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出版者:Thomson Learning

作者:John P. Uyemura

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2002

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9788522102686

丛书系列:

图书标签:

• 数字系统
• 数字逻辑
• 计算机组成原理
• 电子工程
• 数字电路
• 嵌入式系统
• Verilog
• VHDL
• FPGA
• 硬件设计

《数字系统设计原理与实践》 一、 导论：驾驭数字世界的基石 在当今信息爆炸的时代，数字技术已渗透到我们生活的方方面面，从智能手机、电脑到复杂的工业控制系统和通信网络，无一不依赖于精密可靠的数字系统。那么，这些强大的数字系统是如何构建起来的呢？《数字系统设计原理与实践》将带领读者深入探索数字世界的奥秘，揭示构成现代电子设备核心的数字逻辑电路的原理，并提供一套系统性的设计方法和实践指导。本书旨在为对数字系统设计感兴趣的初学者、希望巩固理论知识的学生以及需要提升实践技能的工程师提供一条清晰的学习路径。 数字系统，顾名思义，是指利用离散的、量化的信号（即数字信号）进行信息处理、存储和传输的系统。与模拟系统不同，数字系统对噪声的容忍度更高，信息传输和处理的精度也更容易保证。本书将从最基本的逻辑门开始，逐步构建起复杂的组合逻辑和时序逻辑电路，最终触及嵌入式系统的设计理念。我们将深入理解二元逻辑（0和1）如何通过逻辑运算转化为有意义的输出，以及如何利用这些基本单元构建出能够执行复杂功能的电路。 本书的编写风格力求深入浅出，理论与实践紧密结合。我们不会止步于抽象的理论推导，而是会通过大量的实例、图示和实际电路设计案例，帮助读者建立直观的理解。无论是想要掌握数字电路的基本原理，还是希望学习如何使用硬件描述语言（HDL）进行设计，亦或是对FPGA等现代数字集成电路的开发流程感到好奇，都能在本书中找到所需的知识和指导。 二、 二元逻辑与布尔代数：数字世界的语言 理解数字系统，首先要掌握其基本语言——二元逻辑。二元逻辑只有两种状态，通常表示为0和1，分别代表“假”和“真”、“低电平”和“高电平”。在此基础上，布尔代数应运而生，它是一套数学规则，用于描述和操作这些二元变量之间的逻辑关系。 本书将详细介绍布尔代数的基本概念，包括： 基本逻辑运算： 逻辑与 (AND)： 只有当所有输入都为1时，输出才为1。我们将通过真值表、逻辑符号和实际电路（如二极管或晶体管实现的AND门）来阐释其原理。 逻辑或 (OR)： 只要有任何一个输入为1，输出就为1。同样，真值表、逻辑符号和电路实现将是重点。 逻辑非 (NOT)： 输入为0时输出为1，输入为1时输出为0。它也被称为反相器。 复合逻辑运算： 逻辑与非 (NAND)： 是AND运算的反相，是实现数字电路最基本的门电路之一，其重要性将得到强调。 逻辑或非 (NOR)： 是OR运算的反相，同样是构建其他逻辑电路的基础。 异或 (XOR)： 当输入不同时输出为1，输入相同时输出为0。在奇偶校验、算术运算中扮演重要角色。 同或 (XNOR)： 是XOR运算的反相，当输入相同时输出为1。 布尔代数的定律和定理： 包括交换律、结合律、分配律、德摩根定理、吸收律等。这些定律是化简逻辑表达式、优化电路设计的关键工具。我们将通过实例演示如何运用这些定理来简化复杂的逻辑表达式，从而降低电路的复杂度和功耗。 逻辑函数的表示方法： 除了真值表和布尔表达式，我们还将介绍卡诺图（Karnaugh Map, K-map）这一重要的图形化工具。卡诺图能够直观地展示逻辑函数，并方便地找到最简的逻辑表达式，对于手动设计小规模逻辑电路至关重要。 