世界第一簡單數位電路 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　電機、電工、電信、資工、資科係……理工科必學！
　　工程師必修科目！

　　數位産品哪裏來？
　　好想設計劃時代的數位産品！
　　誰來教教我？！

　　掌握基本概念，
　　橫掃頂尖科技大學、技職學校
　　與名校理工科係，
　　成為專業電機與資訊工程、數位産品研發人纔！

　　教授教不會的數位電路，交給本書！
　　擺脫艱澀布林代數與數學式，
　　從基礎的電路設計齣發，
　　掌握原理，搞定高階設計！

　　什麼是數位電路，原理是什麼？如何運作？
　　數位電路為何能取代類比電路？
　　如何設計「組閤電路」？
　　什麼是電路的「化簡」？
　　數位電路設計的最新設計方法是什麼？

　　從簡單的電子骰子機器齣發，熟悉數位電路原理，
　　總有一天，你也能創造自己的數位産品！
　　理工科學生一看到數位電路教科書就想睡嗎？
　　想考電機相關科係，卻讀不懂數位電路專書嗎？
　　生活在數位化的時代，你應該學習數位電路！

　　高階的數位電路設計牽涉各領域的知識，包含邏輯學、代數……本書帶你跳脫這些僵化框架，以圖解說明，輕鬆掌握原理，不擅長數學的人也能學會數位電路！

　　數位産品如何製成、運作？類比電路與數位電路有何不同？數位電路的設計有哪些方法與規則？想考理工科係、想親手設計電路、搞不定數學式而害怕數位電路的人，快翻開本書，打好基礎，成為數位專傢！

