世界第一简单数位电路 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　电机、电工、电信、资工、资科系……理工科必学！
　　工程师必修科目！

　　数位产品哪里来？
　　好想设计划时代的数位产品！
　　谁来教教我？！

　　掌握基本概念，
　　横扫顶尖科技大学、技职学校
　　与名校理工科系，
　　成为专业电机与资讯工程、数位产品研发人才！

　　教授教不会的数位电路，交给本书！
　　摆脱艰涩布林代数与数学式，
　　从基础的电路设计出发，
　　掌握原理，搞定高阶设计！

　　什么是数位电路，原理是什么？如何运作？
　　数位电路为何能取代类比电路？
　　如何设计「组合电路」？
　　什么是电路的「化简」？
　　数位电路设计的最新设计方法是什么？

　　从简单的电子骰子机器出发，熟悉数位电路原理，
　　总有一天，你也能创造自己的数位产品！
　　理工科学生一看到数位电路教科书就想睡吗？
　　想考电机相关科系，却读不懂数位电路专书吗？
　　生活在数位化的时代，你应该学习数位电路！

　　高阶的数位电路设计牵涉各领域的知识，包含逻辑学、代数……本书带你跳脱这些僵化框架，以图解说明，轻松掌握原理，不擅长数学的人也能学会数位电路！

　　数位产品如何制成、运作？类比电路与数位电路有何不同？数位电路的设计有哪些方法与规则？想考理工科系、想亲手设计电路、搞不定数学式而害怕数位电路的人，快翻开本书，打好基础，成为数位专家！

