数字电路硬件设计实践

数字电路硬件设计实践 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:
作者:贾秀美
出品人:
页数:201
译者:
出版时间:2008-12
价格:16.70元
装帧:
isbn号码:9787040249385
丛书系列:
图书标签:
  • 数电
  • 数字电路
  • 硬件设计
  • 实践
  • FPGA
  • Verilog
  • VHDL
  • 电路设计
  • 电子工程
  • 嵌入式系统
  • 数字逻辑
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具体描述

《数字电路硬件设计实践》分为数字电路逻辑设计实验和可编程逻辑器件设计实验两部分内容。在数字电路逻辑设计部分,安排了基本逻辑门功能与参数测试、组合电路的分析及设计、时序电路的分析及设计、中规模集成器件的应用设计实验,以及综合设计性实验和课程设计等内容。在可编程逻辑器件设计部分,安排了EDA开发工具的使用、原理图输入设计方法、VHDL文本输入设计方法的组合及时序电路实验,以及综合性实验和课程设计等内容。

《数字电路硬件设计实践》可作为大学本科和专科院校自动化、测控、计算机、通信、电子工程类专业的实验教材。

深入理解嵌入式系统:从硬件到软件的全面解析 本书旨在为读者提供一个系统、深入的学习路径,以掌握现代嵌入式系统的设计、实现与应用。我们不聚焦于传统的数字逻辑门电路层面,而是将目光投向一个更宏大、更实用的领域——如何将硬件资源有效地组织起来,并赋予其执行复杂任务的“灵魂”。 第一部分:嵌入式系统基础架构与微控制器选型 本部分将奠定读者对嵌入式系统整体架构的认知基础。 第一章:嵌入式系统概览与核心概念 本章将界定嵌入式系统的范畴,区分它们与通用计算机系统的本质区别。我们将探讨嵌入式系统的三大核心要素:微处理器(或微控制器)、特定的应用需求以及软件的实时性要求。内容涵盖了嵌入式系统的发展历程、典型应用领域(如物联网设备、工业控制、消费电子)及其面临的关键挑战,例如功耗约束、成本控制和环境适应性。此外,还会详细介绍冯·诺依曼结构与哈佛结构的现代变体在嵌入式处理器中的应用优势与权衡。 第二章:微控制器(MCU)的精细剖析 我们将聚焦于当前主流的微控制器家族,如ARM Cortex-M系列、RISC-V架构以及部分高性能的PIC系列。本章会深入讲解MCU的内部结构,包括CPU内核、存储器层次(SRAM, Flash, EEPROM)、总线结构(如AHB, APB)及其互联机制。重点分析中断控制器(NVIC)的工作原理、优先级配置和上下文切换过程,这对于实现系统的高效响应至关重要。我们还将比较不同存储器类型的访问时序、耐久性及其在嵌入式程序存储中的作用。 第三章:系统级时钟、复位与电源管理 一个稳定运行的嵌入式系统离不开精确的时序控制和高效的电源策略。本章详细解析了系统时钟树的设计,包括内部振荡器、外部晶振的选择、锁相环(PLL)的配置以及时钟域隔离技术。在复位部分,将讲解看门狗定时器(WDT)在保证系统可靠性方面的作用,以及冷启动、热启动和电源域重置的流程。电源管理是嵌入式设备续航的关键,本章会深入讲解低功耗模式(如睡眠、深度休眠),以及如何通过时钟门控和动态电压频率调节(DVFS)来优化能耗。 第二部分:系统级外设驱动与通信协议 掌握如何与外部世界交互是嵌入式系统的核心能力。本部分侧重于对关键外设的底层理解和编程实现。 第四章:通用输入/输出(GPIO)与中断驱动编程 GPIO不仅是简单的输入输出引脚,其内部寄存器配置(模式、速度、上下拉电阻)直接影响到信号的完整性和功耗。本章将详细介绍如何配置GPIO以支持不同的电气特性,并深入讲解外部中断的触发机制、去抖动技术以及如何编写高效的中断服务程序(ISR),强调ISR中应避免的耗时操作。 第五章:定时器、脉冲宽度调制(PWM)与模数转换(ADC) 定时器是嵌入式系统实现时间基准和事件计数的基石。我们将分析不同模式下的定时器操作,如输入捕获、输出比较,并详述如何利用它们生成精确的PWM信号以控制电机速度或亮度。ADC部分则聚焦于采样定理、量化误差、参考电压的选择,以及连续转换与单次转换模式的编程实现,确保数据采集的准确性。 第六章:串行通信接口深度解析 本章将覆盖嵌入式系统中最常用的异步和同步通信协议。 UART/USART: 讲解波特率的计算、奇偶校验、数据帧格式及其在调试和设备间通信中的应用。 SPI(Serial Peripheral Interface): 深入探讨主/从模式、时钟极性与相位(CPOL/CPHA)的四种模式,以及如何实现多设备片选(CS)控制。 I²C(Inter-Integrated Circuit): 详细解析两线总线的工作机制、起始/停止条件、地址仲裁和数据传输的握手过程,重点关注多主控环境下的冲突解决。 第七章:总线与高速数据传输(CAN/Ethernet 基础) 对于需要更高带宽或更强抗干扰能力的应用,CAN(Controller Area Network)和以太网是关键。CAN部分将侧重于报文格式、仲裁机制及其在汽车电子和工业现场总线中的可靠性优势。对于简单的嵌入式以太网应用,本章将介绍MAC层和PHY层的基本概念,以及如何配置内置的以太网控制器(如MAC寄存器操作的基础)。 第三部分:实时操作系统(RTOS)与任务管理 现代复杂的嵌入式应用往往需要并发处理和严格的时间约束,这使得实时操作系统成为必需品。 第八章:RTOS核心原理与任务调度 本章系统地引入RTOS的概念,解释其与普通多任务操作系统的区别,强调确定性和可预测性。我们将深入分析常见的调度算法,如固定优先级抢占式、轮转调度、优先级继承(Priority Inheritance)和优先级天花板(Priority Ceiling)协议,并探讨这些机制如何解决优先级反转问题。 第九章:进程间通信(IPC)与同步机制 有效管理共享资源是RTOS编程的难点。本章详细介绍RTOS提供的同步原语,包括互斥量(Mutex)、信号量(Semaphore,计数型与二进制型)、消息队列(Message Queue)和事件标志组(Event Flags)。针对每个机制,我们将通过实际案例分析其适用场景、潜在的死锁风险及其规避方法。 第十章:内存管理与系统初始化 本章探讨RTOS下的内存分配策略,如固定大小内存池与动态内存堆栈管理。此外,我们将梳理嵌入式系统的启动流程,从硬件复位到内核初始化,再到第一个用户任务的创建和调度器的启动,构建一个完整的系统运行视图。 第四部分:系统可靠性、调试与固件升级 本部分关注如何确保系统在实际部署中的稳定性和可维护性。 第十一章:嵌入式系统调试技术 调试是嵌入式开发中耗时最长的环节。本章介绍从基础的串口调试(printf重定向)到高级的硬件级调试工具(JTAG/SWD)。重点讲解调试器(如OpenOCD, Segger J-Link)的工作原理、断点设置、内存/寄存器观察,以及如何利用示波器和逻辑分析仪辅助定位时序和信号完整性问题。 第十二章:固件空中下载(OTA)与存储安全 随着物联网设备的普及,远程固件更新成为标准需求。本章将探讨OTA机制的设计模式(如双备份分区 A/B 方案)、更新包的完整性校验(CRC/哈希)以及安全引导(Secure Boot)的基本概念,确保更新过程的原子性和安全性。 通过对以上四个层面的深入学习与实践,读者将能够独立完成复杂、高可靠性嵌入式系统的软硬件协同设计与开发工作。

