VHDL

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出版者:清华大学
作者:Weng fook Lee
出品人:
页数:393
译者:孙海平
出版时间:2007-10
价格:48.00元
装帧:
isbn号码:9787302160953
丛书系列:
图书标签:
  • 硬件编程
  • VHDL
  • 硬件描述语言
  • 数字电路
  • FPGA
  • Verilog
  • 电子设计
  • EDA
  • 可编程逻辑
  • 集成电路
  • 设计与验证
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具体描述

本书的编写注重实践。60多个实用事例有助于读者学习如何编写超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)源代码以及如何进行综合,并包括了许多测试平台仿真结果波形图。

事例从简到繁,从简单的VHDL源代码编写起步,随着内容的展开逐步介绍更加复杂的、更为现实的设计。本书还给出了综合结果及其改进措施,以帮助读者更为熟悉经验丰富的设计工程是如何去优化每一个综合出的设计对象。

本书还专门用了一整章的篇幅介绍如何完整地设计一个流水式微控制器:从体系结构定义、指令级定义、微结构实现直至其VHDL源代码及其测试平台源代码的编写,以及综合优化等内容。

好的,这是一份关于一本名为《电子系统设计与验证》的图书简介,它完全不涉及VHDL内容: 《电子系统设计与验证:从理论到实践的全面指南》 书籍简介 在当今快速迭代的电子行业中,对复杂系统的设计、实现和验证能力是工程师的核心竞争力。《电子系统设计与验证》旨在为读者提供一个全面、深入且极其实用的框架,涵盖了现代电子系统开发流程中的关键环节。本书摒弃了对单一硬件描述语言的过度依赖,转而聚焦于系统级思维、设计方法学、验证策略和后端实现流程的整体把控。它不仅是理论知识的宝库,更是实践操作的指南,致力于帮助读者构建坚实的设计基础,掌握高效的验证技术,最终交付高质量、高性能的数字和模拟混合信号系统。 核心内容与结构 本书共分为六大部分,层层递进,系统地构建起电子系统设计的完整知识体系: --- 第一部分:系统级抽象与设计方法论 本部分是全书的基石,强调在进入具体实现细节之前,对系统进行清晰的架构划分和抽象是成功的关键。 1. 现代电子系统的挑战与演进: 探讨摩尔定律的终结、功耗墙和异构计算对设计流程带来的深刻影响。分析当前主流的SoC(系统级芯片)和FPGA设计中面临的主要瓶颈,以及设计空间探索(Design Space Exploration, DSE)的必要性。 2. 架构定义与规格描述: 详细阐述如何从用户需求出发,制定清晰、无歧义的系统功能规格(Functional Specification)和性能指标(Performance Metrics)。重点介绍Transaction-Level Modeling (TLM) 的概念,以及如何在系统级快速验证架构的合理性。讨论通信协议的选择(如PCIe, AXI, NoC)对整体系统性能的影响。 3. 设计流程与IP复用策略: 系统地梳理从概念到流片或部署的完整流程。深入探讨IP(知识产权)的集成、管理和验证策略。阐述如何建立可重用的设计模块库,并强调IP接口协议标准化在大型项目中的重要性。 --- 第二部分:数字逻辑的精细化实现 在完成了系统架构定义后,本部分深入到具体的数字电路实现层面,侧重于优化和约束的体现。 4. 组合逻辑与时序逻辑优化: 超越基础的逻辑门级描述,重点讲解如何通过状态机优化、路径梳理和冗余消除技术,实现更紧凑和高效的逻辑电路。讨论组合逻辑的深度和扇出限制对时序性能的影响。 5. 异步电路与时钟域交叉(CDC)处理: 在高速设计中,时钟域管理至关重要。本章详细剖析了异步信号的同步机制,如握手机制、双端口寄存器(DPRAM)的正确使用,以及多频率域系统中的亚稳态(Metastability)的分析与消除技术。 6. 