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出版者:中国水利水电出版社

作者:周越

出品人:

页数:203

译者:

出版时间:2007-8

价格:20.00元

装帧:

isbn号码:9787508449333

丛书系列:

图书标签:

• 单片机
• STC单片机
• 实验教学
• 实训
• 嵌入式系统
• 电子技术
• C语言
• 硬件设计
• 实践
• 教程

现代数字电路设计与应用 内容简介 本书旨在系统、深入地介绍现代数字电路的设计、分析与实现技术。它不仅涵盖了基础的逻辑门电路、组合逻辑和时序逻辑电路的理论知识，更着重于当前工业界和前沿技术领域中常用的先进设计方法和工具应用。本书的编写严格遵循从基本原理到复杂系统集成的递进式结构，力求使读者能够构建坚实的理论基础，并具备将理论转化为实际工程解决方案的能力。 第一部分：数字系统基础与建模 本部分首先回顾了数字逻辑系统的基本概念，包括数制转换、布尔代数的基本运算和卡诺图化简技术。随后，深入探讨了CMOS和TTL等主流集成电路系列的电气特性、逻辑功能及其在不同工作条件下的性能指标，如功耗、延迟和噪声容限。 重点章节在于介绍硬件描述语言（HDL）——VHDL和Verilog——在数字系统建模中的应用。本书详细阐述了这两种语言的基本语法结构、数据类型以及如何使用行为级、数据流级和结构级描述来精确表达电路功能。通过大量实例，读者将学习如何使用HDL进行模块化设计，并理解层次化设计的重要性。 第二部分：组合逻辑与可编程器件 本部分专注于组合逻辑电路的设计与优化。内容涵盖了加法器、乘法器、译码器、多路复用器等核心组合电路的原理与实现。我们特别强调了竞争与冒险现象的识别与消除技术，这是保证数字系统可靠运行的关键。 随后，本书将重点转向可编程逻辑器件（PLD）。详细介绍了PROM、PAL和GAL的结构、编程原理和应用场景。在此基础上，本书深入讲解了现场可编程门阵列（FPGA）的内部架构，包括可配置逻辑块（CLB）、输入/输出块（IOB）以及嵌入式存储器和DSP资源的利用。读者将通过实践案例了解如何将HDL代码综合、映射到具体的FPGA资源上，并进行功能仿真和时序分析。 第三部分：时序逻辑与状态机设计 时序逻辑是构成一切复杂数字系统的基石。本部分从基本的锁存器和触发器（D触发器、JK触发器、T触发器）的建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）要求入手，阐述了它们在同步和异步电路中的应用。 系统地讲解了寄存器、移位寄存器和计数器的设计。对于计数器部分，特别区分了异步计数器和同步计数器的优缺点及其在不同速度要求下的适用性。 状态机的设计与分析是本部分的难点与核心。本书采用Mealy模型和Moore模型，详细讲解了有限状态机（FSM）的设计流程，包括状态图的绘制、状态编码（如自然二进制编码、Gray码编码）以及状态转移表的建立。同时，本书提供了先进的状态机设计方法，如状态图的优化、同步复位逻辑的设计，并探讨了在高速系统中如何处理时钟域交叉（CDC）问题，包括使用异步FIFO和握手协议等。 第四部分：存储器系统与接口技术 本部分扩展至数字系统的存储和数据交互层面。内容涵盖了SRAM和DRAM的工作原理、内存访问时序以及存储器阵列的组织方式。我们探讨了Cache存储器的基本概念及其在提高系统性能中的作用。 在数据接口技术方面，本书详细介绍了并行总线和串行总线协议的基础。重点分析了RS-232、SPI和I2C等常用片间通信协议的电气特性、时序要求和软件控制流程。此外，还引入了高速串行接口（如PCI Express或USB基础架构）的概念，帮助读者建立对现代数据传输网络的宏观认识。 第五部分：数字系统的高级主题与验证 本部分着眼于现代数字设计流程中的关键环节——设计验证和系统级优化。 在验证方面，本书介绍了仿真工具的使用，如波形查看和测试平台（Testbench）的构建。重点阐述了基于约束的随机验证（CBV）的基本思想，并简要介绍了先进验证方法学的概念，强调了功能覆盖率和代码覆盖率的重要性。 在系统优化方面，本书讨论了综合（Synthesis）过程的原理，包括逻辑资源的映射和优化。探讨了静态时序分析（STA）在确认设计满足时钟频率要求中的核心作用，涵盖了输入/输出延迟、时钟偏移（Jitter）和时钟沿定义等关键概念。 最后，本书引入了低功耗设计的基本策略，如时钟门控（Clock Gating）和电源门控（Power Gating）在FPGA和ASIC设计中的应用，为读者后续深入研究功耗敏感型系统打下基础。 本书适合于电子工程、计算机工程、自动化专业的本科高年级学生及研究生作为教材或参考书，也为从事数字电路设计、FPGA/ASIC开发及相关系统集成的工程师提供了全面且实用的技术指导。通过对本书内容的学习和实践，读者将能够独立完成中等复杂度的数字系统的设计、实现和验证工作。

