现代VLSI设计：片上系统设计(第3版)(改编版) 9787040182552 高等教育出 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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沃尔夫 著

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出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040182552

商品编码：29419573158

包装：平装

出版时间：2006-02-01

基本信息

书名：现代VLSI设计：片上系统设计(第3版)(改编版)

定价：48.20元

作者：沃尔夫

出版社：高等教育出版社

出版日期：2006-02-01

ISBN：9787040182552

字数：

页码：604

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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《现代VLSI设计：片上系统设计（第3版改编版）》是一本介绍现代VLSI芯片设计过程的书籍，改编自PEARSONEDUCATION出版的ModerVLSI Design：System-on-Chip Design（3／e）一书。书中全面地论述了VLSI芯片设计的有关问题，反映了目前SoC的新进展，并介绍了SoC的设计方法。全书共分10章。内容包括：数字系统与VLSl，晶体管的版图设计，逻辑门，组合逻辑网络，时序电路，子系统设计，自顶向下设计，系统设计，芯片设计，CAD系统及算法，另有3个附录。每章末尾均附有难度不同的习题。附录中还提供了丰富而实用的词汇表。改编者保持原书的风格和原有体系结构，根据国内的教学要求和课程设置，调整了原书的一些内容，使之更适合我国高等学校作为教材使用。
《现代VLSI设计：片上系统设计（第3版改编版）》可作为高校电子工程、计算机科学与工程、微电子半导体等专业的高年级本科生和研究生的教材或教学参考书，也可供从事芯片设计的工程技术人员作为参考书使用。

目录

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Preface to the Third Editioix
Preface to the Second Editioxi
Preface xiii
1 Digital Systems and VLSI 1
1.1 Why DesigIntegrated Circuits 1
1.2 Integrated Circuit Manufacturing 4
1.2.1 Technology 4
1.2.2 Economics 6
1.3 CMOS Technology 15
1.3.1 CMOS Circuit Techniques 15
1.3.2 Power Consumptio16
1.3.3 Desigand Testability 17
1.4 Integrated Circuit DesigTechniques 18
1.4.1 Hierarchical Desig19
1.4.2 DesigAbstractio22
1.4.3 Computer-Aided Desig28
1.5 A Look into the Future 30
1.6 Summary 31
1.7 References 31
1.8 Problems 32

2 Transistors and Layout 33
2.1 Introductio33
2.2 FabricatioProcesses 34
2.2.1 Overview 34
2.2.2 FabricatioSteps 37
2.3 Transistors 40
2.3.1 Structure of the Transistor 40
2.3.2 A Simple Transistor Model 45
2.3.3 Transistor Parasitics 48
2.3.4 Tub Ties and Latchup 50
2.3.5 Advanced Transistor Characteristics 53
2.3.6 Leakage and Subthreshold Currents 60
2.3.7 Advanced Transistor Structures 61
2.3.8 Spice Models 61
2.4 Wires and Vias 62
2.4.1 Wire Parasitics 65
2.4.2 SkiEffect iCopper Interconnect 72
2.5 DesigRules 74
2.5.1 FabricatioErrors 75
2.5.2 Scalable DesigRules 77
2.5.3 SCMOS DesigRules 79
2.5.4 Typical Process Parameters 83
2.6 Layout Desigand Tools 83
2.6.1 Layouts for Circuits 83
2.6.2 Stick Diagrams 88
2.6.3 Layout Desigand Analysis Tools 90
2.6.4 Automatic Layout 94
2.7 References 97
2.8 Problems 97

3 Logic Gates 105
3.1 Introductio105
3.2 Static Complementary Gates 106
3.2.1 Gate Structures 106
3.2.2 Basic Gate Layouts 110
3.2.3 Logic Levels 113
3.2.4 Delay and TransitioTime 118
3.2.5 Power Consumptio127
3.2.6 The Speed-Power Product 130
3.2.7 Layout and Parasitics 131
3.2.8 Driving Large Loads 134
3.3 Switch Logic 135
3.4 Alternative Gate Circuits 136
3.4.1 Pseudo-nMOS Logic 137
3.4.2 DCVS Logic 139
3.4.3 Domino Logic 141
3.5 Low-Power Gates 146
3.6 Delay Through Resistive Interconnect 152
3.6.1 Delay Through aRC TransmissioLine 152
3.6.2 Delay Through RC Trees 155
3.6.3 Buffer InsertioiRC TransmissioLines 159
3.6.4 Crosstalk BetweeRC Wires 161
3.7 Delay Through Inductive Interconnect 164
3.7.1 RLC Basics 165
3.7.2 RLC TransmissioLine Delay 166
3.7.3 Buffer InsertioiRLC TransmissioLines 167
3.8 References 169
3.9 Problems 171

