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出版者:清华大学出版社

作者:薛宏熙

出品人:

页数:414

译者:

出版时间:1996-01

价格:25.00

装帧:平装

isbn号码:9787302023319

丛书系列:

图书标签:

数字系统设计自动化
计算机科学与技术（选修）
薛宏熙
清华计算机
数字系统设计
自动化设计
EDA
Verilog
VHDL
FPGA
数字电路
计算机体系结构
集成电路
逻辑设计

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具体描述

内容简介

本书是高等学校计算机、电子工程等有关专业高年级学生和研究生的教科书，也是这一领域工程技

术人员的参考书。本书是作者多年教学和科研工作的总结，力求做到深入浅出而又不失严格性。它为

EDA工具的开发者提供理论基础，也为EDA工具的使用者提供专业知识。

全书共分8章：第1章介绍电子数字系统设计自动化（EDA）的各个领域；第2章介绍硬件描述语

言VHDL；第3章介绍EDA系统的框架结构；第4章介绍模拟技术；第5章介绍逻辑综合；第6章介绍

高层次综合；第7章介绍故障诊断；第8章介绍形式验证的理论和方法。

《数字系统设计自动化》是一本深入探讨现代集成电路（IC）设计流程的学术专著。本书全面概述了从高层设计规约到最终物理版图生成的各个阶段，重点聚焦于将复杂的数字功能转化为高效、可靠的物理实现这一核心目标。全书旨在为读者构建一个完整、系统的数字IC设计方法论知识体系，并重点介绍支撑这一体系的自动化工具和技术。第一部分：设计流程与基础概念本书的开篇，将带领读者踏上一次系统性的设计之旅。我们将从理解整个集成电路设计生命周期入手，详细阐述从需求分析、功能定义、架构设计，到逻辑实现、物理实现，直至制造、测试和封装的各个关键节点。这一部分将强调设计流程的迭代性和不同阶段之间的紧密联系。接着，我们将深入探讨数字系统的基础。这包括组合逻辑和时序逻辑的设计原理，各种逻辑门电路的特性，以及构建复杂电路的基本模块，如加法器、寄存器、计数器和状态机等。我们会分析不同逻辑结构的优缺点，以及它们在面积、功耗和速度方面的权衡。逻辑综合是本书的重中之重。我们将详细讲解如何将用硬件描述语言（HDL），如Verilog或VHDL编写的抽象行为级描述，转化为最优化的门级网表。这涉及到逻辑优化（例如，消除冗余逻辑、合并逻辑门、分解复杂逻辑）、寄存器传输级（RTL）优化以及状态机编码等技术。我们会深入探讨各种逻辑综合算法的原理，以及它们在现代EDA（电子设计自动化）工具中的应用。读者将学习如何通过细致的HDL编码风格和综合指令，来指导综合工具生成高性能、低功耗的设计。第二部分：逻辑验证与设计规则在进入物理实现之前，对设计的正确性进行充分验证是不可或缺的。本书将投入大量篇幅讨论数字逻辑验证的策略和技术。这包括功能仿真（functional simulation）——使用仿真器逐个模拟输入激励，验证设计的行为是否符合预期；以及时序仿真（timing simulation）——考虑实际电路的延迟和时序约束，确保设计在目标时钟频率下能够正常工作。我们将详细介绍各种验证方法学，如基于测试平台的验证（Testbench-based verification）、覆盖率分析（coverage analysis）——衡量测试的完备性，以及断言（assertions）——在设计中嵌入逻辑检查点，实时监测设计状态。读者将了解如何构建有效的测试平台，编写全面的测试用例，以及利用各种覆盖率指标来指导验证过程，从而最大程度地减少设计中的潜在错误。此外，本书还将深入讲解数字IC设计中的关键约束——设计规则（Design Rules）。这些规则是芯片制造工艺所强制要求的，直接关系到芯片的可制造性和最终的良率。我们将介绍各种类型的设计规则，例如最小线宽、最小间距、过孔（via）规则、金属层堆叠规则以及器件尺寸规则等。理解并严格遵守这些规则，对于后续的物理设计阶段至关重要。