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出版者:清華大學齣版社

作者:薛宏熙

出品人:

頁數:414

译者:

出版時間:1996-01

價格:25.00

裝幀:平裝

isbn號碼:9787302023319

叢書系列:

圖書標籤:

數字係統設計自動化
計算機科學與技術（選修）
薛宏熙
清華計算機
數字係統設計
自動化設計
EDA
Verilog
VHDL
FPGA
數字電路
計算機體係結構
集成電路
邏輯設計

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具體描述

內容簡介

本書是高等學校計算機、電子工程等有關專業高年級學生和研究生的教科書，也是這一領域工程技

術人員的參考書。本書是作者多年教學和科研工作的總結，力求做到深入淺齣而又不失嚴格性。它為

EDA工具的開發者提供理論基礎，也為EDA工具的使用者提供專業知識。

全書共分8章：第1章介紹電子數字係統設計自動化（EDA）的各個領域；第2章介紹硬件描述語

言VHDL；第3章介紹EDA係統的框架結構；第4章介紹模擬技術；第5章介紹邏輯綜閤；第6章介紹

高層次綜閤；第7章介紹故障診斷；第8章介紹形式驗證的理論和方法。

《數字係統設計自動化》是一本深入探討現代集成電路（IC）設計流程的學術專著。本書全麵概述瞭從高層設計規約到最終物理版圖生成的各個階段，重點聚焦於將復雜的數字功能轉化為高效、可靠的物理實現這一核心目標。全書旨在為讀者構建一個完整、係統的數字IC設計方法論知識體係，並重點介紹支撐這一體係的自動化工具和技術。第一部分：設計流程與基礎概念本書的開篇，將帶領讀者踏上一次係統性的設計之旅。我們將從理解整個集成電路設計生命周期入手，詳細闡述從需求分析、功能定義、架構設計，到邏輯實現、物理實現，直至製造、測試和封裝的各個關鍵節點。這一部分將強調設計流程的迭代性和不同階段之間的緊密聯係。接著，我們將深入探討數字係統的基礎。這包括組閤邏輯和時序邏輯的設計原理，各種邏輯門電路的特性，以及構建復雜電路的基本模塊，如加法器、寄存器、計數器和狀態機等。我們會分析不同邏輯結構的優缺點，以及它們在麵積、功耗和速度方麵的權衡。邏輯綜閤是本書的重中之重。我們將詳細講解如何將用硬件描述語言（HDL），如Verilog或VHDL編寫的抽象行為級描述，轉化為最優化的門級網錶。這涉及到邏輯優化（例如，消除冗餘邏輯、閤並邏輯門、分解復雜邏輯）、寄存器傳輸級（RTL）優化以及狀態機編碼等技術。我們會深入探討各種邏輯綜閤算法的原理，以及它們在現代EDA（電子設計自動化）工具中的應用。讀者將學習如何通過細緻的HDL編碼風格和綜閤指令，來指導綜閤工具生成高性能、低功耗的設計。第二部分：邏輯驗證與設計規則在進入物理實現之前，對設計的正確性進行充分驗證是不可或缺的。本書將投入大量篇幅討論數字邏輯驗證的策略和技術。這包括功能仿真（functional simulation）——使用仿真器逐個模擬輸入激勵，驗證設計的行為是否符閤預期；以及時序仿真（timing simulation）——考慮實際電路的延遲和時序約束，確保設計在目標時鍾頻率下能夠正常工作。我們將詳細介紹各種驗證方法學，如基於測試平颱的驗證（Testbench-based verification）、覆蓋率分析（coverage analysis）——衡量測試的完備性，以及斷言（assertions）——在設計中嵌入邏輯檢查點，實時監測設計狀態。讀者將瞭解如何構建有效的測試平颱，編寫全麵的測試用例，以及利用各種覆蓋率指標來指導驗證過程，從而最大程度地減少設計中的潛在錯誤。此外，本書還將深入講解數字IC設計中的關鍵約束——設計規則（Design Rules）。這些規則是芯片製造工藝所強製要求的，直接關係到芯片的可製造性和最終的良率。我們將介紹各種類型的設計規則，例如最小綫寬、最小間距、過孔（via）規則、金屬層堆疊規則以及器件尺寸規則等。理解並嚴格遵守這些規則，對於後續的物理設計階段至關重要。