超大规模集成电路系统导论：逻辑、电路与系统设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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Ming-Bo Lin（林铭波） 著，刘艳艳 等 译

图书标签:

• 集成电路
• 超大规模集成电路
• VLSI
• 数字电路
• 逻辑设计
• 电路设计
• 系统设计
• 电子工程
• 计算机工程
• 半导体

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121265976

版次：1

商品编码：11748987

包装：平装

丛书名： 经典译丛·微电子学

开本：16开

出版时间：2015-07-01

用纸：胶版纸

页数：701

字数：1263000

正文语种：中文

内容简介

　　《超大规模集成电路系统导论：逻辑、电路与系统设计》对超大规模集成电路与系统的分析和设计进行了全面介绍。从电路与版图设计基础知识出发，再逐步深入，对超大规模集成电路设计进行了详尽阐述。《超大规模集成电路系统导论：逻辑、电路与系统设计》由浅入深，理论联系实际，同时提供了大量的图表和设计实例。
　　《超大规模集成电路系统导论：逻辑、电路与系统设计》共16章。第1章至第6章主要介绍层次化IC设计、标准CMOS逻辑设计、金属一氧化物一半导体（M0S）晶体管的物理学原理、器件制造、物理版图、电路仿真、功耗和低功耗设计规则及技巧。第7章至第9章介绍了静态逻辑和动态逻辑以及时序逻辑。第10章至第16章以及附录部分关注系统设计，主要包括数据通路子系统设计、存储器模块、设计方法和实现方式、互连线、电源分布与时钟设计、输入／输出模块、ESD保护网络以及测试和可测性设计等内容。
　　《超大规模集成电路系统导论：逻辑、电路与系统设计》内容丰富，自成体系，既可作为高等院校电子科学与技术、集成电路工程等专业高年级本科生和研究生教材，也可供从事相关领域研究工作的工程技术人员自学和参考。

作者简介

　　Ming-Bo Lin(林铭波)博士，台湾科技大学电子工程系教授。曾就读于台湾大学和美国马里兰大学。已经出版了26本教材（包括修订）和两个英语教材。

内页插图

目录

第1章 绪论
1.1 VLSI简介
1.1.1 简介
1.1.2 VLSI电路的基本特征
1.1.3 VLSI电路设计中存在的问题
1.1.4 VLSI经济学
1.2 开关MOS晶体管
1.2.1 nMOS晶体管
1.2.2 pMOS晶体管
1.2.3 CMOS传输门
1.2.4 简单开关逻辑设计
1.2.5 CMOS逻辑设计规则
1.3 VLSI设计与制造
1.3.1 设计技术
1.3.2 单元设计
1.3.3 CMOS工艺
1.3.4 CMOS版图
1.3.5 版图设计规则
1.4 数字系统的实现方法
1.4.1 未来趋势
1.4.2 实现方式
1.5 小结
参考文献
习题

第2章 MOS晶体管基础
2.1 半导体基础
2.1.1 本征半导体
2.1.2 非本征半导体
2.1.3 载流子输运过程
2.2 pn结
2.2.1 pn结
2.2.2 金属半导体结
2.3 MOS晶体管理论
2.3.1 MOS系统
2.3.2 MOS晶体管工作原理
2.3.3 MOS晶体管的I-V特性
2.3.4 按比例缩小理论
2.4 MOS晶体管的高级特性
2.4.1 MOS晶体管的非理想特性
2.4.2 阈值电压效应
2.4.3 泄漏电流
2.4.4 短沟道I-V特性
2.4.5 温度效应
2.4.6 MOS晶体管的限制
2.5 SPICE和建模
2.5.1 SPICE简介
2.5.2 二极管模型
2.5.3 MOS晶体管模型
2.6 小结
参考文献
习题

第3章 CMOS集成电路制造
3.1 基本工艺
3.1.1 热氧化
3.1.2 掺杂工艺
3.1.3 光刻
3.1.4 薄膜去除
3.1.5 薄膜淀积
3.2 各种材料及其应用
3.2.1 绝缘体
3.2.2 半导体
3.2.3 导体
3.3 工艺集成
3.3.1 FEOL
3.3.2 BEOL
3.3.3 后端工艺
3.4 先进CMOS工艺和器件
3.4.1 先进CMOS工艺器件
3.4.2 先进CMOS工艺
3.5 小结
参考文献
习题