第三部分：物理设计物理设计是将逻辑网表转化为实际硅片布局的桥梁，是实现高性能、低功耗芯片的关键环节。本书将详细阐述物理设计的整个流程，包括版图规划（floorplanning）、放置（placement）、布线（routing）、时钟树综合（clock tree synthesis, CTS）和时序收敛（timing closure）等。版图规划是物理设计的首要步骤，它决定了芯片内部各个模块的大致位置和相互关系，对整体的功耗、性能和布线复杂度有着深远影响。我们将讨论不同的版图规划策略，如何考虑I/O引脚的分布、电源网络的规划以及热分布等因素。放置（placement）是将逻辑门和触发器等基本单元精确地放置在预先规划好的芯片区域内。本书将介绍各种放置算法，例如基于模拟退火（simulated annealing）的全局放置和基于切割（cut-based）的详细放置，并分析它们对线网长度、时序和功耗的影响。布线（routing）是将放置好的单元之间的连接线（net）连接起来，形成实际的金属走线。我们将详细讲解全局布线（global routing）和详细布线（detailed routing）的算法，以及如何处理拥塞（congestion）、优化线网长度和减少串扰（crosstalk）。时钟树综合（CTS）是确保时钟信号在整个芯片中以最小的偏差（skew）和抖动（jitter）到达所有触发器，是保证时序正确性的关键。本书将深入分析CTS的目标、挑战以及各种技术，如回声树（echo tree）、平衡树（balanced tree）等，并探讨如何通过合理的时钟网络设计来优化时钟信号的传播。时序收敛（timing closure）是物理设计过程中一项持续而艰巨的任务。它涉及到分析和优化设计中的关键路径，确保所有信号在时钟沿到达之前完成传输。本书将详细讲解静态时序分析（STA）的原理，如何识别时序违例（timing violations），以及各种时序优化技术，包括逻辑重定时（resynthesis）、寄存器优化、布线优化以及通过调整阈值电压（VT）来实现的动态电压频率调整（DVFS）等。第四部分：高级主题与未来趋势除了上述核心内容，本书还将触及一些高级主题，以帮助读者对数字IC设计有更全面和前瞻性的认识。这包括：低功耗设计技术：随着移动设备和物联网应用的普及，功耗管理变得越来越重要。我们将探讨各种低功耗设计策略，如门控时钟（clock gating）、电源门控（power gating）、动态电压频率调整（DVFS）、时钟频率缩放（clock frequency scaling）以及多电压域（multi-voltage domain）设计等。可测试性设计（DFT）：确保芯片在制造后能够被有效地测试，以发现和修复缺陷。我们将介绍内置自测试（BIST）、扫描链（scan chain）和边界扫描（boundary scan）等技术，以及它们在提高测试覆盖率和降低测试成本方面的作用。先进工艺技术的影响：随着半导体工艺节点的不断缩小，诸如寄生效应（parasitic effects）、量子效应（quantum effects）、互连线延迟（interconnect delay）和热效应（thermal effects）等挑战日益严峻。本书将讨论这些先进工艺所带来的新设计挑战，以及相应的EDA工具和设计方法论的演进。片上系统（SoC）设计：现代IC设计越来越倾向于将多种功能集成到单个芯片上，形成复杂的片上系统。我们将探讨SoC设计中的挑战，例如IP集成、总线协议、功耗域划分和验证复杂度等。新兴设计方法与工具：随着人工智能和机器学习技术的飞速发展，它们也开始被引入到IC设计领域，以提升设计效率和优化设计结果。本书将展望这些新兴技术在数字IC设计自动化中的潜在应用，例如AI驱动的逻辑综合、智能化的布局布线以及预测性时序分析等。本书力求在理论深度和实践指导之间取得平衡，通过大量的实例分析和案例研究，帮助读者理解抽象的理论概念如何转化为实际的设计成果。我们相信，《数字系统设计自动化》将成为广大电子工程、计算机科学专业的学生以及从事IC设计工作的工程师们宝贵的参考书。