深入解析现代数位系统的基石：超越基础逻辑的系统设计与实现 图书名称： 深入解析现代数位系统的基石：超越基础逻辑的系统设计与实现 内容简介： 本书旨在为追求精深理解与实践能力的电子工程、计算机科学及相关领域读者提供一本全面而深入的数位电路设计与系统实现指南。我们不满足于停留在最基础的布尔代数和门级逻辑的层面，而是将视角聚焦于如何将这些基本单元构建成现代复杂数位系统的核心骨架。本书将带领读者穿越从概念、抽象到实际物理实现的完整设计流程，确保读者不仅知其然，更能深知其所以然。 本书的结构精心设计，分为四大核心模块，层层递进，覆盖了从理论到应用的广阔领域。 --- 第一部分：数位系统设计方法论与高级建模（The Advanced Design Methodology） 本部分是全书的理论基石，侧重于现代EDA（电子设计自动化）工具链支持下的系统级抽象和设计方法。我们首先探讨了硬件描述语言（HDL）在设计中的核心地位，并详细比较了Verilog和VHDL的范式差异及其在不同层次抽象（行为级、寄存器传输级RTL级）的应用。 重点内容包括： 1. RTL级建模的艺术与陷阱： 如何编写高效、可综合的RTL代码。我们将深入剖析同步电路与异步电路建模的细微差别，强调时序约束对设计质量的关键影响。 2. 高层次综合（HLS）的潜力与局限： 讨论如何使用C/C++等高级语言描述硬件，并通过HLS工具链生成优化的RTL代码。这部分不仅介绍工具使用，更侧重于如何调整算法和数据结构以适应硬件并行性，从而实现性能优化。 3. 设计验证的系统化方法： 传统的仿真已不足以应对现代SoC的复杂性。本书详述了形式验证（Formal Verification）的基本原理，包括等价性检查（Equivalence Checking）和模型检验（Model Checking），并介绍如何构建强大的验证平台（Testbench Architecture），特别是使用面向对象的验证方法论（UVM/OVM），以实现可重用和可扩展的验证环境。 --- 第二部分：核心功能模块的深度剖析与优化（Deep Dive into Core Functional Blocks） 在掌握了设计方法后，我们进入对数位系统中关键功能模块的精细化分析。这一部分的目标是理解这些模块的内部结构如何直接影响系统的整体性能、功耗和面积（PPA）。 1. 高性能算术逻辑单元（ALU）设计： 不仅限于加法器，本书深入探讨了快速乘法器（如Booth编码乘法器、Wallace树结构）和除法器的流水线化设计。重点分析了进位传播的瓶颈，并详细介绍了超前进位加法器（Carry Lookahead）和组传播逻辑在降低延迟方面的应用。 2. 高速数据通路与存储结构： 针对高速I/O和片上缓存的需求，我们详细解析了锁相环（PLL）和延迟锁定环（DLL）在时钟分配网络中的作用，及其对系统时序裕度的影响。在存储方面，重点讨论了SRAM和寄存器堆（Register File）的位线设计、读写操作的时序要求，以及如何通过多端口结构提升并发访问效率。 3. 状态机的高效实现： 有限状态机（FSM）是控制逻辑的核心。本书对比了米利（Mealy）型与穆尔（Moore）型状态机的优劣，并专注于编码优化——如何使用One-Hot或Gray编码来最小化组合逻辑的延迟，避免竞争冒险。 --- 第三部分：时序分析、功耗管理与物理实现（Timing, Power, and Physical Realization） 数位电路的性能最终受制于其物理实现。本部分将电路理论与半导体工艺紧密结合，强调时序收敛和低功耗设计是现代IC设计的两大核心挑战。 1. 高级时序分析（Static Timing Analysis, STA）： 摆脱简单的建立时间/保持时间概念，本书全面讲解了STA的流程，包括时钟树综合（CTS）对延迟偏差（Skew）和时钟抖动（Jitter）的影响。读者将学习如何分析和修复多周期路径、伪路径、以及跨时钟域（CDC）的同步问题。 2. 低功耗设计策略： 功耗分解为动态功耗和静态功耗。我们系统地介绍了动态功耗削减技术，如电压-频率调节（DVFS）和门控时钟（Clock Gating）。更重要的是，深入探讨了静态功耗的应对措施，包括多阈值电压（Multi-Vt）设计和电源门控（Power Gating）的结构实现与控制逻辑设计。 3. 物理设计流程概览： 简要概述了从门级网表到GDSII流片的完整流程，包括综合、布局规划（Floorplanning）、标准单元布局（Placement）、时序驱动的布线（Routing）以及最终的寄生参数提取（Extraction）和后仿真（Post-Layout Simulation），强调了物理约束对设计验证周期的反馈作用。 --- 第四部分：现代处理系统中的数位电路范例（Case Studies in Modern Processing Architectures） 为了将理论知识落地，本书最后两章提供了两个高复杂度、高实用性的数位系统案例分析。 1. 流水线处理器核心（Pipelined CPU Core）： 以一个简化的五级流水线（取指、译码、执行、访存、写回）为例，详细展示如何集成ALU、控制单元、寄存器堆和分支预测逻辑。重点解析了数据冒险和控制冒险的检测与消除机制（如转发/旁路网络和分支延迟槽）。 2. 高速通讯接口与数据转换： 分析了有限脉冲响应（FIR）滤波器的硬件加速实现，展示了如何通过并行化和流水线化来提高运算吞吐量。同时，探讨了模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）中关键的数位控制逻辑和校准电路的设计挑战。 本书特色： 本书采用“自底向上，又系统化向下驱动”的教学策略。它不满足于提供现成的电路图，而是力求在每一个复杂模块中，揭示其背后的性能权衡（Trade-offs）和工艺限制。通过大量的RTL代码片段、时序波形图和设计流程图示，确保读者能将理论知识无缝迁移到实际的FPGA或ASIC设计项目中，成为能够独立驾驭现代数位系统复杂性的专业工程师。 目标读者： 具有一定数位逻辑基础，希望深入理解高性能、低功耗数位系统设计原理和实现细节的研究生、资深电子工程师及寻求职业技能升级的硬件设计人员。

作者简介

天野英晴

　　1986年庆应义塾大学工学部电气工学专业修毕

现任：
　　庆应义塾大学理工学部情报工学科教授
　　工学博士

主要着作：
　　《边做边学电脑架构》合着（培风馆）
　　《可重组系统》合着（欧姆社）
　　《谁都能了解的数位电路》（欧姆社）
　　《适合数位设计人的电子电路》（日冕社）