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一本厚重的技术书籍,封面设计简洁明了,正如书名所传达的核心——“数字电路硬件设计实践”。翻开扉页,扑面而来的是一种踏实的工程师气息,没有花哨的理论堆砌,而是直奔主题,仿佛一位经验丰富的前辈,正循循善诱地引导着初学者一步步走进数字电路的世界。开篇便详细阐述了数字电路设计的基本概念,从最基础的逻辑门,到更复杂的组合逻辑和时序逻辑,作者都用清晰易懂的语言进行了解释,并配以大量的图示和真值表,让抽象的概念变得具象化。随后,书中深入探讨了集成电路(IC)的设计流程,从需求分析、逻辑设计、电路实现,再到仿真验证、物理设计和流片制造,每一个环节都进行了详尽的剖析。特别值得一提的是,作者在讲解过程中,引入了许多实际项目案例,比如一个小型的微处理器设计,或者一个数据采集系统。这些案例不仅展示了理论知识在实际应用中的落地,也让读者在解决实际问题的过程中,学习到如何运用设计工具,如何进行代码编写(比如Verilog或VHDL),以及如何调试和优化设计。书中对EDA(Electronic Design Automation)工具的使用也做了详细的介绍,包括常用工具的功能、操作流程以及一些高级技巧,这对于初学者来说无疑是宝贵的财富,能够大大缩短学习曲线,尽快上手实际设计工作。书中对各种设计约束的理解和处理,以及如何平衡性能、功耗和面积,这些在实际工程中至关重要的问题,也得到了充分的讨论,让读者能够更全面地认识到硬件设计的挑战与魅力。

