Digital Design Principles and Practices Package

Digital Design Principles and Practices Package pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:
作者:Aldec, Inc; Wakerly, John F.
出品人:
页数:928
译者:
出版时间:
价格:0
装帧:
isbn号码:9780136139874
丛书系列:
图书标签:
  • 专业
  • 数字电路
  • 数字设计
  • 电路设计
  • 计算机体系结构
  • 逻辑设计
  • Verilog
  • VHDL
  • FPGA
  • 数字系统
  • 电子工程
  • 嵌入式系统
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具体描述

现代电子系统设计与实现:理论基础与实践应用 导论:从概念到芯片的旅程 本书旨在为读者提供一个全面且深入的现代电子系统设计与实现框架,涵盖从基础的数字逻辑理论到复杂的系统级集成。我们认识到,在信息技术飞速发展的今天,理解和掌握底层硬件原理对于任何从事电子、计算机科学或相关工程领域的人士都至关重要。因此,本书将重点放在构建坚实的理论基石,并辅以大量实际设计案例,使读者能够将抽象的理论转化为可操作、可验证的工程实践。 我们将电子系统设计的复杂性分解为若干个逻辑清晰的层次结构,从最基本的晶体管开关行为开始,逐步过渡到构建复杂运算单元和存储结构,最终探讨如何将这些单元集成到一个高效能的系统中。本书的叙事结构遵循从“为什么”到“如何做”的逻辑,确保读者不仅知其然,更能知其所以然。 第一部分:数字逻辑基础与构建模块 (The Foundational Layer) 本部分是整个电子系统设计的基石。我们将彻底剖析数字信号的本质及其在硬件中的表示方式。 1. 数制、布尔代数与逻辑门 我们将从回顾二进制、八进制和十六进制等数制开始,它们是数字世界的基础语言。随后,我们将深入讲解布尔代数——描述和简化数字逻辑的数学工具。重点在于掌握德摩根定律、分配律等核心定理,并学习如何使用真值表和卡诺图(Karnaugh Maps)进行逻辑函数的最小化。 紧接着,我们将详细介绍基本逻辑门(AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR)的物理实现原理,并探讨通用门的概念,即如何仅用一类门(如NAND或NOR)实现所有其他逻辑功能。这不仅是理论上的优雅,更是实际电路设计中实现成本控制的关键。 2. 组合逻辑电路设计 组合逻辑电路的特点是输出仅依赖于当前的输入状态,无记忆功能。本章将指导读者如何将最小化后的布尔表达式转化为实际的硬件电路。我们将详细分析以下核心模块的内部结构和设计流程: 多路选择器(Multiplexers, MUX)和数据分配器(Demultiplexers, DEMUX): 如何实现高效的数据路由和选择机制。 编码器(Encoders)和译码器(Decoders): 它们在地址解码和状态显示中的关键作用。 加法器和算术逻辑单元(ALU)的构建: 从半加器到全加器,再到串行和并行加法器的设计,深入探讨二进制算术运算的硬件实现。我们将展示如何构建一个能执行加、减、逻辑操作的基本ALU核心。 3. 存储元件与时序逻辑 与组合逻辑相对,时序逻辑电路包含了反馈路径,使其具有记忆能力,这是构建状态机和存储器的基础。 基本锁存器与触发器: 我们将详细分析SR锁存器(S-R Latch)的毛刺问题,并引出时钟控锁存器(Gated Latch)。随后,我们将重点介绍边沿触发的D触发器(D Flip-Flop)和JK触发器,这是现代同步电路的基本构建块。 寄存器与移位寄存器: 学习如何将多个触发器组合成寄存器以存储数据,并理解移位寄存器的操作模式(串入并出、并入串出等)在数据传输中的应用。 翻转计数器(Counters): 从异步(Ripple)计数器到同步计数器,探讨其设计技巧,包括模N计数器的实现,这在频率分频和事件计数中至关重要。 