低功耗设计技术(Power Aware Design): 介绍多种功耗优化手段,包括时钟门控(Clock Gating)、电源门控(Power Gating)的应用场景与挑战。讨论如何在设计初期就嵌入功耗约束,并使用动态电压与频率调节(DVFS)技术来延长电池寿命。 --- 第三部分:高效的硬件验证方法学 验证是现代电子设计中最耗时、成本最高的环节。本部分将重心完全放在如何科学、系统地验证设计,确保其正确性和鲁棒性。 7. 验证环境的构建与分层: 介绍当今业界主流的基于验证平台(Verification Platform)的构建方法。详细阐述经典UVM(Universal Verification Methodology)架构中的组件,如环境(Environment)、代理(Agent)、驱动(Driver)、监听器(Monitor)和记分板(Scoreboard)的角色与协作。 8. 覆盖率驱动验证(Coverage-Driven Verification, CDV): 强调覆盖率作为衡量验证充分性的核心指标。讲解功能覆盖率(Functional Coverage)的建模方法,如何设计有效的约束随机激励(Constrained Randomization),以及如何通过代码覆盖率(Code Coverage)指导后续的测试用例生成。 9. 形式验证(Formal Verification)的应用: 介绍形式化方法在数字设计验证中的重要补充作用。重点讲解属性规范语言(Property Specification Languages)的编写,以及如何使用形式验证工具对关键模块(如协议栈、安全机制)进行穷举验证,从而发现难以通过仿真发现的角点案例。 --- 第四部分:混合信号与模拟设计基础 现代系统必然涉及模拟与数字的交互。本部分为读者建立起理解和处理混合信号模块的必要基础。 10. 模数转换器(ADC)与数模转换器(DAC)原理: 深入剖析采样定理、量化误差、有效位数(ENOB)等关键参数。讲解不同架构(如SAR, Pipeline, Delta-Sigma)的优缺点及适用场景。 11. 噪声分析与寄生效应建模: 讨论系统级噪声预算(Noise Budgeting)的制定。分析PCB布局、电源分配网络(PDN)对模拟性能的影响,以及如何在设计后期进行初步的寄生参数提取和分析。 --- 第五部分:物理实现与签核(Sign-Off) 本部分关注设计如何转化为实际的物理版图,以及达到量产要求的各项物理验证。 12. 综合、布局与布线(Synthesis, Place & Route): 讲解逻辑综合(Logic Synthesis)的目标函数、约束的下发。详细描述FPGA布局布线的流程,以及如何利用时序报告(Timing Reports)指导设计迭代。对于ASIC流程,简要介绍标准单元库、设计规则检查(DRC)和版图后仿真。 13. 静态时序分析(Static Timing Analysis, STA): STA是确保设计满足时序要求的“黄金标准”。本书将详细解读建立时间(Setup Time)、保持时间(Hold Time)的计算,以及如何分析跨时钟域路径、最大延迟路径和最小延迟路径。重点讲解如何解读和修正STA报告中的违例(Violations)。 --- 第六部分:系统级工具链与设计生态 最后一部分将视角提升到整个工具链的管理和协作层面。 14. 版本控制与设计管理: 介绍Git等工具在电子设计项目中的最佳实践,强调设计迭代的追踪性、分支管理和代码审查流程。 15. 仿真与调试的加速技术: 探讨如何利用硬件加速仿真器(如基于FPGA的原型验证系统)来加速系统级验证。介绍调试中的断点设置、波形追踪和逻辑分析仪的使用技巧。 --- 本书的特点: 面向系统而非语言: 强调设计哲学、方法学和验证策略,使读者具备跨工具和跨平台迁移的能力。 实践驱动: 包含大量源自真实工业界项目的案例分析,重点关注“为什么这样设计/验证是最佳选择”。 全面覆盖: 融合了数字、模拟、验证和物理实现的全流程知识,培养“T型”人才。 目标读者: 本书适合有一定数字电路基础的电子工程、微电子学专业的在校学生,以及希望系统提升设计能力和验证技能的初中级工程师。它将帮助读者从“会用工具”迈向“精通设计”。