审订者简介

阙志达

现职：
　　国立台湾大学电机系 教授

学历：
　　国立台湾大学电机系学士
　　美国加州理工学院电机系硕士、博士

经历：
　　国立台湾大学电机系副教授
　　国立台湾大学电子研究所所长
　　台湾积体电路设计学会理事长
　　国家实验研究院晶片系统设计中心主任

专业资格：
　　国际电机电子工程师学会 (IEEE) Fellow

译者简介

卫宫纮

　　清华大学原子科学院学士班在读中，平常喜爱沈浸在文字堆里打滚，对日本文化极感兴趣，听译过一些影集字幕翻译，也常和笔友做文章翻译交流。

　　译作《男人懂了这些更成功》。

前言

第1章
Column  数位IC   21
Column  FPGA    22
第1章名词解释 24

第2章   25
1 数位与类比　26
‧从类比电路到数位电路  26
‧类比和数位的概念  28
2 数位电路远胜类比电路的原因　33
‧逻辑电路是什么？   33
‧「逻辑闸」的基本原理  35
‧数位电路以数量决胜负！   37
‧数位电路为什么具有优势？   39
‧数位电路的设计很简单  44
布林代数是什么？   49
第2章  名词解释  52
Column 布林代数是什么？

第3章  53
1 真值表与MIL符号　54
‧多数决的数位电路  54
‧用L和H做真值表  58
‧MIL符号是什么？  64
‧激活L和激活H   68
‧第摩根定律  72
‧用MIL符号统整基本逻辑闸  75
2 制作多数决电路　78
‧对应真值表的电路（加法标准式的设计步骤） 79
Column  CMOS是什么？ 85
Column  MOS-FET的运作原理  88
第3章 名词解释  91

第4章  93
1 使用卡诺图　94
‧不必要的设计  94
‧卡诺图的读法  98
‧圈选1的群组  102
‧圈选的注意事项  106
‧加入中华料理呢？如果人数增加呢？ 108
2 Don’t Care　111
‧如何判断大月？ 111
‧十进数与二进数  114
‧判断大月的电路设计  118
‧Don’t care   120
3 多个输出端　124
‧输出端共通化  125
‧电子骰子显示器的电路设计  129
Column  加法电路与减法电路  137
第4章  名词解释  143

第5章  145
1 顺序电路是什么？　146
‧顺序电路是会记忆的电路  148
2 D正反器　153
‧正反器像跷跷板  153
‧D正反器与计时器  155
‧暂存器是什么？  167
3 电子骰子　‧171
‧电子骰子是一种顺序电路  171
‧（1）首先，画出状态变迁图  174
‧（2）将状态转换成二进数  177
‧（3）设计对应的组合电路  181
Column  正反器的结构  187
Column  各种正反器  190
第5章    名词解释  193

最后  用硬体描述语言，设计数位电路

索引

前言

　　电脑、智慧型手机、平板电脑……我们身边充满各种数位产品，连类比讯号（电路）的最后堡垒──电视机，也已经变成数位。为什么数位电路会变得如此发达？它利用什么原理运作？内部设计又是如何？这些问题本书皆以轻松的漫画解说，而不使用布林代数或是艰难的数学式与理论，让读者可以快速掌握数位电路的基本概念。

　　数位电路的世界只有0 与1，而称为「闸」的基本元件，只能做简单的动作。本书第1章将介绍常见的数位电路；第2章则解说为什么这样简单的数位电路会发展得如此迅速，进而取代传统的类比电路；第3章介绍透过输入数值决定输出数值的「组合电路」简单设计方法；而第4 章解说「化简」的方法。「化简」是大学数位电路课程中，极为重要的部分，教授会教导学生如何用布林代数转换数学式，但本书将以更易懂的方式来化简数学式，即使读者不擅长数学，也能享受设计电路的乐趣。第5章介绍储存元件和顺序电路的设计方法，最后，本书会介绍硬体描述语言HDL、高阶合成HLS等的最新设计方法。

