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出版者:机械工业出版社

作者:郭兵

出品人:

页数:285

译者:

出版时间:2003-3-1

价格:23.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787111115328

丛书系列:

图书标签:

• 电子设计自动化
• EDA
• 集成电路
• 数字电路
• 模拟电路
• Verilog
• VHDL
• FPGA
• ASIC
• 电路设计

电子设计自动化 (EDA) 领域之外的图书简介 书名：数字电路与系统设计：从基础逻辑到现代架构 作者：张伟、李明 出版社：科技创新出版社 出版年份：2023年 --- 书籍概述： 本书《数字电路与系统设计：从基础逻辑到现代架构》旨在为读者提供一套全面、深入且实用的数字系统设计方法论与实践指南。本书的核心聚焦于数字逻辑的构建块、系统级架构的原理、以及在实际工程中实现高性能、低功耗数字系统的关键技术。我们着重于教授“如何思考”数字系统，而非仅仅停留在工具的使用层面。本书内容涵盖了从最基本的晶体管开关特性到复杂处理器的设计流程，确保读者能够建立起坚实的理论基础和强大的工程实践能力。 第一部分：数字逻辑的基石 本部分深入探讨了数字系统的物理实现基础。 第一章：半导体器件与开关特性 CMOS技术基础： 详细阐述MOSFET的工作原理，包括其作为开关的特性，以及NMOS和PMOS在互补结构中的作用。 静态与动态特性： 分析器件的阈值电压（$V_{th}$）、导通电阻（$R_{on}$）和寄生电容。重点讨论这些参数如何影响最终电路的速度和功耗。 基本逻辑门的实现： 从晶体管层面推导出两输入CMOS NAND和NOR门的结构，并分析其传输延迟和静电功耗的来源。 第二章：组合逻辑电路设计与分析 布尔代数与逻辑优化： 涵盖了布尔代数的基本公理、德摩根定律，以及卡诺图（Karnaugh Map）和Quine-McCluskey方法在最小化逻辑表达式中的应用。 标准逻辑族： 比较分析TTL、CMOS（包括标准CMOS、低压CMOS）的电气特性，如扇入、扇出、噪声容限和传输延迟。 复杂组合功能模块： 详细设计和分析译码器、多路复用器（MUX）、数据选择器、加法器（半加器、全加器、超前进位加法器——CLA）和比较器等核心组合电路。重点讲解超前进位（Look-Ahead Carry）的原理，这是高速加法器的关键。 第三章：时序逻辑电路与状态机 基本存储元件： 从锁存器（Latch）的建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）概念入手，讲解SR锁存器、D锁存器的工作机制。 时钟同步系统： 详细阐述D触发器（Flip-Flop）的结构、同步操作，并引入时钟（Clock）的概念，包括时钟抖动（Jitter）和时钟偏移（Skew）。 有限状态机（FSM）设计： 介绍Mealy型和Moore型状态机的建模、状态图的绘制、状态分配（如自然二进制、格雷码、独热码）及其对电路复杂度和速度的影响。重点讨论竞争冒险（Hazards）的检测与消除。 寄存器与计数器： 设计各种类型的计数器，包括同步、异步、环形和约翰逊计数器，并探讨如何使用寄存器组构建数据路径。 第二部分：中等规模系统构建 本部分将基础逻辑单元组合成可重用的功能模块。 第四章：存储器组织与接口 SRAM与DRAM原理： 对静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）的单元结构、读写时序进行深入对比分析。 存储器层次结构： 解释缓存（Cache）在现代处理器中的重要性，讨论直接映射、集合关联和全相联缓存的工作方式。 接口与控制器： 介绍如何设计内存地址译码器和数据总线接口，以连接外部存储器。 第五章：数据路径与控制逻辑 算术逻辑单元（ALU）设计： 详细设计一个功能完备的ALU，包括位加法、逻辑运算、移位操作的实现，并讨论如何优化其延迟。 数据路径的构建： 展示如何通过寄存器、多路复用器和ALU构建一个简单的数据处理路径（例如，一个累加器）。 控制单元设计： 讲解如何根据指令输入生成时序控制信号，包括使用硬连线逻辑（Hardwired Control）和微程序控制（Microprogrammed Control）两种实现方式的优缺点。 第六章：可编程逻辑器件（PLD）基础 基本结构： 介绍可编程逻辑阵列（PLA）、可编程阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑（GAL）的基本结构和编程原理。 CPLD与FPGA概述： 简要介绍复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）的宏单元（Macrocell）和逻辑单元（Logic Element）结构，为后续硬件描述语言（HDL）的应用打下基础。 第三部分：现代系统设计方法论 本部分转向系统级抽象和设计流程。 第七章：硬件描述语言（HDL）入门——VHDL/Verilog 语言范式： 区分结构化、数据流和行为级建模。重点讲解如何使用Verilog/VHDL描述组合逻辑和时序逻辑。 仿真与验证： 介绍测试平台（Testbench）的概念，以及如何使用仿真工具进行功能验证。强调在设计流程中早期发现错误的重要性。 综合约束： 解释关键的时序参数（如时钟周期、输入/输出延迟）如何转化为综合工具可理解的约束条件。 第八章：系统级时序分析与优化 静态时序分析（STA）基础： 详细解释建立时间裕量（Setup Slack）和保持时间裕量（Hold Slack）的计算方法。讲解路径延迟的构成（逻辑延迟、布线延迟）。 时钟域交叉（CDC）： 分析跨越不同时钟域的数据传输问题（如亚稳态），并深入讲解异步FIFO、握手协议（Handshaking）等解决方案。 低功耗设计初步： 介绍门控时钟（Clock Gating）和电源门控（Power Gating）的基本概念，以及如何在系统级减少动态功耗。 第九章：数字系统接口与总线协议 并行接口标准： 讨论并行总线的基本架构，如PCIe早期版本和并行数据传输的仲裁机制。 串行通信： 重点分析I2C、SPI等低速串行协议的工作原理和在片上通信中的应用。 同步与异步传输： 阐述如何使用握手信号实现可靠的异步数据传输，并讨论四选一数据选择器的应用。 本书的独特价值： 本书避免了对特定商业EDA工具的冗长介绍，而是将重点放在数字系统设计的通用原理和算法上。它强调从最底层的物理特性理解设计决策的后果，并逐步过渡到使用HDL语言进行抽象建模。通过大量的图示、详细的数学推导和工程案例分析，本书旨在培养读者对数字电路设计具有深刻的洞察力和解决复杂问题的能力，为进入ASIC或FPGA设计领域提供了一个坚实、无工具依赖的知识框架。 --- 目标读者： 电子工程、计算机工程、微电子学专业本科生、研究生，以及希望系统性复习和提升数字系统设计能力的初级到中级硬件工程师。

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