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出版者:Cengage Learning

作者:Jr. Charles H. Roth

出品人:

页数:784

译者:

出版时间:2009-3-13

价格:USD 331.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780495471691

丛书系列:

图书标签:

• 逻辑设计
• 数字逻辑
• 计算机组成原理
• 布尔代数
• 逻辑电路
• 数字系统设计
• VLSI
• 可编程逻辑器件
• FPGA
• EDA

深入探索电子世界的基石：数字电路与系统设计 本书旨在为读者提供一个全面且深入的视角，探索构建现代电子设备所必需的核心理论和实践技术。我们将聚焦于数字逻辑系统的基础原理、设计方法以及实际应用，内容涵盖从最基本的布尔代数概念到复杂的组合与时序电路设计，以及系统级的组织架构。我们不会触及任何关于“逻辑设计基础”这一特定书目的具体内容，而是完全聚焦于其周边领域、相关技术及其深远影响。 第一部分：离散数学与信息表示的基石 本部分将建立起理解数字系统的数学语言。我们将从离散数学的角度出发，深入剖析集合论、关系与函数在信息科学中的应用。重点在于如何用数学模型精确描述和操作信息。 1. 数制转换与二进制算术： 我们将详尽阐述不同数制（如二进制、八进制、十六进制）之间的相互转换机制，并着重分析如何在计算机内部实现基本的二进制算术运算，包括补码表示法在有符号数运算中的关键作用。我们将探讨溢出检测的原理及实现。 2. 布尔代数与逻辑代数： 尽管不直接探讨“逻辑设计基础”的核心内容，但我们将深入研究布尔代数的公理化体系及其在描述开关行为中的严谨性。分析德摩根定律、分配律等代数定理的实际应用，以及如何利用这些定理进行逻辑表达式的简化，为后续的电路实现铺平道路。 3. 逻辑门电路的物理实现与特性： 详细介绍各种基本逻辑门（AND, OR, NOT, XOR 等）的晶体管级实现原理，特别是基于CMOS技术的优势与限制。我们将分析信号延迟、扇入（Fan-in）、扇出（Fan-out）以及噪声容限等关键的电气参数，理解这些参数如何影响最终电路的性能和可靠性。 第二部分：组合逻辑电路的设计与优化 本部分侧重于不含存储元件的逻辑电路的设计流程和优化技术，这些电路的输出仅取决于当前输入的状态。 1. 真值表与卡诺图（K-Map）的应用： 学习如何从功能需求出发构建真值表，并利用卡诺图这一图形化工具对复杂函数进行初步的最小化。我们将详细讨论如何处理“无关项”（Don't Cares）以实现更经济的电路。 2. 门级最小化：Quine-McCluskey 方法的深入解析： 对于超越K-Map处理能力的复杂函数，我们将转向更系统化的代数最小化方法。详细介绍如何使用Quine-McCluskey算法（Q-M方法）生成素蕴含式（Prime Implicants）并选择最小覆盖集，确保设计出元件数量最少的电路。 3. 常用组合电路模块的构建： 详尽分析多路选择器（Multiplexers, MUX）、译码器（Decoders）、编码器（Encoders）以及加法器（Adders）等关键模块的内部结构和工作原理。重点讨论如何利用这些标准组件实现更复杂的逻辑功能，例如全加器链和并行乘法器的基本结构。 4. 可编程逻辑器件（PLD）概述： 介绍基于查找表（LUT）的可编程逻辑结构，如可编程只读存储器（PROM）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）的基本架构，及其在快速原型设计中的重要性。 第三部分：时序逻辑电路与状态机设计 本部分将引入时间维度，探讨含有反馈路径和存储元件的电路，这是实现记忆、计数和序列控制的基础。 1. 存储元件的物理基础：锁存器与触发器： 深入研究由交叉耦合反相器构成的基本SR锁存器，分析其竞争与约束问题。随后，详细分析掌握边沿触发的D触发器（D Flip-Flop）和JK触发器的结构、特性和时序要求（建立时间 $t_{setu}$ 和保持时间 $t_{hold}$）。 2. 时钟分布与同步设计： 探讨时钟信号在大型系统中的重要性，分析时钟抖动（Jitter）和时钟偏移（Skew）对系统同步的影响。介绍同步时序逻辑设计的核心要求，确保所有状态转换在稳定的时钟边缘发生。 3. 计数器与寄存器： 设计和分析异步和同步计数器（如二进制、环形、Johnson计数器）的电路实现。讨论如何设计多比特寄存器组，以及它们在数据暂存和移位操作中的作用。 4. 有限状态机（FSM）的建模与实现： 采用Mealy模型和Moore模型对系统行为进行精确描述。详细讲解如何从规格描述到状态转换图（State Transition Diagram），再到状态表，最终转换为逻辑电路（如使用译码器法或状态编码优化的方法）。我们将重点关注如何避免“毛刺”（Hazards）和竞争条件（Race Conditions）对状态机可靠性的影响。 第四部分：系统级集成与现代数字系统 本部分将视角提升至系统层面，讨论如何将基础逻辑单元集成到复杂的、可运行的计算架构中。 1. 半导体存储器的结构： 探讨SRAM和DRAM的基本存储单元结构，分析它们的速度、密度和刷新要求。理解存储器层次结构（Cache, 主存）对整体系统性能的优化作用。 2. 数据路径与控制器的交互： 分析一个典型的数据路径（如算术逻辑单元ALU、寄存器堆）如何被一个控制单元（通常是一个复杂的状态机）驱动以执行指令。介绍微程序控制（Microprogramming）的基本概念，及其在简化复杂指令集设计中的作用。 3. 互连、总线结构与接口设计： 讨论不同模块间数据传输的标准接口协议，如并行总线和串行通信接口的结构差异。分析仲裁机制（Arbitration）在多主设备系统中的必要性。 4. 可靠性与故障模型： 引入数字电路中的故障分析，包括静态0/1故障和动态故障。讨论如何在设计中考虑冗余和容错机制，以提高系统的健壮性。 本书提供了一条从抽象数学概念到具体硬件实现的技术路线图，旨在培养读者构建、分析和优化复杂数字系统的能力。通过对底层原理的扎实掌握，读者将能更好地应对当前和未来电子工程领域的挑战。

