具体描述
本书共分6章。第1章主要介绍了数字系统设计的基础知识和可编程逻辑器件的发展；第2章分类进行了现场可编程逻辑器件结构和工作原理的介绍；第3章介绍了几种强化功能的新型现场可编程逻辑器件；第4章介绍了现场可编程逻辑器件的应用设计方法和流程；第5章介绍了现场可编程逻辑器件应用设计中的有关技巧；第6章介绍了现场可编程逻辑器件的应用设计实例。附录中给出了有关的习题和现场可编程逻辑器件的产品一览，并给出了深圳大学EDA技术中心研制的FPGA数字逻辑实验平台的简介。
本书可作为电子信息工程、通信工程、工业自动化、仪器仪表、计算机应用、航空航天等专业或方向的大学本科、研究生教材或教学参考书，也可作为数字系统设计工程师的技术培训教材或技术参考书。
数字系统设计与硬件描述语言应用实践 一、 书籍概述与定位 本书聚焦于现代数字系统设计领域的核心技术栈，旨在为读者提供从底层硬件描述到高级系统架构实现的全面指导。本书并非聚焦于特定器件类型的原理介绍，而是强调在通用集成电路和嵌入式系统设计流程中的关键技能——硬件描述语言（HDL）的精湛运用，以及如何将这些语言能力转化为高效、可靠的数字电路。 全书结构围绕“理论基础、语言实践、IP核设计与验证、SoC/FPGA系统集成”四大模块展开，目标读者群涵盖电子工程、计算机科学、自动化等相关专业的高年级本科生、研究生，以及希望深入理解现代数字芯片设计流程的工程师。 二、 核心内容深度解析 第一部分：数字电路设计基础回顾与硬件描述语言（HDL）入门 本部分快速回顾数字逻辑设计的基础概念，如组合逻辑、时序逻辑、有限状态机（FSM）设计范式，并引入当前业界主流的硬件描述语言——Verilog HDL。 语法与结构精讲： 详细讲解Verilog的模块实例化、端口连接、数据类型（`reg`与`wire`的区别与正确使用）、连续赋值（`assign`）与过程赋值（`always`块）的语义差异。特别强调在综合（Synthesis）过程中，不同语法结构对生成硬件资源（如查找表LUT、触发器FF）的影响。 行为建模与数据流建模： 区分高级行为描述（适用于快速验证和算法模拟）与底层数据流描述（更贴近实际硬件结构）。介绍`generate`结构在参数化设计中的应用，以实现代码复用和灵活的结构生成。 第二部分：高级数字模块设计与综合优化 本部分是本书的核心，侧重于如何使用HDL高效地实现复杂数字功能块，并使其满足性能指标（速度、功耗、面积）。 高性能算术单元设计： 深入探讨加法器（串行、并行、带进位预测的超前进位）、乘法器（Booth算法、阵列乘法器）的Verilog实现。重点分析流水线（Pipelining）技术在乘法器中的应用，以及如何通过展开结构来优化时序。 存储器接口与控制器： 详细讲解如何设计同步/异步SRAM和DRAM的读写控制器。内容包括地址映射逻辑、仲裁机制、时序控制逻辑的精确建模。 有限状态机（FSM）的高级应用： 不仅限于Mealy和Moore状态机的基本定义，更侧重于三段式FSM（Three-Segment FSM）的设计规范——明确分离状态寄存器、组合逻辑译码器和输出逻辑，以提高可读性和综合工具的优化效率。 第三部分：验证方法学与仿真环境构建 在现代ASIC和FPGA设计中，验证（Verification）占据了设计周期的绝大部分。本书投入大量篇幅介绍验证的系统化方法。 Testbench设计规范： 采用SystemVerilog中的面向对象编程（OOP）概念来构建健壮的激励生成器（Driver）和数据收集器（Monitor）。 功能覆盖率（Functional Coverage）： 介绍如何定义和度量验证计划的完成度，确保所有设计规格都被测试到。 断言（Assertions）： 讲解SVA（SystemVerilog Assertions）在实时系统检查中的威力，如何在硬件运行的同时检查时序和状态约束，而不是仅仅依赖事后波形分析。 第四部分：系统级集成与平台部署 将独立的IP核整合成一个完整的系统，是设计流程的最后一步，也是对设计者系统架构能力的大考。 片上总线架构： 详细剖析AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture），特别是AXI4（Full/Lite/Stream）协议的握手机制（Valid/Ready）。本书会展示如何使用HDL实现一个轻量级的AXI从设备（Slave）和主设备（Master）。 时钟域交叉（CDC）处理： 深入分析跨越不同时钟域的数据传输问题，包括亚稳态（Metastability）的原理。重点讲解握手协议和异步FIFO（First-In, First-Out）在CDC中的关键设计（如格雷码转换）。 时序约束与分析（SDC基础）： 虽然不涉及专业的EDA工具操作，但会从设计的角度解释Setup Time和Hold Time的物理意义，并指导读者如何编写合理的时序约束文件（如定义输入延迟、输出延迟、例外时钟路径），为后端布局布线提供清晰的指导。 三、 技术特色与读者收益 本书最大的特点是理论与工程实践的紧密结合。每一章节的理论讲解后，都附带有大量经过实际综合和仿真验证的代码示例。读者不仅学会了“如何描述”一个功能，更理解了“为什么”要这样描述才能实现最佳的硬件性能。本书强调设计意图的清晰传达给综合和布局布线工具，是培养具备独立完成复杂数字逻辑模块设计能力的工程师的理想教材。
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