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出版者:Prentice Hall

作者:Ramesh M. Gaonkar

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2000-07-22

价格:USD 143.60

装帧:Paperback

isbn号码:9780130255181

丛书系列:

图书标签:

• Z-80
• 微处理器
• 计算机体系结构
• 汇编语言
• 电子工程
• 数字电路
• 嵌入式系统
• 8位机
• 技术参考
• 经典教材

《数字逻辑与电路设计：现代微处理器基础》 图书简介 本书深入探讨了数字逻辑电路的基础原理及其在现代微处理器系统构建中的核心应用。全书内容旨在为读者构建一个坚实的技术基础，使之能够理解和设计从最基本的逻辑门到复杂算术逻辑单元（ALU）的全部数字系统。我们聚焦于那些驱动当前计算革命的底层技术，而完全避开对特定 Z-80 架构的详细描述，转而探索更具普适性的设计范式。 第一部分：数字系统与布尔代数（The Foundation） 本部分首先确立了理解所有现代电子系统的数学基石——布尔代数。我们详细阐述了逻辑运算的公理、定理及其在电路实现中的简化方法。重点解析了德摩根定律、分配律和吸收律，这些工具是设计高效逻辑电路的必备利器。 随后，内容转向了数字逻辑门的物理实现与功能。我们不仅介绍了标准的 AND、OR、NOT 门，还深入分析了 NAND 和 NOR 门作为通用逻辑构建块的强大能力。对于更复杂的组合逻辑，我们将详尽介绍竞争与冒险现象（Hazards and Race Conditions），并提供确保电路稳定性的设计技术，例如毛刺消除技术（Glitch Filtering）。 第二部分：组合逻辑电路的实现（Combinational Circuitry） 本章聚焦于不含记忆功能的逻辑网络。我们从基础的编码器（Encoders）和译码器（Decoders）入手，展示它们如何在地址解码和数据选择中发挥作用。随后，深入研究了多路复用器（Multiplexers, MUX）和数据选择器（Demultiplexers, DEMUX）的设计原理及其在数据路由中的应用，着重讨论了如何使用小规模 MUX 来构建任意布尔函数。 核心内容扩展至加法器电路。读者将学习如何从半加器（Half Adder）逐步构建全加器（Full Adder），并进而设计出串行加法器、并行加法器（如先行超前加法器 Carry-Lookahead Adder, CLA）的结构与性能权衡。我们还将探讨乘法和除法的硬件实现概念，但侧重于算法到硬件的映射，而非特定指令集的实现。 第三部分：时序逻辑电路与状态机（Sequential Logic and State Machines） 本部分是理解数据存储和控制逻辑的关键。我们首先引入了触发器（Flip-Flops）——RS、D、JK 和 T 触发器的基本操作原理、特性表和时序图。重点分析了主从结构（Master-Slave）和边沿触发（Edge-Triggering）机制对系统同步的重要性。 随后，内容转向更复杂的存储单元：锁存器（Latches）与寄存器（Registers）。我们详述了通用移位寄存器（Shift Registers）的各种操作模式（串行输入/并行输出等），并展示了如何利用寄存器组构建简单的数据缓冲和暂存结构。 继而，本书详细介绍了有限状态机（Finite State Machines, FSM）的设计。我们将对比穆尔（Moore）模型和米利（Mealy）模型，并指导读者完成一个复杂控制序列的设计流程，包括状态图绘制、状态最小化（State Minimization using Karnaugh Maps 或 State Tables）以及输出逻辑的实现。本部分将详细讨论同步时序系统中的设计约束和时钟分配问题。 第四部分：存储器组织与接口（Memory Organization and Interfacing） 本章从数字存储器的宏观结构入手，区分了易失性存储器（RAM）和非易失性存储器（ROM/EEPROM）的内部工作原理。我们不会提及任何特定处理器的内存映射，而是专注于存储阵列的地址解码、数据读写周期以及其引脚配置。 我们详细分析了静态随机存取存储器（SRAM）单元的交叉耦合结构，解释了其高速读写能力背后的逻辑。对于动态随机存取存储器（DRAM），我们将探讨电荷存储原理、刷新周期（Refresh Cycle）的需求及其对系统时序的影响。 最后，本部分探讨了存储器与 CPU 之间的数据总线交互机制。这包括内存控制器（Memory Controller）的基本功能，如地址转换、片选逻辑（Chip Select Logic）和时序握手协议，确保数据在处理器和存储介质之间可靠传输。 第五部分：可编程逻辑器件与系统集成（PLDs and System Integration Concepts） 在完成基础逻辑单元的构建后，本书将目光投向如何高效地实现这些设计。我们介绍了几种早期的可编程逻辑器件（PLD）家族，如可编程只读存储器（PROM）、现场可编程阵列逻辑（FPLA）和通用阵列逻辑（GAL）的基本结构——可编程的 AND 阵列与固定的 OR 阵列的组合。 重点将放在可编程逻辑门阵列（FPGA）的早期概念模型上，即可配置逻辑块（CLB）如何通过查找表（LUT）实现任意逻辑功能。这部分内容旨在建立读者对硬件描述语言（HDL）背后的基础逻辑单元的直观理解。 结语：从抽象到物理的桥梁 本书的最终目标是让读者掌握设计和验证复杂数字系统的通用方法论，无论未来面对的是何种计算架构。我们通过严谨的数学推导和规范化的设计流程，确保读者对数字电子学的核心原理有深刻的认识，为进一步学习现代、复杂微处理器（如 RISC-V 或 ARM 架构）的内部结构打下坚不可摧的逻辑基础。本书避免了对任何特定历史或现代微处理器的汇编语言、指令集或内部寄存器进行介绍。