第二部分:中等规模集成电路 (MSI) 与数据路径设计 在掌握了基础逻辑门和时序元件后,本部分聚焦于如何使用这些元件构建更复杂的、可重用的功能单元,这些单元构成了数据处理路径的核心。 4. 可编程逻辑器件概述 在深入到微处理器架构之前,理解可编程逻辑器件(PLD)的演变至关重要。我们将介绍基本的可编程只读存储器(PROM)、通用阵列逻辑(GAL)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。重点讲解如何利用这些器件的“与/或”结构来实现任意布尔函数,作为ASIC设计前的快速原型验证工具。 5. 状态机的建模与实现 有限状态机(FSM)是控制逻辑的核心。本章将系统介绍两种主要的FSM描述和实现方法: 米利(Mealy)模型与穆尔(Moore)模型: 深入比较两者的输出特性、设计约束和时序依赖性。 状态编码技术: 讨论如何有效地对状态进行编码(如二进制、独热码),以最小化所需的逻辑门数量并避免竞争冒险。我们将通过一个复杂的交通灯控制器案例,完整演示从需求分析、状态图绘制、逻辑方程推导到硬件实现的全过程。 6. 内存结构与层次化存储 现代计算的性能严重依赖于快速可靠的存储。本章将探讨半导体存储器的分类: 静态随机存取存储器(SRAM)与动态随机存取存储器(DRAM): 对比其内部结构、读写时序、密度和功耗特性。 内存控制逻辑: 如何设计地址译码器和读/写控制单元来访问特定内存单元。 缓存的概念: 简要引入缓存的引入对系统性能的提升作用,为后续高级主题奠定基础。 第三部分:系统级设计与硬件描述语言 (HDL) 实践 理论和离散元件的分析不足以应对现代集成电路的规模,必须引入抽象层次更高的设计工具——硬件描述语言(HDL)。 7. 硬件描述语言入门:VHDL与Verilog 本章将引入两种主流的HDL:VHDL和Verilog(或SystemVerilog)。我们将重点讲解其核心概念: 结构化描述(Structural): 描述组件之间的连接关系,模拟原理图连接。 数据流描述(Dataflow): 使用连续赋值语句描述信号的组合逻辑行为。 行为描述(Behavioral): 使用过程块(`process` in VHDL 或 `always` in Verilog)描述时序逻辑和状态机的动态行为。 我们将演示如何使用这两种语言描述加法器、多路复用器和D触发器,强调并发性和仿真在HDL设计流程中的核心地位。 8. 从HDL到门级网表:综合与布局布线(初步认知) 本书将对综合(Synthesis)过程进行概念性介绍。读者将了解到,HDL代码是如何通过综合工具映射到目标工艺库中的标准单元(如查找表LUTs或标准逻辑门)上的。我们将探讨设计约束(如时序要求)对综合结果的影响,以及如何编写“可综合的”代码,避免使用仅适用于仿真而无法转化为实际硬件的结构。 9. 同步设计与时序分析基础 现代数字系统的可靠性高度依赖于同步设计。本章将深入探讨时钟域、时钟倾斜(Skew)和时钟抖动(Jitter)的概念。 建立时间与保持时间(Setup and Hold Times): 详细分析触发器时序参数对系统最大工作频率的限制。 竞争冒险与毛刺(Hazards and Glitches): 如何识别组合逻辑中潜在的时序问题,并采用诸如冗余演化或加缓冲等技术加以消除。 跨时钟域交互(Clock Domain Crossing, CDC): 介绍使用握手协议或异步FIFO来安全地在不同时钟速率的模块间传递信号的基本方法。 结论:迈向专用集成电路(ASIC)与FPGA设计 本书的最终目标是为读者打下坚实的基础,使其能够无缝衔接到更高级的领域,如微处理器架构、SoC设计,以及现代的FPGA(现场可编程门阵列)和ASIC设计流程。通过本书所建立的从晶体管到系统级的理解,读者将能够更有效地利用高层次的CAD工具,设计出满足性能、功耗和面积(PPA)要求的复杂数字系统。本书提供的工具集不仅适用于学术研究,更是指导未来工程师在快速迭代的硬件领域取得成功的关键。

