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：29420729629

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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《现代VLSI设计：片上系统设计(第3版)(改编版)》 是一本深入探讨集成电路设计领域的权威著作，特别聚焦于现代片上系统（System-on-Chip, SoC）的设计原理、方法论与实践。本书籍不仅系统性地梳理了VLSI（Very Large Scale Integration，超大规模集成电路）设计的各个关键环节，更以前瞻性的视角，引领读者理解并掌握构建复杂SoC的挑战与解决方案。 一、 VLSI设计基础与演进 本书首先为读者构建了坚实的VLSI设计理论基础。从半导体器件的基本原理出发，逐步深入到晶体管的物理特性，以及如何将这些基本单元构建成复杂的逻辑门电路。接着，它详细阐述了逻辑综合、布局布线、时序分析、功耗优化等一系列标准单元设计流程。对于初学者而言，这部分内容提供了清晰的入门路径；对于有经验的设计师，则是一次对基础概念的系统性回顾与深化。 值得注意的是，本书并非仅仅停留在传统的门级设计层面。它深刻剖析了VLSI设计技术在过去几十年的飞速演进，特别是随着工艺节点的不断缩小，涌现出的新挑战与新机遇。从工艺制造的限制，到寄生效应的影响，再到可靠性问题，本书都进行了详尽的分析，帮助读者理解为何现代SoC设计远比以往任何时期都要复杂。 二、 片上系统（SoC）设计的核心理念 本书的核心内容聚焦于片上系统（SoC）的设计。SoC的概念是将一个完整的功能系统（包括处理器、存储器、各种外设接口、专用硬件加速器等）集成到一块单一的集成电路芯片上。这一设计范式的出现，极大地推动了电子产品的性能提升、功耗降低和体积减小。 本书深入剖析了SoC设计的关键考量因素，包括： 模块化设计与IP集成： SoC设计的核心在于将预先设计好的、功能独立的知识产权（Intellectual Property, IP）模块进行高效集成。本书详细介绍了IP的分类、接口标准（如AMBA协议家族），以及如何在SoC架构中进行有效的IP选择、验证与集成。这使得设计师能够站在巨人的肩膀上，快速构建复杂的系统，而非一切从零开始。 系统级架构设计： 在SoC设计中，系统架构的合理性至关重要。本书探讨了不同处理器核心的选择（如ARM、RISC-V等）、存储器层次结构的设计（缓存、主存、片外存储器）、总线拓扑结构（点对点、交叉开关、多层总线）的优化，以及如何平衡性能、功耗与面积（PPA）之间的关系。 嵌入式处理器与协处理器： 现代SoC通常包含一个或多个嵌入式处理器，用于执行控制逻辑和通用计算任务。本书详细介绍了嵌入式处理器的架构特点，以及如何根据应用需求选择合适的处理器。同时，它也强调了专用硬件加速器（协处理器）在提升特定任务性能方面的作用，例如图形处理单元（GPU）、数字信号处理器（DSP）、人工智能（AI）加速器等。 互连网络（Network-on-Chip, NoC）： 随着SoC内部模块数量的激增，传统的总线结构已难以满足高性能数据传输的需求。本书详细介绍了片上网络（NoC）的概念、拓扑结构（如二维网格、环形）、路由算法、流控制机制，以及其在提高SoC通信效率、可扩展性与带宽方面的优势。 三、 高级设计方法与技术 除了基础理论和SoC核心理念，本书还深入探讨了现代VLSI设计领域中的一系列高级方法与技术，以应对日益增长的设计复杂性和缩短上市时间的需求。 硬件描述语言（HDL）与仿真验证： Verilog和VHDL是VLSI设计领域的主流硬件描述语言。本书深入讲解了如何使用这些语言进行功能建模、行为级描述和寄存器传输级（RTL）设计。更重要的是，它强调了验证的重要性，详细介绍了仿真技术（功能仿真、时序仿真）、验证方法学（如UVM）、覆盖率分析以及形式验证等，指出“验证是设计的关键”这一原则。 综合与物理实现： 本书详细讲解了从RTL代码到门级网表的逻辑综合过程，以及如何利用综合工具优化电路的性能、面积和功耗。在物理实现方面，它深入探讨了布局（Placement）、布线（Routing）、时钟树综合（CTS）、功耗感知设计（Power-aware Design）、可制造性设计（DFM）等关键步骤，以及如何处理随着工艺进步而出现的信号完整性（SI）和电源完整性（PI）问题。 