Digital Computer Arithmetic Datapath Design Using Verilog Hdl pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Stine, James E.

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页数:196

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出版时间:

价格:149

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isbn号码:9781402077104

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图书标签:

• Verilog HDL
• 数字计算机算术
• 数据通路设计
• 硬件描述语言
• 数字电路
• 计算机体系结构
• FPGA
• VLSI
• 算术运算
• Verilog

电子设计与系统实现：从基础理论到前沿应用 本书旨在为电子工程、计算机科学与技术领域的学生和工程师提供一套全面、深入的理论基础与实践指导，重点关注现代电子系统设计中的核心概念、方法论以及前沿技术应用。全书结构严谨，内容涵盖了从基本的数字逻辑设计到复杂的系统级集成，辅以大量的工程实例和实践案例，确保读者能够将理论知识有效地转化为实际的工程能力。 第一部分：数字系统基础与硬件描述语言精要 本部分奠定了读者理解现代电子系统的基础。我们从最底层的电子元件特性入手，逐步过渡到布尔代数、逻辑门网络的设计与优化。重点讨论了组合逻辑与时序逻辑电路的构建原理，包括译码器、多路选择器、触发器和寄存器的设计。 随后，深入探讨了硬件描述语言（HDL）在系统设计中的关键作用。不同于传统的基于原理图的描述方式，HDL允许工程师以结构化、行为化的方式描述复杂的数字电路。本书详细介绍了业界主流的硬件描述语言的语法结构、语义特性以及最佳实践。读者将学习如何使用这些语言精确地建模寄存器传输级（RTL）设计，理解综合工具的工作原理，并掌握如何编写出既高效又易于维护的代码。特别强调了设计意图的清晰表达，这对于后续的仿真验证和逻辑综合至关重要。 第二部分：高性能计算架构与处理器设计 本部分是全书的理论核心之一，聚焦于现代计算机体系结构的原理与实现。我们将详细解析冯·诺依曼和哈佛架构的优缺点，并深入探讨指令集架构（ISA）的设计哲学。内容涵盖了指令编码、寻址模式以及程序控制流的实现。 重点章节将集中于高性能CPU的核心部件设计。这包括算术逻辑单元（ALU）的流水线化设计，如何通过多级流水线提高吞吐量，以及处理数据冒险、控制冒险的机制，如转发（Forwarding）和分支预测（Branch Prediction）。此外，还探讨了内存层次结构的设计，包括高速缓存（Cache）的工作原理、一致性协议（Coherence Protocols）的实现，以及虚拟内存管理单元（MMU）的软硬件接口。读者将学习如何从零开始构建一个功能完备的简易处理器模型，并评估其性能指标。 第三部分：系统级集成与可编程逻辑器件（PLD）实现 现代电子系统的复杂性要求设计必须在系统层面进行考量。本部分将重点介绍如何利用可编程逻辑器件（FPGA和CPLD）将RTL设计转化为实际可运行的硬件。 详细阐述了FPGA的内部架构，包括查找表（LUTs）、触发器、块RAM（BRAM）和数字信号处理单元（DSP Slices）的映射机制。读者将掌握如何有效地利用这些资源，进行设计优化，以满足时序收敛和资源利用率的要求。内容还包括如何使用高层次综合（HLS）工具，将C/C++等高级语言代码自动转换为寄存器传输级硬件描述，从而加速复杂的算法加速器和接口逻辑的开发。 此外，系统级设计还涉及到模块间的接口标准，如PCI Express、AXI总线协议等。本书将提供这些关键接口协议的详细解读和Verilog/VHDL实现示例，帮助读者构建多核或SoC（系统级芯片）的互联结构。 第四部分：设计验证与高级主题 任何可靠的数字系统都离不开严格的设计验证。本部分将系统地介绍验证方法学，从功能仿真到形式化验证。内容包括如何构建高效的测试平台（Testbench），使用高级验证语言（如SystemVerilog）进行功能覆盖率驱动的验证，以及利用断言（Assertions）来描述和检查设计规范。 高级主题部分则会拓展到更前沿的领域： 1. 低功耗设计（Low-Power Design）：探讨功耗的来源（动态功耗和静态功耗），并介绍诸如时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）以及多电压域设计等技术在FPGA和ASIC流程中的应用。 2. 并行计算与异构处理：分析如何设计专用的硬件加速器来处理如图像处理、机器学习推理等高强度计算任务，并探讨CPU与GPU/FPGA协同工作的编程模型。 3. 可测试性设计（DFT）：介绍扫描链（Scan Chain）的插入、边界扫描（Boundary Scan）技术，以及如何确保设计在制造后的可测试性，这是ASIC设计流程中的关键环节。 通过本书的学习，读者不仅能够掌握数字系统设计所需的底层硬件描述能力，更能理解高性能计算架构的内在逻辑，并具备将复杂算法高效地映射到可编程硬件上的系统级设计能力。全书的案例均紧密结合现代EDA工具链，确保实践指导的有效性。

