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出版者:北京航空航天大学

作者:黄智伟

出品人:

页数:468

译者:

出版时间:2011-1

价格:49.50元

装帧:

isbn号码:9787512402775

丛书系列:

图书标签:

• 电路设计
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探索数字时代的无限可能：面向未来工程师的创新实践指南 《数字系统设计与高级嵌入式应用》 本书导读： 在当今飞速发展的技术浪潮中，数字电子技术与嵌入式系统已成为驱动信息产业革新的核心引擎。本书旨在为有志于在这一领域深耕的读者提供一套全面、深入且极具实践指导意义的学习资源。我们摒弃了对基础理论的简单重复，而是将重点聚焦于如何将理论知识高效地转化为解决实际问题的能力，特别是在前沿应用场景下的创新性设计与实现。 本书面向的读者群体是那些已经掌握了数字电路基础知识，渴望在FPGA/CPLD 编程、高性能微处理器架构、复杂系统级集成以及物联网（IoT）边缘计算等方面寻求突破的高级学习者、工程技术人员以及研究生。我们相信，真正的能力提升源于对复杂系统的驾驭与创新。 --- 第一部分：超高速数字逻辑的架构与实现 本部分深入探讨了当代数字系统设计的核心——可编程逻辑器件（PLD）的深层原理及其优化策略。 1. 高级硬件描述语言（HDL）的性能优化 我们不会止步于 Verilog 或 VHDL 的基本语法教学，而是着重讲解同步设计原则下的时序约束管理。内容涵盖如何使用先进的综合工具进行资源估算与映射优化，避免常见的时序违例（Setup/Hold Violations）。重点剖析了流水线（Pipelining）技术在提升系统吞吐量中的应用，并辅以大量实际案例演示如何通过精细的时钟域交叉（CDC）设计来保证多速率系统的数据完整性。特别针对跨时钟域信号同步中的亚稳态问题，我们提供了多种基于握手协议和先进同步电路的解决方案，并分析了不同方案在延迟与资源占用上的权衡。 2. FPGA/CPLD 的高级架构解析 本书对主流 FPGA 芯片（如 Xilinx UltraScale+ 或 Intel Stratix 系列）的内部结构进行了透彻的剖析，包括逻辑单元（LUT）的配置模式、嵌入式存储器（Block RAM）的高级使用（如双端口模式、FIFO 实现），以及高性能 DSP 模块（DSP Slices）在数字信号处理中的精确应用。我们将详细阐述如何利用片上高速串行收发器（SerDes）实现 PCIe 或高速光通信接口，包括均衡技术和误码率（BER）测试的基本方法。 3. 状态机的设计与验证范式 状态机的设计是数字系统的骨架。本书推崇三段式状态机的设计范式，并引入了形式化验证（Formal Verification）的思想，指导读者使用断言（Assertion-Based Verification, ABV）来自动检测状态转移逻辑的错误。我们探讨了如何用更简洁、更可读的方式描述复杂的同步和异步状态机，以及如何利用仿真工具对极限条件下的状态转换进行压力测试。 --- 第二部分：嵌入式系统与异构计算的融合 本部分将视野从纯数字逻辑扩展到复杂的嵌入式系统设计，聚焦于如何构建高性能、低功耗的计算平台。 4. 微处理器核心的深入理解与定制 我们不再局限于介绍现成的商业微控制器（MCU），而是深入探讨精简指令集计算机（RISC）核心的设计哲学。内容涉及流水线阶段划分、分支预测单元（Branch Prediction Unit）的实现原理，以及缓存一致性（Cache Coherency）在多核系统中的重要性。对于希望进行定制化开发的读者，本书提供了基于开源工具链（如 LiteX 或 Rocket Chip）构建简易软核处理器的实践指南，帮助理解指令集架构（ISA）与硬件实现的映射关系。 5. 高效的内存管理与总线协议 现代系统性能的瓶颈往往在于数据传输而非单纯的计算速度。本书详细介绍了AMBA AXI（Advanced eXtensible Interface）协议的各种变体（AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream），并指导读者如何设计高效的主设备（Master）和从设备（Slave）来优化仲裁逻辑和突发传输（Burst Transfer）。此外，我们探讨了 DRAM（如 DDR4/LPDDR）控制器的时序要求、刷新机制，以及如何利用内存控制器提供的高速接口进行大容量数据交换。 6. 异构计算的加速策略 面对日益增长的计算需求，本书着重介绍如何将 CPU/GPU/FPGA 结合起来实现异构加速。内容包括：如何使用 OpenCL 或 HLS（High-Level Synthesis）工具将 C/C++ 代码自动映射到 FPGA 硬件加速器上；如何设计高效的数据搬运机制（DMA，Direct Memory Access）来绕过 CPU，实现数据在不同计算单元间的零拷贝传输；以及在实际应用中如何对加速任务进行负载均衡和任务调度。 --- 第三部分：面向未来的先进应用实践 本部分将前两部分的技术融会贯通，聚焦于当前技术领域的热点与挑战。 7. 实时操作系统（RTOS）与驱动级编程 在需要严格时间限制的系统中（如工业控制、航空电子），实时性至关重要。本书选取主流的 RTOS（如 FreeRTOS 或 Zephyr）进行深度解析，重点关注任务调度算法（如优先级继承、时间片轮转）、中断服务程序（ISR）的设计原则，以及如何编写高效且无竞态条件的设备驱动程序。我们强调如何使用互斥量（Mutex）、信号量（Semaphore）和消息队列来管理共享资源，避免死锁（Deadlock）的发生。 8. 边缘计算与低功耗设计 随着 IoT 设备的普及，将计算能力下沉到边缘节点的趋势愈发明显。本书讨论了系统级的功耗优化技术，包括动态电压与频率调整（DVFS）、时钟门控（Clock Gating）以及睡眠模式的管理。在设计边缘传感器节点时，如何利用低功耗微控制器（如 Cortex-M 系列）结合无线通信模块（如 LoRa/NB-IoT）实现长续航设计，将是实践的重点。 9. 安全启动与系统级信任根（RoT） 数字系统的安全性已不容忽视。本书引入了硬件安全的概念，讲解了安全启动链（Secure Boot Chain）的构建流程，包括公钥加密在固件签名验证中的作用。内容将涵盖如何利用芯片级安全特性（如 OTP 熔丝、硬件加密加速器）来建立不可篡改的信任根，确保系统在启动和运行时的数据和代码的完整性与保密性。 --- 总结： 本书是为下一代电子工程师量身打造的实践蓝图。它不提供“即插即用”的简单方案，而是通过对复杂系统设计底层逻辑的彻底揭示，培养读者独立分析、创新设计和系统集成的核心竞争力。通过本书的学习，读者将能够自信地面对从高性能计算平台到智能化边缘设备的各类前沿挑战。