第4章 版图设计
4.1 版图设计规则
4.1.1 版图设计的基本概念
4.1.2 基本结构的版图
4.1.3 高级版图设计讨论
4.1.4 相关CAD工具
4.2 CMOS闩锁及其预防
4.2.1 CMOS闩锁
4.2.2 闩锁的预防
4.3 版图设计
4.3.1 单元概念
4.3.2 基本版图设计
4.4 复杂逻辑门的版图设计方法
4.4.1 源／漏共享
4.4.2 欧拉路径法
4.4.3 版图设计小结
4.5 小结
参考文献
习题

第5章 延迟模型和路径延迟优化
5.1 MOS晶体管的电阻和电容
5.1.1 MOS晶体管的电阻
5.1.2 MOS晶体管的电容
5.2 传输延迟与延迟模型
5.2.1 电压电平与噪声容限
5.2.2 与时序相关的基本术语
5.2.3 传输延迟
5.2.4 单元延迟模型
5.2.5 Elmore延迟模型
5.3 路径延迟优化
5.3.1 驱动较大容性负载
5.3.2 路径延迟优化
5.3.3 逻辑功效和路径延迟优化
5.4 小结
参考文献
习题

第6章 功耗与低功耗设计
6.1 功耗
6.1.1 功耗的组成部分
6.1.2 动态功耗
6.1.3 设计裕度
6.1.4 确定导线宽度
6.2 低功耗逻辑设计原则
6.2.1 基本原则
6.2.2 降低电压摆幅
6.2.3 减少转换操作
6.2.4 减小开关电容
6.3 低功耗逻辑架构
6.3.1 流水线技术
6.3.2 并行处理技术
6.4 功率管理
6.4.1 基本技术
6.4.2 动态功率管理
6.5 小结
参考文献
习题

第7章 静态逻辑电路
7.1 基本静态逻辑电路
7.1.1 静态逻辑电路的类型
7.1.2 CMOS反相器
7.1.3 与非门
7.1.4 或非门
7.1.5 基本门尺寸
7.2 单轨逻辑电路
7.2.1 CMOS逻辑电路
7.2.2 基于TG的逻辑电路
7.2.3 有比逻辑电路
7.3 双轨逻辑电路
7.3.1 共源共栅电压开关逻辑（CVSL）
7.3.2 互补传输晶体管逻辑（CPL）
……
第8章 动态逻辑电路
第9章 时序逻辑设计
第10章 数据通路设计
第11章 存储器
第12章 设计方法和实现方式
第13章 互连线
第14章 电源分布和时钟设计
第15章 输入/输出模块和ESD保护网络
第16章 测试、验证和可测性设计
附录A
术语表