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这本书的语言风格，可以说是古朴而有力量，它没有使用当代科技写作中常见的那些花哨的术语或时髦的营销口号。相反，它采用了一种精准、克制的叙事方式，仿佛作者是一位经验丰富的老师傅，坐在你面前，用最直接、最有效的方式传授他的毕生所学。在讲解内存寻址模式时，作者运用了大量的类比，将复杂的内存块划分和偏移计算，比喻成房间号与楼层号的对应关系，使得初学者也能迅速抓住核心概念。更让我感到亲切的是，在一些容易出错的关键点上，作者会用加粗或脚注的形式，特意提醒读者注意常见的陷阱，例如栈指针（SP）和基址寄存器（HL）在不同操作下的微妙差异。这种充满“过来人”智慧的写作方式，让阅读过程充满了启发性，你感觉自己不是在啃一本教材，而是在与一位伟大的工程师进行跨越时空的对话。这种深度的、充满人情味的知识传递，是现代速食式技术文档所无法复制的。

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拿到这本厚重的书时，我最期待的是能找到关于那个时代系统编程的“独家秘籍”，而不是枯燥的datasheet罗列。令人欣慰的是，作者在介绍硬件架构的章节后，立刻转入了对“软件实现”的深刻剖析。书中详细拆解了几个经典的、教科书级别的Z-80程序范例，从高效的字符串搜索算法到精确控制CRT显示的图形例程，每一个代码块都伴随着对底层硬件特性的细致解释。我注意到作者在处理中断向量和DMA（直接内存访问）控制的部分，展示了极高的专业水准，他没有仅仅停留在“如何使用”，而是深入到了“为什么这样设计能获得最佳性能”的层面。对于希望深入理解操作系统内核启动流程的程序员来说，这里面蕴含的知识点是无价的。它教会了我们如何“像机器一样思考”，如何用最经济的指令序列完成复杂任务。读完相关章节后，我立刻手痒，重新搭建了一个模拟器环境，尝试去优化书中的某个子程序，那种调试和优化的过程，让人重新找回了那种对计算本质的敬畏感，仿佛回到了那个所有程序员都是“硬件架构师”的时代。

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这本书简直是为那些对早期的个人计算机技术怀有深厚兴趣的“老炮儿”们量身定做的。我记得第一次翻开它的时候，就被那种扑面而来的历史气息所吸引。它不仅仅是关于一个处理器的技术手册，更像是一部微型计算机发展史的缩影。作者在开篇就非常巧妙地将Z-80的诞生背景置于整个8位机革命的大熔炉中，详述了它如何从Intel 8080的成功阴影中脱颖而出，并凭借其更丰富、更强大的指令集迅速占领市场。特别是对于那些曾经在CP/M系统上敲打代码、搭建自己第一个简陋的家酿电脑的发烧友来说，这本书会唤醒许多关于内存映射、I/O端口寻址的珍贵记忆。我特别欣赏书中对汇编语言优美性的探讨，那种直接操作寄存器、精确控制每一个时钟周期的快感，是现代高抽象编程语言难以比拟的。书中对那一代工程师那种近乎匠人精神的执着有着深刻的描绘，他们如何在有限的资源下榨取出最大的性能，那种解决实际问题的智慧闪光，是学习任何新技术都需要的宝贵财富。这本书的价值远超技术本身，它承载了一段激情燃烧的数字黄金时代的回忆。

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这本书的后半部分着墨于外围芯片和系统集成，这一点对我来说是意外的惊喜。我们知道，一个微处理器单靠自己无法成事，它必须与内存控制器、并行接口芯片（如PIO/CTC/SIO）以及屏幕控制器协同工作。作者非常细致地描绘了如何通过Z-80的控制信号线，精确地驱动这些辅助芯片，从而构建起一个功能完备的计算机系统。书中给出的总线仲裁和时序图的解析，简直是工程实践的典范。我曾花了一个下午的时间，对照着我手里收藏的一块老式SBC（单板计算机）的用户手册，去验证书中描述的I/O读写时序，发现完全吻合。这种理论与实践的完美结合，极大地增强了我的信心。它不是那种停留在理论层面空谈架构的著作，而是手把手教你如何将这些硅片焊接、连接起来，让它们真正开始“说话”的实战指南。对于希望深入理解微机原理硬件层面的学习者，这本书的系统集成章节，价值千金。

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坦白讲，这本书的装帧和排版透露着一股严肃的学术气息，初看可能会让人觉得有些“劝退”。它并非那种面向小白读者的“快速入门指南”，更像是研究生级别对特定计算架构的深度研究报告。然而，一旦你沉下心来，会发现其逻辑推进的严谨性是令人称道的。作者在阐述复杂指令集（如IX/IY变址寻址）时，采用了非常清晰的图形化辅助说明，配合精确的指令周期表，极大地降低了理解难度。我尤其喜欢它在对比分析部分，它没有盲目吹捧Z-80的优越性，而是客观地将它与同时代的竞争对手进行对比，分析了其在特定应用场景下的优势和劣势，比如在浮点运算效率上的权衡。这种平衡的视角，让读者不仅学会了如何使用这个处理器，更学会了如何从工程设计的角度去评价一个微处理器的整体设计哲学。对于从事嵌入式系统或复古硬件复刻的工程师而言，这本书提供了无可替代的参考价值，其详实的数据和严谨的推导过程，是任何网络教程都无法比拟的。

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