数字电子技术基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:高等教育

作者:杨志忠

出品人:

页数:434

译者:

出版时间:2009-7

价格:43.40元

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isbn号码:9787040266344

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《逻辑之门：数字世界的构建者》 前言 我们生活在一个由0和1构筑的数字时代。从指尖滑过的智能手机，到驱动我们生活的庞大互联网，再到改变行业的自动化设备，无不依赖于一种简洁而强大的语言——数字信号。这种语言的奥秘，以及如何将其转化为我们熟悉的现实，正是本书将要探索的核心。本书并非旨在深入探讨某种特定技术的理论细节，也不是要梳理某个学科的发展史，而是希望以一种更宏观、更具启发性的视角，揭示数字世界得以运作的底层逻辑，以及驱动这一切的基石——逻辑门。 第一章：二进制的崛起——信息编码的革命 在人类文明的历史长河中，我们发明了各种各样的记录和传递信息的方式。从最初的结绳记事，到象形文字、字母文字，再到如今的数字信息，每一次革新都极大地拓展了人类的认知边界和协作能力。然而，这些传统的信息编码方式，尽管灵活多样，却在精确性、可靠性和处理速度上存在天然的局限。 数字世界之所以能够实现前所未有的信息量和处理能力，离不开一种颠覆性的编码方式——二进制。二进制，顾名思义，仅使用两个基本状态来表示信息：0和1。这两种状态，或者说两种电平（通常是高电平代表1，低电平代表0），看似简单，却蕴含着无穷的可能。 想象一下，如果我们要表示一个数字，比如“3”。在十进制中，我们使用三个不同的符号（0, 1, 2, ..., 9）来表示不同的数量级。而在二进制中，我们同样可以表示“3”。只不过，我们需要组合多个0和1来达到这个目的。例如，二进制的“11”就代表十进制的3。更复杂的数字，例如15，在二进制中可以表示为“1111”。 这种基于二元状态的编码方式，为信息的存储和传输带来了巨大的便利。一个电开关，要么开（1），要么关（0），这种物理上的简单性，使得信息可以被稳定地记录在各种介质上，例如磁性材料的极性，或者集成电路中的电荷状态。更重要的是，二进制的运算规则极其简单，只涉及两种状态的组合，为后续的逻辑运算奠定了基础。 本章将带领读者回顾信息编码的演进，深入理解二进制作为数字信息基础的优越性，并探讨二进制如何成为数字信号的通用语言，为构建庞大而复杂的数字系统铺平道路。我们将看到，正是这种看似朴素的“0”和“1”，才造就了我们今日所见的数字洪流。 第二章：逻辑的基石——布尔代数的抽象世界 如果说二进制是数字世界的基础砖块，那么布尔代数（Boolean Algebra）便是塑造这些砖块的精妙蓝图。布尔代数，由乔治·布尔在19世纪提出，是对逻辑推理进行形式化的一种数学体系。它提供了一套严谨的规则，用于处理和分析只包含两种取值（真/假，或者我们熟悉的1/0）的命题。 在布尔代数中，我们关注的核心是三个基本的逻辑运算：与（AND）、或（OR）和非（NOT）。 与（AND）运算： 只有当所有输入都为真（1）时，输出才为真（1）。就像“小明去，并且小红去”，只有两者都去了，事件才算发生。 