前言/序言

超大规模集成电路（VLSI）系统导论：逻辑、电路与系统设计 探索数字世界的基石，解锁摩尔定律背后的智慧 在当今信息爆炸的时代，我们所享受的数字便利，从智能手机的瞬息万变到高性能计算的强大驱动，无一不建立在超大规模集成电路（VLSI）这一核心技术之上。从微小的芯片上集成的数百万、数亿乃至数万亿个晶体管，到支撑起整个互联网和人工智能的复杂系统，VLSI正以前所未有的速度和深度重塑着我们的生活。 本书《超大规模集成电路系统导论：逻辑、电路与系统设计》正是为有志于深入理解这一关键领域、掌握现代数字系统设计精髓的读者而量身打造。它并非一本陈列枯燥电路图的教科书，而是一次从宏观到微观、从概念到实践的系统性探索之旅。我们将一同揭开VLSI芯片如何从抽象的逻辑门电路一步步演变成精密运作的复杂系统。 核心内容概述 本书将围绕VLSI系统的设计流程，系统地阐述其核心概念和关键技术。我们将从最基础的数字逻辑出发，逐步深入到具体的电路实现，最终触及整个系统的架构设计。 第一部分：数字逻辑与设计基础 在本部分，我们将从数字逻辑的基本构成单元——逻辑门电路（与门、或门、非门、异或门等）开始，回顾二进制表示法、布尔代数以及卡诺图等简化逻辑函数的方法。在此基础上，我们将介绍组合逻辑电路的设计，例如加法器、多路选择器、译码器等，理解它们如何根据输入信号组合出特定的输出。 接着，我们将进入时序逻辑电路的设计。时序逻辑是构建记忆和状态变化的基础，我们将学习触发器（D触发器、JK触发器、T触发器）的设计原理，理解它们如何在时钟信号的驱动下存储和更新信息。进而，我们将学习有限状态机（FSM）的设计，掌握如何利用时序逻辑构建能够执行序列操作的控制器，这在CPU、微控制器等核心部件的设计中至关重要。 此外，我们还会深入探讨常用的逻辑设计语言，如Verilog和VHDL。这些硬件描述语言（HDL）是现代VLSI设计的基石，它们允许设计师以文本的形式描述硬件的功能和结构，并能通过EDA（电子设计自动化）工具进行仿真、综合和布局布线。我们将学习HDL的基本语法、数据类型、行为建模和结构建模，并结合实例展示如何用HDL来描述和验证逻辑电路。 第二部分：CMOS电路设计与实现 进入第二部分，我们将开始深入到VLSI系统的物理实现层面——CMOS（互补金属氧化物半导体）电路设计。CMOS技术是当前集成电路产业的主流技术，因其低功耗、高集成度和良好的噪声容限而备受青睐。 首先，我们将详细讲解CMOS器件的物理原理，包括MOS晶体管的工作特性、阈值电压、跨导等关键参数。我们将分析NMOS和PMOS晶体管的开关特性，并学习如何利用它们构建基本的逻辑门电路，如CMOS反相器、NAND门、NOR门等。理解这些基本门电路的结构和工作原理，是深入理解更复杂电路的基础。 接下来，我们将探讨CMOS电路的性能指标，例如传播延迟、功耗（静态功耗和动态功耗）、噪声容限等。我们将学习影响这些性能的因素，如工艺参数、电路结构、负载效应等，并掌握优化电路性能的设计技巧。 在此基础上，我们将进一步学习更复杂的CMOS电路设计，包括时序电路（如触发器）、存储单元（如SRAM单元）的设计。我们将分析这些电路的结构、工作原理和性能特点，并探讨如何进行电路级别的仿真和验证。 第三部分：VLSI系统设计流程与自动化工具 第三部分将聚焦于完整的VLSI系统设计流程，并介绍支撑这一流程的自动化工具。设计一个复杂的VLSI芯片并非一蹴而就，而是需要遵循一套严谨的流程，并借助强大的EDA工具才能完成。 我们将详细介绍VLSI设计的整个流程，通常包括： 需求分析与规范定义： 明确芯片的功能、性能、功耗和成本等要求。 架构设计： 规划系统的整体结构，划分功能模块，确定模块间的接口。 逻辑设计： 使用HDL描述芯片的逻辑功能，进行仿真验证。 综合（Synthesis）： 将HDL代码转换为门级网表。 物理设计（Physical Design）： 包括布局（Placement）和布线（Routing），将门级网表映射到具体的芯片版图。 时序分析（Timing Analysis）： 检查设计是否满足时序要求，避免时序违规。 版图验证（Physical Verification）： 包括DRC（设计规则检查）和LVS（版图与电路一致性检查），确保版图符合制造规则且与逻辑设计一致。 流片（Tape-out）与制造。 测试与封装。 我们将重点介绍EDA工具在其中的作用，例如： 仿真器（Simulator）： 用于验证逻辑设计的正确性。 综合工具（Synthesizer）： 将HDL转化为门级网表。 布局布线工具（Place & Route Tools）： 实现芯片的物理版图。 时序分析工具（Static Timing Analyzer, STA）： 检查设计时序。 版图验证工具（Layout Versus Schematic, LVS；Design Rule Checker, DRC）： 确保物理设计的准确性。 本书将通过实例，引导读者了解如何使用这些工具来完成设计的各个环节，培养实际的EDA工具使用能力。 第四部分：进阶主题与未来展望 在掌握了VLSI设计的基础和流程后，本书还将触及一些进阶主题，以开阔读者的视野，并为未来的深入学习奠定基础。这可能包括： 低功耗设计技术： 随着移动设备和物联网的发展，低功耗设计变得尤为重要。我们将介绍各种降低芯片功耗的方法，如时钟门控、电源门控、动态电压频率调整（DVFS）等。 高级时序分析与优化： 深入理解时序约束、时序收敛的挑战，以及如何通过各种技术手段来优化设计的时序性能。 信号完整性与电源完整性： 在高速、高密度的VLSI设计中，信号完整性和电源完整性问题日益突出，我们将探讨这些问题的成因及其解决方案。 现代VLSI设计中的挑战： 例如工艺节点的缩小带来的设计难度、可靠性问题、功耗墙等。 特定领域架构（DSA）和加速器设计： 探讨如何为特定应用（如AI、机器学习、图像处理）设计高度优化的硬件架构。 新兴技术趋势： 简要介绍如3D IC、Chiplet技术、异构集成等前沿技术的发展方向。 本书特色 理论与实践并重： 本书不仅深入浅出地讲解理论知识，还通过大量的实例和图示，帮助读者直观理解抽象的概念，并逐步培养实际的设计能力。 循序渐进的学习路径： 从最基本的逻辑门电路开始，逐步深入到复杂的系统设计，确保不同背景的读者都能有效吸收。 强调设计思想： 除了技术细节，本书更注重培养读者的系统化设计思维，理解不同设计选择之间的权衡和取舍。 涵盖现代设计流程： 紧跟行业发展，全面介绍现代VLSI设计的完整流程和关键EDA工具。 读者对象 本书适合以下读者： 电子工程、微电子学、计算机科学与技术等相关专业的本科生和研究生。 希望深入了解集成电路设计原理的工程师。 对数字系统设计、硬件开发感兴趣的从业人员。 希望系统性学习VLSI设计，为未来职业发展打下坚实基础的自学者。 通过学习本书，您将能够： 理解数字系统的底层逻辑和工作原理。 掌握CMOS电路设计的基本方法和性能优化技巧。 熟悉完整的VLSI系统设计流程，并了解EDA工具的应用。 具备初步的硬件描述语言（HDL）编程和仿真能力。 为进一步学习数字信号处理、嵌入式系统、FPGA设计、ASIC设计等相关领域打下坚实的基础。 VLSI技术是驱动现代科技进步的核心引擎，掌握VLSI设计技能，就如同掌握了创造未来数字世界的钥匙。本书将带您走进这个充满挑战与机遇的领域，激发您的设计灵感，助您在集成电路设计的道路上迈出坚实而自信的第一步。让我们一同探索逻辑的奥秘，雕琢电路的精巧，构筑系统的辉煌！