作者简介

华南师范大学计算机学院教授。大学毕业并任教于军事电信工程学院(即西安电子科技大学)信息工程系,多年从事数字系统、数据通信和计算机通信与网络方向的科研和教学工作。1981至1983年期间,作为访问学者在加拿大不列颠哥伦比亚大学研修计算机通信和计算机网络。回国后,先后在西安电子科技大学和华南师范大学从事计算机通信和计算机网络方向的教学与科研工作。曾经出版的著作有《计算机通信网原理》(西安电子科技大学出版社)、《计算机通信与网络教程》(第1版)和(第2版)(清华大学出版社);译著有《数字系统设计基础》(西安电子科技大学出版社)、《数字设计原理与实践》(机械工业出版社)。

John F.Wakerly,于斯坦福大学获得电子工程博士学位。他目前是思科系统公司广域网业务部主管工程项目的副总裁,还是斯坦福大学的兼职教授。他著有数字设计、微电脑体系结构、计算机可靠性等方面的50多部著作,并在电信与网络领域拥有13项专利。

目录信息

读后感

评分

经典中的经典,全书举重若轻介绍了数字电子设计的从基础到高级的设计方法,用veriloghdl,vhdl,abel三种描述语言全面的介绍设计方法。真正的大家,自己做到了融会贯通,才能把看似复杂的东西写的这么条理清晰。作者简直是我的偶像。

评分

这本书超级晦涩枯燥。但是翻译的人应该是照着英文的逐字逐句翻译的,读的时候会觉得某些句子超级有趣,不失为可爱的译者。稍稍使糟糕的心情小开心了下。 但是,最重要的是,作业不会写。网上的答案不全。求一份完整版的答案!!!  

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经典中的经典,全书举重若轻介绍了数字电子设计的从基础到高级的设计方法,用veriloghdl,vhdl,abel三种描述语言全面的介绍设计方法。真正的大家,自己做到了融会贯通,才能把看似复杂的东西写的这么条理清晰。作者简直是我的偶像。

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用户评价

评分

我非常期待书中关于可重用IP核(Intellectual Property cores)和IP集成的内容。在现代SoC设计中,重用已成为提高设计效率和缩短上市时间的关键。我希望书中能够详细介绍IP核的概念,包括其类型、特点和分类。它是否会讲解如何评估和选择合适的IP核,以及如何对IP核进行集成?我特别关注书中是否会提供关于IP集成流程的指导,例如如何处理IP核之间的接口兼容性问题,如何进行IP集成验证,以及如何管理IP核的版本和授权。此外,我还会留意书中是否会涉及一些关于IP核设计的最佳实践,例如如何设计可配置性强、易于复用的IP核,以及如何进行IP核的仿真和验证。如果书中能够介绍一些常用的IP核市场和技术趋势,比如RISC-V架构的崛起及其对IP设计的影响,那将是极具前瞻性的内容。

评分

我对书中关于时序分析和时序闭合的部分充满了好奇。在数字设计中,时不我予的限制,以及信号传播延迟带来的影响,是设计能否成功的关键。我希望书中能够深入讲解时序模型,例如建立时间和保持时间的概念,以及它们是如何受到工艺、电压和温度(PVT)等因素的影响的。我特别关注书中是否会提供用于分析时序违例的工具和方法,比如静态时序分析(STA)。它是否会解释STA报告中的关键指标,例如时序裕量(slack),以及如何解读这些报告来定位和解决时序问题?我期待书中能够给出一些实际的设计案例,说明如何在设计过程中主动管理时序,例如通过流水线(pipelining)技术来提高时钟频率,或者通过优化逻辑布局来缩短关键路径的延迟。另外,关于同步亚稳态(metastability)的产生和解决方法,也是我非常感兴趣的内容。我希望书中能够解释亚稳态是如何产生的,以及有哪些常用的电路结构,比如锁存器(latch)和触发器(flip-flop)的设计,可以用来缓解亚稳态的影响。如果书中还能提及异步复位(asynchronous reset)和同步复位(synchronous reset)的优缺点及其在时序设计中的应用,那将是对我非常有帮助的。

评分

我对书中关于低功耗数字设计(low-power digital design)的内容非常感兴趣。在当今电子设备日益小型化和便携化的趋势下,功耗已成为一个极其重要的设计指标。我希望书中能够深入讲解各种降低数字电路功耗的策略,例如时钟门控(clock gating)、电源门控(power gating)、动态电压和频率调整(DVFS)等。它是否会解释这些技术的原理,以及在实际设计中如何有效地应用它们?我特别关注书中是否会介绍如何进行功耗分析和仿真,例如如何使用专门的功耗分析工具来估算设计功耗,以及如何通过仿真来验证低功耗设计的有效性。此外,我还会留意书中是否会涉及一些关于超低功耗设计(ultra-low-power design)的特殊技术,例如在物联网(IoT)设备或嵌入式系统中常用的休眠模式(sleep modes)、唤醒机制等。如果书中能够提供一些实际的低功耗设计案例,例如如何设计一个低功耗的微控制器或者一个高效的电源管理单元,那将是极具参考价值的。