或（OR）运算： 只要有一个输入为真（1）时，输出就为真（1）。就像“小明去，或者小红去”，只要有一个人去了，事件就算发生。 非（NOT）运算： 将输入的状态颠倒。如果输入为真（1），输出就为假（0）；如果输入为假（0），输出就为真（1）。就像“不是真”，就是假。 通过这三种基本运算的组合，我们可以构建出更复杂的逻辑关系，并用代数表达式来描述它们。例如，“（A 与 B）或 C”可以用布尔代数写成 $(A cdot B) + C$。 布尔代数强大的地方在于，它不仅提供了一种分析逻辑关系的方法，更重要的是，它能够与物理世界的开关器件完美对应。一个简单的开关，就可以实现“非”运算；两个串联的开关可以实现“与”运算；两个并联的开关则可以实现“或”运算。这种物理实现上的可行性，使得抽象的逻辑运算能够转化为具体的电子电路。 本章将深入浅出地介绍布尔代数的概念，包括其基本运算、逻辑表达式、真值表等。我们将看到，布尔代数并非晦涩难懂的数学理论，而是理解数字电路工作原理的“金钥匙”。它揭示了数字信息如何在“逻辑的海洋”中被处理、转化和决策。 第三章：逻辑门的诞生——构建数字世界的原子单元 当抽象的布尔代数遇到了真实的物理世界，便催生了逻辑门（Logic Gate）。逻辑门是数字电路中最基本、最核心的构建单元。它们是能够执行特定布尔运算的电子器件，接收一个或多个二进制输入信号，并根据预设的逻辑规则产生一个输出信号。 每一种基本的布尔运算都有其对应的逻辑门： 非门（NOT Gate）： 只有一个输入，输出与其输入相反。常表示为一个三角形，后面跟着一个圆圈。 与门（AND Gate）： 拥有两个或多个输入，输出为1仅当所有输入都为1。形状通常像一个D字母。 或门（OR Gate）： 拥有两个或多个输入，输出为1只要有任何一个输入为1。形状通常像一个弯月。 然而，仅仅依靠这三种基本门，我们已经可以构建出几乎所有的数字电路。但为了设计的灵活性和效率，工程师们还发展出了其他几种常用的组合逻辑门： 与非门（NAND Gate）： 是“与”运算的否定，即输出为0仅当所有输入都为1。有趣的是，仅用与非门就可以实现所有其他逻辑门的功能，因此它被称为“通用门”。 或非门（NOR Gate）： 是“或”运算的否定，即输出为1仅当所有输入都为0。与非门一样，它也是通用门。 异或门（XOR Gate）： 输出为1仅当输入不相等（一个为0，一个为1）。这在进行二进制加法和比较时非常有用。 同或门（XNOR Gate）： 是“异或”运算的否定，即输出为1仅当输入相等。 本章将详细介绍这些基本逻辑门的符号、工作原理、真值表以及它们在电子电路中的物理实现（虽然我们不深入电路细节）。我们将理解，这些看似微小的逻辑门，如同乐高积木一般，通过不同的组合和连接，能够搭建出从简单的计算器到复杂的微处理器。它们是数字信息流动的“阀门”和“开关”，是实现一切数字功能的基础。 第四章：从门到电路——信息处理的流水线 单个的逻辑门固然重要，但数字世界的魅力在于其处理海量信息的能力。这需要将成千上万个逻辑门巧妙地组合起来，形成复杂的数字电路，完成数据存储、运算、控制等一系列高级功能。 数字电路大致可以分为两类：组合逻辑电路（Combinational Logic Circuits）和时序逻辑电路（Sequential Logic Circuits）。 组合逻辑电路的特点是，其输出仅取决于当前的输入。