Modeling, Synthesis, and Rapid Prototyping with the VERILOG (TM) HDL pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

出版者:Prentice Hall

作者:Michael D. Ciletti

出品人:

页数:724

译者:

出版时间:1999-03-18

价格:USD 152.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780139773983

丛书系列:

图书标签:

• Verilog HDL
• 数字电路设计
• 建模
• 综合
• 快速原型
• 硬件描述语言
• FPGA
• ASIC
• 电子工程
• 数字系统

《Verilog HDL：从建模到快速原型开发》 一、 引言：数字设计的新纪元 在瞬息万变的电子工程领域，数字集成电路（IC）的设计与实现早已超越了最初的逻辑门组合。从最初的简单逻辑控制器到如今集成了数十亿晶体管的复杂SoC（System-on-Chip），硬件描述语言（HDL）已成为构建数字世界的基石。而Verilog HDL，作为其中最广泛应用、最成熟的语言之一，为工程师们提供了一个强大而灵活的工具，用于描述、仿真、验证直至最终实现复杂的数字系统。 本书《Verilog HDL：从建模到快速原型开发》旨在全面深入地剖析Verilog HDL的应用，不仅仅停留在语法层面的介绍，更侧重于指导读者如何运用Verilog HDL进行高效的系统建模，掌握从概念到可执行代码的设计流程，并最终实现快速原型开发，加速产品的上市进程。本书将带领读者踏上一段从理解数字系统本质到掌握其在Verilog HDL中精确表达的旅程，最终能够独立设计、验证并实现具有竞争力的数字硬件。 二、 第一部分：Verilog HDL 基础与建模原理 本部分将为读者打下坚实的Verilog HDL基础，并深入探讨其在数字系统建模中的核心作用。 1. Verilog HDL 概览：数字设计的通用语言 历史与发展： 简述Verilog HDL的起源，以及其如何演变成行业标准，成为数字设计领域不可或缺的工具。 Verilog HDL 的核心概念： 模块（Module）： 理解模块作为Verilog HDL中最基本的抽象单元，是构建复杂系统的基石。我们将深入探讨模块的声明、端口（输入、输出、双向）的定义以及模块之间的实例化和连接。 数据类型（Data Types）： 掌握Verilog HDL中的各种数据类型，包括线网类型（`wire`, `wand`, `wor`, `triver`, `triveo`, `supply0`, `supply1`）和变量类型（`reg`, `integer`, `time`）。理解它们在不同上下文中的作用和限制。 运算符（Operators）： 详细介绍Verilog HDL中的各类运算符，包括逻辑运算符（`&`, `|`, `~`, `^`, `~&`, `~|`, `~^`, `^~`）、算术运算符（`+`, `-`, ``, `/`, `%`, ``）、关系运算符（`<`, `<=`, `>`, `>=`）、相等运算符（`==`, `!=`, `===`, `!==`）、位选择运算符（`[]`）、位运算符（`<<`, `>>`, `<<<`, `>>>`）、条件运算符（`? :`）以及优先级和结合性。 赋值语句（Assignment Statements）： 区分连续赋值（`assign`）和过程赋值（`always`块中的`=`或`<=`）。理解它们的语义差异，以及在组合逻辑和时序逻辑设计中的适用性。 行为级建模（Behavioral Modeling）： `always`块： 深入理解`always`块的各种触发条件（`posedge`, `negedge`, `level-sensitive`），以及它们如何映射到时序逻辑（寄存器）和组合逻辑。 `if-else`语句： 学习如何使用`if-else`结构描述条件分支，并分析其在生成组合逻辑和时序逻辑中的行为。 `case`语句： 掌握`case`语句在描述多路选择器和状态机方面的强大能力，并讨论`casez`和`casex`的使用场景。 循环语句（`for`, `while`, `repeat`, `forever`）： 了解循环语句在特定场景下的应用，并强调其在仿真而非综合中的作用。 数据流建模（Dataflow Modeling）： 连续赋值（`assign`）： 深入理解`assign`语句的工作原理，如何描述组合逻辑的输入输出关系，以及其在硬件实现中的映射。 `function`和`task`： 学习如何定义可重用的函数和任务，用于简化代码结构，提高代码的可读性和可维护性。分析它们与`always`块的区别，尤其是在综合方面的考量。 结构级建模（Structural Modeling）： 门级电路（Gate-level Primitives）： 介绍Verilog HDL内置的门级原语（`and`, `or`, `not`, `xor`, `nand`, `nor`, `xnor`, `buf`, `bufif0`, `bufif1`, `notif0`, `notif1`）以及如何实例化它们来构建电路。 实例引用（Module Instantiation）： 学习如何实例化已定义的模块，并将其连接起来，形成层次化的设计结构。理解端口映射的两种方式：按顺序映射和命名映射。 参数化设计（Parameterized Design）： `parameter`关键字： 掌握使用`parameter`关键字定义设计中的常量，实现设计的灵活性和可重用性。理解参数的传递机制。 `defparam`语句： 学习如何通过`defparam`语句在实例化时修改子模块的参数值。 2. 数字系统建模的艺术：从抽象到具体 抽象层次（Abstraction Levels）： 行为级（Behavioral）： 侧重于描述系统的功能和行为，通常使用`always`块、`if-else`、`case`等高级结构。适用于算法设计和功能验证。 寄存器传输级（RTL）： 描述数据如何在寄存器之间传输和转换，是Verilog HDL中最常用的建模层次。它介于行为级和门级之间，能够被综合工具有效地映射到硬件。 门级（Gate-level）： 描述由逻辑门组成的电路结构，通常是综合工具的输出。 建模策略： 自顶向下（Top-down）： 从整体系统功能出发，逐步分解为子模块，直至最终的逻辑门。 自底向上（Bottom-up）： 从基本的逻辑单元出发，逐步组合成更复杂的模块，直至整个系统。 混合建模： 在实际设计中，通常会结合使用多种建模策略，以达到最优的设计效果。 组合逻辑建模： 永远组合逻辑（Always Combinational Logic）： 深入讲解如何使用`always @()`或`always @(sensitivity_list)`来描述组合逻辑。重点分析敏感列表的设置，避免锁存器（Latch）的产生。 示例： 加法器、多路选择器、译码器、编码器、比较器等的Verilog HDL实现。 时序逻辑建模： 同步时序逻辑（Synchronous Sequential Logic）： 掌握基于时钟边沿触发的寄存器、触发器（D触发器、JK触发器、T触发器）的建模。理解`always @(posedge clk)`和`always @(negedge clk)`的用法。 状态机（Finite State Machine, FSM）： Mealy型状态机： 输出依赖于当前状态和输入。 Moore型状态机： 输出仅依赖于当前状态。 状态机的Verilog HDL实现： 学习如何使用三段式（或两段式）描述状态机，包括状态寄存器、组合逻辑（下一状态和输出逻辑）的建模。 异步时序逻辑（Asynchronous Sequential Logic）： 简述异步逻辑的概念，以及其在Verilog HDL中的建模挑战（通常避免在同步设计中使用）。 建模的最佳实践： 清晰的代码风格： 保持代码的可读性，使用有意义的命名，添加必要的注释。 模块化设计： 将复杂系统分解为小的、可管理的模块，提高代码的可重用性和可维护性。 避免综合陷阱： 识别和避免那些会导致综合工具产生非预期结果的代码结构，如锁存器、无限循环、某些`initial`块用法等。 综合可综合（Synthesizable）Verilog： 理解并非所有的Verilog HDL语法都能被综合工具转换为硬件。重点讲解哪些结构是可综合的，哪些需要谨慎使用。 三、 第二部分：Verilog HDL 仿真与验证 没有严格的验证，再精巧的设计也可能潜藏隐患。本部分将重点介绍Verilog HDL的仿真机制以及有效的验证策略。 1. Verilog HDL 仿真机制：时间的流动与事件驱动 仿真器的工作原理： 介绍事件驱动仿真（Event-driven Simulation）的核心思想，以及仿真器如何根据事件的发生来更新信号值和驱动模块。 仿真时间单位与精度： 理解`timescale`指令的含义，以及仿真时间单位和精度如何影响仿真行为。 仿真模型（Simulation Models）： 行为模型（Behavioral Models）： 使用Verilog HDL的结构化语句描述系统功能。 