数字设计基础与应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:清华大学出版社

作者:邓元庆/关宇/贾鹏关宇贾鹏

出品人:

页数:347

译者:

出版时间:2005-5

价格:29.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787302104407

丛书系列:

图书标签:

• 数字电路
• 数字设计
• FPGA
• Verilog
• VHDL
• 计算机组成原理
• 逻辑设计
• 电子工程
• 嵌入式系统
• 数字系统设计

深入解析数字集成电路设计与现代电子系统构建 图书名称：现代集成电路设计原理与实践 图书简介 本书旨在为读者提供一套全面、深入的数字集成电路设计与现代电子系统构建的理论与实践知识体系。我们致力于突破传统教材的局限，将前沿的设计方法、先进的工艺技术与实际应用需求紧密结合，培养读者独立分析复杂数字系统并进行高效实现的综合能力。 第一部分：微电子学基础与CMOS器件物理 本部分是理解现代数字电路设计根基的基石。我们将从半导体物理的基本原理出发，详细剖析MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的工作机制，特别是FinFET等先进器件结构对电路性能的影响。 半导体物理回顾与器件模型： 深入探讨PN结、耗尽层、载流子输运机制，建立精确的SPICE级模型基础。重点分析阈值电压（$V_{th}$）的调控技术及其在低功耗设计中的作用。 CMOS器件特性与参数提取： 详细讲解亚阈值导电、短沟道效应、热载流子注入等对现代深亚微米乃至纳米级工艺的影响。讨论版图对器件参数的敏感性以及如何进行精确的工艺角（PVT）分析。 先进工艺节点挑战： 探讨新一代晶体管结构（如FD-SOI、GAAFET）的特性，以及它们在应对功耗墙和性能瓶颈方面的设计考量。 第二部分：数字电路设计基础与逻辑综合 本部分构建了从晶体管层面到标准单元库的使用范式，侧重于数字系统的构建模块和设计流程。 晶体管级基本逻辑门设计： 不仅仅是介绍标准的CMOS反相器，更深入探究两输入逻辑门（NAND, NOR）在不同工艺下的延迟特性、扇入/扇出（Fan-in/Fan-out）优化，以及对电荷共享、毛刺（Glitch）的抑制技巧。 时序电路设计与分析： 详细阐述锁存器（Latch）与触发器（Flip-Flop）的结构、透明性分析及其在不同同步系统中的应用。重点解析建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的违例分析、时钟抖动（Jitter）的影响，并介绍时钟域交叉（CDC）电路的设计方法。 组合逻辑优化与可综合设计： 涵盖布尔代数简化、卡诺图（K-Map）在现代设计中的局限性，以及如何编写高度可综合的硬件描述语言（HDL）代码。深入讲解综合工具（Synthesizer）的工作原理，包括逻辑映射、技术映射、布尔优化算法，以及如何利用约束（Constraints）来指导综合过程以达到预期的面积、功耗和速度目标。 第三部分：系统级电路与数据通路架构 本部分将视角提升至寄存器传输级（RTL），聚焦于构建复杂数据处理单元所需的结构和方法。 算术逻辑单元（ALU）设计： 深度剖析加法器（如先行进位加法器CLA、串行进位加法器Ripple Carry Adder）的延迟特性，以及乘法器（Booth算法、阵列乘法器）的结构优化。