數字電子技術基礎 張剋農 9787040119947 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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張剋農 著

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齣版社： 高等教育齣版社

ISBN：9787040119947

商品編碼：29499245074

包裝：平裝

齣版時間：2003-04-01

基本信息

書名：數字電子技術基礎

定價：24.90元

作者：張剋農

齣版社：高等教育齣版社

齣版日期：2003-04-01

ISBN：9787040119947

字數：350000

頁碼：290

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.440kg

編輯推薦

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內容提要

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本書是根據西安交通大學電子學教研組多年教學實踐，參照原國傢教委1995年頒發的“高等工業學校電子技術基礎課程教學基本要求”（部分）和教育部每學時不超過5000字的新要求，結閤新的課程體係和教學內容改革的需要而編寫的。本書內容包括：數字邏輯基礎、硬件描述語言VHDL基礎、集成邏輯門電路、組閤邏輯電路的分析和設計、集成觸發器、脈衝的産生與整形電路、時序邏輯電路的分析和設計、半導體存儲器與可編程邏輯器件及數一模和模一數轉換等。各章末有小結，並配有難易程度和數量都比較適當的思考題和習題。本書可作為高等學校電氣信息類、儀器儀錶類、電子信息科學類及其它相近專業本、專科生“數字電子技術基礎”教材和教學參考書，也可作為有關工程技術人員的參考書。
本教材建議授課學時為48～60學時。

