具體描述
				
				
					
內容簡介
   本書從産品研發的角度,介紹數字集成電路邏輯設計的原理、方法和實踐經驗。主要內容涵蓋集成電路器件和製造工藝的基本原理、邏輯功能的抽象層次、設計流程、硬件描述語言、微架構設計和芯片總綫。本書還詳細介紹瞭常見的先入先齣緩存的設計實例。本書的特點是注重為實踐中常見的問題提供解決方法和背景知識,內容有的放矢、簡明實用。     作者簡介
   易幼文,目前在思科公司任硬件工程經理(Hardware Engineering Manager)。另外,現在還任美國北加州復旦大學校友會會長,以及美國矽榖地區的中國高校校友會聯閤會的秘書長。     目錄
   第1章  矽晶體管和集成技術 1
1.1  半導體矽和PN結 1
1.2  矽晶體管 3
1.3  邏輯門和互補式晶體管 5
1.4  集成電路製造技術 7
第2章  數據處理和邏輯設計 10
2.1  數字數據 10
2.2  數據處理 11
2.3  數據運算與組閤電路 11
2.4  記憶功能和寄存器 14
2.5  算法和同步電路 16
2.6  建立時間和保持時間 18
2.7  集成電路設計流程 20
第3章  Verilog硬件描述語言簡介 26
3.1  邏輯仿真 26
3.2  用Verilog描述邏輯設計和邏輯驗證 27
3.3  模塊和端口 31
3.4  常量數據 32
3.5  算術運算和邏輯運算 33
3.6  wire變量與assign指令 34
3.7  reg變量和initial及always程序塊 36
3.8  reg變量與RTL設計 37
3.9  阻塞性和非阻塞性指令 39
3.10  流程控製 40
3.11  function和task 42
3.12  預處理指令、係統任務及注釋 43
3.13  parameter和參數化模塊 44
第4章  微架構設計 46
4.1  模塊麵積和邏輯門數 46
4.2  數據吞吐率和延滯時間 48
4.3  功耗 48
4.4  基本組閤運算 50
4.5  延遲時間的優化 50
4.6  負數運算 52
4.7  流水綫 53
4.8  跨時鍾域電路 55
4.9  時鍾門控 58
第5章  有限狀態機 61
5.1  時序邏輯和狀態機 61
5.2  狀態機的RTL代碼 63
5.3  狀態機的設計 65
5.4  獨熱編碼 67
5.5  控製路徑和數據路徑 68
5.6  狀態機的階層化設計 71
5.7  狀態機的穩健性 73
5.8  寄存器的復位 77
5.9  未知值擴散與寄存器的初始化 81
第6章  先入先齣緩存 85
6.1  FIFO的功能和用途 85
6.2  基本FIFO的架構 87
6.3  基本FIFO的RTL代碼 89
6.4  基本FIFO的邏輯驗證 91
6.5  FIFO空滿狀況信號的寄存輸齣 98
6.6  任意深度的FIFO 99
6.7  FIFO數據的寄存輸入和寄存輸齣 103
6.8  格雷碼 109
6.9  異步FIFO 111
6.10  FIFO的流量控製方式和其他 117
第7章  存儲器 120
7.1  SRAM的基本原理 120
7.2  同步SRAM 123
7.3  存儲器編譯器 124
7.4  存儲器內建自測試 125
7.5  多端口SRAM 127
7.6  SRAM行為模型 129
7.7  SRAM軟錯誤 132
7.8  TCAM 133
7.9  DRAM 136
7.9.1  DRAM存儲單元 136
7.9.2  SDRAM基本架構 137
7.9.3  SDRAM的控製信號 138
7.9.4  SDRAM時序參數 140
7.9.5  SDRAM控製器 142
第8章  係統總綫和芯片總綫 144
8.1  係統芯片和總綫 144
8.2  總綫的層次架構 146
8.3  總綫的拓撲結構 148
8.4  APB總綫 149
8.5  AHB總綫 151
8.6  WISHBONE總綫 153
8.7  AXI總綫 155
8.8  總綫寄存器層 158
8.8.1  PIO和DMA 158
8.8.2  數據的大小端順序 159
8.8.3  被控寄存器的種類 161
8.8.4  直接地址和間接地址 162
8.9  JTAG接口 162
8.10  I2C總綫 166
8.11  PCI 168
8.11.1  PCI總綫的基本結構 168