换句话说，输出信号是输入信号的直接逻辑组合，没有“记忆”功能。我们之前介绍的加法器、减法器、译码器、编码器等，都属于组合逻辑电路。例如，一个简单的加法器，输入是两个二进制数，输出是它们的和。无论之前输入是什么，只要给出当前的两个数，它就能立即给出结果。 时序逻辑电路则引入了“记忆”的概念。它们的输出不仅取决于当前的输入，还取决于电路过去的状态，通常依赖于一个“时钟信号”（Clock Signal）。时钟信号就像一个节拍器，周期性地触发电路的状态变化，确保所有操作按部就班地进行。时序逻辑电路中最基本的记忆单元是触发器（Flip-Flop），它能够存储一位二进制信息（0或1），并在时钟的驱动下根据输入信号更新其存储状态。 寄存器（Register）就是由多个触发器组成的，用于存储一个字（word）或字节（byte）的数据。计数器（Counter）则利用触发器和逻辑门来实现对脉冲信号的计数。而我们今天熟知的内存（RAM），其核心也是由大量的存储单元（触发器或更精密的电容-晶体管组合）构成的。 本章将逐步引导读者理解如何将基本的逻辑门组合成功能性的电路模块。我们将探讨组合逻辑电路在数据处理中的作用，以及时序逻辑电路如何引入“记忆”和“时序”的概念，从而实现更复杂的计算和数据管理。我们将看到，从逻辑门到寄存器，再到更高级的电路，信息处理的流水线是如何一步步构建起来的。 第五章：数字系统的脉搏——时钟信号与同步 在复杂的数字系统中，成千上万甚至数十亿个逻辑门协同工作，如何保证它们能够协调一致，有序地进行信息传递和处理？答案在于“时钟信号”（Clock Signal）和“同步”（Synchronization）。 时钟信号是一种周期性的方波信号，它像心脏的跳动一样，为整个数字系统提供一个稳定的节拍。每一次时钟脉冲的到来，都会触发时序逻辑电路中的状态更新。这种以统一的节拍进行的操作，被称为同步操作。 同步设计的好处显而易见： 1. 稳定性和可靠性： 避免了信号在传播过程中出现不确定性，确保了数据在正确的时刻被读取和更新。 2. 易于设计和分析： 设计师只需要关注在每个时钟周期内电路应该做什么，而不需要担心信号的传播延迟如何影响整体的逻辑。 3. 性能的衡量： 系统的工作速度（时钟频率）直接决定了其处理能力。 然而，实现完美的同步并非易事。即使是微小的信号延迟，在高速运行的系统中也可能导致问题。因此，数字系统设计中需要仔细考虑时钟信号的分配、时钟域的划分以及信号在不同时钟域之间的跨越等问题。 本章将聚焦于时钟信号在数字系统中的关键作用。我们将探讨时钟信号的产生方式，其对时序逻辑电路的影响，以及同步设计的基本原则。通过理解时钟信号的“脉搏”，我们能够更深刻地体会到数字系统如何精确而高效地运转，犹如一个精密运作的生命体。 结语 从抽象的二进制编码，到严谨的布尔代数，再到微小的逻辑门，以及最终形成的庞大数字系统，我们已经踏上了一条探寻数字世界本质的旅程。本书虽然没有深入到某个电子元件的具体物理原理，也没有罗列各种复杂的电路图，但我们希望读者能够通过对这些基本概念的理解，构建起一个关于数字世界如何运作的清晰框架。 逻辑门构成了数字世界的“原子”，布尔代数提供了“语法”，而时钟信号则带来了“生命”。正是这些看似基础的元素，共同编织了我们今日触手可及的数字奇迹。希望本书能为您打开一扇理解数字世界的大门，激发您对这个充满无限可能的领域的进一步探索。

