Digital Circuit Design for Computer Science Students pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Niklaus Wirth

出品人:

页数:204

译者:

出版时间:1995-8-23

价格:USD 99.00

装帧:Paperback

isbn号码:9783540585770

丛书系列:

图书标签:

• 计算机
• 数字电路
• 数字电路设计
• 计算机科学
• 数字逻辑
• 电路分析
• 计算机体系结构
• 电子工程
• Verilog
• VHDL
• FPGA
• EDA

深入浅出的数字逻辑与计算机系统构建之旅 面向计算机科学专业学生的实用数字电路设计指南 本书旨在为计算机科学专业的学生提供一个全面、深入且高度实用的数字逻辑设计与系统构建的入门与进阶知识体系。我们深知，对于未来的软件架构师、算法专家和系统开发者而言，理解计算机底层硬件的工作原理至关重要。这不仅仅是理论知识的积累，更是构建高效、可靠软件系统的基石。 本书的结构设计遵循从基本概念到复杂系统实现的逻辑递进路线，确保读者能够稳健地掌握从最基本的布尔代数到完整微处理器架构的构建过程。我们摒弃了传统电子工程教材中过于侧重器件物理特性的繁琐论述，而是聚焦于概念的清晰性、设计的实用性以及与现代计算理论的紧密结合。 第一部分：逻辑基础与组合电路的构建 本部分是构建数字系统的基石。我们从最基础的数学工具——布尔代数开始，深入探讨逻辑运算的性质、公理和定理。这里，我们不仅仅介绍AND、OR、NOT等基本门的操作，更会详细讲解如何利用德摩根定律、分配律等进行逻辑函数的化简。我们引入了两种主要的化简方法：卡诺图（Karnaugh Maps），侧重直观的图形化求解，并探讨其局限性；以及更具系统性的奎因-麦克拉斯基（Quine-McCluskey）算法，为复杂函数的最简 SOP/POS 形式提供严谨的数学基础。 随后，我们将目光投向组合逻辑电路的设计与实现。这部分内容涵盖了所有输出仅依赖于当前输入的电路族群。我们将详细分析和设计一系列核心组件： 编码器与译码器（Encoders and Decoders）： 重点讨论它们在地址解码和数据表示转换中的应用，特别是二进制到七段显示译码器的设计实例。 多路选择器与数据分配器（Multiplexers and Demultiplexers）： 阐述多路选择器作为通用函数发生器（Universal Function Generator）的强大能力，并展示其在数据路由选择中的核心作用。 加法器系列（Adders）： 从半加器、全加器出发，构建串行加法器、并行加法器，并深入探讨超前进位加法器（Carry-Lookahead Adder）的原理，分析其如何通过并行化计算消除加法延迟，这是高性能计算中必须掌握的优化技巧。 第二部分：时序逻辑与状态机的设计 数字系统不再是静态的，它需要“记忆”能力来处理序列数据和执行控制流程。本部分聚焦于时序逻辑电路，这是实现存储、计数和状态管理的关键。 我们首先介绍基本存储元件：锁存器（Latches）与触发器（Flip-Flops）。重点对比分析 SR、D、JK 和 T 触发器之间的特性差异、触发机制（电平触发与边沿触发）以及它们各自的最佳应用场景。特别强调了主从结构（Master-Slave）和边缘触发在消除毛刺和确保同步操作中的重要性。 在此基础上，我们将转向状态机的设计： 有限状态机（FSM）： 详细介绍 Moore 机和 Mealy 机的建模方法、状态图的绘制、状态编码（如独热编码、二进制编码）的选择及其对电路复杂度和速度的影响。 时序电路的应用： 我们将实际构建寄存器（Registers）、移位寄存器（Shift Registers）（如 SIPO, PISO, SISO, PIPO 结构），并深入分析它们在数据并行/串行转换中的实际价值。 计数器设计： 从异步计数器到同步计数器，再到可预设和可控的循环计数器的设计。我们将探讨如何利用计数器实现时序逻辑的时钟分频和事件计数功能。 第三部分：存储器、可编程逻辑与数据表示 理解数据如何在系统中高效地存储和传输，是计算机科学学生的另一项核心任务。 本部分首先解析半导体存储器的结构：SRAM（静态随机存取存储器）与 DRAM（动态随机存取存储器）的工作原理、读写时序的时序要求，以及它们在缓存（Cache）与主存（Main Memory）中的应用差异。我们还将探讨存储器映射的概念。 接着，我们引入可编程逻辑器件（PLD）的概念。这部分内容将指导读者超越纯粹的门级设计，转向更灵活、更易于修改的硬件描述方法： PROM, PAL, GAL 的结构与编程原理： 分析这些器件如何通过熔丝或反熔丝阵列实现逻辑功能的灵活配置。 硬件描述语言（HDL）简介： 虽然本书侧重于门级实现，但我们会提供 VHDL 或 Verilog 的基本概念介绍，展示如何用高级语言描述组合逻辑和时序逻辑，为后续的 FPGA 或 ASIC 设计打下基础。 第四部分：数据路径与控制单元的设计 这是将所有逻辑组件集成起来，形成一个基本计算单元的关键步骤。我们将模拟一个简化的、基于冯·诺依曼架构的 CPU 核心设计。 算术逻辑单元（ALU）详解： 从全加器扩展出多功能 ALU，涵盖加法、减法（通过二补数）、逻辑运算，以及标志位（如进位、溢出、零）的生成。 数据路径（Datapath）的构建： 讨论数据如何在寄存器堆（Register File）、ALU 和内存之间移动。我们将使用多路选择器和三态缓冲器来控制数据的流向。 硬连线控制（Hardwired Control）与微程序控制（Microprogrammed Control）： 这是理解 CPU 控制逻辑的两个主要范式。我们将详细分析如何设计一个状态机作为硬连线控制器，根据指令码生成控制信号，并对比微程序控制在指令集扩展和复杂性处理上的优势与劣势。 学习目标与读者预期 完成本书的学习后，读者将不仅能熟练地使用布尔代数设计复杂的组合电路，还能自信地构建同步时序系统，并对现代计算机处理器的数据路径和控制逻辑有一个深刻的、自底向上的理解。本书强调设计优化——如何减少门延迟、最小化逻辑复杂度、以及如何选择合适的存储结构以满足特定的性能指标。最终目标是培养学生将抽象的计算问题转化为具体、可实现的硬件逻辑结构的能力。