8.11.2  PCI功能塊的配置 170
8.11.3  PCI的總綫事務 171
8.11.4  CPU中斷 172
8.12  PCI Express 174
8.12.1  PCIe總綫的基本結構 174
8.12.2  PCIe總綫的軟件兼容性 174
8.12.3  PCIe交換器 175
8.12.4  PCIe總綫的通信協議 176
第9章  視頻流媒體轉換器 178
9.1  Vimer的架構 178
9.2  視頻預處理 179
9.3  離散餘弦變換 181
9.4  量子化和可變長編碼 183
9.5  MPEG和RTP編碼器 184
9.6  網絡包緩存 185
9.7  以太網接入控製 185
9.8  Vimer芯片的內核和外圍 186
9.9  邏輯仿真和硬件仿真 188
附錄A  擴展漢明檢錯糾錯碼 189
A.1  存儲器檢錯糾錯的基本流程 189
A.2  二元域分組碼 190
A.3  綫性分組碼和生成矩陣 190
A.4  使用逆嚮行和列順序的生成矩陣 190
A.5  漢明距離和最小距離 191
A.6  差錯癥狀和ECC解碼 191
A.7  漢明碼及其生成矩陣 192
A.8  擴展漢明碼 193
A.9  擴展漢明碼的應用程序 194
附錄B  循環冗餘校驗碼 195
B.1  多項式碼 195
B.2  循環碼 196
B.3  係統多項式碼 197
B.4  短縮循環碼 197
B.5  綫性反饋移位寄存器 198
B.6  係統多項式碼的並行運算 200
附錄C  使用開源軟件的邏輯設計和仿真環境 203
C.1  Cygwin 203
C.2  文本編輯器 205
C.3  Verilog語言模式 205
C.4  Icarus Verilog和GTKWave 207
C.5  腳本語言 208
參考文獻 210      前言/序言
       
				
				
				
					《數字集成電路設計實踐》  內容簡介  《數字集成電路設計實踐》是一本麵嚮廣大電子工程專業學生、科研人員以及行業工程師的專業技術書籍,旨在全麵係統地闡述數字集成電路的設計、驗證、實現以及相關的前沿技術。本書以理論結閤實踐為核心,通過深入淺齣的講解和豐富的案例分析,幫助讀者掌握數字集成電路設計的完整流程和關鍵技術,提升實際工程能力。  第一部分:基礎理論與設計流程  本部分將帶領讀者從數字集成電路設計的宏觀視角齣發,建立起紮實的理論基礎和清晰的設計認知。     第一章:數字集成電路設計概述        1.1 數字集成電路的重要性與發展曆程            深入探討數字集成電路在現代電子設備中的核心地位,從早期的邏輯門電路到如今的超大規模集成電路(VLSI),分析其技術演進的關鍵節點和驅動因素。            介紹不同類型的數字集成電路,如微處理器(MPU)、微控製器(MCU)、數字信號處理器(DSP)、現場可編程門陣列(FPGA)以及專用集成電路(ASIC)等,並闡述它們各自的應用領域和設計特點。            展望數字集成電路的未來發展趨勢,包括摩爾定律的挑戰與延續、新興半導體材料的應用、異構計算、以及人工智能在芯片設計中的作用等。        1.2 集成電路設計的一般流程            詳細解析從需求規格到最終芯片流片(tape-out)的完整設計流程,強調各個環節之間的相互依賴和迭代關係。            概念設計與規格定義: 闡述如何將産品需求轉化為詳細的係統級規格,包括功能定義、性能指標、功耗預算、成本約束等。            架構設計(Architecture Design): 講解如何根據係統規格,設計高效的芯片架構,包括模塊劃分、數據通路設計、控製邏輯設計、接口定義等。            邏輯設計(Logic Design): 介紹如何使用硬件描述語言(HDL)如Verilog或VHDL來描述電路的行為和結構,並講解邏輯綜閤(Logic Synthesis)的基本原理。            物理設計(Physical Design): 涵蓋版圖設計(Layout Design)、布局(Placement)、布綫(Routing)等關鍵步驟,以及它們對芯片性能、功耗和麵積的影響。            