计算机电路基础

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出版者:人民邮电出版社
作者:耿壮
出品人:
页数:215
译者:
出版时间:2005-8
价格:20.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787115133427
丛书系列:
图书标签:
  • 电路基础
  • 模拟电路
  • 数字电路
  • 电子技术
  • 计算机硬件
  • 电路分析
  • 基础电子学
  • 电路原理
  • 电子工程
  • 高等教育
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具体描述

《计算机电路基础》对电路分析、模拟电路和数字电路的内容进行精选和重组,使其更适合于计算机专业的教学需求。电路分析部分以直流电路为主,介绍理想元器件、KCL、KVL基本定律和几种主要的分析方法,同时介绍正弦交流电路和一阶动态电路的基本知识;模拟电路部分仅对基本放大电路做概念性介绍,使学生建立起放大的概念并对放大电路有基本的了解;数字电路部分重点介绍逻辑代数、集成门电路、组合和时序电路的分析方法以及典型数字集成电路的应用。

《计算机电路基础》适合作为高职高专院校计算机及相关专业的教材,也可供相关的培训班使用。

深入探索现代信息技术的核心:《数字逻辑与电路设计实践》 简介 本书聚焦于数字世界运行的基石,旨在为读者提供一套全面、深入且高度实用的电子工程与计算机科学交叉领域的知识体系。 它并非对传统电路理论的简单复述,而是一部面向未来、强调应用和实践的深度指南。本书的核心目标是揭示现代电子设备——从微处理器到嵌入式系统——如何将抽象的逻辑指令转化为物理层面的电流信号,并最终实现复杂的功能。 第一部分:奠基——从物理实在到抽象逻辑 (约 350 字) 本部分首先为读者打下坚实的理论基础,但视角独特,着重于如何将这些基础知识转化为可设计、可验证的数字系统。 1. 半导体器件的工程视角: 我们将深入探讨晶体管(特别是MOSFET)作为开关的工作原理,但重点会放在其非理想特性对数字信号完整性的影响上。我们将分析阈值电压、亚阈值漏电流、以及栅极电容如何共同决定了逻辑门的延迟和功耗。这超越了高中物理的范畴,直接与CMOS电路的性能瓶颈挂钩。 2. 逻辑函数的数学与布尔代数: 传统的布尔代数介绍是必要的,但本书会迅速过渡到多值逻辑和模糊逻辑的初步概念,为高级优化和故障诊断做铺垫。我们将详细介绍卡诺图(Karnaugh Map)的高级应用,包括解决多输出逻辑的简化问题,并引入Quine-McCluskey算法的原理,探讨在自动化综合工具中,复杂逻辑表达式是如何被最小化的。 3. 组合逻辑模块的构建与分析: 从基本的门电路到多路复用器(MUX)、译码器(Decoder)和加法器(Adder)的构建,我们将采用自顶向下的设计方法。特别地,超前进位加法器(Carry-Lookahead Adder)的设计原理将被详尽解析,以展示如何通过牺牲硬件面积来换取速度的工程权衡。此外,本书将介绍竞争与冒险(Hazards)现象的识别、原因分析及其在实际门级电路中的消除技术。 第二部分:时序与状态——动态系统的构建 (约 400 字) 数字系统之所以强大,在于其存储和处理信息的能力,这完全依赖于对时间同步和状态维持的精确控制。本部分是理解CPU和存储器工作机制的关键。 1. 锁存器与触发器: 我们将区分电平敏感(Latch)和边沿敏感(Flip-Flop)器件的根本差异,并重点分析D触发器、JK触发器和T触发器的精确时序要求(建立时间 $t_{su}$ 和保持时间 $t_{h}$)。这些参数的微小偏差如何导致系统在不同频率下出现不可预测的行为,将被通过实际仿真案例来展示。 