探讨定点数与浮点数表示法的应用场景。 存储单元与内存结构： 详细介绍SRAM（静态随机存取存储器）和寄存器堆（Register File）的内部结构、读写时序、以及位线/字线驱动电路的设计。讨论不同类型的寄存器在系统中的作用和优化策略。 有限状态机（FSM）设计与优化： 区分Mealy和Moore状态机的设计范式。深入研究状态编码技术（如独热编码One-Hot Encoding）对电路速度和面积的影响，以及如何有效避免状态转移竞争冒险。 第四部分：低功耗设计技术与方法学 在移动和物联网时代，功耗控制是数字设计的核心挑战之一。本部分系统梳理了从工艺到架构层面的低功耗策略。 功耗分析基础： 区分动态功耗（开关功耗、短路功耗）和静态功耗（亚阈值漏电）。建立精确的功耗建模方法，以便在设计初期进行预测。 电压与频率调控（DVFS）： 详细讲解动态电压频率调整（DVFS）的实现机制，包括电压域隔离（Level Shifting）电路的设计，确保跨电压域通信的可靠性。 时钟门控（Clock Gating）与电源门控（Power Gating）： 介绍实现自动和推断式时钟门控的HDL编码技巧和综合流程。深入讨论电源门控带来的唤醒延迟（Wake-up Latency）问题及解决方案，例如使用隔离单元（Isolation Cell）和保留单元（Retention Register）。 第五部分：物理实现与后端设计流程 从RTL到可制造的芯片（GDSII），物理实现阶段的挑战在于如何将抽象的逻辑转化为满足时序和物理约束的版图。 布局规划与时钟树综合（CTS）： 探讨芯片的宏单元布局策略，以及如何进行时钟网络的设计以确保时钟偏差（Skew）和时钟峰值（Overshoot/Undershoot）在可接受范围内。 静态时序分析（STA）： 将STA作为验证流程的核心。深入讲解如何设置和检查不同的时序例外情况（如多周期路径、交叉时钟域路径），以及如何利用STA报告来迭代优化RTL或物理设计。 版图寄生参数提取与后仿真： 介绍RC提取的原理，以及如何将提取的寄生参数（电阻和电容）模型应用于精确的后仿真（Post-Layout Simulation），以验证设计在真实物理环境下的性能。 可制造性设计（DFM）与良率考量： 探讨设计规则检查（DRC）与版图验证（LVS）的重要性。介绍如何通过设计技术（如避免尖锐的拐角、优化金属线的宽度）来提高芯片的制造良率。 第六部分：先进设计验证与测试技术 现代复杂数字系统的验证占据了设计周期的大部分时间。本部分关注系统级验证的先进方法。 形式验证方法： 介绍等价性检查（Equivalence Checking, EC）在逻辑综合后验证中的应用，以及模型检测（Model Checking）在验证控制逻辑正确性方面的潜力。 基于覆盖率的验证（Coverage Driven Verification）： 详细讲解功能覆盖率（Functional Coverage）和代码覆盖率（Code Coverage）的建立与度量。介绍激励生成技术，如伪随机激励和约束随机验证（UVM/OVM）。 可测试性设计（DFT）与边界扫描： 阐述如何通过设计增加可测试性，以方便进行晶圆级和封装后的测试。重点介绍扫描链（Scan Chain）的插入、时钟控制以及内建自测试（BIST）的技术原理，确保制造缺陷能被有效检测。 本书结构严谨，内容覆盖了从器件物理到系统级验证的全流程，尤其注重现代EDA工具链中的设计优化技巧和对前沿工艺节点的适应性，是高年级本科生、研究生以及集成电路工程师的理想参考读物。