目錄

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作者介紹

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文摘

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序言

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《現代集成電路設計導論》 內容簡介 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的現代集成電路（IC）設計基礎。它不僅涵蓋瞭數字電子技術的核心原理，更將前沿的集成電路實現技術、設計流程和應用場景融為一體，旨在培養具備創新能力和工程實踐能力的IC設計人纔。本書的編寫緊密結閤當前集成電路産業的發展趨勢，以先進的設計理念和方法為主綫，力求做到理論與實踐並重，係統性與前沿性兼顧。 第一章：集成電路設計概述 本章首先對集成電路的發展曆程、重要性及其在現代社會中的廣泛應用進行宏觀介紹。從早期的分立元件電路到大規模集成電路（LSI）、超大規模集成電路（VLSI）乃至今天的超大規模集成電路（ULSI），集成電路技術經曆瞭翻天覆地的變化。我們將探討集成電路在通信、計算、消費電子、汽車電子、醫療健康等領域的關鍵作用，強調IC設計在推動科技進步中的核心地位。 隨後，本章將詳細闡述集成電路設計的整個流程，從概念定義、係統架構設計、邏輯設計、電路設計，到物理設計、製造、測試及封裝。我們將介紹不同設計層次（如係統級、寄存器傳輸級（RTL）、門級、晶體管級）及其之間的轉換關係。同時，也將初步介紹EDA（Electronic Design Automation）工具在IC設計中的關鍵作用，為後續章節的學習打下基礎。 第二章：數字邏輯基礎與時序分析 本章將係統迴顧和深化數字邏輯設計的基礎知識。我們將從布爾代數和邏輯門（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR）開始，深入講解組閤邏輯電路和時序邏輯電路的設計。組閤邏輯電路包括譯碼器、編碼器、多路選擇器、加法器、比較器等，它們的狀態輸齣僅取決於當前的輸入。時序邏輯電路則引入瞭存儲元件（如觸發器、寄存器、計數器），其狀態輸齣不僅取決於當前輸入，還取決於之前的狀態，這是構建復雜數字係統（如狀態機、微處理器）的基礎。 在此基礎上，本章將重點講解時序分析，這是確保數字電路可靠工作的關鍵。我們將深入探討時鍾信號、時鍾周期、時鍾頻率、建立時間（Setup Time）、保持時間（Hold Time）、傳播延遲（Propagation Delay）等概念。對於同步時序電路，理解時鍾域、亞穩態（Metastability）的産生原因及其規避方法至關重要。我們將分析建立時間違例（Setup Violation）和保持時間違例（Hold Violation）對電路功能的影響，並介紹時序約束（Timing Constraints）和時序收斂（Timing Convergence）的基本方法，為後續的邏輯綜閤和布局布綫提供理論支持。 第三章：硬件描述語言（HDL）與邏輯綜閤 本章將介紹現代IC設計中不可或缺的工具——硬件描述語言（HDL）。我們將主要聚焦於Verilog HDL，並簡要提及VHDL。Verilog HDL以其簡潔的語法和強大的功能，成為描述數字硬件結構和行為的行業標準。本章將涵蓋Verilog的基本語法，包括模塊定義、端口聲明、信號類型（wire, reg, integer等）、運算符、賦值語句（阻塞性與非阻塞性）、條件語句（if-else, case）、循環語句（for, while）以及任務和函數。 我們將重點演示如何使用Verilog HDL描述組閤邏輯電路和時序邏輯電路，例如，如何通過RTL代碼實現一個簡單的加法器、一個D觸發器、一個移位寄存器或一個有限狀態機（FSM）。理論的學習將通過大量實例得到強化，幫助讀者掌握將設計思想轉化為可執行的HDL代碼的能力。 接著，本章將詳細闡述邏輯綜閤（Logic Synthesis）的概念和流程。邏輯綜閤是將高層次的RTL描述轉換為門級網錶（Netlist）的過程。我們將介紹綜閤工具如何根據設計者的約束（如時序、麵積、功耗）來優化電路，選擇閤適的標準單元（Standard Cells）並進行連接。本章將探討綜閤過程中的關鍵技術，如邏輯優化、狀態編碼、寄存器復製等，以及如何通過編寫高質量的RTL代碼和設置閤理的綜閤約束來指導綜閤工具生成滿足性能要求的門級網錶。 第四章：靜態時序分析（STA） 靜態時序分析（STA）是確保數字集成電路在特定工作條件下滿足時序要求的最常用且最重要的方法之一。本章將深入講解STA的原理、方法和應用。我們將解析STA如何通過分析電路中的所有可能的信號傳播路徑，並將其與時鍾周期進行比較，來識彆潛在的時序違例，而無需生成大量的測試嚮量。 本章將詳細介紹STA的基本要素，包括時鍾定義、時序路徑類型（輸入路徑、寄存器到寄存器路徑、輸齣路徑）、時序約束（如時鍾周期約束、時鍾延遲約束、輸入輸齣延遲約束）以及工作模式（如典型角、慢角、快角、高低溫）和工藝角。我們將學習如何解讀STA報告，識彆建立時間違例和保持時間違例，並分析這些違例發生的原因。 此外，本章還將介紹STA的進階技術，如多時鍾域分析、時鍾門控（Clock Gating）的時序處理、異步路徑的時序分析以及功耗相關的時序分析。通過學習本章內容，讀者將能夠獨立進行設計中的靜態時序分析，並掌握解決時序問題的基本思路和方法。 第五章：版圖設計與物理實現 本章將聚焦於集成電路的物理實現，即從門級網錶到最終可製造版圖（Layout）的轉化過程。我們將詳細介紹物理實現的主要流程，包括布局（Placement）和布綫（Routing）。 布局是指將標準單元、宏單元（如SRAM、PLL）以及I/O Pad放置在芯片區域內的過程。優化的布局能夠為後續的布綫提供良好的基礎，影響電路的性能、功耗和麵積。本章將探討影響布局的因素，如單元的連通性、時鍾樹結構、功耗分布以及熱效應。 布綫是指在已布局的單元之間建立物理連接，形成導綫網絡的過程。我們將介紹不同的布綫策略，如全局布綫、詳細布綫，以及多層金屬布綫技術。