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出版者:Cengage Learning

作者:Jr. Charles H. Roth

出品人:

頁數:784

译者:

出版時間:2009-3-13

價格:USD 331.95

裝幀:Hardcover

isbn號碼:9780495471691

叢書系列:

圖書標籤:

• 邏輯設計
• 數字邏輯
• 計算機組成原理
• 布爾代數
• 邏輯電路
• 數字係統設計
• VLSI
• 可編程邏輯器件
• FPGA
• EDA

深入探索電子世界的基石：數字電路與係統設計 本書旨在為讀者提供一個全麵且深入的視角，探索構建現代電子設備所必需的核心理論和實踐技術。我們將聚焦於數字邏輯係統的基礎原理、設計方法以及實際應用，內容涵蓋從最基本的布爾代數概念到復雜的組閤與時序電路設計，以及係統級的組織架構。我們不會觸及任何關於“邏輯設計基礎”這一特定書目的具體內容，而是完全聚焦於其周邊領域、相關技術及其深遠影響。 第一部分：離散數學與信息錶示的基石 本部分將建立起理解數字係統的數學語言。我們將從離散數學的角度齣發，深入剖析集閤論、關係與函數在信息科學中的應用。重點在於如何用數學模型精確描述和操作信息。 1. 數製轉換與二進製算術： 我們將詳盡闡述不同數製（如二進製、八進製、十六進製）之間的相互轉換機製，並著重分析如何在計算機內部實現基本的二進製算術運算，包括補碼錶示法在有符號數運算中的關鍵作用。我們將探討溢齣檢測的原理及實現。 2. 布爾代數與邏輯代數： 盡管不直接探討“邏輯設計基礎”的核心內容，但我們將深入研究布爾代數的公理化體係及其在描述開關行為中的嚴謹性。分析德摩根定律、分配律等代數定理的實際應用，以及如何利用這些定理進行邏輯錶達式的簡化，為後續的電路實現鋪平道路。 3. 邏輯門電路的物理實現與特性： 詳細介紹各種基本邏輯門（AND, OR, NOT, XOR 等）的晶體管級實現原理，特彆是基於CMOS技術的優勢與限製。我們將分析信號延遲、扇入（Fan-in）、扇齣（Fan-out）以及噪聲容限等關鍵的電氣參數，理解這些參數如何影響最終電路的性能和可靠性。 第二部分：組閤邏輯電路的設計與優化 本部分側重於不含存儲元件的邏輯電路的設計流程和優化技術，這些電路的輸齣僅取決於當前輸入的狀態。 1. 真值錶與卡諾圖（K-Map）的應用： 學習如何從功能需求齣發構建真值錶，並利用卡諾圖這一圖形化工具對復雜函數進行初步的最小化。我們將詳細討論如何處理“無關項”（Don't Cares）以實現更經濟的電路。 2. 門級最小化：Quine-McCluskey 方法的深入解析： 對於超越K-Map處理能力的復雜函數，我們將轉嚮更係統化的代數最小化方法。詳細介紹如何使用Quine-McCluskey算法（Q-M方法）生成素蘊含式（Prime Implicants）並選擇最小覆蓋集，確保設計齣元件數量最少的電路。 3. 常用組閤電路模塊的構建： 詳盡分析多路選擇器（Multiplexers, MUX）、譯碼器（Decoders）、編碼器（Encoders）以及加法器（Adders）等關鍵模塊的內部結構和工作原理。重點討論如何利用這些標準組件實現更復雜的邏輯功能，例如全加器鏈和並行乘法器的基本結構。 4. 可編程邏輯器件（PLD）概述： 介紹基於查找錶（LUT）的可編程邏輯結構，如可編程隻讀存儲器（PROM）、復雜可編程邏輯器件（CPLD）的基本架構，及其在快速原型設計中的重要性。 第三部分：時序邏輯電路與狀態機設計 本部分將引入時間維度，探討含有反饋路徑和存儲元件的電路，這是實現記憶、計數和序列控製的基礎。 1. 存儲元件的物理基礎：鎖存器與觸發器： 深入研究由交叉耦閤反相器構成的基本SR鎖存器，分析其競爭與約束問題。隨後，詳細分析掌握邊沿觸發的D觸發器（D Flip-Flop）和JK觸發器的結構、特性和時序要求（建立時間 $t_{setu}$ 和保持時間 $t_{hold}$）。 2. 時鍾分布與同步設計： 探討時鍾信號在大型係統中的重要性，分析時鍾抖動（Jitter）和時鍾偏移（Skew）對係統同步的影響。介紹同步時序邏輯設計的核心要求，確保所有狀態轉換在穩定的時鍾邊緣發生。 3. 計數器與寄存器： 設計和分析異步和同步計數器（如二進製、環形、Johnson計數器）的電路實現。討論如何設計多比特寄存器組，以及它們在數據暫存和移位操作中的作用。 4. 有限狀態機（FSM）的建模與實現： 采用Mealy模型和Moore模型對係統行為進行精確描述。詳細講解如何從規格描述到狀態轉換圖（State Transition Diagram），再到狀態錶，最終轉換為邏輯電路（如使用譯碼器法或狀態編碼優化的方法）。我們將重點關注如何避免“毛刺”（Hazards）和競爭條件（Race Conditions）對狀態機可靠性的影響。 第四部分：係統級集成與現代數字係統 本部分將視角提升至係統層麵，討論如何將基礎邏輯單元集成到復雜的、可運行的計算架構中。 1. 半導體存儲器的結構： 探討SRAM和DRAM的基本存儲單元結構，分析它們的速度、密度和刷新要求。理解存儲器層次結構（Cache, 主存）對整體係統性能的優化作用。 2. 數據路徑與控製器的交互： 分析一個典型的數據路徑（如算術邏輯單元ALU、寄存器堆）如何被一個控製單元（通常是一個復雜的狀態機）驅動以執行指令。介紹微程序控製（Microprogramming）的基本概念，及其在簡化復雜指令集設計中的作用。 3. 互連、總綫結構與接口設計： 討論不同模塊間數據傳輸的標準接口協議，如並行總綫和串行通信接口的結構差異。分析仲裁機製（Arbitration）在多主設備係統中的必要性。 4. 可靠性與故障模型： 引入數字電路中的故障分析，包括靜態0/1故障和動態故障。討論如何在設計中考慮冗餘和容錯機製，以提高係統的健壯性。 本書提供瞭一條從抽象數學概念到具體硬件實現的技術路綫圖，旨在培養讀者構建、分析和優化復雜數字係統的能力。通過對底層原理的紮實掌握，讀者將能更好地應對當前和未來電子工程領域的挑戰。

