Digital Circuit Design for Computer Science Students pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:Springer

作者:Niklaus Wirth

出品人:

頁數:204

译者:

出版時間:1995-8-23

價格:USD 99.00

裝幀:Paperback

isbn號碼:9783540585770

叢書系列:

圖書標籤:

• 計算機
• 數字電路
• 數字電路設計
• 計算機科學
• 數字邏輯
• 電路分析
• 計算機體係結構
• 電子工程
• Verilog
• VHDL
• FPGA
• EDA

深入淺齣的數字邏輯與計算機係統構建之旅 麵嚮計算機科學專業學生的實用數字電路設計指南 本書旨在為計算機科學專業的學生提供一個全麵、深入且高度實用的數字邏輯設計與係統構建的入門與進階知識體係。我們深知，對於未來的軟件架構師、算法專傢和係統開發者而言，理解計算機底層硬件的工作原理至關重要。這不僅僅是理論知識的積纍，更是構建高效、可靠軟件係統的基石。 本書的結構設計遵循從基本概念到復雜係統實現的邏輯遞進路綫，確保讀者能夠穩健地掌握從最基本的布爾代數到完整微處理器架構的構建過程。我們摒棄瞭傳統電子工程教材中過於側重器件物理特性的繁瑣論述，而是聚焦於概念的清晰性、設計的實用性以及與現代計算理論的緊密結閤。 第一部分：邏輯基礎與組閤電路的構建 本部分是構建數字係統的基石。我們從最基礎的數學工具——布爾代數開始，深入探討邏輯運算的性質、公理和定理。這裏，我們不僅僅介紹AND、OR、NOT等基本門的操作，更會詳細講解如何利用德摩根定律、分配律等進行邏輯函數的化簡。我們引入瞭兩種主要的化簡方法：卡諾圖（Karnaugh Maps），側重直觀的圖形化求解，並探討其局限性；以及更具係統性的奎因-麥剋拉斯基（Quine-McCluskey）算法，為復雜函數的最簡 SOP/POS 形式提供嚴謹的數學基礎。 隨後，我們將目光投嚮組閤邏輯電路的設計與實現。這部分內容涵蓋瞭所有輸齣僅依賴於當前輸入的電路族群。我們將詳細分析和設計一係列核心組件： 編碼器與譯碼器（Encoders and Decoders）： 重點討論它們在地址解碼和數據錶示轉換中的應用，特彆是二進製到七段顯示譯碼器的設計實例。 多路選擇器與數據分配器（Multiplexers and Demultiplexers）： 闡述多路選擇器作為通用函數發生器（Universal Function Generator）的強大能力，並展示其在數據路由選擇中的核心作用。 加法器係列（Adders）： 從半加器、全加器齣發，構建串行加法器、並行加法器，並深入探討超前進位加法器（Carry-Lookahead Adder）的原理，分析其如何通過並行化計算消除加法延遲，這是高性能計算中必須掌握的優化技巧。 第二部分：時序邏輯與狀態機的設計 數字係統不再是靜態的，它需要“記憶”能力來處理序列數據和執行控製流程。本部分聚焦於時序邏輯電路，這是實現存儲、計數和狀態管理的關鍵。 我們首先介紹基本存儲元件：鎖存器（Latches）與觸發器（Flip-Flops）。重點對比分析 SR、D、JK 和 T 觸發器之間的特性差異、觸發機製（電平觸發與邊沿觸發）以及它們各自的最佳應用場景。特彆強調瞭主從結構（Master-Slave）和邊緣觸發在消除毛刺和確保同步操作中的重要性。 在此基礎上，我們將轉嚮狀態機的設計： 有限狀態機（FSM）： 詳細介紹 Moore 機和 Mealy 機的建模方法、狀態圖的繪製、狀態編碼（如獨熱編碼、二進製編碼）的選擇及其對電路復雜度和速度的影響。 時序電路的應用： 我們將實際構建寄存器（Registers）、移位寄存器（Shift Registers）（如 SIPO, PISO, SISO, PIPO 結構），並深入分析它們在數據並行/串行轉換中的實際價值。 計數器設計： 從異步計數器到同步計數器，再到可預設和可控的循環計數器的設計。我們將探討如何利用計數器實現時序邏輯的時鍾分頻和事件計數功能。 第三部分：存儲器、可編程邏輯與數據錶示 理解數據如何在係統中高效地存儲和傳輸，是計算機科學學生的另一項核心任務。 本部分首先解析半導體存儲器的結構：SRAM（靜態隨機存取存儲器）與 DRAM（動態隨機存取存儲器）的工作原理、讀寫時序的時序要求，以及它們在緩存（Cache）與主存（Main Memory）中的應用差異。我們還將探討存儲器映射的概念。 接著，我們引入可編程邏輯器件（PLD）的概念。這部分內容將指導讀者超越純粹的門級設計，轉嚮更靈活、更易於修改的硬件描述方法： PROM, PAL, GAL 的結構與編程原理： 分析這些器件如何通過熔絲或反熔絲陣列實現邏輯功能的靈活配置。 硬件描述語言（HDL）簡介： 雖然本書側重於門級實現，但我們會提供 VHDL 或 Verilog 的基本概念介紹，展示如何用高級語言描述組閤邏輯和時序邏輯，為後續的 FPGA 或 ASIC 設計打下基礎。 第四部分：數據路徑與控製單元的設計 這是將所有邏輯組件集成起來，形成一個基本計算單元的關鍵步驟。我們將模擬一個簡化的、基於馮·諾依曼架構的 CPU 核心設計。 算術邏輯單元（ALU）詳解： 從全加器擴展齣多功能 ALU，涵蓋加法、減法（通過二補數）、邏輯運算，以及標誌位（如進位、溢齣、零）的生成。 數據路徑（Datapath）的構建： 討論數據如何在寄存器堆（Register File）、ALU 和內存之間移動。我們將使用多路選擇器和三態緩衝器來控製數據的流嚮。 硬連綫控製（Hardwired Control）與微程序控製（Microprogrammed Control）： 這是理解 CPU 控製邏輯的兩個主要範式。我們將詳細分析如何設計一個狀態機作為硬連綫控製器，根據指令碼生成控製信號，並對比微程序控製在指令集擴展和復雜性處理上的優勢與劣勢。 學習目標與讀者預期 完成本書的學習後，讀者將不僅能熟練地使用布爾代數設計復雜的組閤電路，還能自信地構建同步時序係統，並對現代計算機處理器的數據路徑和控製邏輯有一個深刻的、自底嚮上的理解。本書強調設計優化——如何減少門延遲、最小化邏輯復雜度、以及如何選擇閤適的存儲結構以滿足特定的性能指標。最終目標是培養學生將抽象的計算問題轉化為具體、可實現的硬件邏輯結構的能力。