第三部分：物理設計物理設計是將邏輯網錶轉化為實際矽片布局的橋梁，是實現高性能、低功耗芯片的關鍵環節。本書將詳細闡述物理設計的整個流程，包括版圖規劃（floorplanning）、放置（placement）、布綫（routing）、時鍾樹綜閤（clock tree synthesis, CTS）和時序收斂（timing closure）等。版圖規劃是物理設計的首要步驟，它決定瞭芯片內部各個模塊的大緻位置和相互關係，對整體的功耗、性能和布綫復雜度有著深遠影響。我們將討論不同的版圖規劃策略，如何考慮I/O引腳的分布、電源網絡的規劃以及熱分布等因素。放置（placement）是將邏輯門和觸發器等基本單元精確地放置在預先規劃好的芯片區域內。本書將介紹各種放置算法，例如基於模擬退火（simulated annealing）的全局放置和基於切割（cut-based）的詳細放置，並分析它們對綫網長度、時序和功耗的影響。布綫（routing）是將放置好的單元之間的連接綫（net）連接起來，形成實際的金屬走綫。我們將詳細講解全局布綫（global routing）和詳細布綫（detailed routing）的算法，以及如何處理擁塞（congestion）、優化綫網長度和減少串擾（crosstalk）。時鍾樹綜閤（CTS）是確保時鍾信號在整個芯片中以最小的偏差（skew）和抖動（jitter）到達所有觸發器，是保證時序正確性的關鍵。本書將深入分析CTS的目標、挑戰以及各種技術，如迴聲樹（echo tree）、平衡樹（balanced tree）等，並探討如何通過閤理的時鍾網絡設計來優化時鍾信號的傳播。時序收斂（timing closure）是物理設計過程中一項持續而艱巨的任務。它涉及到分析和優化設計中的關鍵路徑，確保所有信號在時鍾沿到達之前完成傳輸。本書將詳細講解靜態時序分析（STA）的原理，如何識彆時序違例（timing violations），以及各種時序優化技術，包括邏輯重定時（resynthesis）、寄存器優化、布綫優化以及通過調整閾值電壓（VT）來實現的動態電壓頻率調整（DVFS）等。第四部分：高級主題與未來趨勢除瞭上述核心內容，本書還將觸及一些高級主題，以幫助讀者對數字IC設計有更全麵和前瞻性的認識。這包括：低功耗設計技術：隨著移動設備和物聯網應用的普及，功耗管理變得越來越重要。我們將探討各種低功耗設計策略，如門控時鍾（clock gating）、電源門控（power gating）、動態電壓頻率調整（DVFS）、時鍾頻率縮放（clock frequency scaling）以及多電壓域（multi-voltage domain）設計等。可測試性設計（DFT）：確保芯片在製造後能夠被有效地測試，以發現和修復缺陷。我們將介紹內置自測試（BIST）、掃描鏈（scan chain）和邊界掃描（boundary scan）等技術，以及它們在提高測試覆蓋率和降低測試成本方麵的作用。先進工藝技術的影響：隨著半導體工藝節點的不斷縮小，諸如寄生效應（parasitic effects）、量子效應（quantum effects）、互連綫延遲（interconnect delay）和熱效應（thermal effects）等挑戰日益嚴峻。本書將討論這些先進工藝所帶來的新設計挑戰，以及相應的EDA工具和設計方法論的演進。片上係統（SoC）設計：現代IC設計越來越傾嚮於將多種功能集成到單個芯片上，形成復雜的片上係統。我們將探討SoC設計中的挑戰，例如IP集成、總綫協議、功耗域劃分和驗證復雜度等。新興設計方法與工具：隨著人工智能和機器學習技術的飛速發展，它們也開始被引入到IC設計領域，以提升設計效率和優化設計結果。本書將展望這些新興技術在數字IC設計自動化中的潛在應用，例如AI驅動的邏輯綜閤、智能化的布局布綫以及預測性時序分析等。本書力求在理論深度和實踐指導之間取得平衡，通過大量的實例分析和案例研究，幫助讀者理解抽象的理論概念如何轉化為實際的設計成果。我們相信，《數字係統設計自動化》將成為廣大電子工程、計算機科學專業的學生以及從事IC設計工作的工程師們寶貴的參考書。

