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出版者:

作者:Arnold, Mark

出品人:

页数:592

译者:

出版时间:1998-6

价格:$ 107.35

装帧:

isbn号码:9780136392538

丛书系列:

图书标签:

• Verilog
• 数字计算机
• 数字系统设计
• 硬件描述语言
• 计算机体系结构
• FPGA
• 数字逻辑
• Verilog HDL
• 可编程逻辑器件
• 电子工程

数字系统设计与硬件描述语言综述 本书旨在深入探讨现代数字系统设计的原理、方法与实践，重点关注如何利用硬件描述语言（HDL）高效地实现复杂的数字电路。全书结构清晰，内容涵盖了从基础的逻辑门到先进的系统级设计技术，旨在为读者提供一个全面而实用的学习路径。 第一部分：数字逻辑基础与建模 本部分将从最基本的数字逻辑概念入手，为后续的高级设计打下坚实的基础。 第一章：数字系统概述与基本元件 本章首先界定了数字系统在现代计算和控制领域中的核心地位。我们将讨论模拟信号与数字信号的本质区别，以及数字化带来的优势。核心内容聚焦于布尔代数及其在数字电路中的应用，包括如何使用逻辑门（与、或、非、异或等）构建基本逻辑函数。随后，我们将介绍组合逻辑电路的设计方法，如卡诺图化简（Karnaugh Map）和Quine-McCluskey方法，强调最小化逻辑表达式对降低硬件成本和功耗的重要性。此外，本章还将简要介绍时序逻辑的基础，如锁存器（Latch）和触发器（Flip-Flop）的工作原理，作为后续学习同步电路的基础。 第二章：组合逻辑电路的进阶实现 本章深入探讨了构建复杂组合逻辑块所需的标准单元。我们将详细分析多路选择器（Multiplexer, MUX）和译码器（Decoder）的结构与应用场景，特别是它们在数据选择与地址解码中的关键作用。全加器、半加器等算术逻辑单元（ALU）的设计将被细致剖析，着重讨论如何处理进位传播对速度的影响，并引入先行进位加法器（Carry Lookahead Adder）的概念。此外，本章还将介绍比较器、编码器和优先编码器的设计规范，确保读者能够熟练运用这些构建模块来搭建功能强大的数据处理路径。 第三章：时序逻辑与状态机设计 时序电路是构成存储单元和控制逻辑的核心。本章详细阐述了同步时序系统的设计要素。我们首先深入研究D触发器、JK触发器和T触发器的特性及其在寄存器、移位寄存器中的应用。时序逻辑设计的核心——有限状态机（Finite State Machine, FSM）将被全面覆盖。我们将区分穆尔（Moore）模型和米利（Mealy）模型，并详细介绍状态图的绘制、状态编码（如独热编码、二进制编码）的选择标准，以及如何避免和消除竞争冒险（Race Conditions）。本章还将讨论时序系统的时序约束，包括建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）对系统稳定运行的制约。 第二部分：硬件描述语言与抽象建模 本部分转向现代数字设计的核心工具——硬件描述语言（HDL），重点介绍如何使用高级抽象层次来描述和验证电路行为。 第四章：硬件描述语言入门与结构化建模 本章将介绍硬件描述语言（此处指代业界主流的HDL，如VHDL或Verilog）的基本语法结构。我们将区分数据流建模、行为建模和结构化建模三种描述方式，并解释它们各自的适用场景。重点讲解如何使用模块（Module/Entity）、端口（Port）、信号（Signal/Wire）和变量（Variable）来构建可综合（Synthesizable）的代码。结构化建模部分将展示如何通过实例化（Instantiation）其他模块来搭建层次化设计，这是实现大规模集成电路设计的基础。 第五章：行为级描述与并发执行 行为级建模允许设计者关注电路的功能而非精确的硬件连接。本章将深入探讨如何使用过程块（Process/Always Block）来描述电路的动态行为。