2. 时序电路的设计与分析: 状态机的设计是本部分的重头戏。我们将详细讲解有限状态机(FSM)的建模方法,包括Mealy型和Moore型机器的对比。重点将放在状态编码的技术上,如何使用Gray码或One-Hot编码来最小化反馈逻辑的复杂性和潜在的竞争延迟。 3. 同步与异步:时钟分布网络(Clock Distribution Network, CDN): 在高速系统中,时钟信号的同步至关重要。本书将引入时钟偏斜(Clock Skew)和时钟抖动(Jitter)的概念,并介绍如何使用H树形结构、自适应偏斜校正电路(ADCC)等技术来确保芯片内所有时序元件都能在精确的时间点切换。 4. 存储器的层次结构: 从SRAM(基于锁存器)和DRAM(基于电容)的基本单元结构,到寄存器堆(Register File)和Cache存储器的组织方式,我们将探讨速度、密度和成本之间的三重约束。 第三部分:系统级抽象与数据通路 (约 450 字) 本部分将读者的视野从离散的逻辑门提升到完整的处理单元,是理解计算机体系结构(Computer Architecture)的必备前奏。 1. 算术逻辑单元(ALU)的深入设计: 除了标准的加减法,本书将详细介绍乘法器的实现,对比 Booth 算法和阵列乘法器的性能差异。对除法器的讨论将侧重于迭代和非恢复性除法策略。我们将引入浮点运算的基础单元,包括指数和尾数的处理流程。 2. 数据通路(Datapath)的组织: 如何将ALU、寄存器和多路选择器连接起来形成一个功能模块?本书将以一个简化的、单周期RISC指令集处理器为例,清晰地展示指令的获取、译码、执行和写回四个阶段的数据流。 3. 控制单元的设计与实现: 控制单元是数据通路的“大脑”。我们将对比硬布线逻辑控制(使用复杂的组合逻辑实现状态机)和微编程控制(使用存储器存储控制序列)的优缺点。读者将学习如何从指令码中提取控制信号,驱动数据通路中的各个组件。 4. 接口与总线仲裁: 现代系统是多组件协作的结果。我们将探讨同步和异步数据传输协议(如握手协议),以及如何设计总线仲裁逻辑(如仲裁请求/授权)来管理多个主设备对共享资源的访问冲突。 第四部分:现代设计方法与物理实现考量 (约 300 字) 理论的终点是实践。本部分着眼于现代电子设计自动化(EDA)流程和集成电路的物理限制。 1. 硬件描述语言(HDL)的应用: 本书将使用 Verilog(或 VHDL,视具体版本而定)作为主要的描述工具。重点不在于语法学习,而在于如何用正确的、可综合的风格来描述硬件行为,区分过程块(`always`)与组合逻辑的正确写法,以及如何利用循环和条件语句来映射到硬件结构。 2. 时序分析与验证(Static Timing Analysis, STA): 介绍静态时序分析的基本原理,如何计算关键路径延迟,以及如何使用约束(Constraints)来指导布局布线工具。理解STA报告是验证设计是否满足速度要求的关键技能。 3. 功耗管理与低功耗设计基础: 随着芯片尺寸的缩小,功耗成为核心挑战。我们将分析动态功耗(开关功耗)和静态功耗(漏电流)的来源,并介绍诸如时钟门控(Clock Gating)、电源门控(Power Gating)等技术在系统级实现中的初步应用。 4. 可测试性设计(Design for Testability, DFT): 学习如何将测试结构集成到设计中,特别是扫描链(Scan Chain)的原理,确保制造出的芯片可以被高效地验证是否存在制造缺陷。 总结: 《数字逻辑与电路设计实践》是一本面向工程实现和系统思维的教材。它要求读者不仅理解“为什么”电路能工作,更要掌握“如何”设计出高性能、低功耗、且可制造的数字系统。全书以严谨的逻辑推演和大量的工程实例为支撑,是电子工程、计算机工程及相关交叉学科学生、研发工程师的必备参考资料。

