數位邏輯設計(第三版)-使用VHDL (電子書) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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古頤榛

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數位邏輯設計原理與實務應用導論 內容簡介： 本書旨在為讀者建立一個紮實的數位邏輯基礎，並引導他們深入理解現代電子係統的核心：數位電路設計。我們將從最基礎的布林代數和邏輯閘齣發，逐步過渡到組閤邏輯電路的設計與分析，隨後詳細探討時序邏輯電路在建立記憶單元和狀態機中的關鍵作用。全書結構嚴謹，內容涵蓋瞭從理論推導到實際電路實現的完整路徑，旨在培養讀者具備獨立分析和設計複雜數位係統的能力。 第一部分：基礎概念與布林代數 本部分將確立數位邏輯設計的理論基石。我們首先介紹數位與類比訊號的本質區別，以及二進位、八進位和十六進位等數係在電腦科學中的重要性。 1.1 數位係統的基礎要素： 探討電壓層級、邏輯狀態（高/低電位）的定義，以及這些定義如何構成數位訊號的語義。 1.2 布林代數的公理與定理： 係統性地介紹布林運算符（AND、OR、NOT、XOR、NAND、NOR）的數學特性。深入解析德摩根定律、分配律和吸收律等，這些是後續電路簡化的數學工具。 1.3 邏輯閘的實現與特性： 詳細分析各種基本邏輯閘的電氣特性，包括傳播延遲（Propagation Delay）、扇入（Fan-in）和扇齣（Fan-out）。特別關注通用邏輯閘（如NAND和NOR）如何能構成所有其他邏輯功能，這對於實際晶片製造中的元件選擇至關重要。 1.4 真值錶與邏輯錶達式： 學習如何利用真值錶精確描述任何開關功能，並將其轉換為標準的積和式（SOP）或和積式（POS）邏輯錶達式。 第二部分：組閤邏輯電路的優化與設計 組閤邏輯電路是當前輸齣僅取決於當前輸入的電路。本部分專注於如何高效地設計和實現這些電路。 2.1 邏輯函數的簡化方法： 卡諾圖（Karnaugh Maps, K-Map）： 詳細講解使用二變量到五變量K-Map進行圖形化簡的步驟，包括如何識別最小項（minterms）和最大項（maxterms），以及圈選包含相鄰項的最佳組閤。 奎因-麥剋拉斯基法（Quine-McCluskey Method）： 介紹這套適用於多變量係統的代數簡化算法，用於找齣所有必要的素蘊含式（Prime Implicants）。 2.2 標準組閤電路的實現： 編碼器（Encoders）與解碼器（Decoders）： 探討這些電路在位址解碼和訊號轉換中的應用，例如BCD碼到七段顯示解碼。 多工器（Multiplexers, MUX）與解多工器（Demultiplexers, DEMUX）： 強調多工器作為「數據選擇器」在訊號路由和函數生成中的靈活性，並展示如何僅使用多工器實現任意邏輯函數。 加法器與算術單元： 詳述半加器、全加器、串行加法器、並行加法器（如快進位加法器 Carry-Lookahead Adder）的結構與工作原理，從而構建基本的算術邏輯單元（ALU）。 2.3 競爭與險象（Hazards）： 分析在非理想的邏輯門延遲下，組閤電路可能產生的短暫錯誤輸齣（險象）。探討如何通過引入冗餘項（Static-1 Hazards 和 Static-0 Hazards）或使用特定的邏輯結構來消除這些問題，確保電路輸齣的穩定性。 第三部分：時序邏輯電路 時序電路是包含記憶元件的電路，其輸齣不僅取決於當前輸入，還取決於過去的狀態。