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isbn号码:9787111162216

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数字电路设计与实现前沿探索：基于新型FPGA架构与低功耗VLSI技术 本书旨在为深入理解现代数字系统设计流程、掌握前沿FPGA应用技术以及探索低功耗集成电路实现路径的工程师和高级学生提供一套全面而深入的参考资料。本书内容聚焦于当前数字电路设计领域最活跃、最具挑战性的两个方向：新型可编程逻辑器件（FPGA）的深度应用和超低功耗超大规模集成电路（VLSI）的设计方法学。 第一部分：面向复杂系统的FPGA高级设计方法学（约600字） 本部分内容聚焦于如何驾驭现代高性能FPGA平台，实现复杂的并行计算和实时数据处理系统。我们摒弃基础的逻辑门级描述，转而深入研究系统级设计和高级综合（High-Level Synthesis, HLS）的应用。 1. 现代FPGA架构解析与资源优化： 详细分析主流厂商（如Xilinx Versal/AMD UltraScale+和Intel Stratix/Agilex系列）的异构架构，包括专用信号处理器（DSP Slice）、高带宽存储器（HBM/DDR控制器接口）以及嵌入式硬核处理器（如ARM Cortex-A/R系列）的集成与协同工作机制。重点讲解如何根据算法特性选择合适的加速单元（如FPGA逻辑单元、硬乘法器或专用AI引擎），并提供一套量化的资源评估模型，以避免过度设计或资源瓶颈。 2. 高效能并行算法的硬件描述： 介绍如何使用Verilog/VHDL的高级结构（如SystemVerilog的接口、约束随机验证方法论）来描述复杂的并行算法，而非简单的组合逻辑或时序电路。探讨数据流驱动（Dataflow Pipelining）的实践，包括循环展开（Loop Unrolling）、函数内联以及任务级并行化（Task-Level Parallelism）的量化实现策略。特别关注如何有效管理数据依赖性，确保流水线的最大吞吐量。 3. 高级综合（HLS）的深入应用与调优： 本章将HLS提升至一个工程实践的高度。内容覆盖从C/C++代码到高效RTL代码转换的关键技术，包括数组分区（Array Partitioning）、数据类型选择对资源和时序的影响、以及如何使用Pragma指令精确控制数据路径的延迟和吞吐量。我们将通过实际案例展示如何迭代优化HLS输出，使其性能媲美或超越手工编写的RTL代码。 4. 实时系统与高速接口设计： 深入讲解PCI Express (PCIe Gen4/Gen5) 的硬件加速接口设计，包括事务层（Transaction Layer）、数据链路层（Data Link Layer）的协议实现与验证。此外，还涵盖了高速SerDes的物理层（PHY）配置、时钟域交叉（CDC）的可靠设计方法，以及如何利用FPGA内部的PLL/MMCM资源实现复杂的多速率系统同步。 