通过深入理解二元逻辑和布尔代数，读者将掌握分析和设计数字电路的基本语言和思维方式。 三、 组合逻辑电路：瞬间响应的决策者 组合逻辑电路的输出仅取决于其当前的输入状态，不包含记忆单元，因此不存在状态的延续。这类电路在数字系统中扮演着决策和信息处理的角色。本书将详细探讨以下几种重要的组合逻辑电路： 基本逻辑门的应用： 如何将AND、OR、NOT等基本门电路组合起来实现更复杂的逻辑功能。 编码器和译码器： 编码器 (Encoder)： 将一组输入信号转换为一组二进制代码。例如，键盘编码器将按键信号转换为ASCII码。 译码器 (Decoder)： 将二进制代码转换为一组控制信号。例如，存储器地址译码器选择特定的存储单元。 多路选择器 (Multiplexer, MUX)： 根据控制信号的选择，将多个输入信号中的一个连接到输出。它如同一个电子开关，在信号路由中不可或缺。 多路分配器 (Demultiplexer, DEMUX)： 与多路选择器相反，它将一个输入信号根据控制信号的指示分发到多个输出中的一个。 加法器和减法器： 半加器 (Half Adder)： 实现两个一位二进制数的相加，产生和与进位。 全加器 (Full Adder)： 实现三个一位二进制数的相加（包含来自低位的进位），产生和与进位。 并行加法器： 将多个全加器连接起来，实现多位二进制数的加法。 减法器的实现： 通常利用加法器和补码来实现二进制减法。 比较器： 比较两个二进制数的数值大小，输出表示它们是相等、大于还是小于。 奇偶校验发生器和校验器： 在数据传输过程中，用于检测数据错误。 本书将通过清晰的图示和逻辑框图，讲解这些组合逻辑电路的内部结构、工作原理以及它们在实际系统中的应用场景。我们将深入分析它们的真值表、布尔表达式，并演示如何使用卡诺图进行优化。 四、 时序逻辑电路：拥有记忆的数字大脑 与组合逻辑电路不同，时序逻辑电路的输出不仅取决于当前的输入，还取决于其过去的状态，即它具有“记忆”功能。这种记忆能力使得时序逻辑电路能够处理序列信息，实现状态的转换和存储，是构建计数器、寄存器、状态机等复杂数字系统的基础。本书将重点介绍： 触发器 (Flip-Flop)： 时序逻辑电路中最基本的存储单元，能够存储一位二进制信息。我们将详细介绍各种类型的触发器： SR触发器： 最基础的触发器，由Set和Reset输入控制。 D触发器： 数据触发器，存储输入的数据。 JK触发器： 功能更强的触发器，可以实现翻转、保持和设置/复位等多种操作。 T触发器： 翻转触发器，当输入为1时翻转状态，为0时保持状态。 主从触发器和边沿触发器： 探讨不同触发器在时钟同步方面的差异和优势，以及如何避免竞争冒险。 寄存器 (Register)： 由多个触发器组成，用于存储多位二进制信息。我们将介绍移位寄存器（用于串并转换、数据移位）和并行寄存器（用于数据存储）。 计数器 (Counter)： 能够按顺序计数（增加或减少）。我们将讨论： 异步计数器 (Ripple Counter)： 结构简单，但速度受链式翻转影响。 同步计数器 (Synchronous Counter)： 所有触发器同时响应时钟信号，速度更快，设计也更复杂。 移位寄存器计数器： 利用移位寄存器实现计数功能。 任意进制计数器： 如何设计模N计数器（例如十进制计数器）。 状态机 (State Machine)： 有限状态机 (Finite State Machine, FSM)： 是描述数字系统行为的强大模型。我们将介绍摩尔型（Mealy Model）和密尔型（Moore Model）状态机，以及它们的状态转换图、状态表和如何从状态表转换到逻辑电路。 状态机的设计与应用： 状态机广泛应用于序列检测、控制器设计、通信协议实现等领域。 我们将通过具体的时序逻辑电路设计实例，如数字秒表、交通灯控制器等，来帮助读者理解状态机的工作原理和设计流程。 