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我是一名刚接触电子设计竞赛的学生，对于很多专业术语和设计流程还不太熟悉。因此，我非常看重这本书是否能够提供一个系统性的学习框架。如果这本书能够从最基础的电路原理讲起，逐步过渡到复杂的系统设计，并且在每个阶段都提供相应的练习和案例，那将对我帮助巨大。我尤其希望看到书中关于如何构建一个完整的设计文档的指导。在比赛中，设计文档的质量也是评判的重要标准之一，它需要清晰地展示出你的设计理念、电路原理、元器件选型、PCB布局等等。如果这本书能提供一些模板或者范例，那就太棒了。同时，我也期待书中能有一些关于如何团队协作的建议，毕竟电子设计竞赛通常是以团队形式进行的。

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说实话，我当初是被这本书的“实用性”三个字吸引的。很多电路设计的书籍，讲的都是一些脱离实际的理论，或者是一些非常老旧的案例。而我想要的是能够真正帮助我解决比赛中遇到的具体问题的书。这本书的目录看起来确实挺接地气的，涵盖了电源、信号处理、嵌入式等多个大赛常见的方向。我比较好奇的是，书中对于不同元器件的选择和调试技巧是如何讲解的。比如，在选择运算放大器时，需要考虑哪些关键参数？在PCB布线时，又有哪些需要注意的细节，才能避免噪声干扰？我希望这本书能够提供一些具体的、可操作的建议，而不是泛泛而谈。另外，我也很想知道书中是否有关于如何进行电路仿真和验证的详细介绍。在比赛现场，模拟仿真可以说是必不可少的一个环节，能够帮助我们提前发现并解决潜在问题。

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这本书的封面设计相当朴实，没有花里胡哨的插图，只有清晰的书名和作者信息。翻开第一页，一股淡淡的油墨香扑鼻而来，让人想起大学时代在图书馆埋头苦读的日子。我是在网上偶然看到这本书的推荐的，当时正为一些复杂的模拟电路设计问题感到困扰，希望能找到一些实用的案例和解决方案。这本书的定价也比较适中，对于学生来说是比较容易接受的。我尤其关注的是它是否包含了近几年的比赛真题解析，以及针对不同赛题类型都有哪些通用的设计思路和技巧。毕竟，理论知识很重要，但如何将其转化为实际可行的电路，并在有限的时间内完成，才是竞赛的关键。书的排版也很清晰，字体大小适中，阅读起来不会感到疲劳。章节的划分也比较合理，从基础概念到进阶应用，循序渐进。

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坦白说，我对于竞赛类书籍的期望值其实挺高的，毕竟市面上的同类书籍很多，质量参差不齐。我希望这本书不仅仅是简单地罗列一些赛题和答案，而是能够真正教会我“怎么去设计”。我特别关注书中对于“创新性”的探讨。在竞赛中，很多时候不仅仅是完成功能，更重要的是能够体现出一些新的设计思路或者技术应用。这本书能否提供一些启发，帮助我们跳出思维定势，找到一些独具匠心的解决方案？另外，我也在寻找一些关于如何优化电路性能，提高稳定性的技巧。比如，如何有效地抑制电路中的噪声？如何提高电源的效率和稳定性？如何保证电路在不同环境下的可靠性？如果这本书能够在这方面有所建树，那我一定会非常满意。

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这本书的作者团队给我留下了深刻的印象。从简介上看，他们都是在电子设计领域有着丰富经验的专家，甚至参与过历届大赛的评审工作。这让我对书中内容的专业性和权威性充满信心。我希望这本书能够深入剖析一些经典的竞赛题目，不仅仅是给出最终的解决方案，更重要的是展示出设计思路的形成过程，包括如何分析题目要求，如何进行方案比选，以及如何权衡各种设计约束。例如，在设计一个低功耗的信号采集系统时，需要在采样率、精度和功耗之间找到一个最佳的平衡点，这其中涉及很多巧妙的设计取舍。我也希望书中能够分享一些提高调试效率的经验，比如如何快速定位故障点，如何利用示波器、万用表等仪器进行有效的测量。

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只是拿来看看电路的连法，实际的PCB制作

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