RTL模型（Register-Transfer Level Models）： 描述数据在寄存器间的传输和逻辑运算。 门级模型（Gate-Level Models）： 由网表（Netlist）组成，描述实际的逻辑门电路。 仿真控制语句： `initial`块： 学习`initial`块的用法，它在仿真开始时只执行一次，常用于初始化信号、驱动激励和生成波形。 `always`块（仿真上下文）： 再次强调`always`块在仿真中的行为，特别是`always @(event_list)`。 `wait`语句： 学习`wait`语句如何暂停仿真，直到某个条件满足。 `delay`语句（``）： 理解``延迟在仿真中的作用，以及其在创建时钟和驱动测试激励时的应用。 `fork-join`语句： 学习`fork-join`结构如何实现并行行为，在仿真中同时执行多个语句块。 事件队列（Event Queue）： 概念性介绍仿真器如何管理待处理的事件。 仿真循环（Simulation Loop）： 简述仿真器如何不断处理事件，推进仿真时间。 2. Testbench 设计：验证的基石 Testbench 的作用： Testbench是用于验证设计（Design Under Test, DUT）正确性的外部环境，它负责生成输入激励，监控输出响应，并与预期结果进行比较。 Testbench 的构成： DUT 实例化： 如何在Testbench中实例化被测试的设计。 时钟生成： 学习如何使用`always`块和延迟生成稳定的时钟信号。 输入激励生成： 编写代码以各种方式生成输入信号，包括随机激励、特定序列激励、协议激励等。 输出监控与断言： 如何在Testbench中读取DUT的输出，并使用`if`语句、`assert`语句（SystemVerilog）或专门的断言库进行检查。 仿真控制： 如何使用`$finish`、`$stop`等系统任务控制仿真流程。 标准测试流程： 激励生成（Stimulus Generation）： 产生驱动DUT的输入信号。 输出捕获（Output Capturing）： 读取DUT的输出信号。 预期值计算（Expected Value Calculation）： 根据输入激励，独立计算出DUT的预期输出。 比较（Comparison）： 将实际输出与预期输出进行比较。 错误报告（Error Reporting）： 当实际输出与预期输出不符时，生成错误信息。 激励生成的技巧： 顺序激励： 按照预定的顺序输入测试向量。 随机激励： 使用Verilog HDL的随机数生成器（或SystemVerilog的随机化特性）来生成更广泛的测试覆盖率。 覆盖率驱动的验证： 引入功能覆盖率（Functional Coverage）和代码覆盖率（Code Coverage）的概念，以量化验证的完备性。 波形生成： 使用`$dumpfile`和`$dumpvars`系统任务生成VCD（Value Change Dump）文件，以便使用波形查看器进行调试。 3. 验证方法学（Verification Methodologies）：系统化验证的实践 代码覆盖率（Code Coverage）： 语句覆盖率（Statement Coverage）： 确保每一条可执行语句至少被执行一次。 分支覆盖率（Branch Coverage）： 确保`if-else`、`case`语句中的所有分支都被覆盖。 翻转覆盖率（Toggle Coverage）： 确保信号的0到1和1到0的所有状态转换都被覆盖。 状态覆盖率（State Coverage）： 确保有限状态机中的所有状态都被进入。 功能覆盖率（Functional Coverage）： 目标： 验证设计的特定功能是否按照规格说明正确实现。 覆盖点（Coverage Points）： 定义需要覆盖的功能场景。 覆盖组（Coverage Groups）： 将相关的覆盖点组织起来。 常用的验证方法学： OVM（Open Verification Methodology）/UVM（Universal Verification Methodology）： 介绍其基于面向对象编程（OOP）的架构，以及其在构建可重用、可扩展验证环境中的强大能力。虽然UVM是SystemVerilog的特性，但其核心思想对Verilog验证仍有启发。 静态验证（Static Verification）： 静态时序分析（Static Timing Analysis, STA）： 介绍STA的概念，以及它如何检查设计是否存在时序违规，而无需进行仿真。 形式验证（Formal Verification）： 简述形式验证的原理，它使用数学方法来证明设计的正确性，可以覆盖所有可能的输入组合。 