4 Combinational Logic Networks 177
4.1 Introductio177
4.2 Standard Cell-Based Layout 178
4.2.1 Single-Row Layout Desig179
4.2.2 Standard Cell Layout Desig188
4.3 Simulatio190
4.4 Combinational Network Delay 194
4.4.1 Fanout 195
4.4.2 Path Delay 196
4.4.3 Transistor Sizing 201
4.4.4 Automated Logic Optimizatio210
4.5 Logic and Interconnect Desig211
4.5.1 Delay Modeling 212
4.5.2Wire Sizing 213
4.5.3 Buffer Insertio214
4.5.4 Crosstalk Minimizatio216
4.6 Power Optimizatio221
4.6.1 Power Analysis 221
4.7 Switch Logic Networks 225
4.8 Combinational Logic Testing 229
4.8.1 Gate Testing 231
4.8.2 Combinational Network Testing 234
4.9 References 236
4.10 Problems 236

5 Sequential Machines 241
5.1 Introductio241
5.2 Latches and Flip-Hops 242
5.2.1 Categories of Memory Elements 242
5.2.2 Latches 244
5.2.3 Flip-Flops 251
5.3 Sequential Systems and Clocking Disciplines 252
5.3.1 One-Phase Systems for Flip-Flops 255
5.3.2 Two-Phase Systems for Latches 257
5.3.3 Advanced Clocking Analysis 265
5.3.4 Clock Generatio272
5.4 Sequential System Desig273
5.4.1 Structural Specificatioof Sequential Machines 273
5.4.2 State TransitioGraphs and Tables 275
5.4.3 State Assignment 284
5.5 Power Optimizatio290
5.6 DesigValidatio291
5.7 Sequential Testing 293
5.8 References 300
5.9 Problems 300

6 Subsystem Desig303
6.1 Introductio303
6.2 Subsystem DesigPrinciples 306
6.2.1 Pipelining 306
6.2.2 Data Paths 308
6.3 Combinational Shifters 311
6.4 Adders 314
6.5 ALUs 321
6.6 Multipliers 322
6.7 High-Density Memory 331
6.7.1 ROM 333
6.7.2 Static RAM 335
6.7.3 The Three-Transistor Dynamic RAM 339
6.7.4 The One-Transistor Dynamic RAM 340
6.8 References 344
6.9 Problems 344

7 Floorplanning 347
7.1 Introductio347
7.2 Floorplanning Methods 348
7.2.1 Block Placement and Channel Definitio352
7.2.2 Global Routing 358
7.2.3 Switchbox Routing 360
7.2.4 Power Distributio361
7.2.5 Clock Distributio364
7.2.6 Floorplanning Tips 369
7.2.7 DesigValidatio370
7.3 Off-Chip Connections 371
7.3.1 Packages 371
7.3.2 The I/O Architecture 375
7.3.3 Pad Desig376
7.4 References 379
7.5 Problems 381

8 Architecture Desig387
8.1 Introductio387
8.2 Hardware DescriptioLanguages 388
8.2.1 Modeling with Hardware DescriptioLanguages 388
8.2.2 VHDL 393
8.2.3 Verilog 402
8.2.4 C as a Hardware DescriptioLanguage 409
8.3 Register-Transfer Desig410
8.3.1 Data Path-Controller Architectures 412
8.3.2ASM Chart Desig413
8.4 High-Level Synthesis 422
8.4.1 Functional Modeling Programs 424
8.4.2 Data 425
8.4.3 Control 435
8.4.4 Data and Control 441
8.4.5 DesigMethodology 443
8.5 Architectures for Low Power 444
8.5.1 Architecture-DriveVoltage Scaling 445
8.5.2 Power-DowModes 446
8.6 Systems-on-Chips and Embedded CPUs 447
8.7 Architecture Testing 453
8.8 References 457
8.9 Problems 457