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我最近在研究嵌入式系统中对浮点运算单元的优化，市场上现有的教材往往过于侧重于算法的数学推导，而对于如何将这些算法高效地映射到FPGA或ASIC结构上，特别是如何利用Verilog HDL来描述那些微妙的位操作和时钟域同步，讲解得比较含糊。这本书的出现，恰好填补了这一空白。它似乎把Verilog不仅仅看作一种硬件描述语言，而是一种精确刻画硬件结构和时序行为的工具。我非常好奇它在描述那些高级的乘法器结构，比如Wallace树或者Booth编码乘法器时，是如何运用HDL的并行结构来清晰地表达其数据流和延迟特性的。如果书中能提供大量经过实际验证的模块代码示例，那将是无价之宝。我们需要的不是对语言语法的罗列，而是如何用HDL的视角去“思考”硬件，这本书的标题强烈暗示了它正是朝着这个方向深入挖掘的。

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从一个资深硬件架构师的角度来看，一本优秀的硬件设计书籍，其价值往往体现在它如何处理“边界条件”和“异常路径”的设计。数字电路的设计绝非一帆风顺，尤其是在处理溢出、符号位处理以及流水线中的数据冒泡等问题时，往往是决定设计鲁棒性的关键。我希望这本书能在这些细节上展现出作者深厚的实战经验。例如，在设计一个多周期CPU的算术逻辑单元时，如何确保在不同指令周期的交接处，状态机的设计能够完美地衔接数据通路，防止寄存器之间的竞争冒险。此外，对于异步复位和同步复位的使用场景和HDL描述差异，如果能有深入的对比分析，将极大提升设计的规范性。如果这本书能提供这些“过来人”的经验总结，而不是简单的教科书式概念堆砌，那么它将远超一般参考手册的价值。

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这本书的厚度和内容密度给我一种庄重感，它不像那些面向初学者的“快速入门”指南，更像是一本为系统级设计者准备的工具箱。我尤其关注它在“Datapath Design”这个环节的处理方式。数据通路的设计是整个计算引擎的心脏，它决定了系统的吞吐量和延迟的上限。如果这本书能系统地讲解如何从抽象的功能需求，逐步细化到具体的寄存器、多路选择器和ALU组件的实例化与互联，那么它将是一本极佳的参考书。我非常期待看到作者如何平衡资源消耗（如逻辑单元的使用）与性能提升之间的权衡艺术，这在资源受限的FPGA项目中至关重要。那种在性能指标和硬件面积之间进行精妙权衡的决策过程，才是真正体现高级数字设计功力的所在。

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读完书名后，我立刻联想到自己过去在尝试实现一些复杂的数字信号处理（DSP）算法时所遇到的障碍，特别是当需要设计一个高精度、低延迟的FIR滤波器或FFT核心时，其核心计算单元的优化显得尤为关键。这本书如果能展示出如何用Verilog来高效实现这些数学运算密集型的算术模块，那将是巨大的福音。我希望看到的不是泛泛而谈，而是具体的、可复制的HDL实现模式。例如，在定点数运算中，如何精确控制量化噪声和溢出，并通过Verilog结构来清晰地表达这些定点表示法。这种将高阶数学模型转化为高效硬件实现的桥梁，正是本书标题所承诺的核心价值。如果它能提供一个清晰的“从算法到寄存器传输级（RTL）”的思维转换框架，那么对于任何从事底层硬件加速的研发人员来说，都是一本必不可少的案头书。

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这本书的封面设计和排版风格非常吸引人，尤其是那种带着浓厚工程技术气息的字体选择和结构布局，让人一看就知道这是一本深入且专业的资料。我特别欣赏作者在色彩搭配上的克制与精准，没有过多花哨的装饰，完全聚焦于内容本身的严肃性。初翻目录时，那些关于流水线设计、时序逻辑以及并行处理的章节标题，立刻勾起了我对底层硬件实现细节的好奇心。它似乎在暗示，这本书不仅仅停留在理论层面，而是会手把手地带领读者构建起一个可运行的数字系统模型。对于正在进行高性能计算硬件优化的工程师来说，这种直击核心的务实态度是极其宝贵的。我期待它能提供一套清晰的、可复用的设计范式，让复杂的算术逻辑单元（ALU）的实现不再是晦涩难懂的黑箱操作，而是可以通过清晰的模块化步骤来完成的工程任务。这种对工程实践的强调，是很多偏理论书籍所缺乏的。

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