四、 第三部分：Verilog HDL 在快速原型开发中的应用 快速原型开发（Rapid Prototyping）是连接硬件设计和软件开发的关键桥梁。本部分将探讨Verilog HDL如何在此过程中发挥重要作用。 1. 快速原型开发的概念与优势 定义： 快速原型开发是指在软件开发生命周期早期，通过构建一个可运行的系统模型，来验证软件设计、用户界面或系统集成。 目的： 尽早发现问题： 在硬件尚未完全实现时，通过软件或硬件原型来验证算法和接口。 加速迭代： 允许开发人员快速尝试不同的设计方案，并快速反馈。 验证关键路径： 重点对系统的核心功能和性能进行验证。 软硬件协同： 促进软件和硬件团队之间的沟通与协作。 优势： 降低开发成本，缩短开发周期，提高产品质量。 2. 使用 Verilog HDL 进行硬件原型建模 高层次综合（High-Level Synthesis, HLS）： 概念： 从C/C++/SystemC等高级语言自动生成RTL代码。 Verilog HDL的角色： HLS工具生成的RTL代码是Verilog HDL，为后续的FPGA实现或ASIC设计奠定基础。 优势： 极大地提高了设计效率，尤其适合算法密集型和数据密集型应用。 FPGA 原型开发： FPGA 简介： 介绍FPGA（Field-Programmable Gate Array）作为一种可重构硬件平台，非常适合进行快速原型开发。 Verilog HDL 到 FPGA 的流程： 设计输入： 使用Verilog HDL编写设计。 仿真验证： 在软件仿真器中验证设计。 综合（Synthesis）： 将Verilog HDL代码转换为门级网表，映射到FPGA的逻辑资源。 实现（Implementation）： 包括布局（Place）和布线（Route），将网表映射到FPGA的具体物理器件上。 时序约束（Timing Constraints）： 定义设计的时间要求，以确保FPGA能够满足性能目标。 比特流生成（Bitstream Generation）： 生成用于配置FPGA的比特流文件。 下载与测试： 将比特流下载到FPGA，并在实际硬件上进行测试。 Verilog HDL 在FPGA原型开发中的关键作用： 读者将学习如何编写能够高效映射到FPGA资源的Verilog HDL代码，理解FPGA架构对Verilog HDL编码的影响（例如，对查找表（LUT）、寄存器、DSP块、BRAM等的利用）。 C/C++/SystemC 与 Verilog HDL 的交互： SystemC 建模： 介绍SystemC作为一种C++库，可以用于系统级建模和仿真，可以与Verilog HDL协同工作。 接口协议的建模： 学习如何使用Verilog HDL对常见的硬件接口协议（如AXI、PCIe、USB等）进行建模，以便在原型开发阶段进行软硬件接口的验证。 调试 FPGA 原型： 在线逻辑分析仪（On-Chip Logic Analyzers）： 介绍FPGA厂商提供的在线逻辑分析仪工具（如Xilinx ChipScope/ILA，Intel SignalTap），如何使用Verilog HDL代码将其集成到设计中，以实时捕获内部信号。 JTAG 接口： 简述JTAG接口在调试中的应用。 3. 软硬件协同设计与原型集成 软件驱动接口： 学习如何编写软件驱动程序，通过预定义的接口与Verilog HDL原型进行通信。 模型集成： 探讨如何将Verilog HDL生成的硬件模型与软件模拟模型或实际硬件组件集成，形成一个完整的原型系统。 性能分析与优化： 如何利用原型开发阶段的测量数据，对硬件或软件进行性能分析和优化。 五、 结论：Verilog HDL 的未来与您的职业发展 Verilog HDL 的演进： 讨论Verilog HDL在SystemVerilog的出现背景下的角色，以及其在现代数字设计中的持续生命力。 持续学习的重要性： 鼓励读者不断学习新的验证技术、设计方法和工具，以适应快速发展的电子工程领域。 职业展望： Verilog HDL工程师在IC设计、FPGA开发、嵌入式系统等领域拥有广阔的职业前景。掌握本书内容，将为您在这些领域打下坚实的基础，并助力您成为一名优秀的数字系统设计师。 本书的内容将确保您不仅能掌握Verilog HDL的语法和特性，更能深刻理解其在数字设计流程中的关键作用，并能将其有效应用于复杂的建模、严格的仿真验证以及高效的快速原型开发。通过本书的学习，您将获得理论与实践相结合的宝贵经验，为您的数字设计之路注入强大的动力。

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