驗證(Verification): 強調驗證在芯片設計中的極端重要性,介紹功能驗證(Functional Verification)、形式驗證(Formal Verification)和時序分析(Timing Analysis)等方法。            製造與測試(Manufacturing and Testing): 簡述芯片的製造過程(Foundry Process)和製造後的測試環節,包括測試嚮量的生成和測試流程。            封裝與成品(Packaging and Final Product): 介紹芯片的封裝方式以及最終成品的功能展示。        1.3 設計工具鏈與EDA軟件            介紹集成電路設計過程中常用的電子設計自動化(EDA)工具,並分析它們在不同設計階段的作用。            邏輯綜閤工具: 如Synopsys Design Compiler, Cadence Genus等,用於將HDL代碼轉換為門級網錶。            布局布綫工具: 如Cadence Innovus, Synopsys IC Compiler等,用於實現芯片的物理版圖。            仿真工具: 如Synopsys VCS, Cadence Xcelium, Mentor Graphics QuestaSim等,用於功能驗證和時序仿真。            驗證平颱: 介紹基於SystemVerilog和UVM(Universal Verification Methodology)的驗證平颱構建方法。            形式驗證工具: 如Cadence JasperGold, Synopsys VC Formal等,用於數學上證明設計的正確性。            STA(Static Timing Analysis)工具: 如Synopsys PrimeTime, Cadence Tempus等,用於分析電路的時序性能。            物理驗證工具: 如Calibre, PVS等,用於檢查版圖是否符閤製造規則(DRC, LVS)。            IP核(Intellectual Property Core)的使用與管理: 介紹IP核的概念、分類及其在SoC設計中的應用,以及IP核的集成和驗證。     第二章:數字邏輯基礎與HDL入門        2.1 數字邏輯基本概念迴顧            復習組閤邏輯和時序邏輯的基本單元,如邏輯門(AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR)、觸發器(D Flip-Flop, JK Flip-Flop)、寄存器、計數器、狀態機等。            講解布爾代數、卡諾圖化簡、邏輯代數錶達式等方法,用於簡化和優化邏輯電路。        2.2 Verilog HDL基礎            Verilog模塊結構: 講解模塊的定義、端口聲明、信號類型(reg, wire, integer等)。            賦值語句: 區分阻塞賦值(=)和非阻塞賦值(<=),並闡述它們在組閤邏輯和時序邏輯設計中的應用。            行為級建模: 介紹`always`塊、`if-else`語句、`case`語句、`for`循環等,用於描述電路的功能行為。            數據類型與運算符: 講解二進製、八進製、十進製、十六進製數錶示,以及算術、邏輯、位運算符。            連綫與實例化: 講解如何通過`assign`語句進行連綫,以及如何在模塊中實例化其他模塊。            時序邏輯建模: 重點講解如何使用`always @(posedge clk)`或`always @(negedge clk)`來描述時序邏輯,包括觸發器、寄存器組的設計。            有限狀態機(FSM)設計: 演示如何使用Verilog設計Mealy型和Moore型狀態機,包括狀態編碼、狀態轉移邏輯和輸齣邏輯。            參數化設計: 介紹`parameter`關鍵字的應用,用於創建可重用、可配置的設計模塊。        2.3 VHDL基礎(可選,或簡要介紹)            簡要介紹VHDL的語法結構,如實體(Entity)、架構(Architecture)、端口(Port)等,以及其與Verilog的異同。  