作者簡介

目錄資訊

目錄
第1章概論
1.1 電子係統設計自動化技術發展的迴顧
1.2 從EDA的角度來觀察VLSI
1.2.1 VLSI的分類
1.2.2 芯片布圖
1.2.3 可編程邏輯器件
1.3 數字係統自動設計的流程
1.4 EDA的主要領域
1.4.1 硬件描述語言
1.4.2 模擬驗證
1.4.3 綜閤技術
1.4.4 測試診斷
1.4.5 邏輯設計形式驗證
1.4.6 工程實現
1.5 EDA係統的構成
參考文獻
第2章硬件描述語言vHDL
2.1 硬件描述語言VHDI
2.2 VHDL的基礎知識
2.2.1 設計實體和結構體的概念
2.2.2 麵嚮模擬器的某些特性
2.2.3 結構和行為
2.2.4 數據類型與對象
2.2.5 各分立部分之間的聯結
2.2.6 VHDL的主要構件
2.2.7 設計庫
2.3 VHDL的數據類型
2.3.1 文字
2.3.2 標量類型
2.3.3 復閤類型
2.3.4 子類型
2.3.5 屬性
2.3.6 預定義算符
2.4 VHDL行為描述
2.4.1 進程語句
2.4.2 行為模型的順序性
2.4.3 行為模型的並行（並發）性
2.5 VHDL的結構描述
2.5.1 結構描述的基本特徵
2.5.2 規則結構
2.5.3 配置指定
2.5.4 默認值與無連接端口
2.6 VHDL對大規模設計的支持
2.6.1 設計庫的概念
2.6.2 VHDL中名字的可見性
2.6.3 使用library語句訪問其它庫
2.6.4 塊語句
2.6.5 設計中的數據共享
2.6.6 結構描述和行為描述的混閤使用
2.7 VHDL的一些高級特性
2.7.1 重載
2.7.2 用戶定義的屬性
2.7.3 與信號相關的屬性
2.7.4 被保護的信號賦值語句
2.7.5 斷開指定
2.7.6 空事項處理
2.8 設計實例
2.8.1 交通燈控製器
2.8.2 創建技術說明書
參考文獻
第3章 EDA係統的框架結構
3.1 概述
3.1.1 EDA係統框架結構的提齣
3.1.2 EDA係統框架結構的概念
3.1.3 EDA係統框架結構的構成模型
3.1.4 EDA係統框架結構的特點
3.2 數據模型與數據管理
3.2.1 工程數據庫及其管理係統
3.2.2 EDA係統中的數據模型
3.2.3 EDA係統中數據庫的層次組織
3.3 用戶界麵管理
3.3.1 用戶界麵管理係統概述
3.3.2 UIMS的兩種界麵
3.3.3 用戶界麵描述語言
3.3.4 小結
參考文獻
第4章模擬
4.1 模擬的目的和方法
4.1.1 設計自動化與模擬驗證
4.1.2 模擬級彆
4.1.3 模擬係統的基本組成
4.2 邏輯模擬模型
4.2.1 電路網錶
4.2.2 信號狀態值
4.2.3 延遲模型
4.2.4 元件模型
4.3 邏輯模擬算法
4.3.1 模擬過程
1.3.2 事件錶驅動模擬算法
4.3.3 三值模擬算法與競爭冒險檢測
4.4開關級模擬
4.4.1 開關級電路模型
4.4.2 計算節點信號狀態的強度比較算法
4.4.3 等效阻容網絡算法
4.4.4 信號延遲的計算
4.4.5 門、功能塊級和開關級的混閤模擬處理
4.5 高層次模擬
4.5.1 VHDL模擬係統的組成
4.5.2 VHDL內部模型的確立
4.5.3 VHDL模擬算法
4.6 交互式模擬與調試
4.6.1 高級圖形調試器及DEBUG功能
4.6.2 適應DEBUG功能的VHDL模型及算法
4.6.3 交互式波形顯示編輯工具
參考文獻
第5章邏輯綜閤
5.1 邏輯綜閤的內容和方法
5.2 布爾函數的立方體錶示法
5.3 立方體運算
5.3.1 基本概念
5.3.2 相交和包含判斷的具體實現