五、 存储器与数字系统架构：构建信息化的基石 数字系统离不开存储器来保存和检索信息。本书将探讨不同类型的存储器及其在系统中的作用： 随机访问存储器 (RAM)： 静态RAM (SRAM)： 速度快，但价格较高，常用于缓存。 动态RAM (DRAM)： 容量大，价格相对较低，是主存储器的主要形式，需要刷新操作。 只读存储器 (ROM)： 存储非易失性数据，断电后数据不丢失。我们将介绍： 掩膜ROM (Mask ROM)： 生产过程中一次性固化数据。 可编程ROM (PROM)： 允许用户一次性写入数据。 可擦除可编程ROM (EPROM)： 可通过紫外线擦除并重新编程。 电可擦除可编程ROM (EEPROM)： 可通过电信号擦除并重新编程，是现代存储器的基础。 闪存 (Flash Memory)： EEPROM的改进版，具有更高的密度和更快的读写速度。 存储器的组织结构： 地址线、数据线、读写控制信号。 微处理器与存储器的接口： 如何将CPU、存储器和其他外围设备连接起来，形成一个完整的数字系统。我们将简要介绍总线结构、I/O端口等概念。 数字系统架构概览： 介绍简单的计算机系统结构，如冯·诺依曼结构，以及数据流和控制流的概念。 六、 硬件描述语言 (HDL) 与 FPGA 设计流程：迈向现代设计 在现代数字系统设计中，直接绘制逻辑门电路已经难以满足复杂度和效率的要求。硬件描述语言（HDL）应运而生，它允许工程师以文本形式描述硬件电路，并通过EDA（Electronic Design Automation）工具进行仿真、综合和实现。 本书将侧重于介绍业界主流的HDL： Verilog HDL： 详细介绍Verilog的语法、数据类型、行为级建模、数据流建模和结构级建模。我们将学习如何使用Verilog描述逻辑门、组合逻辑电路、时序逻辑电路，并进行仿真验证。 VHDL (可选)： 如果时间允许，也会简要介绍VHDL的特点和基本语法，以拓宽读者的视野。 FPGA（Field-Programmable Gate Array） 是一种高度灵活的半定制集成电路，允许用户通过编程来配置其内部逻辑单元和连接，从而实现自定义的数字系统。本书将介绍： FPGA的基本结构： 可配置逻辑块 (CLB)、输入/输出块 (IOB)、布线资源、DSP块、RAM块等。 FPGA设计流程： 需求分析与规格定义 HDL代码编写 功能仿真： 使用仿真工具验证HDL代码的逻辑功能是否正确。 综合 (Synthesis)： 将HDL代码转换为门级网表。 实现 (Implementation)： 包括布局 (Place) 和布线 (Route)，将门级网表映射到FPGA的物理资源上。 时序仿真 (Timing Simulation)： 验证设计在实际时序约束下的性能。 下载到FPGA开发板进行硬件验证。 常用的FPGA开发工具介绍。 我们将通过一个简单的FPGA项目实例，带领读者完成从HDL代码编写到最终硬件实现的整个过程，让读者亲身体验现代数字系统设计的强大与便捷。 七、 结语：开启数字创新之旅 《数字系统设计原理与实践》不仅仅是一本教科书，更是一扇通往数字创新世界的大门。通过对本书内容的深入学习和实践，读者将能够： 深刻理解数字逻辑的基本原理，掌握分析和设计数字电路的核心方法。 熟练运用布尔代数和卡诺图等工具优化逻辑设计。 掌握组合逻辑和时序逻辑电路的设计与应用。 了解存储器的原理和在系统中的作用。 掌握硬件描述语言（HDL）的基本语法和建模方法。 熟悉FPGA的设计流程和开发环境。 培养解决实际数字系统设计问题的能力。 无论您是希望为未来的学习打下坚实基础的学生，还是希望扩展技术栈的在职工程师，亦或是对如何创造更智能、更高效的电子产品充满好奇的技术爱好者，《数字系统设计原理与实践》都将是您不可或缺的伙伴，指引您在日新月异的数字技术浪潮中，不断探索，勇攀高峰。