9 Chip Desig461
9.1 Introductio461
9.2 DesigMethodologies 461
9.3 KitcheTimerChip 470
9.3.1 Timer Specificatioand Architecture 471
9.3.2 Architecture Desig473
9.3.3 Logic and Layout Desig478
9.3.4 DesigValidatio485
9.4 Microprocessor Data Path 488
9.4.1 Data Path Organizatio489
9.4.2 Clocking and Bus Desig490
9.4.3 Logic and Layout Desig492
9.5 References 494
9.6 Problems 495

10 CAD Systems and Algorithms 497
10.1 Introductio498
10.2 CAD Systems 498
10.3 Switch-Level Simulatio499
10.4 Layout Synthesis 501
10，4，1 Placement 503
10.4.2 Global Routing 506
10.4.3 Detailed Routing 508
10.5 Layout Analysis 510
10.6 Timing AnalysisandOptimizatio512
10.7 Logic Synthesis 517
10.7.1 Technology-Independent Logic Optimizatio518
10.7.2 Technology-Dependent Logic Optimizations 525
10.8 Test Generatio528
10.9 Sequential Machine Optimizations 530
10.10 Scheduling and Binding 532
10.11 Hardware/Software Co-Desig534
10.12 References 535
10.13 Problems 535
A Chip Designers Lexico539
B Chip DesigProjects 557
B.1 Class Project Ideas 557
B.2 Project Proposal and Specificatio558
B.3 DesigPla559
B.4 DesigCheckpoints and Documentatio562
B.4.1 Subsystems Check 563
B.4.2 First Layout Check 563
B.4.3 Project Completio563
C KitcheTimer Model 565
C.1 Hardware Modeling iC 565
C.I.1 Simulator 567
C.1.2 Sample Executio573
References 577
Index 593

作者介绍

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文摘

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A register-transfer simulator exhibits the correct cycle-by-cycle behavior atits inputs and outputs， but the internal implementatioof the simulator mayhave nothing to do with the logic implementation. Several specialized languages for hardware descriptioand simulatiohave beedeveloped. Hardware simulatiolanguages， such as VHDL and Vefilog， provide primitiveswhich model the parallelism of logic gate evaluation， delays， etc.， so that astructural descriptiolike a list automatically provides accurate simulation. Ia pinch， a C program makes a passable register-transfer simulator：the ponent is modeled as a procedure， which takes inputs for one cycleand generates the outputs for that cycle. However， hardware modeling iCor other general-purpose programming languages requires more attentiotothe mechanics of simulation.
A logic simulator accepts a list whose ponents are logic gates. Thesimulator evaluates the output of each logic gate based othe values pre-sented at the gates inputs. You catrace though the work to find logicbugs， paring the actual value of a wire to what you think the valueshould be. Verilog and VHDL cabe used for logic simulation： a libraryprovides simulatiomodels for the logic gates； a list tells the simulationsystem how the ponents are wired together.

