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图书名称：数字电路设计与应用基础 图书简介 第一章 绪论：信息时代的基石 本章将带领读者进入数字世界的宏大图景。我们将首先探讨信息在现代社会中的核心地位，以及信息如何通过数字化的方式被精确地存储、处理和传输。数字系统相较于模拟系统的优势将被系统阐述，包括其高可靠性、易于集成化以及不受环境噪声干扰的特性。我们将追溯数字技术的发展历程，从早期的继电器电路到如今高度集成的微处理器，明确数字电路作为所有现代电子设备（从智能手机到工业自动化系统）的“积木”所扮演的关键角色。本章还会对全书的结构进行概述，为读者打下坚实的学习路线图。重点将放在基本概念的建立，例如位（Bit）、二进制数制以及逻辑状态的物理实现基础。 第二章 二进制数、逻辑代数与布尔表达式 本章是理解数字逻辑的基石。我们将深入剖析二进制数系统，学习如何在二进制、八进制、十进制和十六进制之间进行高效的转换，这在计算机编程和硬件地址寻址中至关重要。随后，我们将引入布尔代数（Boolean Algebra），这是描述和简化数字逻辑运算的数学工具。我们将详细讲解基本逻辑门——非门（NOT）、与门（AND）、或门（OR）的符号、真值表及其物理实现原理。进阶部分将涵盖扩展逻辑门，如异或（XOR）、同或（XNOR）、与非（NAND）和或非（NOR）门，并强调NAND和NOR作为“通用门”的构建能力。本章将大量使用布尔代数的基本定理（如德摩根定理、分配律）和公理，并通过大量的例题演示如何将实际的逻辑描述转化为布尔表达式。 第三章 逻辑函数的化简 在复杂的数字系统中，功能相同的逻辑表达式往往有多种形式，其中一些可能包含过多的逻辑门，导致成本增加、功耗上升和延迟增大。本章专注于逻辑函数的优化与化简技术。我们将首先介绍卡诺图（Karnaugh Map, K-map），详细讲解二维、三维乃至四维K-map的绘制、分组和化简方法，并阐述如何利用K-map简化包含冗余项的布尔函数，直至达到最简“和与积”（SOP）或“积与和”（POS）形式。随后，我们将过渡到更具系统性和适用于多变量函数的代数化简法，强调使用布尔代数定律进行逐步推理。最后，本章将引入硬件描述语言（HDL）在逻辑综合中的思想，尽管不深入HDL本身，但会说明化简的最终目的是为了更高效的硬件映射。 第四章 组合逻辑电路设计 本章将理论知识应用于实际的电路构建。组合逻辑电路的特点是其输出仅依赖于当前输入的状态，不含记忆元件。我们将系统学习如何设计和分析常见的组合电路模块： 编码器与译码器： 讲解二进制到独热码（One-Hot）的转换，以及BCD码的解码应用。 数据选择器（Multiplexer, MUX）： 深入剖析其作为数据路由器的功能，并演示如何使用小型MUX构建任意布尔函数，这是组合逻辑设计中的一个重要技巧。 数据分配器（Demultiplexer, DEMUX）： 与MUX相对，用于信号的分发。 加法器与算术逻辑单元（ALU）基础： 从半加器（Half Adder）和全加器（Full Adder）的原理出发，构建多位串行加法器和并行加法器，并探讨减法的实现方式（如补码）。 本章的重点是通过实例驱动，指导读者从需求分析、真值表建立到最终电路图绘制的全过程。 第五章 触发器与时序逻辑电路基础 与组合逻辑不同，时序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入，还取决于电路过去的状态，这需要引入“记忆”元件。本章详细介绍最基本的存储单元——触发器（Flip-Flop）。 基本锁存器： 从SR锁存器开始，分析其亚稳态问题，并引出带有使能端（Gated）的锁存器。 主从结构与同步控制： 深入探讨D触发器（Data Flip-Flop）和JK触发器（Master-Slave），理解它们在时钟沿同步下的工作机制，及其对消除毛刺和实现同步操作的重要性。 时序分析基础： 引入建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的概念，这是确保数字系统稳定运行的关键参数。 第六章 常用时序电路模块 基于第五章建立的触发器基础，本章将展示如何构建实现数据暂存、计数和数据移位功能的标准模块。 寄存器（Register）： 讲解如何用D触发器并行连接构成数据寄存器，用于数据的同步存储。 移位寄存器（Shift Register）： 详细分析串入并出（SIPO）、并入串出（PISO）、串入串出（SISO）等不同工作模式，及其在数据格式转换中的应用。 计数器（Counter）： 区分异步（Ripple）计数器和同步计数器。系统设计和分析模N计数器，包括二进制计数器、BCD计数器和任意序列计数器的设计方法，这些是数字频率分频和定时电路的核心组件。 第七章 存储器结构与接口概述 本章将从宏观层面审视数据存储在现代电子系统中的组织方式。我们将介绍不同类型的半导体存储器： 随机存取存储器（RAM）： 区分静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）的工作原理、读写时序及其应用场景。 只读存储器（ROM）： 介绍掩模ROM（MROM）、可编程ROM（PROM）、可擦除可编程ROM（EPROM）和电可擦除可编程ROM（EEPROM）的特性差异。 此外，本章还将讨论存储器如何通过地址译码和数据总线与外部逻辑系统进行连接和交互，为后续学习更复杂的系统架构做铺垫。 第八章 数字系统中的有限状态机（FSM） 有限状态机是描述和设计控制器逻辑的通用模型。本章将集中于时序电路的最高抽象层面： FSM模型： 介绍摩尔（Moore）模型和米利（Mealy）模型，分析两者在输出产生时间和对输入敏感度上的区别。 状态编码与化简： 讨论如何有效地分配状态编码（如格雷码编码）以减少所需的逻辑门数量，并介绍状态转移图和真值表的构建方法。 设计实例： 通过设计一个简单的序列检测器或交通信号灯控制器等实际例子，完整演示从需求到状态图、状态表、简化逻辑表达式，最终到硬件电路的完整设计流程。 第九章 逻辑器件选型与应用基础 本章将目光从纯理论转向实际的集成电路（IC）选型。读者将了解数字电路是如何被封装成可供使用的芯片的。 集成电路系列概述： 介绍TTL（跨线耦合晶体管逻辑）和CMOS（互补金属氧化物半导体）两大主流逻辑家族的基本特性（如扇出、功耗、噪声容限）。 标准器件库： 讲解如何查阅标准逻辑芯片的数据手册（Datasheet），识别74系列等常见器件的型号功能。 总线与接口基础： 简要介绍三态缓冲器（Tri-State Buffer）在共享数据总线环境下的作用，以及基本的输入/输出（I/O）驱动要求。 第十章 实验与仿真工具概述 为了验证理论设计，本章引导读者了解现代数字电路设计的实践方法。本章将介绍常用的逻辑仿真软件（如Multisim, Logisim或更专业的工具的入门界面），指导读者如何将前述章节的电路图输入软件中，进行功能验证、时序波形观察和故障排查。重点在于理解仿真结果与理论预测的一致性，培养调试设计的能力。 本书旨在为学习者提供一个全面、循序渐进的数字电路基础知识体系，为后续深入研究微处理器、嵌入式系统或数字信号处理打下坚实的基础。
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