第二部分:數字集成電路實現與優化  本部分將深入探討數字集成電路的設計實現細節,包括邏輯綜閤、時序分析、低功耗設計和可測試性設計等。     第三章:邏輯綜閤與優化        3.1 邏輯綜閤的原理與目標            解釋邏輯綜閤(Logic Synthesis)如何將HDL代碼轉化為門級網錶(Gate-level Netlist),是連接行為級設計和物理設計的關鍵橋梁。            綜閤目標: 詳細闡述綜閤過程中的優化目標,包括麵積(Area)、時序(Timing)、功耗(Power)以及可測試性(Testability),並討論這些目標之間的權衡關係。            優化技術: 介紹邏輯綜閤中常用的優化技術,如邏輯簡化、邏輯閤並、寄存器復製、共享邏輯、門映射(Gate Mapping)等。        3.2 綜閤約束與指導            時序約束: 講解時鍾周期(Clock Period)、輸入/輸齣延遲(Input/Output Delay)、時鍾偏移(Clock Skew)等時序約束的設置方法,以及它們對綜閤結果的重要性。            麵積和功耗約束: 介紹如何通過約束來指導綜閤工具優化麵積和功耗。            綜閤腳本編寫: 演示如何編寫綜閤腳本(Synthesis Script),以指導綜閤工具執行特定的優化策略。        3.3 庫(Library)的作用            解釋工藝庫(Technology Library)中包含標準單元(Standard Cells)的邏輯功能、時序模型(Timing Models)、麵積和功耗信息,以及庫文件(如.lib文件)在綜閤過程中的作用。            討論標準單元庫的類型,如CMOS工藝庫。     第四章:時序分析與靜態時序分析(STA)        4.1 時序概念詳解            時鍾(Clock): 詳細講解時鍾信號的定義,包括時鍾周期、占空比、時鍾樹(Clock Tree)的設計和時鍾抖動(Clock Jitter)、時鍾偏移(Clock Skew)。            建立時間(Setup Time)與保持時間(Hold Time): 深入分析觸發器對時鍾沿敏感的建立時間和保持時間要求,以及它們如何影響數據傳輸的可靠性。            傳播延遲(Propagation Delay): 講解門電路和連綫的信號傳播延遲,以及它們如何纍積導緻時序違例。            最大觸發頻率(Maximum Clock Frequency): 計算和分析決定芯片最大工作頻率的關鍵路徑(Critical Path)。        4.2 靜態時序分析(STA)            STA的原理: 解釋STA如何通過分析所有可能的時序路徑,在沒有仿真嚮量的情況下,檢測潛在的時序違例。            STA工具的使用: 介紹如何使用STA工具(如PrimeTime, Tempus)來分析電路的時序性能。            時序報告解讀: 學習如何閱讀和理解STA報告,識彆關鍵路徑、時序違例(Setup Violation, Hold Violation)。            時序收斂(Timing Closure): 講解在設計後期進行時序分析和優化,以達到設計目標的過程,包括通過邏輯優化、布局布綫調整、關鍵路徑重構等方法。            時序裕量(Timing Margin): 解釋時序裕量的重要性,以及如何通過設計來保證足夠的裕量。     第五章:低功耗設計技術        5.1 功耗的來源與分類            動態功耗(Dynamic Power): 主要由開關電路産生的電容充放電引起,與工作頻率、電壓、開關活動度相關。            靜態功耗(Static Power): 主要由漏電流引起,與晶體管的閾值電壓、尺寸、溫度等因素相關。            短路功耗(Short-circuit Power): 在CMOS電路開關過程中,電源和地之間短時間導通産生的功耗。        5.2 低功耗設計策略            電壓頻率縮放(DVFS - Dynamic Voltage and Frequency Scaling): 介紹如何根據實際工作負載動態調整工作電壓和頻率,以降低功耗。            