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这本书给我带来的不仅仅是知识的增长,更是一种思维方式的转变。它让我意识到,数字电路设计并非一门孤立的学科,而是需要与计算机体系结构、操作系统,甚至软件开发紧密结合的。书中从最底层的逻辑门开始,循序渐进地构建起复杂的数字系统,让我对“硬件”有了更深刻的理解。对于组合逻辑和时序逻辑的设计,作者提供了非常清晰的讲解,并辅以大量的图表和实例,让抽象的概念变得易于理解。书中对微处理器核心的设计流程进行了详尽的阐述,从指令集架构到流水线的设计,再到缓存的引入,都进行了深入的分析,让我对现代计算机的底层结构有了全新的认识。作者还着重讲解了硬件描述语言(HDL),特别是Verilog,从基础语法到高级建模技巧,都提供了大量的实战代码和讲解,让我能够快速掌握将设计思路转化为可执行代码的能力。书中对FPGA平台的介绍和应用也非常全面,从FPGA的内部架构到开发流程,再到实际的应用案例,都提供了丰富的指导。让我印象深刻的是,书中还讨论了 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)的设计流程,让我对不同类型集成电路的设计特点有了更深入的了解。此外,书中对性能优化、功耗管理和信号完整性等工程实践中的关键问题也进行了探讨,让我能够更全面地认识到硬件设计的挑战与乐趣。

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这本书如同一个引路人,把我从数字电路的迷雾中带了出来,让我看到了清晰的设计路径。它没有一开始就抛出艰深的理论,而是从最基本的逻辑门和布尔代数入手,将数字信号的本质和运算方式娓娓道来。随后,书中非常系统地介绍了组合逻辑和时序逻辑电路的设计方法,并对各种常用电路单元,如加法器、译码器、多路选择器、寄存器、计数器等,进行了深入的剖析,讲解了它们的原理、结构以及在实际应用中的优缺点。让我耳目一新的是,书中对CPLD/FPGA的内部架构和设计流程进行了详尽的阐述,从概念理解到实际操作,为读者打开了通往硬件编程世界的大门。作者非常巧妙地将Verilog HDL语言融入到整个设计过程中,从基础语法到模块实例化,再到行为级和结构级建模,都提供了大量贴合实际的示例代码,让读者能够边学边练,快速掌握硬件描述语言。书中对各种设计约束,如时序约束、功耗约束和面积约束,都进行了详细的解释和讨论,并提供了实用的优化策略。这让我深刻体会到,在实际的硬件设计中,仅仅实现功能是远远不够的,还需要在性能、功耗和成本之间进行权衡,找到最佳的设计方案。总的来说,这本书为我提供了一个扎实而全面的数字电路硬件设计基础,让我对未来的深入学习和实践充满了信心。

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一本真正将理论与实践深度结合的书籍,让我对数字电路的理解不再停留在概念层面,而是真正走进了“制造”的世界。它从最基础的逻辑门开关特性讲起,一步步搭建起复杂的数字系统。书中对组合逻辑和时序逻辑的讲解非常到位,不仅阐述了原理,还提供了大量的电路图和时序图,让我能够直观地理解信号的传递和状态的演变。让我印象深刻的是,书中对微处理器架构的讲解,从指令集设计,到流水线技术,再到内存管理,都进行了由浅入深的剖析,让我对计算机硬件的内部运作有了更深刻的认识。作者还重点介绍了硬件描述语言(HDL),特别是Verilog,从基本的语法结构到复杂的时序控制,都提供了清晰的示例代码和讲解,让我能够快速上手进行硬件设计。书中对FPGA平台的介绍和应用也占据了相当大的比重,包括FPGA的内部资源、开发流程以及如何利用FPGA实现各种功能模块。这些内容对于希望将设计想法转化为实际硬件的读者来说,无疑是宝贵的财富。书中对仿真和验证的重视程度也让我受益匪浅,理解了如何通过仿真来发现和修复设计中的错误,确保设计的正确性。此外,书中对功耗和面积的优化方法也进行了讨论,让我认识到在实际工程设计中,这些因素同样至关重要。

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读完这本书,我仿佛经历了一场数字世界的奇妙冒险。它不是那种晦涩难懂的理论教材,而是更像一本实践指南,将复杂的数字电路设计过程层层剥茧,化繁为简。开篇就以非常直观的方式介绍了最基础的逻辑门电路,甚至可以追溯到晶体管级别的开关特性,这为理解后续的内容打下了坚实的基础。书中对组合逻辑和时序逻辑的设计方法进行了细致的讲解,从原理到实现,再到不同类型的触发器和寄存器的应用,都配有大量清晰的图例和清晰的逻辑表达式。让我印象深刻的是,作者在讲解FPGA(Field-Programmable Gate Array)设计方面投入了大量的篇幅,详细介绍了FPGA的架构、内部组成以及如何利用它来实现各种复杂的数字功能。从简单的LED闪烁程序,到稍微复杂的数据处理单元,再到最后构建一个简单的RISC-V处理器核心,这些案例的梯度设计非常合理,能够逐步提升读者的设计能力。作者还详细介绍了Verilog HDL语言的使用,从基本语法到高级建模技巧,都讲解得非常到位,并提供了大量实用的代码示例。更重要的是,书中还穿插了大量的工程实践建议,比如如何进行模块化设计,如何进行时序分析和约束,以及如何进行仿真和调试。这些内容对于初学者来说,是直接弥足珍贵的经验之谈,能够避免走很多弯路。它让我明白,硬件设计不仅仅是写代码,更是一门关于系统构建、逻辑优化和性能权衡的艺术。

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