第二部分：面向能效的超低功耗VLSI设计与验证（约600字） 本部分聚焦于为移动设备、物联网（IoT）和边缘计算场景设计的ASIC或低功耗FPGA实现，强调在保持性能的同时，如何最大限度地降低静态功耗和动态功耗。 1. 低功耗设计原理与功耗建模： 系统性介绍数字电路中的功耗来源（开关功耗、短路功耗和漏电功耗）。讲解如何通过先进的工艺节点特性（如FinFET技术）来理解功耗特性。详细阐述功耗建模技术，包括从行为级到寄存器传输级（RTL）的功耗估算工具链。 2. 动态功耗管理技术实践： 重点讨论时钟门控（Clock Gating）和电源门控（Power Gating）在RTL层面的自动和手动实现策略。讲解多电压域（Multi-Voltage Domain, MVD）的设计方法，包括电平转换器（Level Shifters）的正确选型和插入，以确保跨域通信的信号完整性和可靠性。此外，还将探讨动态频率和电压调节（DVFS）在硬件加速器中的适应性实现。 3. 静态功耗抑制与亚阈值设计： 本节深入探讨先进工艺下静态功耗的挑战。介绍保持电路（Keeper Circuits）的设计，以及利用高阈值电压（High-Vt）晶体管优化对关键路径的性能影响。对于特定场景，将分析亚阈值电压（Near/Sub-threshold）设计的可行性、设计流程的修改以及电路的噪声容忍性设计。 4. 鲁棒性与可靠性设计： 低功耗设计往往以牺牲一定的鲁棒性为代价，因此本部分强调在低电压操作下的可靠性增强。内容包括：针对瞬态故障（如单粒子翻转）的错误检测与纠正（ECC）机制在存储器和关键控制逻辑中的实现；以及如何利用设计冗余和电压裕度分析来确保系统在最坏功耗条件下的功能正确性。 第三部分：系统级验证与设计收敛（约300字） 本部分涵盖了从设计规范到最终比特流生成过程中，确保设计正确性和满足时序收敛的工程实践。 1. 形式验证与断言驱动开发（AVS）： 超越传统的模拟仿真，本书深入探讨如何使用形式验证工具（Formal Verification）来证明关键模块的等价性、安全性和互锁机制的正确性。介绍SystemVerilog Assertions (SVA) 在覆盖率驱动验证中的应用，以及如何将SVA直接转化为形式验证的约束。 2. 综合与时序分析（STA）的深度调优： 讲解现代综合工具（Synthesis Tools）的内部工作原理，以及设计者应如何指导工具实现目标时序。内容包括：时序约束的复杂性管理（如跨时钟域路径的假路径/多周期路径定义）、偏置模式（Corner Analysis）的选择，以及如何通过反馈循环优化布局布线前的逻辑综合结果，确保最终满足微秒或纳秒级的时序要求。 3. 混合信号接口与系统集成： 讨论数字系统与外部模拟/混合信号组件（如ADC/DAC、PLL）的接口设计。重点在于理解数字控制逻辑如何精确驱动这些组件的配置寄存器，以及如何处理数据采集中的同步和校准问题，最终实现一个功能完整、性能达标的端到端数字系统。 本书适合对象： 具备数字逻辑基础，希望从传统RTL设计转向系统级抽象、关注高性能计算加速或致力于开发下一代低功耗嵌入式系统的电子工程师、计算机体系结构研究人员和研究生。通过本书的学习，读者将能够掌握设计复杂、高效率、低能耗数字系统的核心工程技术。