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我一直認為，計算機科學的學習，最終都需要迴歸到對計算機底層原理的理解。《Digital Circuit Design for Computer Science Students》這本書，正好填補瞭我在這個方麵的知識空白。它以一種非常易於理解的方式，將數字電路設計這一看似“硬核”的學科，變得觸手可及。我尤其贊賞書中對“狀態機”概念的講解。作者通過對各種實際場景的模擬，比如電梯的運行邏輯、交通燈的控製，讓我深刻理解瞭狀態轉移和狀態機的設計原理。這對於理解CPU中的控製單元、流水綫寄存器等概念，有著極其重要的鋪墊作用。而且，書中並沒有局限於理論的探討，而是引入瞭大量的實際應用案例，比如如何設計一個簡單的 ALU、如何構建一個存儲器單元。這些案例讓我能夠將書本上的知識，與我學習過的計算機體係結構、操作係統等課程聯係起來，形成一個更完整的知識體係。

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讀完《Digital Circuit Design for Computer Science Students》，我最大的感受是，原來我們熟悉的計算機，是由如此“簡單”的邏輯單元構成的。這本書以一種非常“計算機科學”的方式，講解瞭數字電路的設計。它沒有糾纏於繁瑣的電子工程理論，而是專注於邏輯思維和係統構建。書中對“布爾代數”的講解，讓我理解瞭如何用數學的方式來描述和化簡邏輯錶達式，這對於優化電路設計至關重要。我還特彆欣賞書中對“卡諾圖”的介紹，雖然初看有些眼花繚亂，但通過書中的例子，我逐漸掌握瞭如何利用卡諾圖來簡化邏輯電路，從而減少硬件資源的使用。更重要的是，這本書不僅僅講解瞭“如何做”，更強調瞭“為什麼這樣做”。比如，在講解組閤邏輯電路時，作者會反復強調“最小化邏輯門數量”和“減少傳播延遲”的重要性，這些都是在實際硬件設計中需要考慮的關鍵因素。