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坦白说，我购买这本书的主要动机是想系统学习一下组合逻辑电路的优化方法，特别是卡诺图（K-map）的进阶应用以及Quine-McCluskey算法在实际复杂电路简化中的局限性与替代方案。我之前主要依赖在线教程自学，但那些零散的知识点总是很难串联成一个完整的知识体系。这本书如果能提供一套完整的、从理论到实践的优化流程，并辅以一些具体的案例分析，哪怕是简单的四变量或五变量逻辑函数，我也觉得值回票价了。更重要的是，我希望它能多探讨一些关于硬件描述语言（HDL）在综合（Synthesis）过程中，编译器是如何进行逻辑推导和映射的，因为很多时候我们写出来的HDL代码和最终的门级网表之间存在着巨大的性能差异，而理解背后的“黑箱”操作是提升设计水平的关键。如果书中能对这些底层的工作原理有所涉猎，哪怕只是概括性的描述，都比空泛的“代码要简洁”之类的指导要有用得多。

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这本书的装帧设计倒是挺别致，封面用的那种略带纹理的哑光纸，拿在手里质感不错，不像那些廉价的教材，摸起来滑腻腻的。我本来以为这种厚度的书，内容会非常枯燥，但翻开目录，发现章节划分得还算合理，至少从标题上看，涵盖的知识点很广，从最基础的逻辑门讲起，一直到一些更复杂的系统级设计，这倒是个不错的信号。我对硬件描述语言的部分尤其关注，希望它能提供一些实用的例子，而不是干巴巴的语法解释。我得承认，我之前买过几本号称“入门”的教材，结果发现里面充斥着大量我看不懂的缩写和假设读者已经掌握了高等数学基础的措辞，让人读起来非常受挫。如果这本书能在深入讲解的同时，保持足够的友好性，多用一些类比和图示来辅助理解那些抽象的布尔代数和状态机概念，那绝对是加分项。我期待它能真正做到“基础”与“应用”的平衡，毕竟，只有理解了背后的原理，才能写出高效且可维护的数字电路代码。

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这本书的习题设计是我非常在意的一个方面。一本好的教材，其价值往往体现在配套的练习题上，它们是检验学习效果的试金石。我希望能看到题目的难度梯度设置得非常科学，从基础概念的直接应用，到需要综合运用多个知识点才能解决的中等难度问题，再到一些能够启发创新思维的开放式设计挑战题。我特别希望看到一些涉及有限状态机（FSM）设计与验证的综合性大题，比如要求设计一个简单的协议解析器或一个控制单元，要求不仅要画出状态转移图，还要用HDL实现，并说明如何进行仿真测试。如果习题后面能附带详细的解题思路或关键步骤，而不是仅仅给出最终答案，那对自学者的帮助将是无价的。毕竟，真正的学习不是记住答案，而是理解推导出答案的过程。

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这本书的排版风格确实让人眼前一亮，很多公式和图例的处理非常清晰，不像有些扫描版或者排版混乱的书籍，光是分辨一个“或非门”的符号就要费半天劲。我特别欣赏它在介绍时序逻辑部分的处理方式，它没有直接抛出一个复杂的触发器模型，而是先从简单的延时电路开始，逐步引入锁存器的概念，这种循序渐进的方式，对于我这种需要回顾基础知识的工程师来说，简直是福音。我记得以前学D触发器时，总是对“主从结构”的概念感到云里雾里，希望这本书能提供一个更直观的动画演示或者更详尽的时序图解来打破这个认知障碍。另外，关于同步异步复位信号的处理，书中是否深入讨论了亚稳态（metastability）问题及其在实际FPGA设计中的对策？如果能加入一些现代设计流程中的注意事项，比如跨时钟域处理的CDC（Clock Domain Crossing）技巧，那就太棒了，这部分内容往往是初级教材所缺失的“实战经验”。

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我收到这本书后，首先翻阅了关于可编程逻辑器件（PLD/FPGA）选型和基本架构介绍的部分。这一块内容非常关键，因为数字设计最终是要落地到具体芯片上的。我注意到书中对查找表（LUT）的工作原理解释得似乎很透彻，这一点我很感兴趣。我一直好奇，一个四输入的LUT是如何通过编程实现任意四变量布尔函数的？它内部的存储单元结构是怎样的？如果能详细画出其内部的RAM结构以及如何通过输入信号进行寻址，那就完美了。另外，如果书中能涵盖一些实际的资源使用分析，比如不同时序约束下，逻辑单元（LE/ALM）的利用率如何变化，以及如何通过代码结构来影响布局布线结果，那这本书的实用价值将大大提升。很多教材只停留在理论的象牙塔里，没有将软件工具链和硬件特性结合起来进行讨论，希望这本书在这方面能有所突破。

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