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出版者:Wiley-Interscience

作者:Chris J. Myers

出品人:

页数:424

译者:

出版时间:2001-07-06

价格:USD 111.50

装帧:Hardcover

isbn号码:9780471415435

丛书系列:

图书标签:

• 电子
• 异步电路
• 数字电路设计
• 低功耗设计
• 时序电路
• VLSI设计
• EDA工具
• 计算机体系结构
• 电路理论
• 嵌入式系统
• 高性能计算

《深度解析：现代硬件系统的时序挑战与突破》 在数字电路设计的宏伟蓝图中，时序（Timing）始终是贯穿始终的基石，它决定了信号传播的顺序与速度，直接影响着整个系统的性能、稳定性和功耗。从微观的逻辑门延迟到宏观的系统级同步，每一个毫秒、每一个时钟周期都凝聚着工程师们的心血与智慧。本书并非关注特定设计方法论的探讨，而是深入剖析现代复杂硬件系统中潜藏的时序挑战，并在此基础上，系统性地梳理和呈现解决这些挑战的先进技术与实践。 本书的起点，将带领读者一同审视集成电路设计的演进历程，特别是随着摩尔定律的深入和技术节点的不断缩小，时序问题是如何从一个相对简单的考量，演变成如今决定设计成败的关键因素。我们将探讨不同工艺下的寄生效应如何加剧，信号完整性问题如何变得愈发棘手，以及由此带来的时序收敛（Timing Closure）的复杂性。从超深亚微米时代到更前沿的纳米级工艺，我们剖析了电迁移、串扰、衬底噪声等物理层面的挑战，以及它们如何转化为时序路径上的不确定性。 接着，本书将聚焦于现代处理器、通信芯片、FPGA等高性能硬件系统中的典型时序场景。我们不回避复杂性，而是深入研究流水线（Pipelining）设计中的气泡（Bubbles）与冒险（Hazards）如何影响时序，高速接口（如DDR、PCIe）中的信号对齐（Signal Alignment）与数据同步（Data Synchronization）的精妙之处，以及多时钟域（Multi-Clock Domain）设计中的异步复位（Asynchronous Reset）与握手协议（Handshake Protocols）的稳健实现。每一处设计细节，都可能蕴含着微妙的时序陷阱，本书旨在帮助读者建立起一种“时序思维”，能够预见潜在问题，并在设计早期将其扼杀于萌芽之中。 在方法论层面，本书将围绕“验证”与“优化”两大核心展开。我们不仅会介绍静态时序分析（Static Timing Analysis, STA）的原理与高级用法，包括约束（Constraints）的编写艺术、不同模式（Modes）的分析、时序例外（Timing Exceptions）的处理，以及时序角色的理解（如Setup Time, Hold Time, Recovery, Removal, Pulse Width等），还将探讨动态时序验证（Dynamic Timing Verification）的重要性，例如使用向量（Vectors）来覆盖时序敏感路径的测试。在优化方面，本书将涵盖从逻辑优化（Logic Optimization）、布局布线（Place and Route）到物理实现（Physical Implementation）的全过程。读者将学习到如何通过门控时钟（Clock Gating）、数据路径优化（Data Path Optimization）、资源共享（Resource Sharing）、寄存器复制（Register Duplication）等技术来缩短关键路径延迟。同时，我们也会探讨物理设计中的时序感知技术，例如时钟树综合（Clock Tree Synthesis, CTS）的策略，以及影响信号传播速度的布线拥塞（Routing Congestion）和串扰（Crosstalk）的缓解措施。 本书特别强调了“时序约束”在整个设计流程中的枢纽作用。我们将深入讲解不同类型的时序约束，如时钟定义（Clock Definitions）、输入输出延迟（Input/Output Delays）、多周期路径（Multi-Cycle Paths）、伪路径（False Paths）等，以及它们对STA引擎决策的影响。理解并正确地编写约束，是实现精确时序分析和有效时序优化的前提。本书将通过大量的实例，展示如何根据实际设计需求，量身定制时序约束，避免因误解或遗漏约束而导致的严重时序违规。 此外，本书还将触及一些在特定领域具有重要意义的时序主题。例如，在嵌入式系统和低功耗设计中，动态电压和频率调整（Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS）如何与时序管理相结合，以实现功耗与性能的平衡。在混合信号设计中，模拟和数字时钟域之间的耦合与隔离，以及如何处理亚稳态（Metastability）问题，都是不容忽视的环节。对于需要处理超高频率信号的设计，例如射频（RF）前端和高速ADC/DAC，本书将介绍一些更细致的时序考虑，如抖动（Jitter）和相位噪声（Phase Noise）的影响，以及如何通过精密时钟源和接口设计来保证信号的精确恢复。 总而言之，《深度解析：现代硬件系统的时序挑战与突破》旨在为广大硬件设计工程师、验证工程师以及相关领域的研究者提供一个全面、深入且实用的参考。本书以严谨的逻辑、清晰的论述和丰富的案例，帮助读者建立起坚实而全面的时序知识体系，从而在日益复杂的数字世界中，设计出更加高效、可靠的硬件系统。它不是对某一特定工具或算法的罗列，而是对时序这一核心概念的系统性阐释，旨在提升读者在设计实践中的预见性、分析能力和解决问题的能力。