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这本书的装帧设计简直是一场视觉盛宴，封面采用了一种极为雅致的深蓝色调，辅以烫金的书名“Sistemas Digitais”，在灯光下熠熠生辉，透露出一种沉稳而专业的学者气质。我尤其欣赏作者在排版上的用心，字体选择非常考究，既保证了极佳的可读性，又在整体上营造出一种严谨的学术氛围。纸张的质感也令人爱不释手，那种略带粗粝却又不失光滑的触感，让人感觉捧着的不只是一本书，更是一件精美的艺术品。每一次翻阅，都像是一次对知识的郑重致敬。书的侧边切割得干净利落，即便是厚厚的篇幅，也处理得毫无累赘感，体现出出版方在细节处理上的匠心独运。我拿到手的时候，甚至有些舍不得立刻开始阅读，只想先沉浸在这完美的物理形态中。这种对书籍本身物质性的重视，已经超越了一般教材的范畴，更像是一本值得收藏的工具书或传世之作，让人对即将展开的阅读内容充满了美好的期待与敬意。

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作者的叙事风格，用一个词来形容，那就是“冷静的激情”。他显然对数字系统领域怀有深厚的挚爱，但在文字的表达上，却保持着一种近乎百科全书式的客观和准确。这种风格的魅力在于，它不会用浮夸的辞藻来煽动情绪，而是依靠无可辩驳的逻辑和详实的数据来赢得读者的信服。例如，在讨论不同编码方案的优缺点时，作者没有主观偏向任何一种，而是通过系统地对比错误检测率、冗余度和实现复杂性等多个维度，让读者自己得出结论。这种尊重读者智力的叙事方式，让人在阅读时始终保持一种批判性的思考状态，而不是被动地接受灌输。它更像是与一位经验丰富、学识渊博的前辈进行一对一的研讨，他引导你思考，而不是直接告诉你答案，这种深层次的互动感是很多技术书籍所欠缺的。

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从阅读体验的整体感受来看，这本书的最大价值在于它的知识密度和广度达到了一个极高的平衡点。它没有为了追求“入门友好”而牺牲深度，也没有因为追求“学术前沿”而变得晦涩难懂。对于我这种希望系统性地梳理和夯实基础的人来说，它提供了一个全景式的视图——从最基础的布尔代数到复杂的并行处理架构都有所涉猎。更令人惊喜的是，书的末尾附加的参考资料清单极其详尽且具有前瞻性，清晰地指明了通往更专业领域（如FPGA设计、嵌入式系统内核）的路径。这使得这本书不仅仅是一个终点，更像是一个强大的发射台，为后续更专业、更深入的学习奠定了不可动摇的基石。它成功地将一个庞杂的领域，梳理成一个清晰、可操作的学习路线图，物超所值。

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这本书在案例分析和实际应用方面的深度，远超出了我预期的同类书籍。它不仅仅停留于理论的推演，而是不断地将抽象的数字逻辑与现实世界中的工程挑战紧密联系起来。我特别留意了其中关于时序电路设计的那几章，作者没有满足于仅仅讲解触发器的基本工作原理，而是深入剖析了在高速系统中如何处理时钟偏斜（Clock Skew）和毛刺（Glitch）问题，并提供了几种业界成熟的解决方案。这些解决方案的描述，既有理论基础的支撑，又有伪代码或硬件描述语言（HDL）片段的佐证，使得理论学习立刻具备了实战价值。阅读这些章节时，我仿佛置身于一个设计工作室，而不是冰冷的教室，因为每一个例子都带着“如果我真的要制造它”的真实感。这使得这本书的知识体系非常“耐用”，不会随着技术的微小迭代而迅速过时，因为它教会的是解决问题的思维框架，而非短暂的技术细节。

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我对内容组织结构的直观感受是，它以一种近乎建筑学般的精确性展开叙述。初读之下，便能察觉到作者并未急于抛出复杂的公式和晦涩的概念，而是铺陈了一条极其清晰、逻辑严密的逻辑主线。每一章节的过渡都像是精妙的榫卯结构，前一节的知识点无缝衔接到后一节的深入探讨，几乎没有逻辑上的断裂感。特别是对于初学者而言，这种由浅入深、循序渐进的引导方式，极大地降低了对“数字系统”这一宏大主题的畏惧感。作者似乎深谙如何将抽象的理论具象化，大量的图示和流程图不仅仅是插图，它们本身就是教学的辅助工具，其设计之巧妙，让人在视觉上就能捕获复杂的信号流和状态转换。这种结构上的严谨性，保证了读者在学习过程中，即使遇到难点，也能通过回溯前文，迅速找到理解的支点，充分体现了作者在教学法上的深厚功力。

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