逻辑与计算机设计基础（原书第5版） 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

内容简介

　　?本书以通用计算机为线索，由浅入深地讲解了逻辑设计、数字系统设计和计算机设计。其中，第1~4章为逻辑设计，包括数字系统与信息、硬件描述语言和组合逻辑电路、组合逻辑设计以及时序电路；第5~7章为数字系统设计，包括数字硬件实现技术、测试与验证对设计成本的影响、寄存器与寄存器传输以及存储器基础；第8~12章为计算机设计，包括计算机设计基础、指令集结构、RISC与CISC中央处理器、输入输出与通道，以及存储系统。书中附有60多个主要来自现代日常生活中产品设计的真实例子和问题，可以激发读者的学习兴趣。本书强调硬件描述语言在教学中的重要性，不仅可以作为计算机科学、计算机工程、电子技术、机电一体化等专业学生学习硬件的一本教材，也可以作为弱电类工程师和计算机科学工作者的理想参考书籍。

目录

LogicandComputerDesignFundamentals

出版者的话

译者序

前言

第1章数字系统与信息1

1.1信息表示2

1.1.1数字计算机3

1.1.2其他计算机4

1.1.3通用计算机的进一步说明7

1.2计算机系统设计的抽象层次8

1.3数制10

1.3.1二进制11

1.3.2八进制与十六进制12

1.3.3数字范围13

1.4算术运算14

1.5十进制编码17

1.6字符编码18

1.6.1ASCII字符编码18

1.6.2校验位21

1.7格雷码22

1.8本章小结23

参考文献24

习题24

第2章组合逻辑电路27

2.1二值逻辑和逻辑门27

2.1.1二值逻辑28

2.1.2逻辑门29

2.1.3用硬件描述语言表示逻辑门32

2.2布尔代数33

2.2.1布尔代数的基本恒等式34

2.2.2代数运算36

2.2.3反函数38

2.3标准形式39

2.3.1最小项和最大项39

2.3.2积之和42

2.3.3和之积43

2.4两级电路的优化43

2.4.1成本标准44

2.4.2卡诺图结构45

2.4.3二变量卡诺图47

2.4.4三变量卡诺图48

2.5卡诺图的化简50

2.5.1质主蕴涵项50

2.5.2非质主蕴涵项51

2.5.3和之积优化52

2.5.4无关最小项53

2.6异或操作和异或门55

2.7门的传播延迟56

2.8硬件描述语言简介58

2.9硬件描述语言—VHDL60

2.10硬件描述语言—Verilog67

2.11本章小结72

参考文献72

习题72

第3章组合逻辑电路的设计79

3.1开始分层设计79

3.2工艺映射82

3.3组合功能模块85

3.4基本逻辑函数85

3.4.1定值、传递和取反85

3.4.2多位函数86

3.4.3使能87

3.5译码89

3.5.1译码器和使能结合92

3.5.2基于译码器的组合电路95

3.6编码96

3.6.1优先编码器96

3.6.2编码器的扩展98

3.7选择98

3.7.1多路复用器98

3.7.2基于多路复用器的组合电路105

3.8迭代组合电路109

3.9二进制加法器110

3.9.1半加器110

3.9.2全加器110

3.9.3二进制行波进位加法器111

3.10二进制减法112

3.10.1补码114

3.10.2采用补码的二进制减法115

3.11二进制加减法器115

3.11.1有符号的二进制数116

3.11.2有符号二进制数的加法与减法118

3.11.3溢出119

3.11.4加法器的HDL模型121

3.11.5行为描述122

3.12其他的算术功能模块124

3.12.1压缩125

3.12.2递增126

3.12.3递减127

3.12.4常数乘法127

3.12.5常数除法127

3.12.6零填充与符号扩展127

3.13本章小结128

参考文献129

习题129

第4章时序电路138

4.1时序电路的定义138

4.2锁存器140

4.2.1SR和SR锁存器140

4.2.2D锁存器143

4.3触发器143

4.3.1边沿触发式触发器144

4.3.2标准图形符号145

4.3.3直接输入147

4.4时序电路分析148

4.4.1输入方程148

4.4.2状态表148

4.4.3状态图150

4.4.4时序电路模拟152

4.5时序电路设计153

4.5.1设计步骤154

4.5.2构建状态图和状态表154

4.5.3状态赋值160

4.5.4使用D触发器的设计161

4.5.5无效状态的设计162

4.5.6验证164

4.6状态机图及其应用166

4.6.1状态机图模型167

4.6.2对输入条件的约束168

4.6.3使用状态机图的设计应用170

4.7时序电路的HDL描述—VHDL177

4.8时序电路的HDL描述—Verilog184

4.9触发器定时191

4.10时序电路定时192

4.11异步交互194

4.12同步和亚稳态195