作者简介

目录信息

目录
第1章概论
1.1 电子系统设计自动化技术发展的回顾
1.2 从EDA的角度来观察VLSI
1.2.1 VLSI的分类
1.2.2 芯片布图
1.2.3 可编程逻辑器件
1.3 数字系统自动设计的流程
1.4 EDA的主要领域
1.4.1 硬件描述语言
1.4.2 模拟验证
1.4.3 综合技术
1.4.4 测试诊断
1.4.5 逻辑设计形式验证
1.4.6 工程实现
1.5 EDA系统的构成
参考文献
第2章硬件描述语言vHDL
2.1 硬件描述语言VHDI
2.2 VHDL的基础知识
2.2.1 设计实体和结构体的概念
2.2.2 面向模拟器的某些特性
2.2.3 结构和行为
2.2.4 数据类型与对象
2.2.5 各分立部分之间的联结
2.2.6 VHDL的主要构件
2.2.7 设计库
2.3 VHDL的数据类型
2.3.1 文字
2.3.2 标量类型
2.3.3 复合类型
2.3.4 子类型
2.3.5 属性
2.3.6 预定义算符
2.4 VHDL行为描述
2.4.1 进程语句
2.4.2 行为模型的顺序性
2.4.3 行为模型的并行（并发）性
2.5 VHDL的结构描述
2.5.1 结构描述的基本特征
2.5.2 规则结构
2.5.3 配置指定
2.5.4 默认值与无连接端口
2.6 VHDL对大规模设计的支持
2.6.1 设计库的概念
2.6.2 VHDL中名字的可见性
2.6.3 使用library语句访问其它库
2.6.4 块语句
2.6.5 设计中的数据共享
2.6.6 结构描述和行为描述的混合使用
2.7 VHDL的一些高级特性
2.7.1 重载
2.7.2 用户定义的属性
2.7.3 与信号相关的属性
2.7.4 被保护的信号赋值语句
2.7.5 断开指定
2.7.6 空事项处理
2.8 设计实例
2.8.1 交通灯控制器
2.8.2 创建技术说明书
参考文献
第3章 EDA系统的框架结构
3.1 概述
3.1.1 EDA系统框架结构的提出
3.1.2 EDA系统框架结构的概念
3.1.3 EDA系统框架结构的构成模型
3.1.4 EDA系统框架结构的特点
3.2 数据模型与数据管理
3.2.1 工程数据库及其管理系统
3.2.2 EDA系统中的数据模型
3.2.3 EDA系统中数据库的层次组织
3.3 用户界面管理
3.3.1 用户界面管理系统概述
3.3.2 UIMS的两种界面
3.3.3 用户界面描述语言
3.3.4 小结
参考文献
第4章模拟
4.1 模拟的目的和方法
4.1.1 设计自动化与模拟验证
4.1.2 模拟级别
4.1.3 模拟系统的基本组成
4.2 逻辑模拟模型
4.2.1 电路网表
4.2.2 信号状态值
4.2.3 延迟模型
4.2.4 元件模型
4.3 逻辑模拟算法
4.3.1 模拟过程
1.3.2 事件表驱动模拟算法
4.3.3 三值模拟算法与竞争冒险检测
4.4开关级模拟
4.4.1 开关级电路模型
4.4.2 计算节点信号状态的强度比较算法
4.4.3 等效阻容网络算法
4.4.4 信号延迟的计算
4.4.5 门、功能块级和开关级的混合模拟处理
4.5 高层次模拟
4.5.1 VHDL模拟系统的组成
4.5.2 VHDL内部模型的确立
4.5.3 VHDL模拟算法
4.6 交互式模拟与调试
4.6.1 高级图形调试器及DEBUG功能
4.6.2 适应DEBUG功能的VHDL模型及算法
4.6.3 交互式波形显示编辑工具
参考文献
第5章逻辑综合
5.1 逻辑综合的内容和方法
5.2 布尔函数的立方体表示法
5.3 立方体运算
5.3.1 基本概念
5.3.2 相交和包含判断的具体实现