评分☆☆☆☆☆

我是一个在校研究生，专注于计算机体系结构方向，对集成电路设计领域也抱有极大的兴趣。一直以来，我都觉得《超大规模集成电路系统导论：逻辑、电路与系统设计》这个书名听起来就非常有分量，而且涵盖了我认为学习VLSIC所必须掌握的几个核心环节：“逻辑”、“电路”和“系统设计”。我希望这本书能够为我构建一个扎实的理论基础，让我能够更好地理解现代计算机芯片是如何被设计出来的。 我尤其对书中关于“逻辑”的阐述充满了期待。我理解逻辑设计是VLSIC设计的基石，我希望这本书能够深入讲解从最基本的逻辑门到复杂的组合逻辑和时序逻辑电路的设计方法，例如状态机的设计、时序分析，以及如何使用硬件描述语言（如Verilog或VHDL）来实现这些逻辑。此外，“电路”部分，我非常好奇书中会如何介绍支撑这些逻辑功能的具体电路实现，比如CMOS晶体管的基本工作原理、各种基本电路单元（如反相器、与非门）的构建，以及如何将它们集成起来形成更复杂的模拟和数字电路。最后，“系统设计”这个部分，我期望它能够让我理解如何将这些逻辑和电路模块进行有效的组织和整合，形成一个功能强大、性能优越的集成电路系统，并可能涉及到一些高层次的系统架构和设计流程的介绍。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本书，扑面而来的是一种严谨而又富有启发性的学术气息。我一直对芯片的“电路”层面有着浓厚的兴趣，因为这涉及到半导体材料、晶体管的工作原理，以及如何在物理层面实现逻辑功能。这本书的书名中“电路”二字，让我看到了深入了解这些细节的可能性。我非常好奇书中会对CMOS器件的物理特性进行多大程度的阐述，比如MOSFET的开关特性、亚阈值区的行为，以及如何通过这些基本器件来构建更复杂的模拟电路，例如放大器、滤波器，甚至是数据转换器。 更让我着迷的是，我希望这本书不仅仅停留在理论讲解，而是能结合实际的设计流程，展示如何将理论转化为可实现的硬件。例如，在“系统设计”的部分，我期待它能介绍一些业界常用的设计流程，从高层次的系统架构定义，到中层次的RTL（寄存器传输级）设计，再到低层次的门级网表生成。书中是否会提及像Verilog或VHDL这样的硬件描述语言？它们在整个设计流程中扮演着怎样的角色？更进一步，我希望这本书能触及一些实际的EDA（电子设计自动化）工具的应用，虽然我不期望它能成为一本工具使用手册，但了解这些工具如何帮助工程师完成布局布线、时序分析和功耗仿真，将极大地开阔我的视野。这种将理论与实践紧密结合的讲解方式，是我认为一本优秀的VLSIC教材应该具备的。