4.13同步电路陷阱198

本章小结199

参考文献200

习题200

第5章数字硬件实现210

5.1设计空间210

5.1.1集成电路210

5.1.2CMOS电路工艺211

5.1.3工艺参数213

5.2可编程实现技术215

5.2.1只读存储器216

5.2.2可编程逻辑阵列217

5.2.3可编程阵列逻辑器件219

5.2.4现场可编程门阵列221

5.3本章小结224

参考文献224

习题225

第6章寄存器与寄存器传输227

6.1寄存器与加载使能227

6.2寄存器传输230

6.3寄存器传输操作231

6.4VHDL和Verilog中的寄存器传输233

6.5微操作233

6.5.1算术微操作234

6.5.2逻辑微操作235

6.5.3移位微操作236

6.6对单个寄存器的微操作237

6.6.1基于多路复用器的传输237

6.6.2移位寄存器239

6.6.3行波计数器242

6.6.4同步二进制计数器244

6.6.5其他类型计数器247

6.7寄存器单元设计249

6.8基于多路复用器和总线的多寄存器传输253

6.8.1高阻态输出254

6.8.2三态总线255

6.9串行传输及其微操作256

6.10寄存器传输控制259

6.11移位寄存器和计数器的HDL描述—VHDL272

6.12移位寄存器和计数器的HDL描述—Verilog273

6.13微程序控制275

6.14本章小结276

参考文献276

习题277

第7章存储器基础283

7.1存储器定义283

7.2随机访问存储器283

7.2.1读写操作284

7.2.2定时波形285

7.2.3存储器特征286

7.3SRAM集成电路287

7.4SRAM芯片阵列292

7.5DRAM芯片294

7.5.1DRAM单元294

7.5.2DRAM位片296

7.6DRAM分类29

前言/序言

　　前言LogicandComputerDesignFundamentals本书的目的是为广大读者提供学习逻辑设计、数字系统设计和计算机设计的基础知识。本书第5版突出了课程内容方面的最新发展。从1997年的第1版开始，作者就不断对其进行修改，提供一种独一无二的将逻辑设计与计算机设计原理结合在一起的方法，并特别强调硬件。过去几年，教材一直紧跟行业的发展趋势，新增加了一些内容（如硬件描述语言），删除或者弱化了某些不太重要的内容，修改了某些内容以反映计算机技术和计算机辅助设计所发生的变化。

　　新版的变化第5版反映了相关技术与设计实践方面的一些变化，与过去相比，要求计算机系统设计者在一个更高的层次上进行设计抽象并管理更大范围的复杂性问题。在不同抽象层次进行逻辑、数字系统和计算机设计所涉及的内容已经不能同日而语，本书新版的目的就是要在计算机系统设计特别是在逻辑层次上更为有效地弥补现在的教学状况与工业实现之间的鸿沟。同时，新版仍然保持着过去的章节组织，方便教师针对电气与计算机工程和计算机科学专业的学生根据需要选讲部分内容。新版的变化包括：

　　第1章的更新包括对计算机系统抽象层次的讨论，以及它们的作用，还简要介绍了数字设计的过程。为加强国际化，第1章还有一些关于字符编码的新内容。

　　本书在第2章就开始介绍硬件描述语言（HDL），比以前的版本更早。对于涉及组合和时序逻辑设计的章节，都会给出电路的HDL描述以及逻辑框图与状态图，从而表明在当代数字系统设计实践中HDL变得日益重要。关于传播延迟（数字系统基本的一阶设计约束）的内容已经移到了第2章。

　　第3章结合原来第3章中有关功能模块的内容和原来第4章中有关算术电路模块的内容，展现一组常见的组合逻辑功能模块，这些功能模块的HDL模型在本章随处可见。第3章介绍分层设计的概念。

　　时序电路出现在第4章。这一章包括原来第5章中对设计过程的描述和原来第6章中的时序电路定时、输入同步和亚稳态的相关知识。有关JK触发器和T触发器的描述放到了教材的配套网站上。

　　第5章讨论一些与数字硬件实现相关的话题，包括互补金属氧化物（CMOS）门和可编程逻辑的设计。除包含原来第6章中的大部分内容外，现在的第5章还简要地介绍了测试与验证对设计成本的影响。由于使用本教材的很多课程都用现场可编程门阵列（FPGA）来进行实验练习，所以我们对FPGA的叙述进行了扩充，通过一个简单的、基本的FPGA结构来讲解许多商用FPGA系列中都会出现的基本可编程元器件。

　　剩下的章节（包括计算机设计在内）已经进行了更新，以便反映从上一个版本以来出现的最新变化。重要的更新包括将高阻缓冲器从原来的第2章移动到6.8节中，以及在第9章增加了如何在高级语言中用过程调用和返回来实现函数调用的相关讨论。

　　除了提供完整的数字和计算机设计内容之外，第5版还特别强调现代设计的基本原理。从简单的组合逻辑应用到在RISC核上构建CISC结构，多个例子的清晰解释和渐进式的设计过程可以诠释书中内容。完整的传统内容包括计算机辅助设计、问题形式化、解决方案验证，以及综合能力培养，而灵活性则体现在可选的逻辑设计、数字系统设计和计算机设计，以及硬件描述语言的相关内容中（不选、选用VHDL或选用Verilog）。

