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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Vahid, Frank

出品人:

页数:200

译者:

出版时间:

价格:7.1

装帧:Pap

isbn号码:9780470100141

丛书系列:

图书标签:

• Verilog
• 数字设计
• 硬件描述语言
• FPGA
• EDA
• 电子工程
• 电路设计
• Verilog HDL
• 数字电路
• 设计工具

Verilog 数字设计入门与进阶 本书是一本全面深入的 Verilog 数字设计教程，旨在帮助读者从零基础掌握 Verilog 硬件描述语言，并逐步进阶到复杂的数字系统设计。书中详细讲解了 Verilog 的语法、语义、设计流程以及常用的设计模式，并结合大量实际工程案例，让读者在实践中巩固所学知识，提升设计能力。 内容概述： 第一部分：Verilog 基础 Verilog 简介与基本概念： 介绍硬件描述语言（HDL）的作用，Verilog 的发展历程，以及 Verilog 的基本设计单元（模块）、端口、数据类型（如 `reg`、`wire`、`integer` 等）和赋值语句。 Verilog 语法详解： 结构体： 详细讲解 `module`、`endmodule` 的声明与实例化，以及端口的定义与连接。 数据类型与常量： 深入分析各种数据类型，包括位向量 (`wire`, `reg`)、整数 (`integer`, `time`)、参数 (`parameter`) 等，以及常量表示方法（如二进制、十进制、十六进制）。 运算符： 涵盖算术运算符、逻辑运算符、关系运算符、相等运算符、按位运算符、移位运算符、条件运算符等，并解释其优先级和结合性。 过程语句： 重点讲解 `always` 块、`initial` 块、`assign` 语句，区分阻塞性赋值和非阻塞性赋值，以及它们在组合逻辑和时序逻辑设计中的应用。 控制流语句： 详细介绍 `if-else`、`case`、`for`、`while` 等控制流语句，以及如何用它们构建行为模型。 任务与函数： 讲解如何定义和使用任务 (`task`) 和函数 (`function`) 来提高代码的可重用性和可读性。 模块实例化与端口映射： 演示如何在一个模块中实例化其他模块，以及通过位置映射和名称映射进行端口连接，强调模块化设计的思想。 生成语句（Generate Statement）： 介绍 `generate-for`、`generate-if` 等结构，用于生成重复的逻辑或根据参数条件生成不同的逻辑，极大地提高了代码的灵活性和可扩展性。 第二部分：组合逻辑设计 组合逻辑的基本原理： 回顾组合逻辑电路的特点——输出仅取决于当前输入，不依赖于时序。 使用 Verilog 设计组合逻辑： 门级设计： 通过例化基本逻辑门（AND, OR, XOR, NOT 等）来构建组合逻辑。 数据流建模： 利用 `assign` 语句和运算符直接描述逻辑功能，适合清晰表达组合逻辑。 行为建模： 使用 `always` 块（例如 `always @()`）结合 `if-else` 或 `case` 语句来描述复杂组合逻辑，更贴近算法描述。 常见组合逻辑模块设计： 多路选择器（Multiplexer）： 设计不同位宽的选择器。 译码器（Decoder）与编码器（Encoder）： 实现各种功能的译码器和编码器。 加法器（Adder）： 设计半加器、全加器，以及进位向前加法器（Ripple Carry Adder）、超前进位加法器（Carry Lookahead Adder）等。 减法器（Subtractor）： 利用加法器实现减法功能。 比较器（Comparator）： 设计用于比较两个数值大小的电路。 奇偶校验电路（Parity Checker）： 实现奇校验和偶校验。 状态机（Finite State Machine - FSM）： 详细讲解 Mealy 型和 Moore 型状态机的设计方法，包括状态编码、状态转移逻辑、输出逻辑的 Verilog 实现。 第三部分：时序逻辑设计 时序逻辑的基本原理： 阐述时序逻辑电路的特点——输出不仅取决于当前输入，还取决于之前的状态，即引入了“记忆”功能。 触发器（Flip-Flops）与寄存器（Registers）： D 触发器： 讲解 D 触发器的基本结构和行为，以及如何使用 `always @(posedge clk)` 或 `always @(negedge clk)` 来建模。 带异步/同步复位（Reset）的 D 触发器： 实现带不同复位机制的触发器。 寄存器： 讲解如何将多个触发器组合成寄存器，用于存储一组数据。 