序言

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嵌入式系统的核心驱动：从理论到实践的系统级设计 在当今信息爆炸的时代，电子设备已渗透到我们生活的方方面面，从智能手机、可穿戴设备到汽车、医疗仪器，再到工业自动化和通信基础设施，这一切都离不开强大的嵌入式系统。这些系统并非孤立存在，而是高度集成的“片上系统”（System-on-Chip, SoC），将处理器、内存、外设接口以及各类加速器等关键功能模块，全部浓缩在一枚小小的硅片上。这不仅极大地提升了性能和效率，也带来了前所未有的设计复杂性。 深入探索片上系统设计的精髓 本书并非聚焦于某一特定技术的细节，而是致力于为读者构建一个全面而深刻的片上系统设计认知框架。我们将从最基础的概念入手，循序渐进地揭示SoC设计所涉及的各个关键领域，并强调不同模块之间的协同作用以及系统整体的优化。 从宏观架构到微观实现：系统级思维的重要性 在SoC设计领域，仅仅掌握单个组件的设计是远远不够的。一个成功的SoC，需要设计者具备系统级的思维，能够从全局角度审视整个系统，并理解各个部分如何相互影响。本书将引导读者认识到，一个高效的SoC，其价值并非简单的模块堆砌，而是通过精妙的架构设计和各个层面的优化来实现。 我们将首先探讨SoC的顶层架构设计。这包括如何根据应用需求，选择合适的处理器核心（如ARM、RISC-V等），确定内存层次结构（缓存、主存等），并规划各种硬件加速器（如GPU、DSP、AI加速器）的集成。这一阶段的设计决策，将直接影响SoC的性能、功耗和成本，因此需要深入理解各种架构选项的优劣势，以及它们如何与软件生态系统协同工作。 随后，我们将深入到总线和互连网络的设计。随着SoC内部模块数量的急剧增加，高效、低延迟的通信机制变得至关重要。本书将介绍多种总线架构，如AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）系列，并探讨如何设计高性能的片上网络（Network-on-Chip, NoC），以应对日益增长的通信带宽需求和复杂的拓扑结构。这不仅仅是简单的信号连接，更是对数据流动效率和系统可扩展性的深层考量。 功耗与性能的博弈：可持续设计的关键 在移动化、智能化趋势日益明显的今天，功耗成为了SoC设计中不可忽视的关键因素。过高的功耗不仅会缩短设备的续航时间，还会产生大量的热量，影响器件的可靠性和寿命。本书将详细阐述低功耗设计策略，涵盖从架构层面的功耗优化（如动态电压频率调整DVFS、时钟门控、电源门控），到逻辑设计层面的功耗降低技术（如选用低功耗单元库、优化电路设计），以及后端物理设计层面的功耗管理（如布局布线优化）。我们也将深入探讨如何通过性能分析和建模，找到性能与功耗之间的最佳平衡点，实现绿色高效的SoC设计。 验证的艺术：确保设计的可靠性 与硬件设计一样，SoC的验证也是一个极其复杂且耗时的工作。由于SoC集成了数量庞大的功能模块，其行为的正确性需要经过严格的验证才能得到保证。本书将介绍当前主流的SoC验证方法论，包括功能验证、性能验证、功耗验证等。我们将探讨如何构建高效的验证环境，利用仿真、形式验证、硬件加速验证等多种手段，以及如何编写有效的验证激励和检查器，以尽早发现并修复设计中的缺陷。理解并掌握强大的验证技术，是交付高质量SoC产品的基石。 从抽象到具体：硬件描述语言与综合 虽然本书侧重于系统级设计，但对硬件描述语言（HDL）的掌握也是必不可少的。我们将介绍Verilog和VHDL等主流HDL语言的基本语法和设计风格，并阐述如何利用这些语言来描述数字电路的功能和结构。在此基础上，我们将进一步探讨逻辑综合的概念，即如何将HDL代码转换为门级网表，以及如何通过综合工具来优化电路的面积、性能和功耗。这将帮助读者理解从高层次设计到低层次物理实现的转化过程。 接口与通信：连接世界的桥梁 现代SoC需要与各种外部设备进行通信，因此接口设计至关重要。本书将探讨常见的通信接口标准，如USB、PCIe、DDR、MIPI等，并介绍它们的设计要点和实现方式。理解不同接口的协议、时序和电气特性，能够确保SoC与其他硬件组件之间的无缝连接，从而构建完整的系统。 软件与硬件的协同：软硬件协同设计的理念 在SoC设计中，软件和硬件并非割裂的，而是紧密协同工作的。一个优化的SoC设计，离不开高效的软件支持。本书将强调软硬件协同设计（Hardware-Software Co-design）的重要性，介绍如何从软件的角度考虑硬件架构，以及如何通过软硬件的协同优化来提升整体系统的性能和效率。例如，如何为特定应用设计定制化的硬件加速器，以减轻CPU的负担；如何通过软件来管理和控制硬件资源，实现动态的功耗和性能调整。 面向未来的设计趋势 随着人工智能、物联网、5G等技术的飞速发展，SoC的设计正面临着新的挑战和机遇。本书还将展望未来的设计趋势，包括面向AI的专用处理器（NPU）、异构计算架构、新的封装技术（如3D堆叠）以及可信计算等。理解这些前沿技术，将有助于读者为未来的SoC设计做好准备。 