本章將詳細討論布綫過程中麵臨的挑戰，如擁塞（Congestion）、信號完整性（Signal Integrity）問題（如串擾 Crosstalk、信號反射 Reflection）、功耗分配以及抗電遷移（Electromigration）等。 此外，本章還將介紹物理驗證（Physical Verification）的重要性，包括設計規則檢查（DRC - Design Rule Check）和設計輸齣檢查（LVS - Layout Versus Schematic）。DRC確保版圖符閤製造工藝的要求，而LVS則驗證版圖與原理圖（網錶）的一緻性。讀者將理解物理實現過程是迭代的，往往需要在邏輯設計、綜閤、STA和物理實現之間進行多次循環調整，以達到最佳的設計目標。 第六章：低功耗集成電路設計 隨著移動設備和物聯網設備的普及，低功耗設計已成為集成電路設計中至關重要的一個方麵。本章將全麵介紹低功耗IC設計的各種技術和策略。 我們將從功耗的來源入手，區分動態功耗（與開關活動相關）和靜態功耗（漏電流導緻）。隨後，我們將深入探討實現低功耗的多種方法。在架構層麵，我們將介紹動態電壓頻率調整（DVFS - Dynamic Voltage and Frequency Scaling）和功耗門控（Power Gating）技術。 在邏輯設計層麵，我們將學習如何通過優化算法、使用低功耗邏輯單元以及有效利用時鍾門控（Clock Gating）來減少動態功耗。在電路設計層麵，我們將介紹亞閾值（Subthreshold）工作模式、高閾值電壓（High-Vt）和低閾值電壓（Low-Vt）器件的使用以及體偏置（Body Biasing）技術。 本章還將討論低功耗設計的EDA工具和流程，包括功耗建模、功耗分析（靜態和動態）以及功耗優化。讀者將瞭解如何在設計早期就進行功耗預算，並在整個設計流程中持續進行功耗的評估和優化，以滿足日益嚴格的功耗限製要求。 第七章：高可靠性與異常處理 集成電路的可靠性直接關係到産品的穩定性和壽命。本章將探討影響集成電路可靠性的各種因素，以及相應的防護和處理措施。 我們將討論環境因素對可靠性的影響，如溫度、濕度、電壓應力以及電磁乾擾（EMI）。同時，我們將深入研究集成電路內部可能齣現的可靠性問題，包括： 瞬態效應（Transient Effects）：如電磁脈衝（EMP）攻擊、靜電放電（ESD - Electrostatic Discharge）的破壞機理和防護設計。 永久性損傷（Permanent Damage）：如遷移（Electromigration）導緻的金屬綫斷裂或橋接，以及熱陷（Thermal Runaway）引起的器件失效。 可靠性退化（Reliability Degradation）：如柵氧化層擊穿（Gate Oxide Breakdown）、熱載流子注入（Hot Carrier Injection）和均質化（Bias Temperature Instability - BTI）等，這些會隨著時間的推移導緻器件性能下降甚至失效。 本章將介紹在設計階段如何通過器件選擇、電路拓撲設計、冗餘設計（Redundancy）以及錯誤檢測與糾正（EDAC - Error Detection and Correction）編碼等技術來提高集成電路的可靠性。同時，也將討論在製造和測試階段如何通過可靠性測試（如加速壽命測試）來評估和驗證産品的可靠性。 第八章：現代集成電路設計流程與EDA工具 本章將對整個現代集成電路設計流程進行一次係統性的梳理和總結，並介紹支撐這一流程的關鍵EDA工具。我們將從最初的需求分析和係統規範，到最終交付可製造的GDSII文件（版圖格式），詳細解析各階段的任務和輸齣。 我們將詳細介紹常用的EDA工具類彆，包括： 仿真器（Simulators）：用於驗證設計的功能正確性，如Verilog/VHDL仿真器。 邏輯綜閤工具（Logic Synthesis Tools）：如Synopsys Design Compiler, Cadence Genus。 物理設計工具（Physical Design Tools）：包括布局布綫工具，如Synopsys IC Compiler, Cadence Innovus。 靜態時序分析工具（STA Tools）：如Synopsys PrimeTime, Cadence Tempus。 物理驗證工具（Physical Verification Tools）：如Calibre, Pegasus。 功耗分析工具（Power Analysis Tools）：如PrimePower, Joules。 我們將簡要介紹這些工具如何協同工作，完成從RTL到GDSII的轉化。本章旨在幫助讀者建立一個完整的IC設計流程概念，並瞭解不同EDA工具在其中扮演的角色，為讀者在實際項目或學習中選擇和使用工具提供指引。 第九章：特定應用集成電路設計入門（可選） 本章將簡要介紹幾個集成電路設計的典型應用領域，並概述在這些領域中，IC設計需要考慮的特殊因素和常用技術。這部分內容可以根據讀者的興趣和目標應用進行選擇性學習。 數字信號處理（DSP）IC設計：介紹DSP架構特點，如MAC單元、流水綫、專用指令，以及在通信、音頻視頻處理等領域的應用。 片上係統（SoC - System on Chip）設計：講解SoC的集成化思想，如何將CPU、DSP、GPU、存儲器、I/O接口等多種功能單元集成到單個芯片上，以及總綫架構、IP復用、低功耗管理等關鍵技術。 FPGA（Field-Programmable Gate Array）與ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）的比較：對比兩者的設計流程、優缺點、適用場景，幫助讀者理解何時選擇FPGA進行原型驗證或小批量生産，何時需要進行ASIC設計以實現高性能、低功耗和大規模生産。 結論 《現代集成電路設計導論》旨在為讀者打下堅實的集成電路設計理論基礎，並介紹當前業界主流的設計方法和技術。本書通過係統性的講解和豐富的實例，幫助讀者理解從數字邏輯到物理實現的整個IC設計流程，掌握關鍵的設計工具和技術，為未來在集成電路設計領域的發展打下堅實基礎。本書適閤電子工程、微電子學、計算機科學及相關專業的學生，以及從事集成電路設計、驗證和應用工作的工程師閱讀。

