生，但这本书的深度和广度着实让我眼前一亮。作者在讲解基础概念时，不仅仅是罗列公式和定义，而是巧妙地通过大量的实例，将抽象的理论转化为可理解的电路结构。尤其是对组合逻辑和时序逻辑的阐述，那种循序渐进的引导方式，让我能清晰地看到每一个逻辑门是如何组合，最终构建出复杂的处理单元。书中对各种存储单元，比如触发器和寄存器的讲解，也让我对时序电路的动态行为有了更深刻的认识。我特别欣赏书中对于不同设计方法的权衡分析，比如在速度、功耗和面积之间的取舍，这让我意识到实际工程设计中并非只有一种“最优解”，而是需要根据具体需求进行权衡。而且，书中提供的各种练习题，难度梯度非常合理，从基础的概念巩固到复杂的系统设计，都能有效地帮助读者检验和提升自己的理解水平。我发现很多题目都需要我结合所学的知识，进行独立的分析和设计，这极大地锻炼了我的逻辑思维能力和解决问题的能力。总而言之，这本书提供了一个非常扎实且全面的数字逻辑学习平台，对于任何想要深入理解数字系统运作原理的读者来说，都是一本不可多得的宝藏。

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老实说，这本书的阅读体验可以说是“挑战与回报并存”。初次翻开，特别是那些关于逻辑门和布尔代数化简的部分，我承认自己被吓到了，感觉像是要跟一大堆符号和公式搏斗。但是，当我坚持下去，特别是进入到关于时序逻辑和状态机设计的章节时，一切都变得豁然开朗。作者的解释风格相当严谨，每一个概念的引入都有其严密的逻辑链条，不会出现那种“拍脑袋就出来”的结论。我尤其欣赏书中对于 Karnaugh Map (卡诺图) 和 Quine-McCluskey 算法的详细讲解，虽然一开始学起来有点费劲，但一旦掌握，那种将复杂的布尔表达式化简到最简形式的能力，确实能带来巨大的成就感。而且，书中还涉及了一些关于逻辑设计中的一些常见问题，比如竞争冒险、毛刺等，并且提供了相应的解决方法。这让我意识到，实际的数字电路设计远比理论上要复杂得多，需要考虑很多细枝末节的问题。总的来说，这本书就像是一个严格的老师，它不会轻易给你答案，而是引导你去思考，去探索。如果你愿意投入时间和精力去啃下这本书，那么你收获到的将不仅仅是知识，更是一种解决复杂问题的能力和严谨的工程思维。

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我必须说，这本书给我的感觉就像是在一个庞大且错综复杂的数字迷宫中，找到了一张详细而精确的地图。我之前在一些更基础的教材中接触过一些数字电路的概念，但总觉得像是隔靴搔痒，缺乏一种系统性的认识。这本书的结构设计非常出色，它从最基本的逻辑门开始，然后逐步深入到更高级的电路模块，比如多路选择器、编码器、译码器，再到加法器、减法器等算术逻辑单元，最后更是将这些单元集成起来，讲解了如何构建完整的微处理器的一部分。我尤其对书中关于状态机设计的章节印象深刻，作者用清晰的图示和详细的步骤，展示了如何从系统需求出发，一步步推导出有限状态机的状态图、状态表，最终转化为实际的硬件电路。这种从“做什么”到“怎么做”的转化过程，是我之前一直感到困惑的地方，而这本书却将它剖析得淋漓尽致。而且，书中不仅仅局限于理论，还穿插了大量的实际应用案例，比如在数据通路设计、控制单元设计等方面，这让我能更好地理解这些理论知识在现实世界中的价值。对我而言，这本书最大的亮点在于它能够激发我对数字逻辑设计的兴趣，让我不再觉得这是一个枯燥乏味的学科，而是充满创造力和挑战的领域。

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读完这本书，我最大的感受就是，它为我打开了一扇通往数字世界内部的大门。在之前，我一直觉得电脑、手机等数字设备运行的背后，是某种神秘的力量在驱动，而这本书则将这种神秘感剥离，用清晰的逻辑和严谨的数学工具，展示了其内在的运作机制。作者在讲解如何构建一个基本的算术逻辑单元 (ALU) 时，那种将不同的逻辑门巧妙地组合，实现加、减、逻辑运算等功能的过程，简直就是一场精巧的“工程艺术”。我尤其被书中关于时序电路的讲解所吸引，理解了触发器如何作为基本的存储单元，以及它们如何组合成寄存器、计数器等，进而实现信息的存储和传递。这让我对CPU中的寄存器组、程序计数器等有了更清晰的认识。书中对有限状态机 (FSM) 的详细介绍，更是让我明白了控制单元是如何根据输入信号和当前状态，产生相应的输出信号和下一个状态，从而实现复杂的控制逻辑。这种从逻辑设计到系统实现的完整流程，让我对数字系统设计有了全局的理解。总而言之，这本书提供了一种非常系统化、理论与实践相结合的学习方法，它不仅仅教授了“是什么”，更重要的是教会了“为什么”和“如何做”，让我对数字逻辑电路的分析和设计能力有了质的飞跃。

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