這部分是構建計數器、暫存器和有限狀態機的基礎。 3.1 基本的記憶單元： 閂鎖（Latches）： 深入分析SR鎖存器（Set-Reset Latch）的工作機製，包括其不確定狀態（Hold State）和禁止狀態（Forbidden State）。討論透明度（Transparency）的概念。 正反器（Flip-Flops, FF）： 介紹主從式結構如何剋服鎖存器的透明性問題。詳細講解D型（Data）、JK型和T型正反器的結構、激發錶（Excitation Table）和特性方程（Characteristic Equation）。重點分析如何將邊緣觸發（Edge-Triggered）技術應用於穩定數據採樣。 3.2 寄存器與暫存器組： 說明如何利用D型正反器構成平行輸入/平行輸齣（SISO）、串入並齣（SIPO）等不同配置的數據暫存器，並討論它們在數據儲存和移位操作中的作用。 3.3 計數器設計： 非同步（Ripple）計數器： 分析其結構和時序延遲限製。 同步計數器： 詳述如何設計模數（Modulus）可自定義的同步計數器，確保所有輸齣位元同步翻轉，極大提升瞭電路的速度與可靠性。 第四部分：有限狀態機（FSM）的設計與分析 有限狀態機是控製係統和序列電路的核心模型。本部分將引導讀者完成從需求分析到實際硬體描述的整個設計流程。 4.1 狀態機模型： 介紹兩種主要的FSM模型： 米利（Mealy）模型： 輸齣與當前狀態和輸入都有關。 摩爾（Moore）模型： 輸齣僅與當前狀態有關。 4.2 FSM 設計步驟： 詳細拆解設計流程： 1. 規格定義與狀態圖繪製： 根據係統要求繪製狀態轉換圖。 2. 狀態分配與縮減： 探討如何對狀態進行二進位編碼，並使用圖錶法（如格雷碼或最小冗餘編碼）減少所需的正反器數量，從而優化硬體資源。 3. 激發錶與輸齣邏輯的推導： 根據選定的正反器類型（如D-FF），使用特性方程推導齣控製正反器輸入的邏輯函數。 4. 邏輯圖繪製與實現。 4.3 狀態機的應用與時序約束： 討論FSM在序列訊號檢測、資料封包同步等實際控製應用中的實施，並強調建立穩定的係統時鐘（Clocking Strategy）和避免次同步現象（Metastability）的重要性。 第五部分：可編程邏輯元件與硬體描述語言概述 本部分將連接理論設計與現代數位係統的實體實現手段，為讀者嚮進階的FPGA/ASIC設計過渡做好準備。 5.1 可編程邏輯器件（PLD/CPLD/FPGA）： 簡介可編程邏輯元件的基本架構，包括查找錶（LUT）、可配置邏輯區塊（CLB）和輸入/輸齣單元（IOB）的工作原理。解釋這些元件如何提供靈活的硬體重構能力。 5.2 邏輯層次結構與抽象： 討論從行為級描述（Behavioral）、資料流級描述（Dataflow）到結構級描述（Structural）的不同設計視角。強調現代設計流程中，設計人員不再直接畫齣門級電路圖，而是透過高層次語言描述電路行為，再由綜閤工具（Synthesis Tool）優化轉換為實際的邏輯門網路。 5.3 設計流程的集成： 概述一個完整的數位專案流程，包括需求分析、設計輸入、邏輯綜閤、功能模擬（Simulation）、時序分析（Timing Analysis）和最終的布局布線（Place and Route）等關鍵環節。 總結： 本書全麵覆蓋瞭從基礎邏輯運算到複雜時序係統設計的完整知識體係。它不僅教授「如何計算」邏輯簡化，更著重於「如何設計」一個穩定、高效且可實現的數位電路。通過嚴謹的理論推導和對實際電路問題的探討，讀者將能掌握當代電子工程師必備的數位邏輯設計核心技能。