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我必须说，《Digital Circuit Design for Computer Science Students》这本书，彻底颠覆了我之前对数字电路设计的刻板印象。它没有枯燥的数学公式堆砌，也没有晦涩难懂的专业术语，而是用一种非常“计算机科学家”的视角，讲解了数字电路的设计原理。书中对“布尔代数”的讲解，并非停留在理论层面，而是巧妙地将其与实际的逻辑门操作联系起来，让我理解了如何通过逻辑运算来化简电路。我非常喜欢书中对“状态转移图”的运用，这种可视化的方式，让我能够非常直观地理解时序逻辑电路的工作过程，以及如何设计出满足特定功能的逻辑单元。而且，书中还介绍了如何使用“硬件描述语言”（HDL）来设计和仿真数字电路，这对于我未来深入学习FPGA开发或ASIC设计，无疑是宝贵的起点。

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《Digital Circuit Design for Computer Science Students》这本书，对我而言，是一次非常棒的学习体验。它没有像其他一些数字电路的书籍那样，一开始就抛出一堆我看不懂的电路图和公式，而是从最基础的概念讲起，一步步引导我理解数字电路的奥秘。书中对“时钟信号”和“同步设计”的讲解，让我明白了为什么计算机的运行速度如此之快，以及如何通过精巧的时序控制来保证整个系统的稳定运行。我尤其喜欢书中对“组合逻辑”和“时序逻辑”的区分和对比讲解。通过大量的实例，我能够清晰地看到这两种逻辑电路在设计上的不同侧重点，以及它们在计算机系统中各自扮演的角色。这本书让我明白，计算机的每一个微小的操作，都离不开这些看似简单的数字电路的精密配合。