作者简介

Weng Fook Lee是AMD公司杰出的首席设计工程师,曾荣获“深受爱戴的综合专家”荣誉称号。他具有大量的采用VHDL进行ASIC设计的经验,擅长于在综合电路时以性能极大化和面积使用量极小化为目标进行改进,也擅长于开发和实现新的综合、验证以及自动布局布线的设计方法。他曾深入地参与过PCI、ISA、LPC桥、芯片组、微控制器、RISC微处理器以及最先进的高速低耗闪烁存储器的设计与综合。

目录信息

插图目录17表格目录21示例目录23 第1部分 VHDL代码编写 第1章 绪言3 1.1 传统设计方法--原理图输入3 1.2 硬件描述语言3 1.3 VHDL设计的结构4 1.4 VHDL设计内的元件实例化7 1.5 结构式、行为式与可综合VHDL设计10 1.5.1 结构式VHDL描述10 1.5.2 行为式VHDL描述12 1.5.3 RTL级代码14 1.6 在VHDL设计中使用库声明16 第2章 VHDL仿真与综合流程18 第3章 基本逻辑元件的可综合代码20 3.1 与逻辑20 3.2 或逻辑21 3.3 非逻辑22 3.4 与非逻辑23 3.5 或非逻辑24 3.6 三态缓冲器逻辑26 3.7 复杂逻辑门27 3.8 锁存器28 3.8.1 避免代码中出现锁存器29 3.9 触发器33 3.10 译码器34 3.11 编码器36 3.12 多路选择器37 3.13 优先级编码器39 3.14 存储器单元41 3.15 加法器42 3.16 元件推定44 第4章 信号与变量46 4.1 变量46 4.2 信号47 4.3 采用信号和变量的时机51 4.4 反馈信号的用法53 第5章 复杂示例的可综合代码56 5.1 移位器56 5.2 计数器66 5.3 存储器模块73 5.4 汽车行驶控制器80 第6章 设计可综合的流水式微控制器87 6.1 定义指令集87 6.2 定义体系结构88 6.3 定义流水线90 6.4 定义流水式微控制器的微结构91 6.4.1 预译码功能块93 6.4.2 译码功能块104 6.4.3 寄存器堆功能块112 6.4.4 执行功能块121 6.4.5 整个微控制器芯片131 第2部分 基于SYNOPSYS工具的逻辑综合 第7章 设计中的时序因素147 7.1 建立时间违规147 7.2 保持时间违规148 7.3 逻辑综合中的建立时间和保持时间因素148 7.4 改进微结构以消除建立时间违规149 7.4.1 通过逻辑复制生成独立路径150 7.4.2 在利用滞后到达信号作选择之前进行逻辑复制150 7.4.3 在触发器间进行逻辑均衡151 7.4.4 优先级译码与多路译码152 7.5 改进微结构以消除保持时间违规153 7.6 异步路径与无效路径153 7.7 多周期路径153 第8章 基于时序约束的VHDL综合155 8.1 Design Compiler简介155 8.2 使用Design Compiler进行综合156 8.3 性能改进159 8.3.1 采用-map_effort high选项编译159 8.3.2 将关键路径聚合成组并设定权重因子164 8.3.3 对设计对象进行逻辑展平170 8.3.4 表征子模块174 8.3.5 寄存器均衡175 8.3.6 采用FSM Compiler优化有限状态机181 8.3.7 对高级功能模块选择高速实现电路186 8.3.8 对重负载逻辑树进行均衡187 8.4 通过综合改进实现面积优化190 8.4.1 组合逻辑不单独作为功能块使用190 8.4.2 模块间不使用胶黏逻辑191 8.4.3 使用set_max_area属性192 8.5 使用Synopsys工具消除保持时间违规193 8.6 其他常用的综合命令193 8.7 自顶而下与自底而上编译224 第9章 实例化GTECH库单元227 第10章 DesignWare库229 10.1 建立自己的DesignWare库233 第11章 综合中的可测试性问题240 11.1 复用触发器扫描方式241 11.2 使用Synopsys的Test Compiler实现扫描插入243 第12章 FPGA综合250 第13章 综合与版图工序之间的联系260 13.1 前向标注260 13.2 连线负载模型261 13.3 版面规划262 13.4 版图工序之后的优化263 第14章 实现有效综合应遵循的设计指导原则264 附录A STD_LOGIC_1164库266附录B 移位器综合结果302附录C 计数器综合结果308附录D 流水式微控制器综合结果312附录E 第6章微控制器示例综合出的EDIF文件330附录F 第6章微控制器示例综合出的SDF文件359 词汇表392 参考文献394
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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我购买这本书的初衷,是希望能深入了解现代数字设计中的高级抽象方法,特别是那些能够提升设计效率和可维护性的架构模式。然而,这本书的侧重点似乎更偏向于对基础语言特性的细致解析,而非宏观的设计哲学。书中的大部分篇幅被用来解释关键字的精确用法、数据类型的兼容性限制以及编译器(或综合器)如何解析特定的结构。这当然是重要的基础,但对于一个希望快速提升到“架构师”层面的工程师而言,这样的内容深度略显不足。比如,在系统级设计和模块划分的章节,我期待看到关于IP复用、接口协议(如AXI、Wishbone)集成策略的讨论,或是关于如何使用高级语言特性(如参数化、生成语句)来管理复杂设计的最佳实践。但这些内容在书中只是一笔带过,没有深入展开,留下了一个明显的“知识断层”。这本书更像是指导你如何精通“砖瓦的砌法”,而不是教你如何设计一座宏伟的“建筑蓝图”。因此,它更适合那些需要巩固语言语法的初级或中级用户,对于寻求设计方法论突破的资深人士来说,可能需要寻找其他更具前瞻性的资源。

