集成电路系统设计

本书属于数字集成电路与系统设计的基础教材。全书从硬件描述语言Verilog HDL入手，重点阐述高性能数字集成电路的电路结构、性能优化、计算电路、控制逻辑、功耗分析以及人工智能芯片等系统结构设计等内容。全书共分10章，主要包含集成电路系统设计的介绍、Verilog语言基础、电路逻辑优化、运算单元结构、数字信号计算、状态机与数据路径、时序与同异步、低功耗设计、可重构设计以及数字集成电路系统设计实例。本书通过大量设计实例讨论高性能数字系统设计的思想和方法，针对当前本科生、研究生和设计人员的问题和需求，较全面地分析和讨论CMOS集成电路与集成系统相关的具体设计案例。本书可作为普通高等学校和科研院所的电子信息、集成电路、通信工程、电气工程、计算机等相关专业的本科生和研究生教材，还可作为数字集成电路与系统领域工程技术人员的参考书。

第1章 集成电路系统概述 1
1.1 集成电路的发展史 1
1.2 集成电路的设计方法 3
1.3 集成电路的实现方式 7
1.4 系统设计发展趋势 11
1.5 集成电路的应用前景 14
习 题 15
第2章 Verilog硬件描述语言 16
2.1 基本概念 16
2.2 Verilog HDL的基本结构 17
2.3 模块与声明 18
2.3.1 标识符 18
2.3.2 关键字 18
2.3.3 模块命名 19
2.3.4 信号命名 20
2.3.5 端口声明 21
2.3.6 变量声明 21
2.3.7 系统函数 21
2.3.8 代码编写规范 21
2.4 数据类型与运算符 22
2.4.1 数字声明 22
2.4.2 数值逻辑 23
2.4.3 常量数据类型 23
2.4.4 数据类型 24
2.4.5 运算符和表达式 26
2.5 行为建模 27
2.5.1 行为描述模块 27
2.5.2 条件语句 32
2.5.3 循环语句 33
2.5.4 任务与函数 35
2.5.5 混合设计模式 36
2.5.6 测试激励 37
2.6 Verilog—2001设计规则 41
2.7 Verilog基本模块 44
2.7.1 组合逻辑 44
2.7.2 时序逻辑 48
习 题 51
第3章 电路逻辑优化 52
3.1 电路面积优化 52
3.1.1 布尔逻辑优化 53
3.1.2 条件语句处理 55
3.1.3 资源共享 59
3.1.4 时序逻辑单元 64
3.2 高速电路设计 70
3.2.1 电路结构 70
3.2.2 关键路径 71
3.2.3 迟到信号处理 76
3.2.4 流水线 78
习 题 83
第4章 运算单元结构 86
4.1 数的表示 86
4.2 加法器 88
4.2.1 串行进位加法器 88
4.2.2 超前进位加法器 90
4.2.3 进位选择加法器 93
4.2.4 进位保留加法器 94
4.2.5 进位旁路加法器 96
4.3 乘法器 99
4.3.1 阵列乘法器 99
4.3.2 高速乘法器 103
4.4 有限域GF(2n)运算 113
4.4.1 定 义 113
4.4.2 有限域多项式 114
习 题 116
第5章 数字信号计算 118
5.1 基本概念 118
5.1.1 图形表示 118
5.1.2 关键路径 121
5.1.3 环路、迭代和采样边界 122
5.1.4 图、树和割集 123
5.2 流水线与并行处理 124
5.2.1 流水线 124
5.2.2 并行处理 126
5.3 重定时 128
5.3.1 重定时基础 129
5.3.2 割集重定时 131
5.4 乘累加计算 135
5.4.1 卷积计算 136
5.4.2 分布式计算 137
5.4.3 位串行乘法器 140
5.5 脉动阵列 143
5.5.1 基本概念 143
5.5.2 脉动阵列设计 144
5.5.3 二维脉动阵列 149
习 题 151
第6章 状态机与数据路径 153
6.1 有限状态机 153
6.1.1 基本概念 153
6.1.2 状态机分类 155
6.1.3 状态机描述方法 160
6.1.4 状态机的编码风格 167
6.1.5 状态机的优化 172
6.1.6 状态机容错和设计准则 174
6.2 数据路径 176
6.2.1 FSMD基础 176
6.2.2 寄存器传输级 178
6.2.3 算法状态机图(ASM) 179
6.2.4 FSMD设计方法 182
6.2.5 调 度 188
习 题 195
第7章 时序与同异步 197
7.1 时 序 197
7.1.1 基本概念 197
7.1.2 稳态与亚稳态 198
7.1.3 时钟信号 200
7.1.4 时钟分布 203
7.1.5 电路延迟 205
7.2 多时钟域 206
7.2.1 同步、异步简述 206
7.2.2 多时钟数据同步 207
7.2.3 同步/异步复位问题 211
7.3 异步电路 215
7.3.1 异步电路基础 215
7.3.2 异步逻辑C单元 216
7.3.3 握手协议 218
7.3.4 异步FIFO 223
习 题 229
第8章 低功耗设计 230
8.1 基本概念 231
8.1.1 动态开关功耗 232
8.1.2 短路功耗 233
8.1.3 静态功耗 234
8.2 低功耗设计方法 235
8.2.1 系统级低功耗法 236
8.2.2 算法级低功耗法 236
8.2.3 结构级低功耗法 237
8.2.4 电路级低功耗法 240
8.3 泄漏功耗 247
习 题 250
第9章 FPGA与可重构计算 251
9.1 可重构器件 251
9.1.1 可重构器件的现状 251
9.1.2 可重构器件的分类 253
9.2 可重构电路结构 253
9.2.1 FPGA电路结构 254
9.2.2 动态可重构系统 265
9.2.3 可重构AES系统 269
第10章 数字集成电路系统设计实例 274
10.1 人工智能芯片 274
10.1.1 卷积神经网络基础 274
10.1.2 网络参数量化 278
10.1.3 加速器模块设计 281
10.1.4 FPGA实现及系统设计 291
10.2 AES加解密系统 299
10.2.1 AES算法概述 299
10.2.2 AES算法结构 300
10.2.3 芯片内部电路系统架构 301
10.2.4 芯片设计 304
参考文献 310