评分

这本书的目录和前言,即便只是瞥一眼,也让我对它的深度和广度有了初步的认识。它似乎不仅仅是停留在理论的层面,更注重于“实践”二字,这一点对于我这种既想理解基础概念,又希望能够实际动手操作的读者来说,简直是福音。我尤其关注其中关于时序逻辑设计的章节,这部分往往是新手最容易感到困惑的环节,但我从目录上看到它似乎进行了细致的分解,从基本触发器到状态机的设计,再到时序违例的分析和避免,逻辑清晰,循序渐进。我非常期待书中是否提供了大量的图示和实际电路的例子,因为我发现,对于数字设计的理解,直观的图形和具体的硬件实现往往比枯燥的文字更容易让人醍醐灌顶。此外,它可能还会涉及一些常用的EDA工具的使用指导,比如Verilog或VHDL的语法介绍,以及如何在FPGA或ASIC平台上实现设计。如果书中能够详细解释这些工具链的工作流程,从代码编写到仿真,再到综合和布局布线,那将极大地缩短我从理论到实践的过渡时间。我也会密切关注书中是否有关于低功耗设计、信号完整性等高级主题的介绍,这对于在现代高性能数字系统中设计至关重要。总的来说,这本书在我心中已经建立了一个非常积极的预期,它似乎有潜力成为我数字设计学习之旅中的一个重要里程碑。

评分

我对书中关于互连和接口设计的章节抱有很高的期望。在现代系统中,不同的模块和芯片之间需要高效且可靠的通信,这离不开精心设计的接口。我希望书中能够深入讲解常见的通信协议,例如SPI、I2C、UART等,并解释它们的工作原理、数据格式以及在实际应用中的优缺点。对于更高速的接口,例如PCIe、USB等,书中是否会提供相关的设计指南和参考实现?我尤其关注书中是否会探讨信号完整性(signal integrity)问题,因为随着信号速度的不断提高,信号反射、串扰、地弹等问题变得越来越突出。我希望书中能够提供一些关于如何设计低噪声、高可靠性互连的建议,例如PCB布局布线规则,差分信号的使用,以及端接技术的选择。另外,关于总线(bus)的设计,例如数据总线、地址总线、控制总线的结构和时序,也是我希望深入了解的内容。书中是否会介绍如何设计一个通用的总线接口,以便于不同模块之间的互联?如果书中还能涉及一些关于片上系统(SoC)集成方面的设计考虑,比如如何将多个IP核集成到一个芯片中,以及如何进行片上通信和仲( imes )络设计,那将是非常宝贵的知识。

评分

这本书的“Practices”部分,我最想看到的是关于实际调试和测试的经验分享。理论知识的掌握固然重要,但如何将设计顺利地实现并验证,往往是更具挑战性的环节。我期待书中能够提供关于如何有效地进行仿真(simulation)的指导,例如如何编写激励(stimulus)来覆盖各种测试场景,如何使用波形查看器(waveform viewer)来分析信号行为,以及如何进行时序仿真来验证设计的时序性能。对于更复杂的系统,是否会介绍形式验证(formal verification)等高级验证技术?我特别关注书中是否会分享一些常见的调试技巧和陷阱,例如如何快速定位逻辑错误,如何处理时序违例,以及如何解决亚稳态问题。此外,关于硬件测试(hardware testing)的部分,我希望书中能够介绍如何设计测试平台,如何编写测试向量,以及如何使用逻辑分析仪(logic analyzer)等测试设备来捕捉和分析实际硬件的运行情况。如果书中还能涉及一些关于如何进行功耗分析(power analysis)和时序收敛(timing closure)的实践经验,例如如何使用STA工具来识别时序瓶颈,并提供相应的优化策略,那将是极大的帮助。

评分

我对书中关于系统级验证(system-level verification)和调试的部分充满期待。随着数字系统的复杂度不断增加,仅仅依赖于传统的模块级仿真已不足以保证设计的正确性。我希望书中能够深入讲解系统级验证的策略和方法,例如如何进行场景驱动验证(scenario-based verification),如何利用测试平台(testbench)来模拟真实的系统环境,以及如何进行覆盖率(coverage)度量来评估验证的完备性。我特别关注书中是否会介绍一些高级验证技术,例如断言(assertion-based verification)、覆盖率驱动验证(coverage-driven verification)、以及基于模型验证(model-based verification)等。此外,关于系统级调试,我希望书中能够分享一些实用的技巧和工具,例如如何利用仿真器提供的调试功能来跟踪程序的执行流程,如何使用逻辑分析仪来捕捉和分析系统级的信号,以及如何处理跨模块的调试问题。如果书中还能涉及一些关于敏捷开发(agile development)和DevOps在数字设计验证中的应用,那将是极具创新性的内容。