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在我看来，这本《Digital Circuit Design for Computer Science Students》绝对是为计算机科学专业的学生量身定做的。它巧妙地避免了电子工程领域过于深奥的模拟电路知识，而是将重点放在了数字电路的核心概念和应用上。从我个人的体验来说，这本书最成功的之处在于它的“翻译”能力。它将计算机科学中一些与硬件紧密相关的概念，比如布尔代数、状态机、时序逻辑，用一种计算机科学学生更容易理解和接受的方式进行了阐释。书中对组合逻辑和时序逻辑的讲解，是我觉得最精彩的部分。作者并没有直接给出抽象的定义，而是通过一系列递进的例子，从简单的开关电路，到全加器，再到计数器和寄存器，一步步引导读者理解逻辑电路的设计思维。而且，这本书给我最大的启发是，原来我们平时使用的计算机，其复杂的功能，究其根本，都是由这些简单的“0”和“1”以及它们之间的逻辑关系构成的。书中对状态机在CPU控制单元中的应用讲解，让我对指令的执行过程有了更深刻的理解。

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在我看来，《Digital Circuit Design for Computer Science Students》这本书，是为计算机科学专业的学生提供了一扇通往硬件世界的大门。它巧妙地平衡了理论深度与易读性，将复杂的数字电路概念，用清晰的语言和生动的图示呈现出来。书中对“半加器”和“全加器”的讲解，让我理解了二进制加法是如何通过逻辑门实现的。这种从简单到复杂的构建过程，让我能够循序渐进地掌握数字电路设计的核心思想。此外，本书还着重介绍了“时序逻辑电路”的设计，比如“D触发器”、“JK触发器”以及“移位寄存器”等。这些概念对于理解计算机中的数据存储和传输机制，有着不可或缺的作用。我尤其欣赏书中对“状态机”在实际应用中的讲解，这让我在学习抽象概念的同时，也能够看到它们在真实世界中的应用价值。

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坦白说，在拿起《Digital Circuit Design for Computer Science Students》之前，我对数字电路设计这个领域并没有太多深入的了解。我只知道它与计算机硬件有关，但具体是如何运作的，我却一无所知。然而，这本书以一种非常友好的方式，向我展示了数字电路的魅力。作者在讲解基本逻辑门时，用了非常形象的比喻，比如将 AND 门比作串联开关，OR 门比作并联开关，这让我能够非常直观地理解它们的逻辑功能。而且，书中对“编码器”和“解码器”的讲解，也让我对数据在不同表示形式之间的转换有了更清晰的认识。最让我惊喜的是，书中还介绍了“触发器”和“寄存器”的设计，这让我第一次真正理解了计算机是如何存储和处理数据的。这些基础知识，对于理解计算机的内存、CPU等核心部件至关重要。

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我一直认为，计算机科学的学习，最终都需要回归到对计算机底层原理的理解。《Digital Circuit Design for Computer Science Students》这本书，正好填补了我在这个方面的知识空白。它以一种非常易于理解的方式，将数字电路设计这一看似“硬核”的学科，变得触手可及。我尤其赞赏书中对“状态机”概念的讲解。作者通过对各种实际场景的模拟，比如电梯的运行逻辑、交通灯的控制，让我深刻理解了状态转移和状态机的设计原理。这对于理解CPU中的控制单元、流水线寄存器等概念，有着极其重要的铺垫作用。而且，书中并没有局限于理论的探讨，而是引入了大量的实际应用案例，比如如何设计一个简单的 ALU、如何构建一个存储器单元。这些案例让我能够将书本上的知识，与我学习过的计算机体系结构、操作系统等课程联系起来，形成一个更完整的知识体系。