評分☆☆☆☆☆

這本書的優點在於它的“厚重感”和“嚴謹性”。它不像一些速成的教程，隻是點到為止，而是真正地在打基礎。每一個概念的提齣，都有其理論依據和推導過程，不會讓你覺得知識是憑空齣現的。我感覺這本書更像是一本“工具書”，你在遇到問題的時候，翻到相應的章節，總能找到相關的解釋和參考。比如，當我遇到一個不熟悉的邏輯電路符號時，我能迅速在書中找到它的定義和功能。而且，它對一些關鍵概念的闡述，比如“亞穩態”、“競爭-冒險”等，都解釋得相當到位，讓我對這些容易齣錯的地方有瞭更深的認識。雖然有些地方的講解確實需要花時間和精力去理解，但正因為如此，它纔顯得更加可靠。對於那些真正想深入理解數字電子技術原理的讀者來說，這本書無疑是一個不錯的選擇。它可能不是最“輕鬆”的書，但絕對是“紮實”的書。

評分☆☆☆☆☆

這本書我入手已經有一段時間瞭，一直在斷斷續續地翻閱，感覺收獲挺大的。最直觀的感受就是，它不像我之前看過的某些教材那樣，上來就堆砌大量公式和概念，而是循序漸進，從最基礎的數製和編碼講起，一點一點地構建起完整的知識體係。我尤其喜歡它在解釋一些核心概念時，會引用一些生活中的例子，雖然有些例子可能有些老套，但確實能幫助我更好地理解抽象的理論。比如講到邏輯門的時候，它會用開關電路來類比，雖然這隻是一個非常簡化的模型，但對於初學者來說，能夠快速建立起一個直觀的印象。而且，書中對每一個概念的推導過程都寫得非常詳細，步驟清晰，不會跳躍得太厲害，這點對於我這種數學基礎不算特彆紮實的讀者來說，簡直是福音。我經常會把書上的推導過程跟著演算一遍，感覺自己對原理的理解也加深瞭不少。不過，有時候也會覺得某些章節的例題稍微少瞭點，如果能再多幾個不同類型的習題，讓我多練習一下，那就更完美瞭。總的來說，這是一本非常適閤入門的書，能夠有效地引導讀者進入數字電子技術的門檻。

評分☆☆☆☆☆

我之所以推薦這本書，是因為它提供瞭非常全麵且深入的知識覆蓋。從最初的邏輯門電路的原理，到復雜的集成電路設計，它都進行瞭相當細緻的介紹。書中的圖示非常精煉，能夠準確地傳達電路的結構和工作原理，這一點對於我這種視覺型學習者來說非常重要。我經常會一邊看書，一邊在草稿紙上跟著畫電路圖，感覺這樣更能加深記憶。尤其是在學習組閤邏輯和時序邏輯電路的實現方法時，書中提供瞭多種設計思路和優化方案，讓我能夠瞭解到不同的設計取捨和權衡。讓我印象深刻的是，它在講解模數轉換器和數模轉換器時，不僅列齣瞭不同類型的轉換器，還對它們的優缺點和適用場景進行瞭比較，讓我對這些重要模塊有瞭更宏觀的認識。雖然我還沒有完全掌握書中的所有內容，但我能感受到，這本教材的知識體係非常完整，能夠為我後續的學習打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

從內容上看，這本書的編排和邏輯性真的沒得說。它從最基礎的二進製係統，然後過渡到邏輯代數，接著講解瞭組閤邏輯電路和時序邏輯電路，最後還涉及瞭脈衝和數模/數數轉換等內容。整個脈絡非常清晰，層層遞進，讓你能感受到知識是如何一層層疊加起來的。我尤其欣賞它在講解邏輯代數時，不僅僅是列齣各種公式定理，還會通過大量的圖示和例子來幫助理解，比如卡諾圖的化簡過程，書上就畫瞭非常多的圖，每一步的化簡都標注得清清楚楚，跟著圖一步步來，即使是復雜的錶達式，也能找到化簡的思路。在組閤邏輯電路部分，對於一些典型的電路（如編碼器、譯碼器、多路選擇器等）的分析，書中都有詳細的原理圖和工作流程說明，讓我能夠理解它們是如何工作的。而時序邏輯電路部分，對觸發器、寄存器、計數器等講解得也非常透徹，特彆是對狀態轉移圖的繪製和分析，給瞭我很大的啓發。雖然書中有不少公式，但它會用很通俗的語言來解釋這些公式背後的含義，讓我不會望而卻步。

評分☆☆☆☆☆

我不得不說，這本書的語言風格比較學術化，但正是這種嚴謹的風格，讓我覺得非常可靠。它沒有過多的華麗辭藻，而是直擊核心，用清晰、準確的語言來描述復雜的概念。一開始閱讀的時候，確實會覺得有點枯燥，因為需要集中精力去理解每一個公式和每一個定義。但是，當你通過努力剋服瞭這些初期的睏難，真正理解瞭書中的內容時，那種成就感是無與倫比的。我最喜歡它在分析電路的邏輯功能時，會給齣非常詳細的真值錶和狀態轉移錶，這些錶格能夠清晰地展示電路在不同輸入或不同狀態下的輸齣，極大地幫助瞭我理解電路的整體行為。而且，它對一些基礎器件（如TTL和CMOS係列門電路）的電氣特性和邏輯功能都有深入的介紹，讓我不僅知道“是什麼”，還能瞭解到“為什麼”。這本書給我最大的感覺是，它是在培養我獨立分析和解決問題的能力，而不是簡單地灌輸知識。