我们将详细区分组合逻辑的描述方式（如使用`assign`语句或基于电平敏感的`always`块）和时序逻辑的描述方式（如基于时钟沿敏感的`always`块）。此外，本章还将系统地介绍并发执行的语义，阐明不同描述块之间的执行顺序及其对仿真结果的影响，这是理解HDL仿真模型的关键。 第六章：HDL中的数据类型、运算符与抽象层次 本章侧重于HDL中丰富的数据类型系统及其运算符的使用。我们将讨论定宽向量（Vectors）、位选择（Bit-Slicing）和多路选择的有效方法。重点讲解如何利用HDL内置的算术、逻辑、关系和位移运算符来高效地描述数据转换和处理。本章还将引入更高级的抽象概念，例如如何使用函数（Function）和任务（Task/Procedure）来提高代码的可重用性，以及如何利用参数化（Generics/Parameters）来创建可配置的设计模板。 第三部分：中等规模系统组件设计 本部分将应用前述的基础知识和HDL技能，设计和实现中等复杂度的功能模块。 第七章：数据通路组件的设计与实现 本章专注于构建数据处理路径上的关键功能单元。我们将从头开始设计和实现高效的算术逻辑单元（ALU），包括各种算术运算、逻辑运算和移位操作的组合。随后，我们将详细讨论寄存器堆（Register File）的设计，包括多端口访问的实现挑战。存储器组件，如单端口和双端口静态随机存取存储器（SRAM）的行为模型，也将被介绍，重点在于如何准确描述存储单元的读写操作和延迟特性。 第八章：总线接口与通信协议基础 现代数字系统是互联的。本章介绍系统级通信的基础。我们将探讨同步总线（Synchronous Bus）和异步总线（Asynchronous Bus）的仲裁机制与握手协议。重点将放在一个简化的、可配置的总线协议（如简单的读/写周期时序）的HDL实现上，包括地址译码、数据传输和状态控制器的设计。理解这些接口对于后续连接处理器、存储器和其他外设至关重要。 第九章：流水线（Pipelining）基础与优化 为了提高系统吞吐量，流水线技术是必需的。本章将解释流水线的基本原理，即如何将一个串行操作分解为多个串行阶段。我们将通过一个简单的算术运算模块为例，演示如何插入寄存器级联（Pipeline Register）来实现流水线化。本章还将讨论流水线带来的主要挑战，包括数据相关性、控制相关性（分支预测的初步概念）以及如何通过流水线控制逻辑来确保数据流的正确性。 第四部分：系统级验证与综合 设计完成后的电路必须经过严格的验证和物理实现准备。 第十章：功能验证与测试平台（Testbench） 本章强调验证在数字设计流程中的同等重要性。我们将介绍构建一个独立的HDL测试平台（Testbench）的完整流程。测试平台的核心在于激励生成、信号监控和结果断言。内容将涵盖如何使用HDL中的结构化编程元素（如循环、条件语句）来生成复杂的输入序列，如何记录和比较输出结果，以及如何实现基本的覆盖率检查。我们将讨论基于时间点的仿真与事件驱动仿真的差异，确保读者能编写出健壮的验证环境。 第十一章：设计约束与综合流程 数字电路的最终目标是转化为实际的物理电路。本章讨论逻辑综合（Logic Synthesis）的概念。我们将区分设计代码的可综合性要求与测试平台代码的不可综合性。重点讲解如何编写符合目标工艺库约束的HDL代码，例如避免使用锁存器结构、确保信号驱动的唯一性。此外，本章还将介绍时序约束（Timing Constraints，如时钟定义）的重要性，以及如何通过约束文件指导综合工具优化设计，以满足速度、面积和功耗的要求。 第十二章：异步系统与时钟域交叉（CDC） 虽然同步设计是主流，但许多系统包含异步部分。本章将分析异步逻辑的固有风险，如毛刺（Glitch）和竞争条件。我们将深入探讨跨时钟域（Clock Domain Crossing, CDC）的必要性。核心内容包括同步器（Synchronizer）的设计，如双触发器同步器，以及如何利用先进的CDC结构（如握手协议或FIFO）来安全地传输数据，避免亚稳态（Metastability）对整个系统的破坏。 本书内容层层递进，理论与实践相结合，旨在培养读者从概念到门级实现的全程数字系统设计能力。