5.3.3 銳積運算
5.3.4 星積運算
5.4 多輸齣函數與單輸齣函數的陣列變換
5.4.1 單輸齣函數的錶示形式
5.4.2 陣列閤並
5.4.3 陣列分離
5.5 單輸齣函數質立方體的計算
5.5.1 銳積求質立方體
5.5.2 迭代星積求質立方體
5.5.3 廣義星積求質立方體
5.6 單輸齣函數的自動綜閤
5.6.1 選拔法求最小化覆蓋
5.6.2 收縮算法求無冗餘覆蓋
5.7 多輸齣函數的自動綜閤
5.7.1 收縮算法求無冗餘覆蓋
5.7.2 選拔法求最小化覆蓋
5.7.3 判彆質蘊涵項的E算法
5.8 組閤邏輯電路的變換
5.8.1 多級邏輯電路轉化為二級邏輯電路
5.8.2 二級邏輯電路轉化為多級邏輯電路
5.9 時序邏輯電路的自動綜閤
5.9.1 時序機的數學模型
5.9.2 完全規定時序機的狀態最小化
5.9.3 不完全規定時序機的狀態化簡
5.9.4 時序機的狀態分配
參考文獻
第6章高層次綜閤
6.1 高層次綜閤概述
6.1.1 高層次綜閤的概念
6.1.2 高層次綜閤的優點
6.2 高層次綜閤的內容
6.2.1 編譯與轉換
6.2.2 調度與分配
6.2.3 控製器綜閤
6.2.4 結果生成與反編譯
6.2.5 高層次綜閤中的設計空間搜索
6.3 調度技術
6.3.1 調度問題
6.3.2 調度算法的分類
6.3.3 ASAP調度算法與ALAP調度算法
6.3.4 列錶調度算法
6.3.5 調度中控製結構的處理
6.3.6 調度中的功能單元庫
6.4 分配技術
6.4.1 分配問題
6.4.2 分配算法
6.5 高層次綜閤中的優化技術
6.5.1 具有分枝控製結構時操作的移動
6.5.2 控製數據流圖的結構變換
6.6 小結
參考文獻
第7章故障診斷
7.1 故障診斷與測試集
7.1.1 測試與故障診斷
7.1.2 故障模型
7.1.3 測試嚮量與測試集
7.1.4 故障的閤並與測試集的壓縮
7.1.5 測試碼的生成問題
7.2 敏化路徑法求組閤電路的測試碼
7.2.1 單路徑敏化法
7.2.2 D算法
7.3 布爾差分法
7.4 多故障的測試碼生成
7.4.1 多故障模型的D算法
7.4.2 高階布爾差分法
7.5 時序電路的測試碼生成
7.5.1 同步時序電路的迭代展開
7.5.2 擴展D算法
7.5.3 異步時序電路的迭代展開
7.6 故障模擬
7.6.1 並行故障模擬
7.6.2 演繹故障模擬
7.6.3 同時故障模擬
7.7 可測性設計
7.7.1 可測性分析
7.7.2 設置觀察點和控製點
7.7.3 組閤電路的可測性電路結構
7.7.4 掃描方式電路設計
7.7.5 內建自測試設計
參考文獻
第8章形式驗證
8.1 形式驗證的目的和基本方法
8.1.1 形式驗證的基本概念
8.1.2 形式驗證的基本方法
8.2 基於符號處理的形式推理方法
8.2.1 電路的描述
8.2.2 公理係
8.2.3 基於FOL定理證明係統的驗證過程
8.3 基於時序邏輯的驗證
8.3.1 時序邏輯簡介
8.3.2 用時序邏輯描述電路的時序關係
8.3.3 利用狀態遷移錶的驗證方法
8.4 歸納斷言法在邏輯驗證中的應用
8.4.1 歸納斷言法簡介
8.4.2 一個寄存器傳輸語言及其公理定義
8.4.3 驗證實例
8.5 提取行為錶達式的驗證方法
8.5.1 驗證用描述語言ISPB簡介
8.5.2 事件、曆史序列和行為
8.5.3 行為錶達式
8.5.4 由ISPB程序求行為錶達式
8.5.5 用行為錶達式進行驗證
參考文獻
附錄A VHDL預定義環境
附錄B IEEE多值邏輯係統標準包
附錄C 英漢名詞對照錶
· · · · · · (收起)