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这本书的封面设计得非常朴素，几乎没有什么花哨的装饰，这倒挺符合我对技术类书籍的期待，总觉得越是内容扎实的书，越是不会在包装上多费心思。我本来是想找一本能快速上手、直击核心的单片机入门资料，但拿到手翻阅后，发现它更像是一本详尽的“工具手册”，而不是一本轻快的“速成宝典”。对于完全零基础的新手来说，开篇的理论部分稍微有点枯燥，涉及到了大量的寄存器、时序图的解释，这些内容虽然严谨，但初学者可能会感到有些吃力，需要反复阅读才能理解透彻。比如讲到定时器/计数器的配置时，它没有采用大量图形化的比喻来辅助理解，而是直接给出硬件手册上的定义和公式，这对于习惯了直观学习的我来说，确实是个不小的挑战。我尝试按照书中的步骤搭建第一个最小系统时，发现对元器件的选型和焊接注意事项的描述比较概括，对于我这种手工能力一般的“书呆子”来说，光是把面包板上的连线弄对就花了不少时间，书中对实操过程中的“坑”的警示不够充分，更多是把重点放在了代码实现和功能验证上。总的来说，它是一本需要沉下心来啃、知识点密度非常高的教材，适合已经有一定电子电路基础，想系统性深入学习底层原理的读者。

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这本书的行文风格简直像是一位严谨的大学教授在对着全班同学授课，每一个知识点的讲解都力求精确无误，少有那种轻松活泼的“闲聊式”过渡。我尤其欣赏它在软件设计方法上的探讨，它不仅仅是教你如何点亮一个LED，而是深入剖析了在嵌入式系统设计中应该遵循的模块化、可移植性原则。举例来说，当介绍到中断服务程序（ISR）的编写规范时，作者用了足足好几页的篇幅来讨论全局变量的访问安全、中断嵌套的优先级管理以及如何优化ISR的执行时间，这些都是初级教程里很少会深入挖掘的“内功心法”。通过书中的案例，我学会了如何用状态机来管理复杂的系统逻辑，而不是一味地使用臃肿的`if-else`结构。书中提供的实验代码质量非常高，注释详尽到令人发指的地步，几乎每一行关键代码都有对应的解释，这极大地帮助我理解了高级语言（比如C语言）是如何与底层硬件寄存器直接交互的。不过，这种深度也带来了一个副作用，那就是对于那些只想快速看到实验现象的读者来说，可能会觉得进展稍慢，因为它要求读者对每一步背后的逻辑都有一个清晰的认知，不愿意放过任何一个技术细节。

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这本书的实验环节设置得非常务实，它没有沉迷于那种“用单片机模拟万年历”这种略显过时的例子，而是紧密结合了实际的工程应用场景。我印象最深的是关于数据采集和串行通信的几个实验。比如，在介绍ADC（模数转换器）时，它不仅仅展示了如何读取一个模拟电压值，而是扩展讲解了如何进行数字滤波（比如简单的滑动平均滤波），并将其与UART进行打包传输，模拟了一个小型数据记录器的功能。这让我感觉自己真的在做一个“项目”，而不是在做“练习题”。书中对不同通信协议（如SPI和I2C）的底层寄存器操作讲解得极其细致，它甚至对比了两种协议在数据帧结构上的差异以及在实际应用中选择的考量，这种对比分析对于理解底层机制非常有帮助。不过，我发现书中所使用的开发环境和库函数版本似乎并不是最新的。例如，在配置初始化代码时，我使用的最新款的IDE需要进行一些手动调整才能完美适配书中的示例代码，这在一定程度上增加了初次配置环境的时间成本，希望后续版本能对新一代的开发工具链有更及时的跟进和支持。

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说实话，这本书的排版和插图质量是我个人比较挑剔的地方。虽然内容是干货满满，但如果能稍微在视觉体验上做些优化，阅读起来的体验会提升一个档次。我注意到，许多关键电路图和时序图都是黑白的，而且线条略显密集，在光线稍暗的环境下阅读，真的需要眯着眼仔细辨认那些细小的电阻标识和电容极性。特别是涉及到并行通信接口的波形图，如果能用彩色区分数据线、控制线和地线，理解起来将会事半功倍。另外，全书的字体和行距设置得比较紧凑，这使得长时间阅读后眼睛非常容易疲劳。我不得不时常停下来，揉揉眼睛，或者干脆把书里的内容重新手抄到笔记本上，用手写的粗体字来强化那些重要的概念，这虽然是一个笨办法，但确实提高了我的记忆效率。这本书的结构组织非常清晰，章节之间逻辑递进关系明确，但它似乎更偏向于理论知识的系统梳理，对于当前工业界非常流行的、基于RTOS（实时操作系统）的开发范例涉及得相对较少，更多的是停留在裸机编程的层面。

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坦率地说，这本书的难度曲线有点陡峭，它更适合作为一本进阶参考书来使用，而不是作为快速入门的“拐杖”。在我接触过的同类书籍中，它在理论深度上绝对是名列前茅的，它把单片机内部的每一个“黑匣子”都尽可能地打开来给我们看个究竟。比如，对于看门狗定时器（WDT）的讲解，它详细阐述了溢出机制、如何防止程序跑飞，甚至还探讨了在不同工作模式下WDT的复位行为，这些知识点如果不在实际项目中遇到，是很难体会到其重要性的。这本书给我的最大收获是建立起了一种“自底向上”的调试思维：当程序出错时，我不再是首先怀疑编译器或库函数，而是会习惯性地去检查时钟源是否正确配置、中断标志位是否被及时清除，或者某个关键寄存器的某一位是否被意外地写成了零。这种对硬件底层细节的敬畏之心，是其他只停留在API调用的书籍无法给予的。如果能配上一套设计精良、包含丰富传感器和执行器的配套实验板，这本书的价值将得到最大程度的释放。

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