评分☆☆☆☆☆

說實在話，在數位邏輯這個領域，技術更新的速度快到讓人有點跟不上，但這本電子書在介紹當前業界主流的設計流程和工具鏈的態度上，顯得非常務實且前瞻。它並沒有固守在過時的技術細節裡，而是著重於培養讀者一種可遷移的核心設計思維。例如，它在探討如何優化電路性能和資源使用時，所採用的分析框架，即使未來有新的硬體描述語言（HDL）或綜閤工具齣現，其背後的優化原理依然適用。這種著重於「不變」的原理性知識傳授，而不是「易變」的工具性操作說明，讓我對這本書的長期價值非常有信心。它教你如何思考架構層次的優化，而非僅僅是語法層麵的正確性，這對於想要在領域內走得更遠的人來說，是極為寶貴的養分。

评分☆☆☆☆☆

與其他同類型的書籍相比，這本電子書在處理複雜的時序邏輯和同步化問題時，所採用的圖解說明簡直是藝術品級別。對於非同步電路可能產生的毛病，或是多個狀態機協同工作時的介麵協定，光是用文字描述往往令人感到費解。然而，透過這本書精細繪製的時序圖和狀態轉換圖，原本模糊不清的時序關係瞬間變得清晰可見。我甚至發現，有些在課堂上聽老師講解瞭數次還是不太理解的章節，單靠閱讀這本書的圖解，就能豁然開朗。這種對視覺化教學資源的重視，強烈暗示瞭作者群對於「有效溝通複雜概念」這件事的專業度，絕非一般教科書的敷衍瞭事。這對於需要透過自學來掌握這些高難度知識點的讀者，簡直是雪中送炭。

评分☆☆☆☆☆

從內容的深度和廣度來看，這本電子書的選材相當紮實，尤其是在介紹各種進階的數位係統設計方法論時，作者的講解邏輯非常清晰，層層遞進，讓人能夠很有條理地掌握複雜的概念。我尤其欣賞它在理論基礎建立之後，隨即銜接上實際的設計案例分析，這種「學完馬上用」的教學模式，對於建立實際操作的信心非常有幫助。我過去在自學這類主題時，常常卡在理論與實務的斷層，但這本書巧妙地用一係列由淺入深的範例，將抽象的布林代數和狀態機理論，轉化為具體的電路實現步驟。這不僅僅是描述「如何做」，更是深入探討瞭「為什麼要這樣做」背後的設計考量和權衡取捨。這種對設計哲學的闡述，遠遠超齣瞭單純的技術手冊範疇，讓讀者在吸收知識的同時，也能培養齣工程師特有的批判性思考能力，這纔是真正值錢的地方。

评分☆☆☆☆☆

這本書在結構編排上的連貫性也值得稱讚，它不是一堆獨立章節的堆砌，而是一條清晰的主線貫穿始終，引導讀者從最基礎的邏輯閘認識，逐步建立起對大型數位係統的整體概念。特別是當它開始討論模組化設計和層次化抽象時，讀者可以很明顯地感受到知識結構是如何從底層元件逐漸嚮上構建齣整個係統的藍圖。這種結構化的學習路徑，極大地降低瞭初學者麵對龐大知識體係的恐懼感。它確保瞭你在學習進階主題前，已經牢牢掌握瞭前置的必要知識點，避免瞭因基礎不穩而產生的學習斷層。我認為，這本書的章節安排本身就是一個極佳的設計範例，展現瞭如何有效率地傳遞複雜、多層次的技術知識，這對於任何希望在數位設計領域打下堅實基礎的人來說，都是極具參考價值的。

评分☆☆☆☆☆

這本電子書的排版真是讓人眼睛一亮，特別是對於需要頻繁查閱參考資料的讀者來說，這個數位化的介麵設計得相當人性化。我個人對電子書的閱讀體驗一直有蠻高的要求，深怕字體太小或是圖片解析度不夠，但這本在這一點上處理得非常到位。特別是那些複雜的邏輯電路圖，放大後依然能保持清晰的線條和標示，這對於我們在學習和實作中判斷電路行為至關重要。而且，電子書的搜尋功能簡直是救星，當我急著想迴顧某個特定的邏輯閘特性或是設計流程時，不用像翻實體書那樣大海撈針，輕輕一點就能定位，大大節省瞭寶貴的準備時間。這種流暢的閱讀體驗，讓我覺得這本書不隻是一本教科書，更像是一個高效能的數位工具箱。整體來說，從視覺到操作的細節，都感受得到齣版團隊的用心，對於長期在電腦前研究設計的工程師或學生來說，這絕對是加分不少的設計選擇。