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坦白说，这本书的阅读体验是充满挑战与回报并存的。它不是那种读起来让你感到轻松愉快的读物，它需要你投入大量的时间去啃、去消化那些严密的逻辑链条和公式推导。一开始翻阅几章后，我甚至有些气馁，觉得自己的知识储备尚不足以支撑起如此高强度的学习。但正是这种挑战性，激发了我更深层次的学习欲望。作者在阐述组合逻辑电路的化简方法时，采用了多种不同的视角，从卡诺图的几何直观到布尔代数公理的代数推演，再到更高级的Quine-McCluskey方法，每一种方法都配有详尽的例题分析，让人不得不佩服其对教学方法的精妙把握。更令人称赞的是，书中对不同逻辑族（如TTL、CMOS）的特性对比分析，不仅停留在电气参数的罗列，更深入探讨了它们在实际应用中相互间的兼容性问题和优缺点权衡，这种贴近实际工程的深度剖析，极大地拓宽了我的视野。读完之后，我感觉自己对“设计”二字有了全新的理解，不再是简单的元件堆砌，而是一种系统性的优化过程。

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这本书的排版和图文关系处理达到了专业教科书的顶级水准。每一个电路图都清晰锐利，元件符号标注规范到位，根本不存在需要放大镜才能看清细节的窘境。更重要的是，书中对时序约束和时钟管理这一数字电路的“隐形杀手”话题给予了足够的重视。在很多入门级教材中，这部分往往一带而过，但在这本著作中，作者详细阐述了建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的物理成因，并通过图表清晰地展示了时序违例可能导致的灾难性后果。这种对“细节决定成败”的强调，体现了作者对数字系统可靠性的深刻理解。此外，书中对存储器原理的介绍也颇为详尽，从最基础的SRAM和DRAM的单元结构，到它们在系统层面的组织和刷新机制，都进行了清晰的梳理，让读者对现代计算机存储体系的基石有了坚实的概念。这本书的价值在于，它成功地架起了理论模型与高速数字系统之间的桥梁，引导我们思考如何让电路在实际的纳秒级世界中稳定运行。

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拿到手时，就被这本书扎实的学术底蕴所震撼。它不像市面上那些追求“快速入门”的读物，而是沉下心来，将数字电路的每一个基础单元都进行了彻底的剖析。尤其欣赏它在基础数制转换和编码理论上的处理方式，作者并未满足于简单的算法描述，而是深入挖掘了这些编码背后的数学逻辑和工程考量，使得读者在掌握“如何做”的同时，更能理解“为何要如此做”。章节间的衔接处理得极其自然，像是精密机械的咬合，上一部分的结论无缝地成为了下一部分展开的基石。我个人对书中关于半导体器件特性的介绍印象深刻，虽然不是专门的半导体物理教材，但作者精准地提炼了那些对数字电路设计至关重要的参数和非线性特性，用精炼的语言描绘了晶体管在开关状态下的行为。这对于理解CMOS逻辑的功耗和速度限制至关重要。阅读这本书，感觉就像是跟着一位经验丰富的老教授在实验室里进行一对一指导，他会耐心地纠正你每一个模糊的概念，直到你对电路的每一个细节都了然于胸。它要求的不仅仅是记忆，更是逻辑思维的持续训练。

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作为一名长期在电子设计领域摸爬滚打的工程师，我发现这本书的价值随着我经验的增加而愈发凸显。它不仅仅是供新人学习的入门手册，更像是一本可以随时翻阅、查漏补缺的“数字电路圣经”。我尤其欣赏其中关于脉冲生成和整形电路的讨论。作者并没有仅仅停留在理想的矩形波上，而是深入探讨了诸如毛刺抑制、去抖动电路等实际应用中必须处理的问题。书中对计数器设计中“进位”逻辑的处理，也展示了其严谨性，确保了在级联多个计数器时不会出现任何计算错误或延迟累积问题。阅读时，我的思绪常常会跳脱出纸面，联想到我们日常工作中遇到的那些“难以捉摸”的数字错误，然后回头对照书中的原理解释，总能找到问题的根源所在。这本书的语言风格极其凝练，没有一句废话，每一个句子都仿佛经过了反复的推敲和打磨，直接命中要害。它不是用来消遣的，它是用来解决实际工程问题的有力武器，是值得反复研读的宝藏。

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这部厚重的典籍，初翻阅时便觉气势非凡，封面设计简洁却蕴含深意，如同其内容一般，严谨而又不失精妙。我本以为这会是一本枯燥的理论堆砌，没想到作者的叙述方式如同高明的匠人，将复杂的电路原理层层剥开，娓娓道来。特别是对于逻辑门电路的介绍，不仅给出了清晰的真值表和布尔代数表达式，还配有大量直观的图示，仿佛能亲眼看到电流在其中穿梭流淌，让人对数字世界的运行规则有了更深刻的体悟。书中对时序逻辑电路的讲解尤为精彩，那些复杂的触发器和寄存器的构建过程，被分解成了一系列易于理解的小步骤，即便是初学者也能循着作者的思路，逐步搭建起自己的认知框架。阅读过程中，我时不时会停下来，拿起笔在草稿纸上演算一番，那种“豁然开朗”的感觉，是其他教材难以给予的。全书的案例选择也十分贴合实际，很多基础模块的设计思路，直接映射到现代电子设备的工作原理中，让人感觉手中的知识不再是空中楼阁，而是可以触摸、可以构建的实在之物。这本书无疑是通往数字电子领域的一把金钥匙。

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