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出版者:McGraw-Hill Education

作者:Aditya P. Mathur

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1985-09-01

价格:0

装帧:Paperback

isbn号码:9780074517673

丛书系列:

图书标签:

• 微处理器
• 计算机体系结构
• 数字逻辑
• 汇编语言
• 嵌入式系统
• 电子工程
• 计算机科学
• 硬件设计
• 8086
• 微机原理

《现代集成电路设计与应用》 内容简介 《现代集成电路设计与应用》是一部深入探讨现代集成电路（IC）从概念设计到实际应用全过程的权威著作。本书旨在为电子工程、计算机科学及相关领域的学生、研究人员和工程师提供一个全面而深入的理解框架，涵盖了集成电路设计的理论基础、先进的实现技术、关键的设计流程以及在当今蓬勃发展的科技领域中的广泛应用。 本书的写作目标是清晰地阐述集成电路设计的复杂性，同时使其易于理解。我们认识到，集成电路是现代电子设备的核心，其发展速度和集成度不断突破，对工程师的能力和知识储备提出了更高的要求。因此，本书力求在理论的严谨性与实践的可操作性之间取得平衡，为读者提供一套完整的设计工具箱。 第一部分：集成电路设计基础 本部分将从最基本的半导体物理原理出发，逐步深入到复杂的集成电路概念。 半导体物理基础： 涵盖了晶体管（MOSFET、BJT）的工作原理、PN结的形成与特性、掺杂技术以及半导体材料的导电机制。我们将详细解释载流子的行为、能带理论以及如何利用这些原理构建基本的电子器件。 逻辑门与组合逻辑电路： 介绍数字逻辑的基本概念，包括布尔代数、逻辑门（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR）的设计与实现，以及如何利用逻辑门构建组合逻辑电路，如加法器、减法器、多路选择器、译码器等。我们将探讨逻辑函数的简化方法（如卡诺图、奎因-麦克拉斯基算法）以及逻辑综合的基本原理。 时序逻辑电路： 讲解触发器（D触发器、JK触发器、T触发器、SR触发器）的工作原理、状态转移图和状态表，以及如何利用触发器构建时序逻辑电路，如寄存器、计数器、移位寄存器、有限状态机（FSM）。我们将详细分析同步和异步时序逻辑的区别及其在实际设计中的应用。 二进制表示与运算： 深入探讨不同进制（二进制、十进制、十六进制）之间的转换，以及整数、浮点数的二进制表示方法。重点讲解算术逻辑单元（ALU）的设计，包括加法、减法、逻辑运算以及移位操作的实现。 存储器单元： 介绍不同类型的存储器单元，包括SRAM（静态随机存取存储器）和DRAM（动态随机存取存储器）的基本结构和工作原理，以及ROM（只读存储器）和Flash存储器等非易失性存储器的特性。我们将分析存储器阵列的组织方式、读写操作的时序以及访问速度的影响因素。 第二部分：集成电路设计流程与工具 本部分将详细介绍现代集成电路从规格定义到最终芯片的整个设计流程，以及实现这些流程所需的EDA（电子设计自动化）工具。 集成电路设计流程： 详细阐述从需求分析、系统架构设计、RTL（Register Transfer Level）编码、逻辑综合、布局布线（Place and Route）、时序分析、功耗分析、物理验证（DRC, LVS）到制造和封装的各个环节。我们将重点强调各环节之间的依赖关系和反馈机制，以及如何优化设计以满足性能、功耗和面积（PPA）的要求。 硬件描述语言（HDL）： 深入讲解Verilog和VHDL等主流硬件描述语言。我们将通过大量实例演示如何使用HDL来描述数字电路的行为和结构，包括模块的定义、端口声明、信号赋值、结构化建模、行为建模以及混合建模。读者将学会如何编写清晰、高效且易于仿真的RTL代码。 逻辑综合： 介绍逻辑综合工具的核心功能，如何将HDL代码转换成门级网表。我们将探讨不同综合目标（面积、速度、功耗）对生成网表的影响，以及如何通过编写优化的HDL代码和调整综合选项来获得最佳设计。 布局布线（Physical Design）： 详细讲解将门级网表映射到物理版图的过程。包括标准单元库的使用、布局（Placement）的优化策略以减少布线长度和时延、以及布线（Routing）的多种算法和考虑因素，如信号完整性、串扰和时钟树综合（CTS）。 时序分析与约束： 强调时序分析在集成电路设计中的关键作用，包括建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的违例分析。我们将介绍如何设定时序约束（Constraints），如时钟周期、输入输出延迟等，以及如何利用STA（Static Timing Analysis）工具来检测和修复时序问题。 