深入解析現代數位係統的基石：超越基礎邏輯的係統設計與實現 圖書名稱： 深入解析現代數位係統的基石：超越基礎邏輯的係統設計與實現 內容簡介： 本書旨在為追求精深理解與實踐能力的電子工程、計算機科學及相關領域讀者提供一本全麵而深入的數位電路設計與係統實現指南。我們不滿足於停留在最基礎的布爾代數和門級邏輯的層麵，而是將視角聚焦於如何將這些基本單元構建成現代復雜數位係統的核心骨架。本書將帶領讀者穿越從概念、抽象到實際物理實現的完整設計流程，確保讀者不僅知其然，更能深知其所以然。 本書的結構精心設計，分為四大核心模塊，層層遞進，覆蓋瞭從理論到應用的廣闊領域。 --- 第一部分：數位係統設計方法論與高級建模（The Advanced Design Methodology） 本部分是全書的理論基石，側重於現代EDA（電子設計自動化）工具鏈支持下的係統級抽象和設計方法。我們首先探討瞭硬件描述語言（HDL）在設計中的核心地位，並詳細比較瞭Verilog和VHDL的範式差異及其在不同層次抽象（行為級、寄存器傳輸級RTL級）的應用。 重點內容包括： 1. RTL級建模的藝術與陷阱： 如何編寫高效、可綜閤的RTL代碼。我們將深入剖析同步電路與異步電路建模的細微差彆，強調時序約束對設計質量的關鍵影響。 2. 高層次綜閤（HLS）的潛力與局限： 討論如何使用C/C++等高級語言描述硬件，並通過HLS工具鏈生成優化的RTL代碼。這部分不僅介紹工具使用，更側重於如何調整算法和數據結構以適應硬件並行性，從而實現性能優化。 3. 設計驗證的係統化方法： 傳統的仿真已不足以應對現代SoC的復雜性。本書詳述瞭形式驗證（Formal Verification）的基本原理，包括等價性檢查（Equivalence Checking）和模型檢驗（Model Checking），並介紹如何構建強大的驗證平颱（Testbench Architecture），特彆是使用麵嚮對象的驗證方法論（UVM/OVM），以實現可重用和可擴展的驗證環境。 --- 第二部分：核心功能模塊的深度剖析與優化（Deep Dive into Core Functional Blocks） 在掌握瞭設計方法後，我們進入對數位係統中關鍵功能模塊的精細化分析。這一部分的目標是理解這些模塊的內部結構如何直接影響係統的整體性能、功耗和麵積（PPA）。 1. 高性能算術邏輯單元（ALU）設計： 不僅限於加法器，本書深入探討瞭快速乘法器（如Booth編碼乘法器、Wallace樹結構）和除法器的流水綫化設計。重點分析瞭進位傳播的瓶頸，並詳細介紹瞭超前進位加法器（Carry Lookahead）和組傳播邏輯在降低延遲方麵的應用。 2. 高速數據通路與存儲結構： 針對高速I/O和片上緩存的需求，我們詳細解析瞭鎖相環（PLL）和延遲鎖定環（DLL）在時鍾分配網絡中的作用，及其對係統時序裕度的影響。在存儲方麵，重點討論瞭SRAM和寄存器堆（Register File）的位綫設計、讀寫操作的時序要求，以及如何通過多端口結構提升並發訪問效率。 3. 狀態機的高效實現： 有限狀態機（FSM）是控製邏輯的核心。本書對比瞭米利（Mealy）型與穆爾（Moore）型狀態機的優劣，並專注於編碼優化——如何使用One-Hot或Gray編碼來最小化組閤邏輯的延遲，避免競爭冒險。 --- 第三部分：時序分析、功耗管理與物理實現（Timing, Power, and Physical Realization） 數位電路的性能最終受製於其物理實現。本部分將電路理論與半導體工藝緊密結閤，強調時序收斂和低功耗設計是現代IC設計的兩大核心挑戰。 1. 高級時序分析（Static Timing Analysis, STA）： 擺脫簡單的建立時間/保持時間概念，本書全麵講解瞭STA的流程，包括時鍾樹綜閤（CTS）對延遲偏差（Skew）和時鍾抖動（Jitter）的影響。讀者將學習如何分析和修復多周期路徑、僞路徑、以及跨時鍾域（CDC）的同步問題。 2. 低功耗設計策略： 功耗分解為動態功耗和靜態功耗。我們係統地介紹瞭動態功耗削減技術，如電壓-頻率調節（DVFS）和門控時鍾（Clock Gating）。更重要的是，深入探討瞭靜態功耗的應對措施，包括多閾值電壓（Multi-Vt）設計和電源門控（Power Gating）的結構實現與控製邏輯設計。 3. 物理設計流程概覽： 簡要概述瞭從門級網錶到GDSII流片的完整流程，包括綜閤、布局規劃（Floorplanning）、標準單元布局（Placement）、時序驅動的布綫（Routing）以及最終的寄生參數提取（Extraction）和後仿真（Post-Layout Simulation），強調瞭物理約束對設計驗證周期的反饋作用。 --- 第四部分：現代處理係統中的數位電路範例（Case Studies in Modern Processing Architectures） 為瞭將理論知識落地，本書最後兩章提供瞭兩個高復雜度、高實用性的數位係統案例分析。 1. 流水綫處理器核心（Pipelined CPU Core）： 以一個簡化的五級流水綫（取指、譯碼、執行、訪存、寫迴）為例，詳細展示如何集成ALU、控製單元、寄存器堆和分支預測邏輯。重點解析瞭數據冒險和控製冒險的檢測與消除機製（如轉發/旁路網絡和分支延遲槽）。 2. 高速通訊接口與數據轉換： 分析瞭有限脈衝響應（FIR）濾波器的硬件加速實現，展示瞭如何通過並行化和流水綫化來提高運算吞吐量。同時，探討瞭模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）中關鍵的數位控製邏輯和校準電路的設計挑戰。 本書特色： 本書采用“自底嚮上，又係統化嚮下驅動”的教學策略。它不滿足於提供現成的電路圖，而是力求在每一個復雜模塊中，揭示其背後的性能權衡（Trade-offs）和工藝限製。通過大量的RTL代碼片段、時序波形圖和設計流程圖示，確保讀者能將理論知識無縫遷移到實際的FPGA或ASIC設計項目中，成為能夠獨立駕馭現代數位係統復雜性的專業工程師。 目標讀者： 具有一定數位邏輯基礎，希望深入理解高性能、低功耗數位係統設計原理和實現細節的研究生、資深電子工程師及尋求職業技能升級的硬件設計人員。

作者簡介

天野英晴

　　1986年慶應義塾大學工學部電氣工學專業修畢

現任：
　　慶應義塾大學理工學部情報工學科教授
　　工學博士

主要著作：
　　《邊做邊學電腦架構》閤著（培風館）
　　《可重組係統》閤著（歐姆社）
　　《誰都能瞭解的數位電路》（歐姆社）
　　《適閤數位設計人的電子電路》（日冕社）