超越理论：实践中的挑战与解决方案 在实际的SoC设计过程中，会遇到各种各样的问题，例如设计空间的探索、EDA工具的使用、制造工艺的限制、团队协作的挑战等等。本书将结合实际经验，分享解决这些问题的策略和方法，帮助读者在理论知识的基础上，提升解决实际工程问题的能力。 致读者 本书旨在为所有对片上系统设计感兴趣的工程师、研究人员和学生提供一条清晰的学习路径。无论您是刚开始接触SoC设计的初学者，还是希望深化理解的资深工程师，都能从中获得宝贵的知识和启示。我们相信，通过系统性的学习和实践，您将能够掌握设计高性能、高效率、低功耗的现代片上系统的关键技能，为推动信息技术的进步贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是打开了我对集成电路设计领域新世界的大门！之前对“片上系统”（SoC）这个概念一直有点模糊，感觉它既涉及硬件又牵扯软件，非常复杂。但这本书以一种非常系统且易于理解的方式，一步步地将我引入了这个迷人的领域。首先，它从最基础的VLSI设计原理讲起，即使是初学者也能找到切入点，逐步建立起对芯片从概念到实现过程的认知。让我印象深刻的是，书中对不同设计流程的讲解非常细致，从逻辑综合、布局布线到物理验证，每一个环节都配以大量的图示和清晰的解释，仿佛我真的在跟着作者一步步操作一样。特别是关于时序分析和功耗优化的章节，让我理解了为何高性能芯片的设计需要如此精密的考量。而当进入到片上系统设计的核心内容时，我更是感觉豁然开朗。作者并没有停留在单个模块的设计，而是着重于如何将CPU、内存、各种外设控制器以及通信接口等独立的功能模块高效地集成到一个单一芯片上，并实现它们之间的协同工作。书中的案例分析非常贴切，让我看到了理论知识在实际项目中的应用，比如在嵌入式系统、通信设备等领域，SoC是如何发挥其核心作用的。此外，该书还对现代SoC设计中日益重要的IP核复用、低功耗设计、可靠性工程等议题进行了深入探讨，这些内容对于我理解当前半导体行业的发展趋势非常有帮助。总的来说，这本书的结构安排合理，内容深入浅出，既有扎实的理论基础，又有丰富的实践指导，对于想要深入了解SoC设计领域的读者来说，绝对是一本不可多得的宝典。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的评价是：它不仅仅是一本关于“现代VLSI设计”的书，更是一本关于如何构建复杂“片上系统”（SoC）的实战指南。书中提供了一种非常务实的视角，它并没有仅仅停留在理论的堆砌，而是将目光聚焦于实际的设计过程中所面临的挑战和解决方案。我从中学习到了如何从一个宏观的系统角度去思考芯片的设计，而不仅仅是关注单个模块的实现。书中的很多章节都非常注重细节，例如在讲解功耗分析时，作者会深入到不同功耗来源的分解，并给出相应的优化策略。而在介绍验证方法时，书中的内容也十分详尽，从仿真验证到形式验证，再到硬件加速验证，为读者提供了完整的验证思路。让我印象最深刻的是，本书将“片上系统”的集成理念贯穿始终，它不仅仅是简单地将各种功能模块堆砌在一起，而是强调了模块之间的接口定义、通信协议以及整体系统的协调工作。书中对各种设计自动化（EDA）工具的应用技巧的介绍，也为我提供了宝贵的实践指导。特别是在数字后端设计部分，关于布局布线、时钟树综合以及功耗电网的设计，都做了非常细致的讲解。这本书的内容非常丰富，涵盖了SoC设计的方方面面，从前端逻辑设计到后端物理实现，再到系统级的验证和测试，都做到了全面而深入的覆盖。它让我看到了一个现代SoC是如何从零开始，经过无数次的设计、验证和优化，最终成为我们手中高性能电子产品的核心。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在电子工程领域摸爬滚打多年的从业者，我一直在寻找一本能够真正引领我理解“片上系统”（SoC）设计核心理念的书籍。而这本书，恰恰满足了我的这一需求，并且远超我的预期。它不仅仅是一本技术手册，更像是一位经验丰富的导师，带领我一步步深入到SoC设计的复杂而迷人的世界。书中的内容涵盖了从基础的逻辑设计到高级的系统集成，每个章节都紧密相连，层层递进。我特别赞赏书中关于“设计流程”的阐述，它清晰地勾勒出了SoC设计从概念提出、架构定义、模块开发、集成验证到最终物理实现的全过程，并且详细介绍了每个阶段的关键技术和挑战。在阅读过程中，我时常会停下来思考书中所提出的设计权衡，例如如何在性能、功耗和成本之间找到最佳平衡点。书中对于各种集成技术的深入分析，让我对现代SoC的复杂性有了更深刻的认识。我尤其对书中关于“总线架构”和“片上互联”的章节印象深刻，它揭示了SoC内部数据流动的关键，以及如何通过高效的互联方式来优化整体系统的性能。此外，书中对于“低功耗设计”和“可制造性设计”的关注，也体现了作者对当下半导体行业面临的实际挑战的深刻洞察。这本书的语言风格既严谨又富有启发性，通过丰富的图示和案例，将抽象的设计理念具象化，使得复杂的概念变得易于理解和掌握。