讀後感

评分☆☆☆☆☆

老實說，我帶著一種既期待又懷疑的心情翻開瞭這本書的扉頁，因為“設計自動化”這個領域往往充斥著大量晦澀難懂的算法描述。然而，齣乎意料的是，作者在處理復雜優化問題時，展現齣一種化繁為簡的魔力。舉例來說，在談到版圖規劃（Floorplanning）和電源網絡設計（Power Delivery Network, PDN）的耦閤優化時，作者並沒有陷入純粹的圖論或拓撲結構證明的泥潭，而是巧妙地融入瞭實際芯片麵積、功耗預算和熱點分布等工程限製。這種“理論指導實踐，實踐反哺理論”的敘述方式，極大地提升瞭閱讀的代入感。全書的語言風格如同經驗豐富的老工程師在耳邊進行的深度技術交流，沒有高高在上的說教，隻有對設計瓶頸的深刻洞察和對新穎解決方案的熱情介紹。雖然某些章節的數學推導略顯密集，但其背後蘊含的工程智慧，足以讓每一個在實際項目中掙紮的設計師豁然開朗，明白“為什麼”這些工具會那樣工作，而不是僅僅停留在“如何使用”的層麵。

评分☆☆☆☆☆

這本書在處理設計收斂性（Design Closure）這一核心挑戰時，展現瞭極為深刻的行業洞察力。它不僅詳細描繪瞭靜態驗證和動態仿真的技術細節，更著重強調瞭跨部門、跨階段數據一緻性的重要性。我發現作者對形式驗證（Formal Verification）方法的介紹尤其到位，不同於市麵上許多隻停留在BDD（二元決策圖）錶麵的書籍，本書深入探討瞭SMT（可滿足性模理論）求解器在等價性檢查和安全屬性驗證中的實際應用瓶頸與應對策略。此外，書中對於“設計漂移”（Design Drift）現象的描述，即隨著迭代次數增加，實際硬件性能與預期目標之間的偏差，提供瞭多維度的診斷工具。這種對設計可靠性（Reliability）而非僅僅是功能正確性的關注，標誌著該書已邁入工業界前沿研究的行列。閱讀過程中，我強烈感受到一種對“零缺陷”目標的極緻追求，這對於任何試圖將産品推嚮大規模量産的團隊來說，都是無價的參考。

评分☆☆☆☆☆

如果用一個詞來形容這本書的結構，我會選擇“漸進式復雜性”。它非常體貼地從最基礎的布爾代數和門級抽象開始，逐步引入時序約束、時鍾域交叉（CDC）處理和低功耗設計技術。這種層層遞進的教學方法，使得非科班齣身但有誌於數字設計領域的讀者也能找到自己的切入點。然而，這種“友好”並不意味著淺嘗輒止。當章節推進到先進工藝節點（如FinFET或GAA晶體管下的設計考慮）時，作者瞬間將難度拉升至業界頂尖水平。例如，關於可製造性設計（DFM）和光刻黑科技的討論，其詳細程度幾乎可以作為工藝工程師的內部培訓資料。特彆是對設計規則檢查（DRC）和物理驗證（PV）中那些“非綫性”問題的探討，作者提供的啓發性見解遠超教科書範疇，更像是對一套復雜工具的“使用說明書的隱藏章節”。整體而言，它成功地架設瞭一座從入門到精通的堅固橋梁。

评分☆☆☆☆☆

我對這本書中關於新興設計範式的討論印象尤為深刻，特彆是那些關於超越馮·諾依曼架構的探索。作者並未將視野局限於傳統的ASIC或FPGA設計流程，而是勇敢地將筆觸伸嚮瞭類腦計算（Neuromorphic Computing）硬件加速器和特定領域架構（DSA）的設計方法論。書中對如何將高層次的算法需求，映射到可硬件化、低功耗的計算單元網絡中，所闡述的抽象化流程，極具前瞻性。這部分內容對我觸動很大，因為它揭示瞭“設計自動化”的終極目標——不僅僅是優化現有工具鏈，更是要為下一代計算範式提供高效的設計引擎。書中對異構係統集成（Heterogeneous Integration）中接口協議和時序簽收的挑戰分析，尖銳而準確，直擊當前芯片設計麵臨的集成度難題。這本書因此超越瞭一本純粹的技術手冊，更像是一份指導未來十年數字係統設計工程師職業發展的路綫圖，激發瞭人們對突破現有設計範式的思考。

评分☆☆☆☆☆

這部關於現代集成電路設計流程的巨著，其廣博的覆蓋麵和深入的剖析令人印象深刻。從最底層的晶體管物理特性模型到頂層的係統級功能驗證，作者似乎一絲不苟地梳理瞭整個數字芯片製造鏈條上的每一個關鍵環節。尤其值得稱道的是，書中對不同抽象層次下設計方法的演進進行瞭精妙的闡述。早期的邏輯綜閤技術，如何逐步演化為如今基於約束驅動和機器學習輔助的優化算法，這中間的理論基石和工程實踐的權衡取捨，都被作者以極其嚴謹的數學語言和清晰的流程圖展現齣來。我特彆欣賞作者在介紹標準單元庫（Standard Cell Library）優化策略時所采用的對比分析法，將靜態時序分析（STA）的理論深度與實際布局布綫階段的擁堵緩解技術完美地結閤起來，讓讀者能真切感受到從理論到矽片的鴻溝是如何被一代代工程師跨越的。對於希望係統性理解當代EDA（電子設計自動化）工具鏈背後邏輯的讀者來說，這本書無疑是一張詳盡的路綫圖，它不僅僅是知識的堆砌，更是一種設計哲學的傳遞。

評分☆☆☆☆☆