　　数位电路的世界充满图表，例如：真值表、电路图、卡诺图、状态变迁图等，因此以文字叙述来解说数位电路，不如用「漫画」解说更合适。本书运用漫画的优点，以易于理解的方式写作，例举多个设计实例，深入解说元件的构造，再以column补充高水准、先进的知识与设计技术。不管读者是数位电路的初学者，还是主修其他领域、从事数位电路设计的专业人士，本书都能满足你的求知慾。

　　本书由目黑治负责作画，Office sawa的泽田佐和子负责制作，有他们的协助，我才能完成这本不同以往的数位电路专书，运用划时代的图像表现，具现数位电路的本质。感谢欧姆社给我执笔的机会，并给予我许多建言，在此致上深深谢意。

数位IC
 
IC（Integrated Circuit）是积体电路，亦即搭载许多电晶体的半导体。
 
本章介绍的IC位于黑色封装（package）内部，称为晶片。一般来说，IC多指安装在数位电路里面的数位IC，内部搭载许多电晶体。搭载超过数万个电晶体的IC，又称为LSI（Large Scale Integrated Circuit，大规模积体电路）。最近的LSI，晶片四周有非常细的接脚，置于封装组件中，再牢牢装于印刷电路板上。拆解手机等新型资讯科技产品，可看到LSI和其他组件一起搭载在小型的印刷电路板上。而且，令人惊讶的是，电路板上的晶片数量并不多，因为最近的LSI整合度※提高，使产品的功能只依靠少数LSI晶片。
 
五藻拆解的电子骰子所使用的数位IC，是只有数十个电晶体的小规模IC，组装在两侧拥有多只接脚的封装（DIP：Dual Inline Package，双插封装）中。1970 年代到1980 年代，DIP可以在日本秋叶原等地方买到，将DIP插入万用电路板（洞洞板），再焊接配线，制成数位电路，即是古老而优良的电子工程。现在除了教学，这种IC已经没有人在使用了，取而代之的是设计者能够自由改变内部功能的IC──PLD（Programmable Logic Device，可程式逻辑元件）。
 
PLD的同伴FPGA（Field Programmable Gate Array，场规划逻辑闸阵列）搭载了大规模且高速的数位电路，不但价格便宜且设计简单。FPGA的测试用电路板很容易买，晶片与晶片之间不需要焊接。现今，从事电子工程的相关人士都开始使用FPGA，可轻松制作功能强大的电子产品。另外，FPGA的数位电路直接封装在晶片中，所以不管五藻怎么拆解，也看不到里面的结构。本书的一开始，我们会先沉浸在古老而优良的电子工程世界，学习数位电路。不论是运用小型积体电路，还是运用最新型FPGA的电子工程，都通用本书介绍的数位电路原理。掌握此原理，即可运用最新技术的CAD（Computer Aided Design）电脑辅助设计软体和FPGA，制作自己喜欢的电路。
 
※整合度，指单一晶片所容纳的元件数量。

评分☆☆☆☆☆

哇！我最近入手一本《世界第一简单数位电路》，书名听起来就超吸引人，感觉像是为我这种对电子完全是门外汉的人量身定做的。我一直觉得数位电路什么的，听起来就很专业，好像跟我很遥远，但这本书的名字真的打破了我的刻板印象。拿到书的时候，翻了几页，里面的图文解说真的非常清晰，连我这种看半本说明书都会头痛的人，都觉得它讲得很有条理。它不是那种堆砌大量公式和专业术语的教科书，而是用很多生活化的例子来解释，像是电灯的开关、家里的遥控器，甚至是什么门禁系统，都用上了数位电路的原理。我最有感触的是它介绍的“逻辑门”部分，之前以为这些东西很复杂，结果作者用很生动的比喻，让我一下子就理解了 AND、OR、NOT 这些基础的逻辑运算是怎么回事。而且，这本书的排版也很舒服，字号适中，留白也够，读起来一点都不会觉得压迫。我觉得，对于想要跨进数位电路领域，但又害怕困难的读者来说，这本书绝对是最佳的入门选择，它真的把“简单”这个概念贯彻到底了！