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这本《Digital Circuit Design for Computer Science Students》真是意外地打开了我对数字逻辑世界的新视野。作为一名计算机科学的学生，我一直觉得硬件设计是另一门语言，遥不可及。然而，这本书以一种非常亲切的方式，将那些曾经让我望而生畏的概念，如门电路、组合逻辑、时序逻辑，一一分解，变得生动有趣。作者在解释基本原理时，并没有直接跳到复杂的公式，而是花了大量的篇幅，从最基础的“开关”概念讲起，一步步构建起逻辑门，然后是更复杂的组合逻辑电路，比如加法器、译码器。最让我印象深刻的是，书中用到了大量的类比和生动的生活场景来解释抽象的逻辑概念，比如用电灯开关来比喻AND、OR门，用交通信号灯来解释时序逻辑中的状态转换。这种“润物细无声”的教学方式，让我不知不觉中就掌握了核心概念，而不是死记硬背。此外，书中还穿插了许多与计算机体系结构相关的实际应用案例，比如CPU的ALU（算术逻辑单元）是如何实现的，内存的读写是如何通过数字电路控制的。这些案例让我能够将书本上的理论知识与我正在学习的计算机系统知识联系起来，极大地增强了我学习的动力和兴趣。

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读完《Digital Circuit Design for Computer Science Students》，我最大的感受是，原来我们熟悉的计算机，是由如此“简单”的逻辑单元构成的。这本书以一种非常“计算机科学”的方式，讲解了数字电路的设计。它没有纠缠于繁琐的电子工程理论，而是专注于逻辑思维和系统构建。书中对“布尔代数”的讲解，让我理解了如何用数学的方式来描述和化简逻辑表达式，这对于优化电路设计至关重要。我还特别欣赏书中对“卡诺图”的介绍，虽然初看有些眼花缭乱，但通过书中的例子，我逐渐掌握了如何利用卡诺图来简化逻辑电路，从而减少硬件资源的使用。更重要的是，这本书不仅仅讲解了“如何做”，更强调了“为什么这样做”。比如，在讲解组合逻辑电路时，作者会反复强调“最小化逻辑门数量”和“减少传播延迟”的重要性，这些都是在实际硬件设计中需要考虑的关键因素。

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作为一名对计算机底层原理充满好奇心的学生，我一直渴望能够更深入地理解数字电路是如何构建出我们所熟悉的计算机系统的。《Digital Circuit Design for Computer Science Students》这本书，恰恰满足了我的这一需求。它并没有像一些传统的数字电路教材那样，充斥着大量的电路分析公式和元器件参数，而是以计算机科学的视角，着重讲解了数字电路的设计理念和逻辑构建过程。我非常喜欢书中对“抽象层次”的讲解，如何从晶体管的开关特性，一层层抽象到逻辑门，再到更复杂的集成电路。这种自顶向下的设计思路，对于我们计算机科学专业的学生来说，是非常重要的。书中对“时序逻辑”的讲解，让我理解了存储器、寄存器等部件的工作原理，以及如何通过时钟信号来同步整个系统的运行。而且，作者还花了相当大的篇幅，讨论了如何使用硬件描述语言（HDL）来设计和仿真数字电路，这对于想要进一步深入学习FPGA或ASIC设计的同学来说，无疑是一份宝贵的入门指南。

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我必须承认，在翻开《Digital Circuit Design for Computer Science Students》之前，我对数字电路设计这个领域是有些“敬而远之”的。毕竟，我更习惯于在高级语言层面思考问题，二进制、逻辑门这些东西对我来说，总带着一层神秘的面纱。但这本书，以一种非常沉稳且循序渐进的姿态，消除了我最初的疑虑。作者并没有急于展示华丽的电路图或复杂的时序分析，而是从最最根本的“二进制数”和“逻辑运算”入手，将这些看似枯燥的概念，通过清晰的图示和详实的文字，解释得明明白白。我尤其欣赏书中对“真值表”的运用，这种直观的表示方法，让我能够轻松理解不同逻辑门的功能，以及如何将它们组合起来实现更复杂的逻辑功能。而且，书中并没有止步于理论的讲解，而是紧密结合计算机科学的实际应用，比如如何利用这些基本的数字电路构建出计算机的核心部件，像加法器、减法器、比较器等等。书中对这些“积木块”的构建过程做了详尽的剖析，让我第一次真正理解了，那些我们在高级语言中写下的加减乘除，在底层是如何被实现的。

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