審訂者簡介

闕誌達

現職：
　　國立颱灣大學電機係 教授

學曆：
　　國立颱灣大學電機係學士
　　美國加州理工學院電機係碩士、博士

經曆：
　　國立颱灣大學電機係副教授
　　國立颱灣大學電子研究所所長
　　颱灣積體電路設計學會理事長
　　國傢實驗研究院晶片係統設計中心主任

專業資格：
　　國際電機電子工程師學會 (IEEE) Fellow

譯者簡介

衛宮紘

　　清華大學原子科學院學士班在讀中，平常喜愛瀋浸在文字堆裏打滾，對日本文化極感興趣，聽譯過一些影集字幕翻譯，也常和筆友做文章翻譯交流。

　　譯作《男人懂瞭這些更成功》。

前言

第1章
Column  數位IC   21
Column  FPGA    22
第1章名詞解釋 24

第2章   25
1 數位與類比　26
‧從類比電路到數位電路  26
‧類比和數位的概念  28
2 數位電路遠勝類比電路的原因　33
‧邏輯電路是什麼？   33
‧「邏輯閘」的基本原理  35
‧數位電路以數量決勝負！   37
‧數位電路為什麼具有優勢？   39
‧數位電路的設計很簡單  44
布林代數是什麼？   49
第2章  名詞解釋  52
Column 布林代數是什麼？

第3章  53
1 真值錶與MIL符號　54
‧多數決的數位電路  54
‧用L和H做真值錶  58
‧MIL符號是什麼？  64
‧激活L和激活H   68
‧第摩根定律  72
‧用MIL符號統整基本邏輯閘  75
2 製作多數決電路　78
‧對應真值錶的電路（加法標準式的設計步驟） 79
Column  CMOS是什麼？ 85
Column  MOS-FET的運作原理  88
第3章 名詞解釋  91

第4章  93
1 使用卡諾圖　94
‧不必要的設計  94
‧卡諾圖的讀法  98
‧圈選1的群組  102
‧圈選的注意事項  106
‧加入中華料理呢？如果人數增加呢？ 108
2 Don’t Care　111
‧如何判斷大月？ 111
‧十進數與二進數  114
‧判斷大月的電路設計  118
‧Don’t care   120
3 多個輸齣端　124
‧輸齣端共通化  125
‧電子骰子顯示器的電路設計  129
Column  加法電路與減法電路  137
第4章  名詞解釋  143

第5章  145
1 順序電路是什麼？　146
‧順序電路是會記憶的電路  148
2 D正反器　153
‧正反器像蹺蹺闆  153
‧D正反器與計時器  155
‧暫存器是什麼？  167
3 電子骰子　‧171
‧電子骰子是一種順序電路  171
‧（1）首先，畫齣狀態變遷圖  174
‧（2）將狀態轉換成二進數  177
‧（3）設計對應的組閤電路  181
Column  正反器的結構  187
Column  各種正反器  190
第5章    名詞解釋  193

最後  用硬體描述語言，設計數位電路

索引

前言

　　電腦、智慧型手機、平闆電腦……我們身邊充滿各種數位産品，連類比訊號（電路）的最後堡壘──電視機，也已經變成數位。為什麼數位電路會變得如此發達？它利用什麼原理運作？內部設計又是如何？這些問題本書皆以輕鬆的漫畫解說，而不使用布林代數或是艱難的數學式與理論，讓讀者可以快速掌握數位電路的基本概念。

　　數位電路的世界隻有0 與1，而稱為「閘」的基本元件，隻能做簡單的動作。本書第1章將介紹常見的數位電路；第2章則解說為什麼這樣簡單的數位電路會發展得如此迅速，進而取代傳統的類比電路；第3章介紹透過輸入數值決定輸齣數值的「組閤電路」簡單設計方法；而第4 章解說「化簡」的方法。「化簡」是大學數位電路課程中，極為重要的部分，教授會教導學生如何用布林代數轉換數學式，但本書將以更易懂的方式來化簡數學式，即使讀者不擅長數學，也能享受設計電路的樂趣。第5章介紹儲存元件和順序電路的設計方法，最後，本書會介紹硬體描述語言HDL、高階閤成HLS等的最新設計方法。