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这本书的装帧和纸张质量很不错,拿在手里很有分量,让人感觉这是一本值得收藏的工具书。然而,在内容组织上,我发现它在不同主题间的过渡非常突兀。某一章可能还在详细讨论如何编写一个高效的测试平台(Testbench),下一章可能就直接跳到了特定底层原语(Primitives)的电气特性,中间缺乏一个平滑的逻辑桥梁来连接这两个看似不相关的领域。这种不连贯性使得阅读过程变得碎片化,我很难将分散的知识点整合成一个有机的整体。例如,在讲解如何进行功能仿真(Functional Simulation)和时序仿真(Timing Simulation)的区别时,书中仅仅是给出了不同的仿真命令和配置示例,却鲜有对仿真模型是如何建立、延迟是如何被注入的深入剖析。这种“告诉我们结果,但不深究过程”的叙事方式,虽然节省了篇幅,却极大地削弱了知识的深度和读者的理解力。我不得不频繁地在不同章节间往返查找,以确认前后文的逻辑联系,这极大地打断了阅读的流畅感。

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这本书的语言风格非常直接,几乎没有冗余的形容词和修饰,就像一份严密的工程规范文档。这种风格的优点是信息密度极高,阅读起来效率尚可,但缺点是缺乏必要的上下文铺垫和趣味性引导。对于我这样希望通过阅读建立起完整知识体系的读者来说,它更像是一系列知识点的罗列,而不是一条连贯的叙事线。例如,在讲解并发与顺序执行的概念时,书中直接抛出了硬件描述语言的仿真语义和综合结果的差异,但对于背后的硬件实现机制——比如门级电路如何响应时钟边沿,指令流如何映射到触发器操作——的描述却显得有些抽象化。我感觉作者非常专注于“如何写代码”,却略微忽视了“代码最终会变成什么”的物理意义。我希望书中能有更多图示来辅助理解那些复杂的信号流和数据路径,但很遗憾,插图相对稀少,且多为代码片段的截图,这使得我在构建大脑中的“硬件模型”时,常常需要自己动手绘制草图来帮助消化信息。总而言之,它需要读者拥有极强的自驱力和扎实的预备知识,才能真正从中汲取营养。

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这本书,从封面到内页的排版,都透露着一种老派的、教科书式的严谨,让人不禁联想到大学图书馆里那些尘封已久,但知识密度极高的经典著作。我抱着学习一种硬核技术的心态翻开它,期待着能够从中找到系统、深入的底层原理讲解。然而,实际的阅读体验却充满了挑战,与其说它是一本“指南”,不如说它更像是一部“工具手册的注解集”。书中对于抽象概念的阐述常常是点到为止,仿佛默认读者已经具备了相当的数字逻辑基础和电路知识。例如,在描述状态机的设计流程时,作者似乎急于跳转到具体的硬件描述语言(HDL)语法实现上,而对于为什么选择某种特定的状态编码方式,或者不同编码方式在实际FPGA资源消耗和时序性能上的权衡,探讨得略显单薄。我花了大量时间去查阅外部资料,来填补这些“跳跃”留下的知识鸿沟。尤其是在涉及到时序约束和验证的部分,内容显得过于精炼,缺乏足够的实例来展示如何将复杂的系统需求转化为可行的时序要求,对于初学者来说,这部分无疑是巨大的障碍。这本书的价值,或许更多地体现在其对特定工具链和语言特性的详尽引用上,它更像是一本需要配合大量实践和外部参考资料才能完全消化的专业参考书,而不是一本可以轻松入门的读物。

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作为一本技术书籍,代码示例的质量至关重要。这本书的示例代码量是相当可观的,但其有效性和前沿性却是我感到最困惑的地方。许多代码片段似乎停留在较早期的设计规范或综合工具支持的范畴内,缺乏对现代FPGA设计流程中推荐使用的那些更高级、更抽象的描述方式的体现。例如,在描述并行处理结构时,代码多采用显式的循环和寄存器描述,而对于现代设计中越来越主流的基于高层次综合(HLS)思想的、更偏向算法描述的结构,则提及甚少或完全回避。此外,有些代码示例在逻辑上略显冗余或效率不高,虽然它们能正确演示某个语言特性,但并非是业界推荐的最佳实践范例。我期待看到的是能够直接应用于当前主流硬件平台的、经过优化的、清晰的代码模版,而不是一些在特定历史环境下有效的“历史版本”代码。因此,这本书在作为一本学习新技术的入门读物时,其参考价值会随着技术的快速迭代而迅速降低,更适合作为某个特定历史阶段或特定技术栈的档案资料来对待。

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