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這本書的配套資源和實驗引導部分，可以說是錦上添花。雖然我主要通過閱讀來掌握概念，但書後附帶的實踐練習和思考題設計得非常巧妙。它們並非簡單的套公式或重復書中的例子，而是設計瞭一些小型但貼近實際的係統級問題，迫使讀者必須綜閤運用組閤邏輯、時序邏輯以及狀態機設計等多個模塊的知識纔能完成。這種“知行閤一”的設置，極大地鞏固瞭學習效果。例如，書中引導讀者去設計一個簡易的序列檢測器，這個過程不僅涉及狀態轉移圖的繪製，還需要考慮如何將狀態編碼轉化為實際的邏輯門電路，每一步的邏輯推導都得到瞭充分的鍛煉。這種由淺入深的實戰導嚮，讓學習過程充滿瞭成就感，也真正將那些理論知識轉化為瞭解決實際問題的能力。

评分☆☆☆☆☆

這本書的排版和圖示質量也值得大書特書。在邏輯設計領域，清晰的圖錶是理解復雜電路的生命綫。這本書在這方麵做得非常齣色，所有的邏輯門符號、時序圖以及狀態圖都繪製得極其規範和清晰。綫條的粗細、顔色的區分，都經過瞭深思熟慮，避免瞭視覺疲勞和歧義。舉個例子，它展示多級反饋電路時，區分瞭信號路徑和時鍾路徑的圖示方法，使得初學者一眼就能識彆齣潛在的時序問題，這種對視覺傳達的重視，極大地提升瞭學習效率。很多其他教材的圖示都顯得擁擠和模糊，使得原本就抽象的概念更加難以捉摸，但這本書的設計感明顯是經過專業把關的，讓人在閱讀過程中感到非常舒適和專業。每次翻閱，都能感受到齣版方對細節的極緻追求。

评分☆☆☆☆☆

我嘗試過使用好幾本不同的數字邏輯入門教材，但最終發現，這本書在覆蓋麵和理論深度之間找到瞭一個近乎完美的平衡點。它沒有過度側重於特定硬件描述語言（如VHDL或Verilog）的語法，而是將重點放在瞭底層邏輯思維的建立上。這種做法的好處是，一旦你掌握瞭書中的核心設計理念，無論是轉嚮任何特定的硬件描述語言，都能快速上手，因為底層的邏輯構建原理是相通的。作者對各種經典設計範例的剖析，比如數據選擇器、加法器、寄存器和計數器，都給齣瞭從最樸素實現到優化實現的完整演進過程，這對於培養一種“迭代改進”的工程思維至關重要。這種深入淺齣、注重底層原理的教學方式，保證瞭知識的持久性和遷移性，而不是停留在某個特定技術棧的時效性上。

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這部關於數字電路和邏輯設計的著作，實在是讓人眼前一亮。我剛開始接觸這個領域的時候，感覺那些布爾代數、邏輯門和時序電路簡直就是天書，完全不知道從何下手。這本書的敘述方式非常平易近人，它沒有一開始就拋齣復雜的公式和晦澀的理論，而是循序漸進地構建起讀者的知識體係。從最基礎的二進製和邏輯運算講起，作者巧妙地將抽象的概念與實際的電路圖相結閤，使得“與非門”或“觸發器”不再是枯燥的符號，而是能切實控製電流流動的“工具”。特彆是對於組閤邏輯和時序邏輯的講解，清晰度達到瞭一個新的高度。作者似乎非常理解初學者的睏惑點，總能在關鍵時刻插入一些形象的比喻，讓那些原本拗口的理論變得非常直觀。讀完前幾章，我已經能自信地分析簡單的組閤電路功能瞭，這在其他一些資料中是很難獲得的體驗。它不僅僅是知識的羅列，更像是一位耐心十足的導師，帶著你一步步攻剋難關，培養齣對硬件邏輯的直覺感。

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對於那些已經有一些基礎，想要深入理解底層設計原理的工程師或者高年級學生來說，這本書的深度也完全夠用。它並沒有停留在簡單的“如何使用”層麵，而是深入探討瞭設計背後的數學原理和優化方法。我特彆欣賞其中關於優化和簡化邏輯電路的章節，作者詳細介紹瞭卡諾圖的進階應用，以及如何係統性地處理多個約束條件下的最優化問題。這不是那種隻教你套用公式的書，它教會你如何“思考”設計。例如，在討論狀態機的設計時，作者不僅展示瞭標準的算法流程，還討論瞭不同編碼方案對電路復雜度和速度的影響，這種對工程實踐的考量，是非常寶貴的。這種對細節的打磨，讓這本書的價值遠超一般的教材，更像是一本工具書和參考手冊的完美結閤。我經常會在遇到復雜項目瓶頸時，翻閱其中關於時序邏輯同步和競爭冒險處理的部分，總能找到切實的解決方案和理論支撐。

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