评分☆☆☆☆☆

这本《超大规模集成电路系统导论：逻辑、电路与系统设计》的书，我拿到手的时候，就被它厚实的封面和扎实的排版吸引了。我是一名在校的电子工程系学生，平时接触到的大多是基础的数字逻辑和模拟电路，对于VLSIC（超大规模集成电路）这个概念，一直以来都觉得既熟悉又遥远。熟悉是因为它渗透在我们生活的方方面面，从手机到汽车，再到那些酷炫的智能设备，都离不开它的身影；遥远则是因为其内部的设计和实现过程，在我看来，就像是隐藏在精密硬件背后的神秘魔法，充满挑战。 我尤其对书中关于“逻辑”和“系统设计”的这部分内容充满了期待。我一直认为，理解一个复杂的系统，首先要从最基本的构成单元——逻辑门开始。这本书的书名明确指出了“逻辑”这个关键词，这让我相信它会深入浅出地讲解数字逻辑设计的基础，比如布尔代数、组合逻辑和时序逻辑的设计原理，甚至可能包含一些状态机的构建和优化方法。而“系统设计”则更让我兴奋，我希望它能带领我走出单一片段的电路知识，去理解如何将这些逻辑单元组合起来，形成一个功能强大、高效协同的整体。例如，如何进行模块化设计？如何处理不同模块之间的接口和通信？如何进行时序约束和功耗优化？这些都是我在实际项目或后续学习中急需解决的问题。我相信，这本书一定能为我构建起一个清晰的VLSIC设计思维框架，让我能够站在更高的维度去审视和理解集成电路的设计流程。

评分☆☆☆☆☆

我是一位刚进入集成电路设计领域不久的工程师，对于“超大规模集成电路系统”这个概念，我的理解还比较初步。我一直想找到一本能够系统性地梳理这个复杂领域的书籍，而《超大规模集成电路系统导论：逻辑、电路与系统设计》这个书名，听起来就包含了我要找的那些核心要素。我尤其对“系统设计”这个词感到兴奋，因为我意识到，一个真正的集成电路，绝不仅仅是孤立的逻辑门或者电路单元的堆砌，而是一个高度协同、能够完成特定任务的复杂系统。 我希望这本书能够提供一个宏观的视角，让我理解一个VLSIC系统是如何从需求分析、架构设计，逐步细化到具体的逻辑实现和物理布局的。例如，书中是否会讨论系统级验证的重要性？如何进行功能仿真和时序仿真？在“逻辑”和“电路”层面，我希望它能够连接基础的数字和模拟电路知识，讲解如何利用这些基础构建出更高级的功能模块，比如处理器核、内存控制器、通信接口等。我也很期待书中能够提及一些设计上的权衡，比如在速度、功耗和面积这三者之间如何进行取舍。这种能够让我理解“为何”以及“如何”从零开始构建一个复杂集成电路的讲解，将对我非常有价值，帮助我建立起一个完整的VLSIC设计思维。

评分☆☆☆☆☆

作为一名有着多年硬件开发经验的工程师，我在工作中经常会遇到需要深入理解集成电路内部工作原理的场景。虽然我接触过不少具体的芯片，也进行过一些嵌入式系统的开发，但对于“超大规模集成电路系统”这个整体的“导论”性质的书籍，我一直有所寻求。这本书的书名，《超大规模集成电路系统导论：逻辑、电路与系统设计》，恰好触及了我最感兴趣的几个方面。 我尤其看重“导论”这个词，它意味着这本书应该能够提供一个全面而又易于理解的入门框架，帮助我快速建立起对VLSIC领域的整体认知。我非常好奇书中会如何介绍“逻辑”的设计，比如从基础的逻辑门到更复杂的组合逻辑和时序逻辑模块，是否会涉及一些在实际设计中常用的HDL（硬件描述语言）的语法和应用，以及如何进行逻辑综合。同时，“电路”部分，我希望它能涵盖一些关键的模拟和数字电路的设计原理，例如CMOS晶体管的特性，以及如何利用这些特性实现各种基础功能模块。而“系统设计”的部分，我期待它能让我理解如何将这些逻辑和电路模块有机地组织起来，形成一个能够完成复杂任务的集成电路系统，并且能够对整个设计流程有一个清晰的认识，从高层架构到最终的物理实现。