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**作为一个在硬件设计行业摸爬滚打多年的老兵，我对于《VERILOG硬件描述语言数字电路设计范例》这本书的评价，可以用“功底扎实，实战性强”来概括。** 在这个快速迭代的电子行业，陈旧的知识很快会被淘汰，而Verilog作为数字逻辑设计的基石，其重要性不言而喻。这本书的价值在于，它并没有停留在对Verilog语法特性的简单介绍，而是将目光聚焦于如何利用Verilog来解决实际的数字电路设计问题。书中的每一个范例，都是经过精心挑选和优化的，涵盖了从嵌入式系统常用模块到特定领域应用场景的各种典型设计。我特别注意到，作者在描述复杂模块的设计时，采用了分层分解的思想，将一个大的设计任务拆解成若干个小的、易于管理和验证的子模块，这对于项目的设计效率和可维护性有着至关重要的指导意义。此外，书中对于亚稳态、时钟域交叉等EDA设计中常见但又容易被忽视的细节问题，也进行了深入的剖析，并提供了相应的Verilog实现策略，这对于避免项目后期出现难以排查的bug具有极高的价值。读这本书，我仿佛又回到了当年那个充满挑战与激情的年代，不断尝试，不断突破。

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**这本《VERILOG硬件描述语言数字电路设计范例》无疑是数字电路设计领域的一本得力助手。** 作为一名初涉Verilog的工程师，我深感理论知识的枯燥和实践操作的迷茫。市面上充斥着大量晦涩难懂的教材，往往在真正动手时，才发现离实际应用还有很长的距离。然而，当我翻开这本书，仿佛找到了失散多年的指引。它不仅仅是罗列语法规则，而是将Verilog的精髓融入到一系列精心设计的数字电路实例中。从基础的组合逻辑门电路，到复杂的时序逻辑模块，再到系统级的总线接口设计，每一个案例都深入浅出，条理清晰。作者并没有直接给出代码，而是先对电路的功能、原理进行细致的讲解，然后逐步引导读者如何用Verilog来实现。这种“先知其所以，后述其所以然”的学习方式，极大地降低了理解门槛。我尤其欣赏书中对每个例子的仿真验证部分的详述，这让我明白，编写出能工作的代码只是第一步，通过仿真验证来确保其正确性同样至关重要。书中提供的仿真波形分析，更是直观展示了电路在不同输入下的输出行为，让抽象的代码变得具体可感。对于我而言，这本书更像是一个循序渐进的实践导师，让我从模仿到理解，再到能够独立思考设计。

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**对于我这样一名在校的电子信息专业学生，《VERILOG硬件描述语言数字电路设计范例》可以说是及时雨。** 在学校的学习过程中，我们接触了大量的数字逻辑理论，但如何将这些理论转化为实际的硬件设计，往往是一个巨大的挑战。Verilog作为一种主流的硬件描述语言，我们知道它的重要性，但很多时候，课本上的讲解过于抽象，难以与实际的芯片设计联系起来。这本书的出现，恰好弥补了这一不足。它用大量具体的、可执行的Verilog代码范例，将抽象的概念具象化。从简单的计数器、移位寄存器，到复杂的状态机、内存控制器，书中的每一个例子都伴随着详细的逻辑图和代码注释，让我能够清晰地理解每一行代码所代表的意义和功能。我特别喜欢书中对时序逻辑的设计讲解，例如如何正确处理时钟和复位信号，如何设计可靠的同步电路，这些都是我以前感到困惑的地方，而这本书提供了非常实用的解决方案。通过学习书中的范例，我不仅掌握了Verilog的语法，更重要的是学会了如何运用Verilog去构建和验证数字电路，为我未来的学习和工作打下了坚实的基础。

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**不得不说，《VERILOG硬件描述语言数字电路设计范例》是一本能唤醒你设计灵感的宝藏。** 在数字设计的道路上，我们常常会遇到瓶颈，找不到合适的思路去实现某个功能，或者对已有的代码感到效率低下。这本书就像一股清流，为我提供了源源不断的灵感。它不仅仅是提供了“菜谱”，更重要的是教会了“厨艺”。那些看似复杂的数字系统，在书中被分解成一个个清晰的Verilog模块，每一个模块的设计思路和实现方式都值得细细品味。我尤其喜欢书中对一些经典算法和数据结构的Verilog实现，比如快速傅里叶变换（FFT）或者一些图像处理相关的基础模块，这些都是在实际项目中经常会遇到的，而书中提供的范例代码，往往能够直接借鉴，并在此基础上进行扩展和优化，极大地节省了我的开发时间。更重要的是，书中对不同设计风格的权衡和分析，让我能够根据实际情况选择最适合的实现方式。这本书不仅仅是一本工具书，它更像是一位经验丰富的导师，在你迷茫时，为你指点迷津，在你懈怠时，为你注入动力。

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**《VERILOG硬件描述语言数字电路设计范例》这本书，在我看来，是连接理论与实践的一座坚固桥梁。** 很多时候，我们能够理解Verilog的语法，能够编写出看起来正确的代码，但却难以构建出能够满足实际需求的复杂数字系统。这本书恰恰解决了这个问题。它不仅仅是提供了一个个孤立的代码片段，而是将这些代码片段组织起来，形成了一个个完整的、可工作的数字电路设计。我尤其欣赏书中对不同设计层次的细致划分，从底层的逻辑门，到中层的控制器，再到高层的接口模块，作者都提供了清晰的设计思路和实现方法。这使得我在面对一个复杂的系统设计时，能够有条不紊地进行拆解和实现。书中对一些特定应用场景的设计范例，例如通信接口、DSP模块等，也为我提供了宝贵的参考，让我能够快速了解和掌握相关领域的设计技巧。这本书的价值在于，它不仅仅教授了Verilog的“怎么用”，更重要的是阐述了Verilog的“为什么这么用”，让我在设计中能够做出更明智的选择，从而提高设计的效率和质量。

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