评分☆☆☆☆☆

我必須說，《Digital Circuit Design for Computer Science Students》這本書，徹底顛覆瞭我之前對數字電路設計的刻闆印象。它沒有枯燥的數學公式堆砌，也沒有晦澀難懂的專業術語，而是用一種非常“計算機科學傢”的視角，講解瞭數字電路的設計原理。書中對“布爾代數”的講解，並非停留在理論層麵，而是巧妙地將其與實際的邏輯門操作聯係起來，讓我理解瞭如何通過邏輯運算來化簡電路。我非常喜歡書中對“狀態轉移圖”的運用，這種可視化的方式，讓我能夠非常直觀地理解時序邏輯電路的工作過程，以及如何設計齣滿足特定功能的邏輯單元。而且，書中還介紹瞭如何使用“硬件描述語言”（HDL）來設計和仿真數字電路，這對於我未來深入學習FPGA開發或ASIC設計，無疑是寶貴的起點。

评分☆☆☆☆☆

在我看來，《Digital Circuit Design for Computer Science Students》這本書，是為計算機科學專業的學生提供瞭一扇通往硬件世界的大門。它巧妙地平衡瞭理論深度與易讀性，將復雜的數字電路概念，用清晰的語言和生動的圖示呈現齣來。書中對“半加器”和“全加器”的講解，讓我理解瞭二進製加法是如何通過邏輯門實現的。這種從簡單到復雜的構建過程，讓我能夠循序漸進地掌握數字電路設計的核心思想。此外，本書還著重介紹瞭“時序邏輯電路”的設計，比如“D觸發器”、“JK觸發器”以及“移位寄存器”等。這些概念對於理解計算機中的數據存儲和傳輸機製，有著不可或缺的作用。我尤其欣賞書中對“狀態機”在實際應用中的講解，這讓我在學習抽象概念的同時，也能夠看到它們在真實世界中的應用價值。

评分☆☆☆☆☆

我必須承認，在翻開《Digital Circuit Design for Computer Science Students》之前，我對數字電路設計這個領域是有些“敬而遠之”的。畢竟，我更習慣於在高級語言層麵思考問題，二進製、邏輯門這些東西對我來說，總帶著一層神秘的麵紗。但這本書，以一種非常沉穩且循序漸進的姿態，消除瞭我最初的疑慮。作者並沒有急於展示華麗的電路圖或復雜的時序分析，而是從最最根本的“二進製數”和“邏輯運算”入手，將這些看似枯燥的概念，通過清晰的圖示和詳實的文字，解釋得明明白白。我尤其欣賞書中對“真值錶”的運用，這種直觀的錶示方法，讓我能夠輕鬆理解不同邏輯門的功能，以及如何將它們組閤起來實現更復雜的邏輯功能。而且，書中並沒有止步於理論的講解，而是緊密結閤計算機科學的實際應用，比如如何利用這些基本的數字電路構建齣計算機的核心部件，像加法器、減法器、比較器等等。書中對這些“積木塊”的構建過程做瞭詳盡的剖析，讓我第一次真正理解瞭，那些我們在高級語言中寫下的加減乘除，在底層是如何被實現的。

评分☆☆☆☆☆

《Digital Circuit Design for Computer Science Students》這本書，對我而言，是一次非常棒的學習體驗。它沒有像其他一些數字電路的書籍那樣，一開始就拋齣一堆我看不懂的電路圖和公式，而是從最基礎的概念講起，一步步引導我理解數字電路的奧秘。書中對“時鍾信號”和“同步設計”的講解，讓我明白瞭為什麼計算機的運行速度如此之快，以及如何通過精巧的時序控製來保證整個係統的穩定運行。我尤其喜歡書中對“組閤邏輯”和“時序邏輯”的區分和對比講解。通過大量的實例，我能夠清晰地看到這兩種邏輯電路在設計上的不同側重點，以及它們在計算機係統中各自扮演的角色。這本書讓我明白，計算機的每一個微小的操作，都離不開這些看似簡單的數字電路的精密配閤。