5.3.3 锐积运算
5.3.4 星积运算
5.4 多输出函数与单输出函数的阵列变换
5.4.1 单输出函数的表示形式
5.4.2 阵列合并
5.4.3 阵列分离
5.5 单输出函数质立方体的计算
5.5.1 锐积求质立方体
5.5.2 迭代星积求质立方体
5.5.3 广义星积求质立方体
5.6 单输出函数的自动综合
5.6.1 选拔法求最小化覆盖
5.6.2 收缩算法求无冗余覆盖
5.7 多输出函数的自动综合
5.7.1 收缩算法求无冗余覆盖
5.7.2 选拔法求最小化覆盖
5.7.3 判别质蕴涵项的E算法
5.8 组合逻辑电路的变换
5.8.1 多级逻辑电路转化为二级逻辑电路
5.8.2 二级逻辑电路转化为多级逻辑电路
5.9 时序逻辑电路的自动综合
5.9.1 时序机的数学模型
5.9.2 完全规定时序机的状态最小化
5.9.3 不完全规定时序机的状态化简
5.9.4 时序机的状态分配
参考文献
第6章高层次综合
6.1 高层次综合概述
6.1.1 高层次综合的概念
6.1.2 高层次综合的优点
6.2 高层次综合的内容
6.2.1 编译与转换
6.2.2 调度与分配
6.2.3 控制器综合
6.2.4 结果生成与反编译
6.2.5 高层次综合中的设计空间搜索
6.3 调度技术
6.3.1 调度问题
6.3.2 调度算法的分类
6.3.3 ASAP调度算法与ALAP调度算法
6.3.4 列表调度算法
6.3.5 调度中控制结构的处理
6.3.6 调度中的功能单元库
6.4 分配技术
6.4.1 分配问题
6.4.2 分配算法
6.5 高层次综合中的优化技术
6.5.1 具有分枝控制结构时操作的移动
6.5.2 控制数据流图的结构变换
6.6 小结
参考文献
第7章故障诊断
7.1 故障诊断与测试集
7.1.1 测试与故障诊断
7.1.2 故障模型
7.1.3 测试向量与测试集
7.1.4 故障的合并与测试集的压缩
7.1.5 测试码的生成问题
7.2 敏化路径法求组合电路的测试码
7.2.1 单路径敏化法
7.2.2 D算法
7.3 布尔差分法
7.4 多故障的测试码生成
7.4.1 多故障模型的D算法
7.4.2 高阶布尔差分法
7.5 时序电路的测试码生成
7.5.1 同步时序电路的迭代展开
7.5.2 扩展D算法
7.5.3 异步时序电路的迭代展开
7.6 故障模拟
7.6.1 并行故障模拟
7.6.2 演绎故障模拟
7.6.3 同时故障模拟
7.7 可测性设计
7.7.1 可测性分析
7.7.2 设置观察点和控制点
7.7.3 组合电路的可测性电路结构
7.7.4 扫描方式电路设计
7.7.5 内建自测试设计
参考文献
第8章形式验证
8.1 形式验证的目的和基本方法
8.1.1 形式验证的基本概念
8.1.2 形式验证的基本方法
8.2 基于符号处理的形式推理方法
8.2.1 电路的描述
8.2.2 公理系
8.2.3 基于FOL定理证明系统的验证过程
8.3 基于时序逻辑的验证
8.3.1 时序逻辑简介
8.3.2 用时序逻辑描述电路的时序关系
8.3.3 利用状态迁移表的验证方法
8.4 归纳断言法在逻辑验证中的应用
8.4.1 归纳断言法简介
8.4.2 一个寄存器传输语言及其公理定义
8.4.3 验证实例
8.5 提取行为表达式的验证方法
8.5.1 验证用描述语言ISPB简介
8.5.2 事件、历史序列和行为
8.5.3 行为表达式
8.5.4 由ISPB程序求行为表达式
8.5.5 用行为表达式进行验证
参考文献
附录A VHDL预定义环境
附录B IEEE多值逻辑系统标准包
附录C 英汉名词对照表
· · · · · · (收起)