低功耗设计： 随着移动设备和物联网设备的普及，功耗已成为SoC设计的首要考量之一。本书系统地介绍了多种低功耗设计技术，包括时钟门控（Clock Gating）、功率门控（Power Gating）、动态电压频率调节（DVFS）、低功耗工艺技术等，并分析了如何在设计流程中有效地应用这些技术。 时序与可靠性设计： 在高频率运作的SoC中，时序收敛是设计的难点。本书详细讲解了建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）违例的分析与修复，以及如何进行时序优化。同时，它也关注芯片的可靠性问题，如抗电迁移（Electromigration）、热效应（Thermal Effects）、瞬态电压降（IR Drop）等，并提供了相应的分析与设计方法。 面向特定应用的SoC（ASoC）设计： 针对智能手机、通信设备、汽车电子等特定应用领域，SoC的设计往往需要高度的定制化。本书探讨了如何根据应用需求，在架构层面进行优化，选择合适的IP，并可能涉及专门的硬件加速器设计，以实现最优的性能和能效比。 四、 实践案例与未来展望 为了更好地帮助读者理解理论知识并将其应用于实践，本书可能包含了一些经典的SoC设计案例分析，例如嵌入式处理器核心的设计、高性能接口的实现、低功耗平台的构建等。通过这些案例，读者可以学习到在实际设计中遇到的挑战以及有效的解决方案。 最后，本书也展望了VLSI设计领域的未来发展趋势，包括对先进封装技术（如3D IC）、新兴的计算范式（如神经形态计算、量子计算）的初步探讨，以及人工智能（AI）在设计自动化（EDA）工具中的应用，预示着VLSI设计将在未来继续向着更高集成度、更高性能、更低功耗的方向发展。 总而言之，《现代VLSI设计：片上系统设计(第3版)(改编版)》是一本内容全面、深度够用的VLSI设计经典教材。它不仅为读者提供了扎实的理论基础，更以其对SoC设计理念的深入剖析和对前沿设计技术的广泛涵盖，成为所有从事集成电路设计、系统集成、电子工程等相关领域的专业人士和学生不可或缺的学习资源。本书将帮助读者构建起现代SoC设计的完整知识体系，为应对未来芯片设计的挑战做好充分准备。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我一开始对这本书的期望值并不高，毕竟“改编版”这三个字总是让人有点担心内容是否会过于简化或者不完整。然而，事实证明我的担忧是多余的。这本书在保持学术严谨性的同时，又极大地提升了可读性，特别是对于那些像我一样，需要快速掌握核心知识点的读者而言。作者在讲解过程中，采用了大量生动形象的比喻和类比，将那些抽象的电子元件和设计原理变得通俗易懂。比如，在解释总线仲裁时，作者将其比作交通信号灯系统，形象地描绘了多个设备如何争夺总线使用权以及仲裁器如何进行调度。这种方式极大地降低了学习门槛，也让我能够更好地理解那些看似复杂的硬件交互过程。此外，书中对各个设计环节的描述也十分细致，从前端的逻辑设计，到后端综合、布局布线，再到验证和测试，每一个步骤都进行了清晰的介绍。特别是对各种设计约束的讲解，让我明白在实际工程中，性能、功耗和面积（PPA）这三个关键因素是如何相互制约，并需要设计师在它们之间做出权衡。这本书的结构也非常合理，逻辑清晰，章节之间的过渡自然流畅，让我能够一气呵成地阅读下去，而不会感到迷茫。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对电子工程领域充满好奇的学生，而这本书完全满足了我对“什么是现代VLSI设计”的疑问。它不是那种泛泛而谈的教科书，而是非常有条理地将一个复杂的主题分解成易于理解的部分。从一开始介绍不同类型的集成电路，到深入探讨片上系统（SoC）的设计理念，本书都做得非常出色。我特别喜欢书中关于“摩尔定律”及其对SoC发展的影响的讨论，这让我认识到技术进步是如何驱动着半导体行业的发展。书中对各个设计阶段的讲解，从逻辑设计、综合，到物理设计，再到验证，都非常有深度，同时又保持了清晰的逻辑。作者在讲解过程中，会引用大量的图表和示意图，这些视觉元素极大地帮助我理解那些抽象的工程概念。例如，关于时钟树综合（CTS）的讲解，通过图示清晰地展示了如何保证芯片内部各个单元的时钟信号同步，这在实际设计中是至关重要的。而且，书中还对IP核的复用和IP集成的方法进行了介绍，这让我明白在现代SoC设计中，如何高效地利用已有的模块来加速开发过程。这本书让我不仅学习到了理论知识，更重要的是，培养了我对SoC设计这个领域的兴趣，并激发了我进一步探索的动力。