　　數位電路的世界充滿圖錶，例如：真值錶、電路圖、卡諾圖、狀態變遷圖等，因此以文字敘述來解說數位電路，不如用「漫畫」解說更閤適。本書運用漫畫的優點，以易於理解的方式寫作，例舉多個設計實例，深入解說元件的構造，再以column補充高水準、先進的知識與設計技術。不管讀者是數位電路的初學者，還是主修其他領域、從事數位電路設計的專業人士，本書都能滿足你的求知慾。

　　本書由目黑治負責作畫，Office sawa的澤田佐和子負責製作，有他們的協助，我纔能完成這本不同以往的數位電路專書，運用劃時代的圖像錶現，具現數位電路的本質。感謝歐姆社給我執筆的機會，並給予我許多建言，在此緻上深深謝意。

數位IC
 
IC（Integrated Circuit）是積體電路，亦即搭載許多電晶體的半導體。
 
本章介紹的IC位於黑色封裝（package）內部，稱為晶片。一般來說，IC多指安裝在數位電路裏麵的數位IC，內部搭載許多電晶體。搭載超過數萬個電晶體的IC，又稱為LSI（Large Scale Integrated Circuit，大規模積體電路）。最近的LSI，晶片四周有非常細的接腳，置於封裝組件中，再牢牢裝於印刷電路闆上。拆解手機等新型資訊科技産品，可看到LSI和其他組件一起搭載在小型的印刷電路闆上。而且，令人驚訝的是，電路闆上的晶片數量並不多，因為最近的LSI整閤度※提高，使産品的功能隻依靠少數LSI晶片。
 
五藻拆解的電子骰子所使用的數位IC，是隻有數十個電晶體的小規模IC，組裝在兩側擁有多隻接腳的封裝（DIP：Dual Inline Package，雙插封裝）中。1970 年代到1980 年代，DIP可以在日本鞦葉原等地方買到，將DIP插入萬用電路闆（洞洞闆），再焊接配綫，製成數位電路，即是古老而優良的電子工程。現在除瞭教學，這種IC已經沒有人在使用瞭，取而代之的是設計者能夠自由改變內部功能的IC──PLD（Programmable Logic Device，可程式邏輯元件）。
 
PLD的同伴FPGA（Field Programmable Gate Array，場規劃邏輯閘陣列）搭載瞭大規模且高速的數位電路，不但價格便宜且設計簡單。FPGA的測試用電路闆很容易買，晶片與晶片之間不需要焊接。現今，從事電子工程的相關人士都開始使用FPGA，可輕鬆製作功能強大的電子産品。另外，FPGA的數位電路直接封裝在晶片中，所以不管五藻怎麼拆解，也看不到裏麵的結構。本書的一開始，我們會先沉浸在古老而優良的電子工程世界，學習數位電路。不論是運用小型積體電路，還是運用最新型FPGA的電子工程，都通用本書介紹的數位電路原理。掌握此原理，即可運用最新技術的CAD（Computer Aided Design）電腦輔助設計軟體和FPGA，製作自己喜歡的電路。
 
※整閤度，指單一晶片所容納的元件數量。

评分☆☆☆☆☆

我必須說，《世界第一簡單數位電路》這本書，真的名副其實！我一直以為數位電路是理工科學生纔需要接觸的東西，對我這個文科齣身的人來說，簡直是天書。但這本書完全打破瞭我的刻闆印象。作者的敘述方式非常獨特，不是那種硬邦邦的理論堆砌，而是充滿瞭生活化的比喻和故事。例如，它講解“組閤邏輯”時，就用到瞭類似“如果下雨就帶傘”的邏輯判斷，讓我一下子就get到瞭其中的精髓。而且，書中的插圖也畫得非常精美，不是那種簡單的示意圖，而是充滿創意和趣味性，讓原本枯燥的電子元件變得生動起來。我尤其喜歡它對“時序邏輯”的解釋，用瞭類似“記憶”的概念來比喻，真的讓我對電路的工作原理有瞭更深層次的理解。這本書讓我覺得，原來數位電路並不是遙不可及的，它就在我們身邊，而且理解它們也並沒有那麼睏難，甚至還挺有趣的！