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这本书的内容远远超出了我对传统数字电路设计理论的预期，它以一种极其细腻且富有洞察力的方式，剖析了异步逻辑在现代高性能计算系统中日益重要的地位。作者并没有停留在对基本门级操作的枯燥描述上，而是深入到系统级的挑战和机遇之中。例如，在讨论数据流控制时，书中详尽地阐述了握手协议的各种变体及其在不同延迟模型下的性能权衡，这一点对于设计功耗敏感型嵌入式系统的人来说，简直是如获至宝。我特别欣赏其中关于“自同步设计”的思想，它不仅仅是一种技术流派，更是一种对时序约束依赖性的哲学反思。书中通过大量的实际案例，展示了如何构建完全摆脱全局时钟的系统，这些系统不仅在鲁棒性上远胜于同步设计，而且在模块化和可扩展性方面也展现出惊人的潜力。对于那些渴望突破传统同步设计瓶颈，追求极致能效比和设计灵活性的工程师而言，这本书无疑是一本不可多得的宝典，它拓宽了我们对“什么是时序”的理解边界。

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这本书的视角非常前沿，它没有沉溺于对上世纪八十年代异步设计范式的重复介绍，而是将目光聚焦于如何将这些理论应用于当前主流的SoC和FPGA架构中。我尤其欣赏其中对“基于能量的异步设计（Energy-Aware Asynchronous Design）”的探讨。在当前移动计算和物联网设备对能耗要求日益严苛的背景下，如何设计出仅在需要时才消耗能量的电路单元，成为了一个关键的技术挑战。书中提出了一系列创新的时钟/使能信号生成机制，这些机制巧妙地利用了数据到达的自然流经特性来驱动计算，极大地减少了不必要的动态功耗。阅读这些章节时，我仿佛进行了一次关于未来计算范式的头脑风暴。对于那些负责芯片能效优化的架构师来说，这本书提供的不仅仅是技术，更是一种全新的设计思维模式——即把时序看作是资源而非约束。这对于优化大型并行处理器的部分唤醒和睡眠策略具有不可估量的参考价值。

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这本书在理论深度上的广度和细节上的精度都令人叹服。它不仅仅是一本技术手册，更像是一份关于时序逻辑哲学的宣言。我注意到作者在全书中始终贯彻着一种“避免预判，响应实际”的设计原则，这一点与传统同步设计中对时钟周期和建立保持时间的苛刻预估形成了鲜明对比。书中关于“数据依赖性分析”的部分，通过引入先进的静态时序分析技术来取代传统的时钟周期分析，为构建高度模块化、可插拔的IP核提供了坚实的基础。每一个模块的边界都通过明确的握手信号界定，使得集成不同来源的逻辑块（可能来自不同工艺节点或不同设计团队）变得异常顺畅。这种对“边界清晰”的强调，是提升大型系统可维护性和可验证性的关键。总而言之，这本书为那些寻求摆脱时钟同步枷锁、构建真正面向未来的、可预测和自适应硬件系统的专业人士，提供了一份无可替代的路线图。

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作为一名有着多年硬件描述语言（HDL）使用经验的工程师，我发现在使用Verilog或VHDL来描述异步逻辑时，常常会遇到描述不自然、仿真困难的问题。这本书有效地填补了这一空白。它没有要求读者完全抛弃已有的HDL技能，而是提供了一套将异步时序概念“翻译”成标准硬件描述语言的有效方法论。书中详尽地展示了如何利用高级HDL特性（如非阻塞赋值的时序语义）来模拟复杂的握手逻辑，并强调了如何利用仿真工具的高级功能来确保设计收敛，尤其是在处理复杂的互锁条件时。更重要的是，它还探讨了如何将这些描述无缝映射到现代FPGA的Look-Up Tables（LUTs）和触发器结构中，解释了为什么某些同步的编程习惯在异步世界中会导致意想不到的性能下降或死锁。这种兼顾了理论深度与实际工具链兼容性的处理方式，极大地降低了从业者转向异步设计的学习曲线。

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读完这本书，我深刻感受到作者在构建异步设计框架时的严谨与创新。这本书的叙述结构非常清晰，从基础的事件驱动模型讲起，逐步引入到复杂的流水线机制和仲裁器的设计。最让我印象深刻的是关于“竞争危害”和“毛刺处理”那几章。在同步世界中，这些往往被简化或通过过度设计来规避，但在异步世界中，它们是核心的、必须被正面解决的问题。作者用图论和状态机的视角，将这些看似棘手的问题抽象化，并提供了一套可重复实现的解决方案。尤其是在描述基于“四相编码”和“两相编码”的握手协议时，作者不仅给出了逻辑电路图，更深入探讨了其在物理实现层面可能遇到的噪声容忍度和布线延迟敏感性。这种从抽象理论到具体硬件实现的无缝衔接，使得这本书具有极强的实践指导价值，远非市面上那些停留在概念介绍层面的教材可比拟。它要求读者具备扎实的数字逻辑基础，但回报是能够真正掌握构建高性能、高可靠性异步逻辑的核心技术。

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