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这本书的叙事风格非常引人入胜，它没有采用那种冷冰冰的学术腔调，而是充满了对数字世界奥秘探索的热情。作者似乎是以一位经验丰富的前辈的口吻在和读者对话，语气中带着鼓励和指引。这种亲切感在讲解那些容易令人混淆的概念时尤为重要，比如流水线级数的设置与功耗、延迟之间的权衡。书中穿插了一些关于历史上经典芯片设计的“小故事”或者“设计哲学”，这些内容极大地丰富了阅读体验，让枯燥的逻辑设计过程变得有血有肉。我特别喜欢作者在介绍某一复杂模块时，会先从一个最简化的模型开始，逐步引入非理想因素的影响，最后才展示完整的解决方案。这种“剥洋葱”式的讲解方式，极大地降低了读者的认知负担，使得即便是面对高度复杂的系统级设计，也能保持清晰的思路，这对于培养独立解决问题的能力至关重要。

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这本书的阅读体验，说实话，是伴随着我无数次的“啊哈！”时刻。它绝非那种可以囫囵吞枣的书籍，每深入一章都需要静下心来仔细推敲。作者似乎深谙数字电路设计中那些“陷阱”在哪里，因此在关键的优化技巧和时序约束的讲解上，笔墨格外凝重。我特别欣赏它对状态机设计的深入探讨，不仅限于Mealy和Moore模型的基本实现，更进一步涉及到了如何避免毛刺、如何处理亚稳态等业界真正关注的问题。书中提供的代码示例质量极高，简洁、高效，并且严格遵循了业界最佳实践，这对我重构自己过去那些冗余的代码结构起到了至关重要的作用。读完这本书，我感觉自己不再是停留在“会写代码”的层面，而是真正开始理解“如何设计出高性能、高可靠性的数字系统”。这种从“工具使用者”到“设计架构师”的心态转变，是这本书带给我最大的价值，也是我向所有志在硬件领域深耕的同行们推荐它的核心原因。

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从装帧和印刷质量来看，这本书也体现了出版方对内容的尊重。纸张的选择坚韧耐用，即便是频繁翻阅也不会轻易磨损，油墨的清晰度保证了即便是最小的电路符号和最细微的波形细节也能一览无余。这种对物理载体的重视，也侧面反映了内容本身的重量和价值。更重要的是，它在工具链的兼容性方面做得非常出色，书中所用的设计规范和代码风格，几乎完美适配了当前主流EDA工具的最新版本，这意味着读者不需要花费大量时间去适应书本与实际工作环境之间的“翻译”鸿沟。对于任何一个严肃对待数字IC或FPGA设计职业生涯的人来说，这本书不应该仅仅被视为一本参考书，而应该被视为一套完整的设计方法论的基石。它提供的不只是知识点，更是一种看待和构建数字世界的系统性思维框架，这种思维的塑造价值是无法用金钱衡量的。

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我不得不提一下这本书在理论深度和工程实用性之间的平衡把握，简直是教科书级别的典范。许多号称“高级”的教材，要么堆砌过多的数学推导，让人望而却步；要么就是只有简单的代码示例，缺乏对底层原理的深挖。然而，这本书巧妙地避开了这些窠臼。例如，在讲解FPGA资源利用率优化时，它并没有停留在“少用寄存器”这种空泛的建议上，而是深入分析了查找表（LUT）的结构、时钟域交叉（CDC）的硬件实现机制，并结合具体的例子展示了如何通过精妙的编码结构来适应底层硬件的物理限制。这种深度，使得即便是那些已经工作多年的工程师也能从中找到新的启发点。它不是那种读完一遍就可以束之高阁的书，更像是一本可以放在手边，随时查阅、时常翻阅的“设计字典”。每次遇到新的设计挑战，我总能在这本书里找到对应模块的专业论述和成熟的解决方案范例。

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这本书的封面设计简直是教科书级别的范本，那种深邃的蓝色调，配上精炼的白色字体，立刻给人一种严谨、专业的学术气息。当我第一次翻开它的时候，首先映入眼帘的是那清晰的排版和合理的章节划分。作者在内容组织上展现了极高的功力，从最基础的数字逻辑门开始，层层递进，毫不拖沓地引导读者进入更复杂的电路设计领域。特别是对于同步与异步电路的讲解，那种细致入微的剖析，让我这个初学者也感到豁然开朗。书中大量的图示和仿真波形截图，极大地辅助了理论的理解，使得那些原本抽象的逻辑概念变得可视化和可触摸。我尤其欣赏它在设计流程描述上的详尽，从RTL编码到综合、布局布线，每一步骤的注意事项都考虑得非常周全，对于想要系统学习硬件描述语言和数字系统实现的工程师来说，这本书无疑是一份不可多得的实战指南。它不像市面上很多教材那样空泛地罗列概念，而是紧密结合实际应用案例，让读者能够在解决实际问题的过程中巩固知识。

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