评分☆☆☆☆☆

这本书的深入探讨让我对“现代VLSI设计”这个概念有了颠覆性的认识。在此之前，我可能更多地将VLSI理解为电路图的绘制和芯片的物理实现，但这本书的视角远不止于此，它将“片上系统”（SoC）的设计理念贯穿始终，让我看到了一个更加宏观和全局的设计图景。作者在书中详细阐述了SoC的设计方法论，强调了系统级的设计和验证的重要性。我特别喜欢其中关于如何进行SoC架构规划的部分，它不仅关注单个组件的性能，更侧重于如何优化不同模块之间的通信效率、功耗和整体系统的可扩展性。书中的许多章节都花费了大量篇幅来讲解高级设计自动化（EDA）工具的应用，以及如何利用这些工具来加速设计周期、提高设计质量。从RTL（寄存器传输级）设计到门级网表的生成，再到最终的物理实现，每一个步骤都充满了技术细节和挑战，而本书则为我们提供了解决这些挑战的思路和方法。我尤其对书中关于接口标准和总线协议的讲解印象深刻，比如AMBA协议的介绍，让我明白了在SoC中，不同功能单元之间如何高效、规范地进行数据交换。此外，本书对低功耗设计和可测试性设计（DFT）的关注，也反映了现代芯片设计所面临的实际需求和挑战。通过阅读这本书，我不仅学到了许多技术性的知识，更重要的是培养了一种系统性的设计思维，能够从更高的层面去审视和解决复杂的设计问题。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，一开始拿到这本书，我以为它会是一本枯燥乏味的学术教材，充满了晦涩难懂的公式和理论。但出乎意料的是，这本书的叙述方式非常生动且富有启发性，它成功地将“现代VLSI设计”这一相对专业的技术领域，以一种易于理解的方式呈现给了读者。书中的结构安排非常巧妙，从基础的半导体器件特性讲起，逐步深入到复杂的数字逻辑设计、时序分析、功耗管理等核心内容。最令我惊喜的是，作者在讲解每一个概念时，都尽可能地结合实际的应用场景和工程实践，而不是仅仅停留在理论层面。比如，在介绍芯片制造工艺时，书中的描述就非常直观，让我能够想象出芯片是如何从沙子变成我们日常生活中各种电子产品的心脏。而当涉及到“片上系统”（SoC）的设计时，这本书更是将前沿的技术趋势和实际的设计挑战进行了生动的描绘。它详细讲解了如何将各种功能模块，如处理器、存储器、图形加速器、通信接口等，集成到一个单一的芯片上，并探讨了在集成过程中遇到的各种技术难题，例如互联带宽、功耗约束、热效应以及设计验证的复杂性。书中的图表和示意图都非常精良，为理解抽象的设计概念提供了极大的帮助。我尤其欣赏书中关于“IP核复用”和“IP集成”的章节，这部分内容直接触及了现代SoC设计的主流实践，让我看到了如何通过高效利用现有资源来加速产品上市。总的来说，这本书不仅提供了丰富的设计知识，更重要的是激发了我对这个领域的好奇心和探索欲。