時鍾門控(Clock Gating): 講解如何通過控製時鍾信號,使不工作的模塊停止時鍾,從而減少動態功耗。            電源門控(Power Gating): 介紹如何通過關閉不使用模塊的電源,實現深度低功耗狀態。            多閾值電壓(Multi-Vt)設計: 討論使用不同閾值電壓的晶體管來優化功耗和性能。            數據活動管理(Data Activity Management): 講解如何通過優化數據路徑和控製邏輯,減少不必要的數據開關活動。            低功耗IP核的使用: 介紹如何選擇和集成具有低功耗特性的IP核。        5.3 低功耗設計流程與工具            介紹在設計流程中嵌入低功耗設計考慮,以及EDA工具中支持低功耗分析和優化的功能。     第六章:數字集成電路的可測試性設計(DFT)        6.1 測試的重要性與挑戰            闡述芯片製造完成後進行測試的必要性,以確保芯片的功能正確性和質量。            分析隨著集成電路規模的不斷增大,測試覆蓋率和測試成本帶來的挑戰。        6.2 可測試性設計(DFT)的基本概念            可觀測性(Observability)與可控性(Controllability): 解釋這兩個概念在測試中的意義,以及DFT的目標是提高這些度量。            故障模型(Fault Models): 介紹常見的故障模型,如單點故障(Single-Point Fault)、短路故障(Bridging Fault)、開路故障(Stuck-at Fault)等,以及它們如何指導測試嚮量的設計。        6.3 掃描鏈(Scan Chain)設計            掃描鏈原理: 詳細講解如何將普通觸發器連接成串行掃描鏈,從而實現對內部寄存器狀態的可控和可觀測。            掃描鏈的插入與轉換: 介紹DFT工具如何自動將設計的觸發器轉換為掃描模式,以及掃描鏈的連接方式(單時鍾、多時鍾)。            掃描測試: 描述掃描測試的工作流程,包括掃描輸入、掃描輸齣、測試嚮量的應用。        6.4 內建自測試(BIST - Built-In Self-Test)            BIST原理: 介紹BIST如何集成測試邏輯到芯片內部,實現無需外部測試設備即可進行測試。            LFSR(Linear Feedback Shift Register): 講解LFSR作為僞隨機測試嚮量生成器和響應壓縮器的作用。            RAM BIST, ROM BIST: 介紹對片上存儲器進行自測試的方法。        6.5 DFT的權衡            討論DFT設計對芯片麵積、性能和功耗的影響,以及如何進行權衡以滿足設計要求。  第三部分:高級主題與實踐應用  本部分將探討數字集成電路設計中的一些高級技術和實際應用,為讀者提供更廣闊的視野。     第七章:處理器架構與SoC設計        7.1 處理器架構基礎            指令集架構(ISA): 介紹RISC(精簡指令集)和CISC(復雜指令集)的基本概念,以及MIPS, ARM, x86等典型ISA。            流水綫(Pipeline): 講解指令流水綫如何提高指令吞吐量,包括五級流水綫(取指、譯碼、執行、訪存、寫迴)的詳細過程。            存儲器層次結構: 介紹緩存(Cache)的工作原理,包括TLB, L1, L2, L3緩存的作用。            中斷與異常處理: 講解處理器如何響應中斷和異常。        7.2 片上係統(SoC - System-on-Chip)設計            SoC的概念與優勢: 闡述SoC將多種功能模塊(CPU, GPU, Memory Controller, Peripherals, I/O Interfaces)集成到單一芯片上的特點和優勢。            總綫結構(Bus Architecture): 介紹片上總綫,如AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)中的AHB, APB等,以及它們在SoC中的作用。            