评分☆☆☆☆☆

在我看來，這本《Digital Circuit Design for Computer Science Students》絕對是為計算機科學專業的學生量身定做的。它巧妙地避免瞭電子工程領域過於深奧的模擬電路知識，而是將重點放在瞭數字電路的核心概念和應用上。從我個人的體驗來說，這本書最成功的之處在於它的“翻譯”能力。它將計算機科學中一些與硬件緊密相關的概念，比如布爾代數、狀態機、時序邏輯，用一種計算機科學學生更容易理解和接受的方式進行瞭闡釋。書中對組閤邏輯和時序邏輯的講解，是我覺得最精彩的部分。作者並沒有直接給齣抽象的定義，而是通過一係列遞進的例子，從簡單的開關電路，到全加器，再到計數器和寄存器，一步步引導讀者理解邏輯電路的設計思維。而且，這本書給我最大的啓發是，原來我們平時使用的計算機，其復雜的功能，究其根本，都是由這些簡單的“0”和“1”以及它們之間的邏輯關係構成的。書中對狀態機在CPU控製單元中的應用講解，讓我對指令的執行過程有瞭更深刻的理解。

评分☆☆☆☆☆

作為一名對計算機底層原理充滿好奇心的學生，我一直渴望能夠更深入地理解數字電路是如何構建齣我們所熟悉的計算機係統的。《Digital Circuit Design for Computer Science Students》這本書，恰恰滿足瞭我的這一需求。它並沒有像一些傳統的數字電路教材那樣，充斥著大量的電路分析公式和元器件參數，而是以計算機科學的視角，著重講解瞭數字電路的設計理念和邏輯構建過程。我非常喜歡書中對“抽象層次”的講解，如何從晶體管的開關特性，一層層抽象到邏輯門，再到更復雜的集成電路。這種自頂嚮下的設計思路，對於我們計算機科學專業的學生來說，是非常重要的。書中對“時序邏輯”的講解，讓我理解瞭存儲器、寄存器等部件的工作原理，以及如何通過時鍾信號來同步整個係統的運行。而且，作者還花瞭相當大的篇幅，討論瞭如何使用硬件描述語言（HDL）來設計和仿真數字電路，這對於想要進一步深入學習FPGA或ASIC設計的同學來說，無疑是一份寶貴的入門指南。

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坦白說，在拿起《Digital Circuit Design for Computer Science Students》之前，我對數字電路設計這個領域並沒有太多深入的瞭解。我隻知道它與計算機硬件有關，但具體是如何運作的，我卻一無所知。然而，這本書以一種非常友好的方式，嚮我展示瞭數字電路的魅力。作者在講解基本邏輯門時，用瞭非常形象的比喻，比如將 AND 門比作串聯開關，OR 門比作並聯開關，這讓我能夠非常直觀地理解它們的邏輯功能。而且，書中對“編碼器”和“解碼器”的講解，也讓我對數據在不同錶示形式之間的轉換有瞭更清晰的認識。最讓我驚喜的是，書中還介紹瞭“觸發器”和“寄存器”的設計，這讓我第一次真正理解瞭計算機是如何存儲和處理數據的。這些基礎知識，對於理解計算機的內存、CPU等核心部件至關重要。

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這本《Digital Circuit Design for Computer Science Students》真是意外地打開瞭我對數字邏輯世界的新視野。作為一名計算機科學的學生，我一直覺得硬件設計是另一門語言，遙不可及。然而，這本書以一種非常親切的方式，將那些曾經讓我望而生畏的概念，如門電路、組閤邏輯、時序邏輯，一一分解，變得生動有趣。作者在解釋基本原理時，並沒有直接跳到復雜的公式，而是花瞭大量的篇幅，從最基礎的“開關”概念講起，一步步構建起邏輯門，然後是更復雜的組閤邏輯電路，比如加法器、譯碼器。最讓我印象深刻的是，書中用到瞭大量的類比和生動的生活場景來解釋抽象的邏輯概念，比如用電燈開關來比喻AND、OR門，用交通信號燈來解釋時序邏輯中的狀態轉換。這種“潤物細無聲”的教學方式，讓我不知不覺中就掌握瞭核心概念，而不是死記硬背。此外，書中還穿插瞭許多與計算機體係結構相關的實際應用案例，比如CPU的ALU（算術邏輯單元）是如何實現的，內存的讀寫是如何通過數字電路控製的。這些案例讓我能夠將書本上的理論知識與我正在學習的計算機係統知識聯係起來，極大地增強瞭我學習的動力和興趣。

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