功耗分析与优化： 探讨集成电路设计的功耗挑战，包括动态功耗和静态功耗。我们将介绍各种功耗分析技术，如门级功耗仿真和 RTL 功耗估计，并提供多种功耗优化策略，如时钟门控（Clock Gating）、低功耗状态（Power Gating）、动态电压频率调整（DVFS）等。 验证方法学： 强调验证在集成电路设计中的重要性，是确保设计的正确性的关键。我们将介绍不同的验证方法，包括功能仿真、形式验证、覆盖率分析、以及先进的验证技术，如UVM（Universal Verification Methodology）。 EDA 工具链： 介绍常用的 EDA 工具，如 Cadence、Synopsys、Mentor Graphics 等公司提供的设计、仿真、综合、布局布线、物理验证、时序分析和功耗分析工具，并简要说明它们在设计流程中的位置和作用。 第三部分：高级集成电路设计主题 本部分将触及当前集成电路设计领域的前沿和复杂主题，为读者提供更广阔的视野。 定制集成电路（ASIC）设计： 深入探讨 ASIC 的设计流程，包括从需求到流片（Tape-out）的全过程。我们将详细讲解 ASIC 设计的挑战，例如成本、设计周期、可靠性和功耗管理。 FPGA（Field-Programmable Gate Array）设计： 介绍 FPGA 的工作原理、架构特点以及其在原型验证、小批量生产和特定应用中的优势。我们将讲解 FPGA 的设计流程，包括使用 HDL 编写逻辑、综合、映射、布局布线和比特流生成。 SoC（System on Chip）设计： 探讨 SoC 的架构，如何将多个功能模块（CPU、DSP、内存控制器、I/O 接口等）集成到单个芯片上。我们将分析 SoC 集成的挑战，包括总线协议、接口设计、IP 核复用和低功耗设计。 低功耗设计技术： 更加深入地探讨低功耗设计策略，包括在系统级、架构级、微架构级和门级层面上的功耗优化方法。 信号完整性与电源完整性： 讲解在高速集成电路设计中，信号完整性（SI）和电源完整性（PI）面临的挑战，如反射、串扰、地弹、电源噪声等，以及相应的分析和设计技术。 可靠性与可测试性设计（DFT）： 讨论集成电路的可靠性问题，如电迁移、热应力、Latch-up 等，并介绍可测试性设计（DFT）技术，如扫描链（Scan Chain）、内建自测试（BIST）等，以提高芯片的可制造性和可维护性。 高级互连技术： 探讨现代集成电路中日益增长的互连延迟和功耗问题，以及铜互连、低介电常数（low-k）材料、3D IC 技术等解决方案。 第四部分：集成电路应用 本部分将展示集成电路在各个领域中的实际应用，帮助读者理解理论知识的价值和影响力。 数字信号处理器（DSP）与嵌入式系统： 讲解 DSP 的架构和应用，如音频/视频处理、通信系统等。介绍嵌入式系统的设计，包括微控制器（MCU）的应用、外设接口设计和实时操作系统（RTOS）。 通信系统中的集成电路： 探讨 RF（射频）IC、基带处理器、ADC/DAC 等在无线通信、光通信中的应用。 计算机体系结构中的集成电路： 分析 CPU、GPU、内存控制器、I/O 控制器等在计算机系统中的作用和设计。 人工智能与机器学习的硬件加速： 介绍专门为 AI/ML 设计的 ASIC 和 FPGA，如神经网络处理器（NPU）、张量处理器（TPU）等，以及它们如何加速深度学习任务。 物联网（IoT）设备中的集成电路： 探讨低功耗、低成本的微控制器、传感器接口、无线通信芯片在物联网设备中的应用。 汽车电子与工业控制： 分析汽车 ECU、动力总成控制、ADAS 系统以及工业自动化控制器等领域中对高性能、高可靠性集成电路的需求。 本书特点 《现代集成电路设计与应用》不仅包含了扎实的理论基础，更注重将理论与实践紧密结合。本书的每一章都配有丰富的实例，这些实例涵盖了从简单的逻辑门到复杂的微处理器等不同层次的设计，并且很多例子会结合具体的 EDA 工具进行说明，帮助读者更好地理解设计流程和工具的使用。此外，本书还包含了对当前集成电路设计领域热点问题的探讨，如人工智能硬件加速、低功耗设计、以及新兴的互连技术等。 通过学习本书，读者将能够： 深刻理解集成电路的基本原理和工作机制。 掌握使用硬件描述语言（Verilog/VHDL）进行数字电路设计。 熟悉现代集成电路设计的完整流程和关键工具。 能够独立完成中小型数字集成电路的设计和验证。 了解集成电路在各个领域的广泛应用，并为进一步深入研究打下坚实基础。 本书适合作为高等院校电子工程、计算机科学、微电子学等专业的教材，也适合作为从事集成电路设计、FPGA 开发、嵌入式系统开发等工作的工程师的参考书。我们相信，《现代集成电路设计与应用》将成为您在集成电路设计领域的宝贵指南。