评分☆☆☆☆☆

我必须要大力推荐一下《世界第一简单数位电路》这本宝藏！老实说，我本身对电子工程的了解真的可以说是零基础，看到“数位电路”这几个字，脑海里立刻浮现出复杂的电路图和一堆看不懂的符号。但是！这本书完全颠覆了我的想法。它不像我之前看过的任何一本技术书籍，没有那种让人望而却步的专业术语轰炸，取而代之的是用一种非常平易近人的方式，一点点地引导你进入数位电路的世界。书中的插图画得非常生动有趣，而且很多例子都贴近生活，我甚至可以想象到那些电路是如何运作的。最让我惊喜的是，它不仅仅是理论讲解，还穿插了一些实际操作的小提示，虽然我还没动手去实践，但光是看文字和图例，就已经让我觉得很有成就感了。感觉这本书就像是一位耐心的老师，一步一步地牵着我的手，带我认识那些曾经让我觉得高不可攀的数位世界。如果你也跟我一样，对数位电路充满好奇但又不知从何下手，这本书绝对是你的不二之选！

评分☆☆☆☆☆

说实话，当初看到《世界第一简单数位电路》这个书名的时候，我还有点半信半疑。毕竟“数位电路”这个词在我脑海里，总跟“高深莫测”划上等号。但我实在是对电子产品背后的原理太好奇了，所以还是把它带回家了。拿到书之后，我真的被它惊艳到了。它的讲解方式真的太有创意了！作者并没有一开始就抛出枯燥的公式，而是从我们日常生活中最熟悉的例子入手，比如怎么用开关控制灯，或者是一个简单的门铃是怎么工作的。这些最基础的原理，通过作者的阐释，变得异常清晰易懂。我特别喜欢它对“真值表”和“逻辑门”的介绍，用图形和类比的方式，把原本抽象的概念具象化了。读起来一点都不费劲，反而有一种探索的乐趣。而且，书中的语言风格也很活泼，没有那种死板的教科书腔调，读起来就像在跟朋友聊天一样。这本书真的让我对数位电路有了全新的认识，原来它们并没有我想象中那么难，而且还这么有趣！

评分☆☆☆☆☆

老实说，我平常很少会去接触跟电子、电路有关的书籍，因为我总觉得这些东西离我太遥远，而且会很复杂。但是《世界第一简单数位电路》这本书，真的完全颠覆了我的认知！它从一开始就强调“简单”，而且确实做到了！里面的内容设计得非常用心，不会一下子就丢给你一堆公式，而是循序渐进，用非常生活化的例子来解释每一个概念。我印象最深刻的是它讲解“二进位制”的部分，过去我总是觉得数字和电子信号之间怎么联系起来，这本书用很形象的比喻，比如灯泡的亮灭，让我瞬间就明白了。而且，书中的插画也画得非常可爱，让整个阅读过程不那么枯燥。最重要的是，它没有让我产生“我看不懂”的挫败感，反而是越读越有兴趣，越读越想往下看。感觉这本书就像一座桥梁，连接了我对科技的好奇心和实际的电子知识，真的非常实用，也很有启发性。

评分☆☆☆☆☆

我必须说，《世界第一简单数位电路》这本书，真的名副其实！我一直以为数位电路是理工科学生才需要接触的东西，对我这个文科出身的人来说，简直是天书。但这本书完全打破了我的刻板印象。作者的叙述方式非常独特，不是那种硬邦邦的理论堆砌，而是充满了生活化的比喻和故事。例如，它讲解“组合逻辑”时，就用到了类似“如果下雨就带伞”的逻辑判断，让我一下子就get到了其中的精髓。而且，书中的插图也画得非常精美，不是那种简单的示意图，而是充满创意和趣味性，让原本枯燥的电子元件变得生动起来。我尤其喜欢它对“时序逻辑”的解释，用了类似“记忆”的概念来比喻，真的让我对电路的工作原理有了更深层次的理解。这本书让我觉得，原来数位电路并不是遥不可及的，它就在我们身边，而且理解它们也并没有那么困难，甚至还挺有趣的！