评分

这本书的书名中“Principles and Practices”的组合,让我对内容有了非常明确的期待,那就是既要讲清楚数字设计的根本原理,也要提供实际可行的设计方法。我特别看重书中对于“Principles”的阐述,例如布尔代数的基本定律和定理,卡诺图的化简方法,以及逻辑门的组合与分解。我希望它能够以一种清晰易懂的方式解释这些基础知识,并且不仅仅是罗列公式,而是能通过实例说明这些原理在实际电路设计中的应用。例如,在讲解门级电路设计时,书中是否会演示如何从逻辑功能描述直接转换为门级网表?对于更复杂的数字系统,它是否会介绍层次化设计的方法,以及如何将大型设计分解成更小的、易于管理的模块?在“Practices”方面,我非常期待书中能够提供关于如何进行系统级建模的指导,以及如何使用高层次综合(HLS)工具来加速设计流程。例如,如果书中能够提供一些关于如何用C/C++语言描述数字系统,然后通过HLS工具生成HDL代码的实例,那将是非常有价值的。此外,对于现代数字设计来说,验证是至关重要的一环。我希望书中能够详细介绍各种验证技术,例如功能仿真、时序仿真、形式验证等,并解释在不同设计阶段应该采用何种验证策略。如果它还能涉及一些低层次的实践,比如PCB布局布线中的信号完整性考虑,或者功耗管理技术,那就更加完美了。

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我最感兴趣的章节是关于组合逻辑和时序逻辑之间差异以及如何有效区分和应用的部分。通常,教科书中会分开讲解,但很少有书籍能将两者之间的内在联系和协同工作方式讲得透彻。我期待这本书能够深入剖析,例如,当一个组合逻辑块的输出连接到另一个时序逻辑块的输入时,会发生什么?如何避免亚稳态的产生?书中是否会通过一些复杂的时序逻辑设计实例,比如微处理器中的控制器或者内存接口,来展示如何将组合逻辑和时序逻辑巧妙地结合起来,以实现特定的功能?我特别关注它对状态机设计的讲解,因为状态机是数字系统中非常核心和普遍的设计模式。我希望它不仅能介绍有限状态机(FSM)的基本概念,还能深入探讨Mealy型和Moore型状态机的区别、优缺点以及适用场景。更进一步,如果书中能够提供关于状态机优化技巧的讨论,例如如何减少状态数量,如何处理同步和异步复位,以及如何进行状态编码以提高效率和可靠性,那将是我学习过程中的一大收获。我还会留意书中是否会提及如何使用硬件描述语言(HDL)来建模和仿真状态机,并给出一些实际的设计案例,例如如何用Verilog或VHDL实现一个简单的UART接收器或者一个交通灯控制器。这类具体且具有代表性的例子,能够帮助我将抽象的概念转化为具体的代码和可验证的设计。

评分

这本书的题目中“Digital Design”本身就涵盖了非常广阔的范畴,而“Principles and Practices Package”则预示着其内容的深度和实用性。我尤其关注书中对数字系统结构和体系结构的介绍。我希望它能从宏观层面讲解,例如,如何将一个复杂的数字系统划分为不同的功能模块,如CPU、内存控制器、I/O接口等。它是否会介绍一些经典的计算机体系结构,并分析其中的数字设计思想?例如,RISC与CISC架构的对比,流水线(pipeline)技术是如何提高指令执行效率的,缓存(cache)机制是如何减少内存访问延迟的。在具体的设计实践方面,我期待书中能够提供关于如何使用硬件描述语言(HDL)进行模块化设计的指导,例如Verilog或VHDL的语法和语义,以及如何利用层次化和参数化等技术来提高代码的可重用性和可维护性。我还会仔细阅读关于如何进行逻辑综合(logic synthesis)的部分,了解综合工具是如何将HDL代码转换为门级网表的,以及在综合过程中需要注意的一些关键参数和约束。此外,如果书中能够对FPGA(现场可编程门阵列)和ASIC(专用集成电路)这两种不同的实现平台进行比较,并介绍它们在数字设计中的不同应用场景和设计考量,那将是极具价值的信息。

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The first book I bought in UK, a bloody good one.

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