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读后感

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我本来非常期待书中能有更多关于EDA工具和实际硬件描述语言(如Verilog或VHDL)的结合应用。毕竟,在当今的工程实践中,单纯地在纸面上设计和分析电路已经越来越少见了。然而,本书似乎执着于纯理论的探讨,对现代设计流程的介绍极为保守。书中花了大量的篇幅去推导布尔代数在不同逻辑门之间的转换,这固然是基础,但当涉及到如何将这些逻辑表达式转化为可综合的硬件描述代码,或者如何使用仿真工具验证设计的正确性时,内容便戛然而止了。举例来说,对于诸如“时钟域交叉”这种在实际FPGA设计中极其常见的难题,书中完全没有涉及,这使得我对书中所学知识的应用价值产生了深深的怀疑。如果这本书的目标是为未来的集成电路设计人员打下基础,那么它对实践工具链的“避而不谈”,无疑是留下了巨大的知识断层。读完之后,我感觉自己掌握了一堆古老的“拼图积木”,却不知道如何用它们来搭建一个现代的“乐高城堡”。

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最让我感到困惑的是这本书在对“数字系统”和“模拟电路”的边界处理上显得极其模糊和混乱。虽然标题是《计算机电路基础》,理应侧重数字逻辑,但书中似乎为了追求“全面”,强行插入了大量的晶体管偏置、负载匹配以及运放的基础知识。这些模拟电路的内容本身没有错,但它们被组织得非常零散,上下文衔接极差。比如,在讲解完D触发器的逻辑结构后,下一章突然转向了复杂的BJT推挽输出级的细节分析,然后又跳回了时序约束的讨论。这种跳跃感让读者很难形成一个系统化的知识框架。数字电路设计者需要的,是如何高效地利用标准的逻辑单元库,而不是精通单个PN结的电学特性。如果作者想写一本综合性的教材,那么应该有清晰的模块划分和过渡,明确告诉读者哪些是核心的数字内容,哪些是辅助的模拟背景。目前这种混合的、缺乏重点的叙述方式,使得这本书的定位非常尴尬:它既没有模拟电路书籍的深度,也缺乏数字电路书籍的专注性,最终给读者的感受是知识点散落一地,不成体系。

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这本书的语言风格,用一个词来形容就是“冷峻”——但不是那种严谨的学术冷峻,而是缺乏温度的机械性叙述。作者在解释概念时,几乎没有使用任何能够激发读者好奇心或建立知识联系的引导性语言。每一个定义、每一个定理都像是在一份官方文件的草稿中直接摘录出来的,干巴巴地摆在那里,要求读者自行去挖掘其背后的意义。例如,在介绍“竞争冒险”现象时,仅仅给出了一个抽象的时序图,却没有穿插一个生动的小故事或者一个具体的错误案例来解释“为什么”必须消除这种冒险,以及“在实际系统中”它会导致什么灾难性的后果。这种叙述方式极大地削弱了学习的趣味性。我常常需要反复阅读同一段话,尝试用不同的角度去解读作者想表达的真正意图,这极大地拖慢了我的学习进度,也让我对继续深入钻研下去产生了强烈的惰性。一本好的教材,应该像一位耐心的导师,引导学生一步步走入学科的殿堂,而不是像一份晦涩的法律条文,让学生在字里行间疲于奔命。

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这本书的排版和插图质量,直接影响了阅读体验,简直是灾难性的。打开书页,首先映入眼帘的是大量模糊不清、分辨率极低的电路图。那些本应清晰展示元器件连接关系和信号流向的示意图,被印刷得像用老式传真机扫描过一样,线条粗糙,文字标注难以辨认。特别是在介绍触发器和状态机的部分,当需要对照时序图和状态转换图时,因为图例的模糊不清,我不得不频繁地将书本凑到眼前,甚至需要借助放大镜才能勉强看清电阻或电容的数值标记。这种对视觉辅助材料的忽视,对于一门极其依赖图形化表达的学科来说,是不可原谅的疏忽。此外,书中对公式的排版也存在诸多不一致,有的公式使用宋体,有的却用了黑体,有些下标的字体大小也显得随意,让人在快速浏览时极易产生视觉疲劳和理解上的偏差。一本专业的教材,理应在细节之处体现出对读者的尊重,而这本《计算机电路基础》显然在这方面做得远远不够,让人不禁怀疑出版方在制作过程中是否经过了严格的校对。

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初次翻开这本《计算机电路基础》,我原本是满怀期待的,希望能对现代电子设备的心脏——那些微小的逻辑门和布线有一个深入的理解。然而,阅读的过程更像是一场在迷雾中摸索的旅程。书中对基础理论的阐述显得有些过于宏大而缺乏必要的落地细节。比如,在讨论CMOS反相器的工作原理时,作者似乎假设读者已经对半导体物理有了非常扎实的背景知识,直接跳跃到了复杂的跨导模型分析,却很少用直观的类比或图示来辅助理解那些晦涩的晶体管开关特性。我花了大量时间去查阅其他资料,才勉强拼凑出我对“阈值电压”和“亚阈值导通”的初步概念。更令人困惑的是,书中对时序逻辑和组合逻辑电路的区分,虽然概念清晰,但在实际电路设计案例的选取上,却显得有些陈旧和脱离实际。现代高速数字电路中至关重要的信号完整性、串扰效应等问题,几乎没有被提及,仿佛我们依然停留在上个世纪的低速系统设计阶段。总体而言,这本书更像是一本面向专业研究人员的参考手册的简化版,对于初学者来说,其陡峭的学习曲线和略显疏远的叙述方式,确实让人感到挫败。

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