IP核集成: 重點講解如何高效地集成和驗證第三方IP核,以及IP核的接口標準化(如AXI)。            SoC設計流程: 分析SoC設計流程與ASIC設計的異同,以及在SoC設計中對IP核的協調和管理。            時鍾與電源管理: 討論SoC中復雜的時鍾域(Clock Domains)和電源域(Power Domains)管理。        7.3 嵌入式係統中的處理器應用            結閤實際案例,如智能手機、汽車電子、物聯網設備等,分析處理器在不同嵌入式係統中的應用和設計考量。     第八章:FPGA與ASIC設計流程對比        8.1 FPGA(Field-Programmable Gate Array)            FPGA的結構: 介紹FPGA的核心構成,如查找錶(LUT)、寄存器、DSP塊、BRAM(Block RAM)等。            FPGA設計流程: 講解使用HDL進行設計,通過綜閤(Synthesis)、布局布綫(Place and Route)到比特流生成(Bitstream Generation)的完整流程。            FPGA的優勢與劣勢: 分析FPGA的快速原型驗證、靈活性高、無需流片等優點,以及其在速度、功耗和成本上的局限性。            FPGA應用場景: 介紹FPGA在原型驗證、通信設備、工業控製、人工智能加速等領域的應用。        8.2 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)            ASIC的設計流程: 迴顧ASIC設計流程,強調其從邏輯設計到物理設計,直至流片(Tape-out)的完整過程。            ASIC的優勢與劣勢: 分析ASIC在高性能、低功耗、高集成度方麵的優勢,以及其高昂的研發成本、長周期和不可修改性等劣勢。            ASIC應用場景: 介紹ASIC在CPU、GPU、移動芯片、高性能計算等對性能和功耗有極緻要求的領域。        8.3 FPGA與ASIC的權衡選擇            提供指導,幫助讀者根據項目需求、成本、周期和性能要求,在FPGA和ASIC之間做齣閤適的選擇。     第九章:現代集成電路設計的前沿技術        9.1 摩爾定律的挑戰與延續            討論傳統CMOS工藝節點逼近物理極限的問題,如短溝道效應、漏電流增加等。            介紹新興的半導體材料,如III-V族材料、二維材料(石墨烯、MoS2)在未來芯片製造中的潛力。            講解3D集成技術(如3D堆疊)如何繼續提升芯片密度和性能。        9.2 異構計算與片上網絡(NoC - Network-on-Chip)            異構計算: 介紹將不同類型的處理器(CPU, GPU, FPGA, ASIC accelerators)集成到同一係統中,以實現更高的效率和性能。            NoC: 講解如何用片上網絡替代傳統的總綫結構,以解決高密度SoC中的通信瓶頸問題。介紹NoC的拓撲結構、路由算法和流控製。        9.3 人工智能(AI)與機器學習(ML)在芯片設計中的應用            AI加速器設計: 介紹專門用於執行AI/ML算法的硬件加速器(如TPU, NPU)的設計原理和架構。            AI輔助設計(AI-Driven Design): 探討如何利用機器學習技術來優化EDA工具,例如用於布局布綫、時序預測、功耗優化等,從而提高設計效率和質量。        9.4 量子計算與新計算範式(簡要介紹)            簡要觸及量子計算等顛覆性計算技術,以及它們可能對未來集成電路設計帶來的影響。  附錄     附錄A:常用EDA工具命令示例    附錄B:Verilog/VHDL語法速查錶    附錄C:參考書目與在綫資源  《數字集成電路設計實踐》通過以上章節的係統性論述,旨在為讀者構建一個從基礎到前沿的數字集成電路設計知識體係。書中不僅涵蓋瞭核心的設計流程、關鍵技術和EDA工具的應用,還特彆強調瞭理論與實踐的結閤,通過豐富的實例和分析,引導讀者深入理解設計背後的原理,並具備解決實際工程問題的能力。本書將是您在數字集成電路設計領域深入學習和職業發展的重要參考。