使用 Verilog 设计时序逻辑： 行为建模： 使用 `always @(posedge clk)` 或 `always @(negedge clk)` 结合非阻塞赋值 (`<=`) 来描述时序逻辑，这是最常用和推荐的方式。 时钟（Clock）与复位（Reset）信号： 讲解时钟信号的产生和复位信号的作用，以及同步复位和异步复位的区别与应用。 常见时序逻辑模块设计： 移位寄存器（Shift Register）： 设计串行输入/串行输出、串行输入/并行输出、并行输入/串行输出、并行输入/并行输出等各种移位寄存器。 计数器（Counter）： 加法计数器/减法计数器： 实现递增或递减计数。 同步计数器/异步计数器： 解释不同时钟控制下的计数器。 可预置计数器： 设计能够设定初始值的计数器。 模 N 计数器： 实现任意模数的计数器。 约翰逊计数器（Johnson Counter）与格雷码计数器（Gray Code Counter）： 介绍特殊的计数序列。 延迟线（Delay Line）： 利用移位寄存器实现信号延迟。 FIFO（First-In, First-Out）缓冲区： 设计简单的 FIFO 存储器，讲解读写指针和状态标志的实现。 第四部分：中级设计技术 参数化设计（Parameterized Design）： 利用 `parameter` 关键字创建可配置的模块，使设计更加灵活和可重用，例如为总线宽度、状态机状态数等设定参数。 任务（Tasks）与函数（Functions）的进阶应用： 讲解如何使用任务和函数来简化代码，提高可读性，例如实现复用逻辑块或进行复杂的计算。 等待语句（Wait Statement）： 介绍 `wait` 语句在仿真中的作用，以及它与 `always` 块的配合。 输入输出缓冲（Input/Output Buffering）： 讲解如何添加输入输出缓冲来改善信号驱动能力。 层次化设计（Hierarchical Design）： 演示如何将复杂系统分解为多个子模块，并通过实例化将它们连接起来，体现模块化和抽象的思想。 中断（Interrupts）系统设计： 介绍如何设计简单的中断处理逻辑。 优先级编码器（Priority Encoder）与多输入多输出（MIMOSingle-Output）设备： 设计更复杂的逻辑单元。 第五部分：高级设计概念与实践 时钟域交叉（Clock Domain Crossing - CDC）问题与解决方案： 深入探讨不同时钟域之间数据传输可能出现的亚稳态（Metastability）问题，并介绍常用的同步电路，如双触发器同步器、握手信号等，用于安全地跨越时钟域。 异步复位（Asynchronous Reset）与同步复位（Synchronous Reset）的深入分析： 比较两种复位方式的优缺点，以及在不同场景下的适用性。 状态机设计的优化： 讨论状态编码（如独热码、二进制码、格雷码）对面积、速度和功耗的影响，以及状态机综合的注意事项。 总线协议（Bus Protocols）简介： 简单介绍常见的总线接口，如 Wishbone、AXI 的基本概念，为后续学习打下基础。 低功耗设计（Low Power Design）初步： 介绍一些基本的低功耗设计思路，如时钟门控（Clock Gating）等。 Verilog 代码的可综合性（Synthesizability）与仿真（Simulation）： 详细讲解哪些 Verilog 语句可以被综合工具理解并转换为硬件，哪些只能用于仿真，以及如何编写可综合的代码。 测试平台（Testbench）设计： 讲解如何编写 Verilog 测试平台来验证设计的正确性，包括激励生成、信号监控、结果断言等。 综合（Synthesis）与布局布线（Place and Route）流程简介： 简要介绍将 Verilog 代码转化为实际硬件的整个流程。 FPGA/ASIC 设计流程概述： 介绍数字集成电路设计的总体流程，以及 Verilog 在其中扮演的角色。 本书特色： 循序渐进的学习路径： 从最基础的语法概念开始，逐步引入组合逻辑、时序逻辑，直至高级设计技巧，确保读者能够稳步提升。 丰富的代码示例： 每个概念都配有清晰、简洁、可运行的 Verilog 代码示例，便于读者理解和实践。 贴近工程实践： 结合大量实际应用场景，讲解如何将 Verilog 应用于解决实际的数字设计问题。 强调设计思维： 不仅教授 Verilog 语法，更注重培养读者的数字逻辑设计思维和工程化能力。 注重细节： 深入剖析 Verilog 的关键概念，如阻塞与非阻塞赋值、时序逻辑建模等，避免常见的错误。 通过学习本书，读者将能够熟练掌握 Verilog 语言，并能够独立完成各种数字逻辑模块的设计，为后续更复杂的数字系统开发打下坚实的基础。