　　经过这次修订，本书第1～4章讲解逻辑设计，第5～7章讨论数字系统设计，第8～12章重点介绍计算机设计。这样的安排可以逐渐地、自底向上地完成各种函数设计，并将其应用到后续章节自顶向下的计算机设计中，为读者提供牢固的数字系统设计基础。下面是各章相关内容的概括。

　　逻辑设计第1章介绍数字计算机、计算机系统抽象层次、嵌入式系统，以及包括数制、算术运算和编码在内的信息表示。

　　第2章研究门电路和它们的类型，以及设计和成本优化的基本方法。概念包括布尔代数、代数优化和卡诺图优化、传播延迟，以及在VHDL和Verilog中使用结构和数据流模型表示的门级硬件描述语言模型。

　　第3章从一个现代逻辑设计过程的概述开始，设计过程的详细步骤包括问题形式化、逻辑优化、用与非门和或非门进行工艺映射，组合逻辑设计的实例中还包括验证。另外，这一章还包括函数和构建组合设计模块，包括使能和输入定值、译码、编码、代码转换、选择、分配、加法、减法、递增、递减、填充、扩展和移位以及它们的实现。本章还包括许多逻辑模块的VHDL和Verilog模型。

　　第4章包括时序电路分析和设计。讨论了锁存器和边沿触发式触发器，并着重讲解了D触发器。本章的重点是状态机图和状态表的形式化表示。时序电路完整的设计过程包括规格说明、形式化、状态分配、触发器输入和输出方程确定、优化、工艺映射以及验证。时序电路通常都太复杂，不能用传统的状态图来表示，但可以用状态机图模型来表示，这一章通过现实世界的两个例子来阐述和说明这一观点。这一章包括用VHDL和Verilog来描述触发器和时序电路，介绍了VHDL和Verilog程序行为的语言结构以及用于验证的测试程序。本章最后介绍了时序电路的

　　译者序LogicandComputerDesignFundamentals如今我们生活在信息时代。试想，如果没有了网络、计算机、手机和电视，世界会变得怎样？答案一定是世界将变得暗淡无光，甚至是悲惨的！数字电路与计算机技术作为其他技术的重要基础之一，成就了当今人们高效有序、丰富多彩的工作与生活。从发明晶体管和集成电路到现在，数字电路和数字系统设计技术已经红红火火地走过了半个世纪，计算机技术更是在最近三十多年跳跃式地发展。人们对未来充满着更多美好的期望，数字电路与计算机必将承载着这一切向更广范围、更高水准延伸与发展。

　　从1997年至今，本书英文版已经发行了5个版本，均受到了读者的广泛好评。除了为读者提供学习逻辑设计、数字系统设计和计算机设计的基础知识之外，第5版还包含相关研究领域和行业的最新发展情况。与过去相比，现代工业实践要求计算机系统设计者在一个更高的层次上进行设计抽象并管理更大范围的复杂性问题。在不同抽象层次进行逻辑、数字系统和计算机设计所涉及的内容已经不能同日而语，本书新版更为有效地弥补了计算机系统设计（特别是在逻辑层次上）的教学状况与工业实现之间的鸿沟。

　　本书以通用计算机为线索，由浅入深地讲解了逻辑设计、数字系统设计和计算机设计。其中，第1～4章为逻辑设计，包括数字系统与信息、硬件描述语言和组合逻辑电路、组合逻辑设计、时序电路；第5～7章为数字系统设计，包括数字硬件实现技术、寄存器与寄存器传输以及存储器基础，在第5章还增加了测试与验证对设计成本的影响；第8～12章为计算机设计，包括计算机设计基础、指令集结构、RISC与CISC中央处理器、输入/输出与通道以及存储系统，所有内容都进行了更新，以反映最新的变化。书中附有60多个主要来自现代日常生活的产品设计的真实例子和问题，可以激发读者的学习兴趣。配套网站（www.pearsonhighered.com/mano）提供了大量的辅助信息，包括教师手册、补充读物、所有例子的VHDL和Verilog源文件、有关工具及网站的链接和习题解答等。从其编排可以清楚地看出，本书不仅可以作为计算机科学、计算机工程、电子技术、机电一体化等专业学生学习硬件的一本教材，也可以作为弱电类工程师和计算机科学工作者的理想参考书籍。

　　本书第1、2、4、5章由邝继顺翻译，第6、7、11、12章由尤志强翻译，第8、9、10章由凌纯清翻译，蔡晓敏翻译了第3章，张明和与潘波参与了翻译工作，邝继顺对全部译文进行了审校与润色。感谢袁晓坊、何海珍、王伟征、周颖波、张玲、袁文澹、刘铁桥在第4版的翻译中做的工作。由于译者水平有限，译文中疏漏和错误在所难免，欢迎广大读者批评指正。

　　译者