评分☆☆☆☆☆

說實話，當初看到《世界第一簡單數位電路》這個書名的時候，我還有點半信半疑。畢竟“數位電路”這個詞在我腦海裏，總跟“高深莫測”劃上等號。但我實在是對電子産品背後的原理太好奇瞭，所以還是把它帶迴傢瞭。拿到書之後，我真的被它驚艷到瞭。它的講解方式真的太有創意瞭！作者並沒有一開始就拋齣枯燥的公式，而是從我們日常生活中最熟悉的例子入手，比如怎麼用開關控製燈，或者是一個簡單的門鈴是怎麼工作的。這些最基礎的原理，通過作者的闡釋，變得異常清晰易懂。我特彆喜歡它對“真值錶”和“邏輯門”的介紹，用圖形和類比的方式，把原本抽象的概念具象化瞭。讀起來一點都不費勁，反而有一種探索的樂趣。而且，書中的語言風格也很活潑，沒有那種死闆的教科書腔調，讀起來就像在跟朋友聊天一樣。這本書真的讓我對數位電路有瞭全新的認識，原來它們並沒有我想象中那麼難，而且還這麼有趣！

评分☆☆☆☆☆

哇！我最近入手一本《世界第一簡單數位電路》，書名聽起來就超吸引人，感覺像是為我這種對電子完全是門外漢的人量身定做的。我一直覺得數位電路什麼的，聽起來就很專業，好像跟我很遙遠，但這本書的名字真的打破瞭我的刻闆印象。拿到書的時候，翻瞭幾頁，裏麵的圖文解說真的非常清晰，連我這種看半本說明書都會頭痛的人，都覺得它講得很有條理。它不是那種堆砌大量公式和專業術語的教科書，而是用很多生活化的例子來解釋，像是電燈的開關、傢裏的遙控器，甚至是什麼門禁係統，都用上瞭數位電路的原理。我最有感觸的是它介紹的“邏輯門”部分，之前以為這些東西很復雜，結果作者用很生動的比喻，讓我一下子就理解瞭 AND、OR、NOT 這些基礎的邏輯運算是怎麼迴事。而且，這本書的排版也很舒服，字號適中，留白也夠，讀起來一點都不會覺得壓迫。我覺得，對於想要跨進數位電路領域，但又害怕睏難的讀者來說，這本書絕對是最佳的入門選擇，它真的把“簡單”這個概念貫徹到底瞭！

评分☆☆☆☆☆

我必須要大力推薦一下《世界第一簡單數位電路》這本寶藏！老實說，我本身對電子工程的瞭解真的可以說是零基礎，看到“數位電路”這幾個字，腦海裏立刻浮現齣復雜的電路圖和一堆看不懂的符號。但是！這本書完全顛覆瞭我的想法。它不像我之前看過的任何一本技術書籍，沒有那種讓人望而卻步的專業術語轟炸，取而代之的是用一種非常平易近人的方式，一點點地引導你進入數位電路的世界。書中的插圖畫得非常生動有趣，而且很多例子都貼近生活，我甚至可以想象到那些電路是如何運作的。最讓我驚喜的是，它不僅僅是理論講解，還穿插瞭一些實際操作的小提示，雖然我還沒動手去實踐，但光是看文字和圖例，就已經讓我覺得很有成就感瞭。感覺這本書就像是一位耐心的老師，一步一步地牽著我的手，帶我認識那些曾經讓我覺得高不可攀的數位世界。如果你也跟我一樣，對數位電路充滿好奇但又不知從何下手，這本書絕對是你的不二之選！

评分☆☆☆☆☆

老實說，我平常很少會去接觸跟電子、電路有關的書籍，因為我總覺得這些東西離我太遙遠，而且會很復雜。但是《世界第一簡單數位電路》這本書，真的完全顛覆瞭我的認知！它從一開始就強調“簡單”，而且確實做到瞭！裏麵的內容設計得非常用心，不會一下子就丟給你一堆公式，而是循序漸進，用非常生活化的例子來解釋每一個概念。我印象最深刻的是它講解“二進位製”的部分，過去我總是覺得數字和電子信號之間怎麼聯係起來，這本書用很形象的比喻，比如燈泡的亮滅，讓我瞬間就明白瞭。而且，書中的插畫也畫得非常可愛，讓整個閱讀過程不那麼枯燥。最重要的是，它沒有讓我産生“我看不懂”的挫敗感，反而是越讀越有興趣，越讀越想往下看。感覺這本書就像一座橋梁，連接瞭我對科技的好奇心和實際的電子知識，真的非常實用，也很有啓發性。