评分☆☆☆☆☆

我是一名软件开发工程师，最近因为工作需要，开始接触一些硬件设计相关的知识，所以选择了这本书来入门。不得不说，这本书的内容非常“接地气”。作者并没有把复杂的硬件概念包装得高高在上，而是用很多生活中的例子来类比，让我这个“硬件小白”也能理解。比如，在解释芯片的层级结构时，作者用了“乐高积木”的比喻，让我一下子就明白了不同模块是如何组合起来形成一个完整的芯片。书中对信号完整性、时序分析等容易让人望而生畏的概念，也通过图文并茂的方式进行了讲解，让那些原本枯燥的理论变得生动有趣。我尤其欣赏书中对芯片设计流程的描述，从需求分析到最终的流片，每一个环节都进行了简要介绍，让我对整个硬件开发的周期有了一个初步的了解。虽然这本书的重点在于硬件设计，但它对接口和通信协议的讲解，也让我作为软件工程师，更好地理解硬件是如何与软件进行交互的，这对于我后续的开发工作非常有帮助。这本书没有过多涉及深入的电路原理，而是更侧重于设计理念和流程，这对于我这种跨领域学习者来说，是非常友好的。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在半导体行业摸爬滚打多年的工程师，我一直对SoC的设计流程和其中的挑战深感兴趣。这本书的内容，虽然在我看来并非对所有技术细节都进行了深入剖析，但它所提供的宏观视角和对关键技术点的提炼，却给了我不少启发。作者并没有拘泥于某一特定工艺或者某一类IP核的详细实现，而是着重于阐述SoC设计所面临的共性问题和通用解决方法。例如，书中对低功耗设计策略的讨论，从时钟门控、电源门控到动态电压频率调整（DVFS），都进行了较为全面的介绍，并强调了在SoC设计中功耗优化是多么至关重要。此外，作者还对验证的复杂性进行了深刻的剖析，特别是随着SoC规模的不断增大，验证工作量呈指数级增长，以及如何通过仿真、形式化验证、硬件加速仿真等手段来应对这一挑战。书中对接口协议的讲解，例如AMBA系列总线，也帮助我巩固了对片内通信机制的理解。虽然一些更前沿的技术，比如基于AI的EDA工具，书中没有涉及，但对于理解当前主流的SoC设计方法论和技术演进路径，这本书无疑提供了一个非常好的参考框架。

评分☆☆☆☆☆

这本书真是让我大开眼界！从一个完全不熟悉VLSI设计领域的新手，到现在能对片上系统（SoC）的整体架构和设计流程有一个清晰的认识，这本书功不可没。它不像我之前看过的很多技术书籍那样，上来就充斥着晦涩难懂的公式和枯燥的理论，而是循序渐进，从最基础的概念讲起，比如什么是集成电路，什么是摩尔定律，以及为什么需要SoC。然后，它巧妙地将理论知识与实际应用相结合，用大量的图示和实际案例来解释复杂的概念，比如流水线技术、缓存一致性、功耗管理等等。我尤其喜欢书中对不同IP核的介绍，比如CPU、GPU、DSP、通信模块等，以及它们如何集成到SoC中，实现丰富的功能。书中的例子非常贴近实际，让我能够理解这些理论知识在现实世界中的价值和作用。而且，作者在讲解过程中，还会穿插一些行业内的发展趋势和未来的展望，这让我不仅学到了技术，也对整个行业有了更宏观的理解。即使遇到一些稍微难懂的部分，作者也会给出一些提示或者建议去参考其他的资料，这一点非常贴心。总而言之，这本书为我打开了通往SoC设计世界的大门，让我对这个领域产生了浓厚的兴趣，并建立了扎实的初步认知。