读后感

评分☆☆☆☆☆

用户评价

评分☆☆☆☆☆

这部关于现代集成电路设计流程的巨著，其广博的覆盖面和深入的剖析令人印象深刻。从最底层的晶体管物理特性模型到顶层的系统级功能验证，作者似乎一丝不苟地梳理了整个数字芯片制造链条上的每一个关键环节。尤其值得称道的是，书中对不同抽象层次下设计方法的演进进行了精妙的阐述。早期的逻辑综合技术，如何逐步演化为如今基于约束驱动和机器学习辅助的优化算法，这中间的理论基石和工程实践的权衡取舍，都被作者以极其严谨的数学语言和清晰的流程图展现出来。我特别欣赏作者在介绍标准单元库（Standard Cell Library）优化策略时所采用的对比分析法，将静态时序分析（STA）的理论深度与实际布局布线阶段的拥堵缓解技术完美地结合起来，让读者能真切感受到从理论到硅片的鸿沟是如何被一代代工程师跨越的。对于希望系统性理解当代EDA（电子设计自动化）工具链背后逻辑的读者来说，这本书无疑是一张详尽的路线图，它不仅仅是知识的堆砌，更是一种设计哲学的传递。

评分☆☆☆☆☆

如果用一个词来形容这本书的结构，我会选择“渐进式复杂性”。它非常体贴地从最基础的布尔代数和门级抽象开始，逐步引入时序约束、时钟域交叉（CDC）处理和低功耗设计技术。这种层层递进的教学方法，使得非科班出身但有志于数字设计领域的读者也能找到自己的切入点。然而，这种“友好”并不意味着浅尝辄止。当章节推进到先进工艺节点（如FinFET或GAA晶体管下的设计考虑）时，作者瞬间将难度拉升至业界顶尖水平。例如，关于可制造性设计（DFM）和光刻黑科技的讨论，其详细程度几乎可以作为工艺工程师的内部培训资料。特别是对设计规则检查（DRC）和物理验证（PV）中那些“非线性”问题的探讨，作者提供的启发性见解远超教科书范畴，更像是对一套复杂工具的“使用说明书的隐藏章节”。整体而言，它成功地架设了一座从入门到精通的坚固桥梁。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书中关于新兴设计范式的讨论印象尤为深刻，特别是那些关于超越冯·诺依曼架构的探索。作者并未将视野局限于传统的ASIC或FPGA设计流程，而是勇敢地将笔触伸向了类脑计算（Neuromorphic Computing）硬件加速器和特定领域架构（DSA）的设计方法论。书中对如何将高层次的算法需求，映射到可硬件化、低功耗的计算单元网络中，所阐述的抽象化流程，极具前瞻性。这部分内容对我触动很大，因为它揭示了“设计自动化”的终极目标——不仅仅是优化现有工具链，更是要为下一代计算范式提供高效的设计引擎。书中对异构系统集成（Heterogeneous Integration）中接口协议和时序签收的挑战分析，尖锐而准确，直击当前芯片设计面临的集成度难题。这本书因此超越了一本纯粹的技术手册，更像是一份指导未来十年数字系统设计工程师职业发展的路线图，激发了人们对突破现有设计范式的思考。

评分☆☆☆☆☆

这本书在处理设计收敛性（Design Closure）这一核心挑战时，展现了极为深刻的行业洞察力。它不仅详细描绘了静态验证和动态仿真的技术细节，更着重强调了跨部门、跨阶段数据一致性的重要性。我发现作者对形式验证（Formal Verification）方法的介绍尤其到位，不同于市面上许多只停留在BDD（二元决策图）表面的书籍，本书深入探讨了SMT（可满足性模理论）求解器在等价性检查和安全属性验证中的实际应用瓶颈与应对策略。此外，书中对于“设计漂移”（Design Drift）现象的描述，即随着迭代次数增加，实际硬件性能与预期目标之间的偏差，提供了多维度的诊断工具。这种对设计可靠性（Reliability）而非仅仅是功能正确性的关注，标志着该书已迈入工业界前沿研究的行列。阅读过程中，我强烈感受到一种对“零缺陷”目标的极致追求，这对于任何试图将产品推向大规模量产的团队来说，都是无价的参考。

评分☆☆☆☆☆

老实说，我带着一种既期待又怀疑的心情翻开了这本书的扉页，因为“设计自动化”这个领域往往充斥着大量晦涩难懂的算法描述。然而，出乎意料的是，作者在处理复杂优化问题时，展现出一种化繁为简的魔力。举例来说，在谈到版图规划（Floorplanning）和电源网络设计（Power Delivery Network, PDN）的耦合优化时，作者并没有陷入纯粹的图论或拓扑结构证明的泥潭，而是巧妙地融入了实际芯片面积、功耗预算和热点分布等工程限制。这种“理论指导实践，实践反哺理论”的叙述方式，极大地提升了阅读的代入感。全书的语言风格如同经验丰富的老工程师在耳边进行的深度技术交流，没有高高在上的说教，只有对设计瓶颈的深刻洞察和对新颖解决方案的热情介绍。虽然某些章节的数学推导略显密集，但其背后蕴含的工程智慧，足以让每一个在实际项目中挣扎的设计师豁然开朗，明白“为什么”这些工具会那样工作，而不是仅仅停留在“如何使用”的层面。

评分☆☆☆☆☆