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这本书的叙述风格非常成熟稳重，完全没有那种浮躁的“速成”气息。它对设计原则的强调是贯穿始终的。作者似乎深谙“细节决定成败”的道理，对于模块化、层次化设计的论述尤为精到。书中反复强调了如何编写“可综合”（Synthesizable）的代码，并详细解释了哪些Verilog结构在综合工具下可能会产生意想不到的硬件结果。这种对“代码即硬件”的深刻理解，是很多新手在学习高级主题时容易忽略的盲点。比如，在讲解锁相环（PLL）接口寄存器设计时，作者花费了大量的篇幅来讨论如何保证时钟域隔离和数据同步的完整性，这种对“正确性”的执着，让这本书的价值远远超出了一个简单的语言参考手册，它更像是一位经验丰富的高级工程师在手把手地带你进入严肃的ASIC/FPGA设计领域。

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这本书的结构安排显示出作者对数字设计生命周期的深刻洞察。它不仅仅停留在 RTL 编码阶段，而是延伸到了更高层次的系统架构考量。我特别欣赏它在引入新的Verilog特性时，总是先从“为什么需要这个特性”的角度切入，而不是直接告诉你“这个关键字怎么用”。例如，在讲解系统Verilog的`interface`时，作者巧妙地将它置于“如何提高大型项目可维护性”的讨论框架下，而不是孤立地介绍语法。这种自上而下的教学方式，让我能更好地理解每一个设计选择背后的权衡。这本书的优点在于，它让你在掌握工具（Verilog）的同时，也掌握了目标（高性能、低功耗、高可靠性的数字系统设计），读完后，你对整个设计流程的信心会有一个质的飞跃。

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这本书的深度和广度都超出了我的预期。我原本以为它会集中火力讲解语言语法，但实际上，它更侧重于“设计思维”的培养。例如，书中对于亚稳态（Metastability）的处理，简直是教科书级别的阐述。作者没有仅仅停留于“这是个问题”的层面，而是深入分析了亚稳态产生的原因、在实际跨时钟域（CDC）设计中可能带来的风险，并给出了好几种业界主流的解决方案，每种方案都有清晰的优缺点对比，并配以非常直观的时序图示。这种深入到工程实践层面的探讨，极大地提升了我对数字系统鲁棒性的认识。读完这一章后，我再看以往自己写的代码，简直像是拿着放大镜审视自己的漏洞。很多在学校里学不到的“潜规则”，这本书都毫不保留地分享了出来，体现了作者丰富的实战经验，绝非纸上谈兵之作。

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我必须说，这个“Set + Online”的组合体验是无与伦比的。实体书的排版清晰，图表质量很高，拿在手里阅读非常舒适，适合长时间的深度研读。但真正让我感到惊喜的是配套的在线资源。在线部分提供的不仅仅是书本内容的简单PDF复印，而是提供了大量交互式的模拟工具和验证环境的模板。我可以直接下载作者提供的Testbench文件，然后在自己的仿真器上运行，对比结果。这种“动手-验证-修正”的闭环学习模式，比单纯阅读文字有效得多。特别是针对一些复杂的总线接口协议的例子，在线资源里还附带了简化的行为级模型（Behavioral Model），让我能先理解协议的逻辑，再去看Verilog的底层实现细节，极大地降低了调试的挫败感。这使得学习过程从被动的接受知识，转变成了主动的探索过程。

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这本书的作者显然是下了大功夫的，从头到尾的逻辑衔接非常顺畅，完全没有那种为了凑字数而硬塞进来的内容。特别是对于初学者来说，它不像某些教材那样堆砌晦涩的术语，而是用一种非常贴近实际设计流程的方式来引导你理解Verilog的精髓。我记得最清楚的是关于时序逻辑部分的处理，作者没有直接抛出一个复杂的例子，而是先从最基本的触发器状态转移开始讲解，逐步引入同步、异步复位，最后才过渡到更复杂的有限状态机（FSM）。这种循序渐进的方法，让我感觉自己不是在“学习”一门语言，而是在“构建”一个实际的数字电路。而且，书中的代码示例都非常精简且具有代表性，没有冗余的注释，真正做到了“大道至简”。对于我这种希望快速上手，并能将理论迅速转化为实践的人来说，这本书无疑是提供了一个极佳的蓝图。它让我深刻体会到，好的设计不仅仅是功能的实现，更是代码结构和可读性的体现。

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