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这本书的叙事节奏在后半部分，尤其是在涉及到存储器层级结构和中断处理时，展现出一种近乎**偏执的结构化美感**。我过去一直觉得Cache和主存之间的复杂关系是计算机科学中最难理解的部分之一，无须缓存命中率、写回策略、伪相联映射等等术语，听起来就让人头大。但是，作者在这里采用了一种“分层剥茧”的教学法。他先用一个极其简单的、只有两级存储的例子来定义“局部性原理”，然后才逐步引入SRAM和DRAM的区别，以及直接映射和全相联映射的性能权衡。他甚至用了一个非常形象的例子来解释TLB（转换后援缓冲区）的作用——就像是把经常要查询的电话号码提前写在便签上，而不是每次都去翻厚厚的电话簿。这种循序渐进，层层递进的讲解方式，极大地降低了理解复杂概念的认知负荷。而当谈到中断（Interrupts）时，书本的语气变得稍微严肃了一些，它清晰地描绘了一个多任务操作系统是如何依赖硬件中断来维持其调度的，从外部I/O设备请求到CPU的响应流程，每一步都详尽地列出了堆栈操作和上下文保存的过程，这部分内容对理解操作系统的底层机制有不可估量的帮助。

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贯穿全书，我注意到作者在每一章的末尾都设置了“设计挑战”或者“思考题”，这些题目与其说是练习题，不如说是**微型设计项目**。它们往往不是让你计算一个数值，而是要求你根据前面学到的知识，设计一个简化的模块，比如设计一个优先级更低的简单仲裁器，或者为某个特定的I/O设备设计一个中断服务程序框架。这种强调“创造性应用”的评估方式，彻底颠覆了我对传统教科书的刻板印象。它不只是在教你“是什么”，更在引导你思考“如何做”。特别是最后几章关于总线仲裁和DMA（直接内存访问）的讨论，作者将这些看似分离的概念巧妙地编织成一个完整的系统，让你理解当多个设备同时需要访问内存时，系统是如何高效地进行资源分配的。这本书给我的整体感觉是，它不仅仅是一本关于微处理器的教材，更像是一份**计算机体系结构领域的高级训练蓝图**。它成功地在你心中埋下了一个种子：微处理器不是一块静态的硅片，而是一个复杂、精妙且不断进化的系统工程。阅读完毕后，我感到自己对计算机底层运行的认知维度被彻底重塑了，那种满足感是巨大的。