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这部关于数字电路和逻辑设计的著作，实在是让人眼前一亮。我刚开始接触这个领域的时候，感觉那些布尔代数、逻辑门和时序电路简直就是天书，完全不知道从何下手。这本书的叙述方式非常平易近人，它没有一开始就抛出复杂的公式和晦涩的理论，而是循序渐进地构建起读者的知识体系。从最基础的二进制和逻辑运算讲起，作者巧妙地将抽象的概念与实际的电路图相结合，使得“与非门”或“触发器”不再是枯燥的符号，而是能切实控制电流流动的“工具”。特别是对于组合逻辑和时序逻辑的讲解，清晰度达到了一个新的高度。作者似乎非常理解初学者的困惑点，总能在关键时刻插入一些形象的比喻，让那些原本拗口的理论变得非常直观。读完前几章，我已经能自信地分析简单的组合电路功能了，这在其他一些资料中是很难获得的体验。它不仅仅是知识的罗列，更像是一位耐心十足的导师，带着你一步步攻克难关，培养出对硬件逻辑的直觉感。

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我尝试过使用好几本不同的数字逻辑入门教材，但最终发现，这本书在覆盖面和理论深度之间找到了一个近乎完美的平衡点。它没有过度侧重于特定硬件描述语言（如VHDL或Verilog）的语法，而是将重点放在了底层逻辑思维的建立上。这种做法的好处是，一旦你掌握了书中的核心设计理念，无论是转向任何特定的硬件描述语言，都能快速上手，因为底层的逻辑构建原理是相通的。作者对各种经典设计范例的剖析，比如数据选择器、加法器、寄存器和计数器，都给出了从最朴素实现到优化实现的完整演进过程，这对于培养一种“迭代改进”的工程思维至关重要。这种深入浅出、注重底层原理的教学方式，保证了知识的持久性和迁移性，而不是停留在某个特定技术栈的时效性上。

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这本书的排版和图示质量也值得大书特书。在逻辑设计领域，清晰的图表是理解复杂电路的生命线。这本书在这方面做得非常出色，所有的逻辑门符号、时序图以及状态图都绘制得极其规范和清晰。线条的粗细、颜色的区分，都经过了深思熟虑，避免了视觉疲劳和歧义。举个例子，它展示多级反馈电路时，区分了信号路径和时钟路径的图示方法，使得初学者一眼就能识别出潜在的时序问题，这种对视觉传达的重视，极大地提升了学习效率。很多其他教材的图示都显得拥挤和模糊，使得原本就抽象的概念更加难以捉摸，但这本书的设计感明显是经过专业把关的，让人在阅读过程中感到非常舒适和专业。每次翻阅，都能感受到出版方对细节的极致追求。

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对于那些已经有一些基础，想要深入理解底层设计原理的工程师或者高年级学生来说，这本书的深度也完全够用。它并没有停留在简单的“如何使用”层面，而是深入探讨了设计背后的数学原理和优化方法。我特别欣赏其中关于优化和简化逻辑电路的章节，作者详细介绍了卡诺图的进阶应用，以及如何系统性地处理多个约束条件下的最优化问题。这不是那种只教你套用公式的书，它教会你如何“思考”设计。例如，在讨论状态机的设计时，作者不仅展示了标准的算法流程，还讨论了不同编码方案对电路复杂度和速度的影响，这种对工程实践的考量，是非常宝贵的。这种对细节的打磨，让这本书的价值远超一般的教材，更像是一本工具书和参考手册的完美结合。我经常会在遇到复杂项目瓶颈时，翻阅其中关于时序逻辑同步和竞争冒险处理的部分，总能找到切实的解决方案和理论支撑。

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这本书的配套资源和实验引导部分，可以说是锦上添花。虽然我主要通过阅读来掌握概念，但书后附带的实践练习和思考题设计得非常巧妙。它们并非简单的套公式或重复书中的例子，而是设计了一些小型但贴近实际的系统级问题，迫使读者必须综合运用组合逻辑、时序逻辑以及状态机设计等多个模块的知识才能完成。这种“知行合一”的设置，极大地巩固了学习效果。例如，书中引导读者去设计一个简易的序列检测器，这个过程不仅涉及状态转移图的绘制，还需要考虑如何将状态编码转化为实际的逻辑门电路，每一步的逻辑推导都得到了充分的锻炼。这种由浅入深的实战导向，让学习过程充满了成就感，也真正将那些理论知识转化为了解决实际问题的能力。

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