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这本厚重的书，从封面设计上就透着一股理工科的严谨与冷峻，那种黑白灰的配色，让人一看就知道里面绝不是什么轻轻松松的读物。我其实对这个领域本来就抱着一种敬畏之心，因为总觉得微处理器这种东西是计算机世界的基石，掌握了它，才算真正摸到了数字时代的脉搏。然而，当我翻开目录时，我的心稍微安定了一些，因为它似乎非常系统地从最基础的逻辑门和二进制开始讲起，没有一上来就抛出那些晦涩难懂的指令集。作者在绪论部分花了大量的篇幅来铺陈为什么理解“芯”如此重要，他用了很多历史的脉络来佐证，比如早期的继电器计算到真空管，再到晶体管的诞生，这个叙事的手法非常高明，它不是枯燥的罗列事实，而是将技术进步融入到人类对更强计算能力的渴望之中。我特别欣赏他对于“冯·诺依曼结构”的阐述，不仅仅是画一个方框告诉你什么是程序计数器和内存，而是深入挖掘了这种架构的**哲学思想**，即数据和指令的统一处理，这为后续章节中理解流水线和寻址模式打下了坚实的基础。坦白说，看到第三章关于时钟频率和总线带宽的讨论时，我还是有些吃力，但作者似乎预料到了这一点，他插入了一些非常直观的类比，比如将总线比作城市的主要干道，而数据包就是车辆，这让抽象的概念一下子具象化了许多。整体而言，开篇的这部分内容，更像是一堂精心打磨的大学入门讲座，节奏把握得恰到好处，既保持了学术的深度，又兼顾了初学者的接受度，为接下来的技术深潜做足了心理建设和知识储备。

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我必须承认，这本书的**深度与广度是成正比的，但其广度似乎远超出了一个“入门”指南应有的范畴**。当读到关于并行处理和流水线技术的那几章时，我明显感觉到阅读的难度攀升到了一个新的台阶。作者并没有满足于介绍基本的五级流水线结构（取指、译码、执行、访存、写回），而是深入探讨了流水线冒险（Hazard）的类型——结构冒险、数据冒险和控制冒险——并详细对比了硬件转发（Forwarding）和延迟槽（Delay Slot）这两种解决策略的优劣。这部分内容的专业性已经非常强了，它不再是面向完全的新手，而是面向那些已经对单周期和多周期CPU设计有了基本概念的学生或工程师。例如，他对分支预测单元（Branch Prediction Unit）的讲解，甚至涉及到了简单的两比特饱和计数器模型，这已经是接近于现代处理器微架构设计的内容了。这种不回避复杂性的勇气值得称赞，它确保了读者在学完基础后，不会因为知识断层而无法继续深造。唯一的“缺点”（如果这算是缺点的话），就是对初学者而言，这部分内容可能需要反复阅读，甚至需要结合外部的资源来辅助理解，因为它提供的理论模型已经非常接近工程实际了。

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老实说，我这次翻阅这本大部头，主要是冲着它的实践环节去的，因为理论的东西书上汗牛充栋，真正动手调试一个裸机程序，那种成就感是无可替代的。这本书在讲解指令集架构（ISA）的时候，风格陡然一变，变得极其务实和“动手”。它没有陷入某个特定厂商（比如Intel或ARM）的泥潭，而是构建了一个**高度抽象化的、教学用的RISC处理器模型**。这种做法的精妙之处在于，它让你剥离了商业竞争和特定的硬件限制，专注于指令的本质：操作码、源寄存器、目标寄存器。我花了整整一个下午的时间去啃那几页关于Load/Store指令和条件跳转的细节，作者在这里没有使用大量的伪代码，而是直接用汇编语言的**助记符**来展示每一个时钟周期可能发生的操作，甚至细致到内存访问的延迟都被标记了出来。更让我感到惊喜的是，书中配套了一个非常简洁的模拟器环境（虽然是基于文本的），我尝试着手动输入了几条加减法指令，并观察了通用寄存器中数值的变化，那种“我控制了CPU”的感觉是看任何视频教程都无法给予的。当然，这种深入到操作码层面的描述，对于心浮气躁的读者来说可能略显冗长和枯燥，但对于那些渴望了解CPU“呼吸”节奏的人来说，这简直就是一本绝佳的实战手册。它强迫你思考，当CPU执行一条`ADD R1, R2, R3`时， ALU（算术逻辑单元）内部究竟发生了什么，这比仅仅知道R1 = R2 + R3要深刻得多。

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