超大规模集成电路与嵌入式系统

本书系统介绍了超大规模集成电路（VLSI）与嵌入式系统的设计与应用。全书共分为4个部分：第1部分主要介绍决策图（DD），DD广泛使用计算机辅助设计（CAD）软件进行综合电路和形式验证；第2部分主要涵盖多值电路的设计架构，多值电路能够改进当前的VLSI设计；第3部分涉及可编程逻辑器件（PLD），PLD可以被编程，用于在单个芯片中为VLSI和嵌入式系统整合复杂的逻辑函数。第4部分集中介绍用于嵌入式系统的数字电路设计架构，最后还结合大量实例介绍VLSI与嵌入式系统的应用。 本书适合从事超大规模集成电路与嵌入式系统设计及应用的从业者，也可供院校集成电路相关专业师生学习参考。

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缩略语 第1部分 决策图 001 第1章 共享多端二元决策图 003 1.1 引言 003 1.2 预备知识 004 1.3 SMTBDD(k ) 的一个优化算法 008 1.3.1 权重计算程序 009 1.3.2 SMTBDD(3) 的优化 011 1.4 小结 011 参考文献 012 第2章 多输出函数 014 2.1 引言 014 2.2 多输出函数的二元决策图 015 2.2.1 共享二元决策图和多端二元决策图 016 2.2.2 用于特征函数的二元决策图 016 2.2.3 各种二元决策图的比较 019 2.3 紧凑型BDD for CF 的构造 019 2.3.1 问题描述 020 2.3.2 输出变量的排序 020 2.3.3 基于交错采样方案的输入变量排序 021 2.3.4 输入变量和输出变量的交错 022 2.3.5 变量排序算法 024 2.4 小结 024 参考文献 024 第3章 多输出函数的共享多值决策图 026 3.1 引言 026 3.2 决策图 027 3.2.1 二元决策图 027 3.2.2 多值决策图 027 3.3 紧凑型SMDD 的构造 029 3.3.1 二进制输入变量的配对 029 3.3.2 输入变量的排序 032 3.4 小结 033 参考文献 033 第4章 多值决策图最小化的启发式算法 035 4.1 引言 035 4.2 基本性质 036 4.3 多值决策图 037 4.4 多值决策图的最小化 040 4.4.1 二值输入的配对 040 4.4.2 多值变量的排序 041 4.5 小结 043 参考文献 043 第5章 多输出函数的时分复用实现——基于共享多端多值决策图 045 5.1 引言 045 5.2 多输出函数的决策图 045 5.2.1 共享二元决策图 046 5.2.2 共享多值决策图 047 5.2.3 共享多端多值决策图 047 5.3 时分复用实现 049 5.3.1 基于SBDD 的TDM 实现 049 5.3.2 基于SMDD 的TDM 实现 050 5.3.3 基于SMTMDD 的TDM 实现 050 5.3.4 TDM 实现的比较 052 5.4 SMTMDD 的精简 052 5.5 决策图大小的上限 053 5.6 小结 053 参考文献 053 第6章 多输出开关函数——基于多值伪克罗内克决策图 055 6.1 引言 055 6.2 定义和基本性质 057 6.3 伪克罗内克决策图 057 6.3.1 二值伪克罗内克决策图 058 6.3.2 多值伪克罗内克决策图 058 6.4 四值伪克罗内克决策图的优化 058 6.4.1 二值输入变量的配对 058 6.4.2 四值变量的排序 060 6.4.3 展开的选择 061 6.5 小结 062 参考文献 063 第2部分 多值电路设计架构 064 第7章 多值触发器——基于传输管逻辑 066 7.1 引言 066 7.1.1 传输管逻辑实现多值触发器 066 7.1.2 传输管逻辑实现带二进制编译码的多值触发器 067 7.2 无二进制编译码的多值触发器 068 7.2.1 传输管和阈值门的特性 069 7.2.2 用阈值门实现多值逆变器 070 7.2.3 用多值传输管逻辑实现多值触发器 071 7.3 小结 073 参考文献 073 第8章 多值多输出逻辑电路——基于电压模式传输管 074 8.1 引言 074 8.2 基本定义和术语 075 8.3 方法 075 8.3.1 二进制逻辑函数到多值逻辑函数的转换 075 8.3.2 函数的配对 077 8.3.3 输出阶段 077 8.4 小结 080 参考文献 081 第9章 多值输入二值输出函数 082 9.1 引言 082 9.2 基本定义 083 9.3 二值变量转换为多值变量 084 9.4 小结 092 参考文献 093 第10章 数字模糊运算——基于多值Fredkin 门 094 10.1 引言 094 10.2 可逆逻辑 095 10.2.1 可逆门和经典数字逻辑 095 10.2.2 多值Fredkin 门 096 10.3 模糊集与模糊关系 097 10.4 电路 100 10.4.1 多值Fredkin 门模糊运算 100 10.4.2 用于组合模糊关系的脉动阵列结构 101 10.5 小结 102 参考文献 102 第11章 基于查找表的多值多输出逻辑表达式 104 11.1 引言 104 11.2 基本定义和性质 104 11.2.1 乘积项 105 11.2.2 最小乘积和 105 11.2.3 使用Kleenean 系数的多值逻辑乘积和表达式 105 11.3 方法 106 11.3.1 支撑集矩阵 106 11.3.2 配对支撑集矩阵 107 11.4 基于Kleenean 系数的多值多输出函数最小化算法 108 11.5 基于电流模式CMOS 实现多值多输出函数 110 11.6 小结 112 参考文献 112 第3部分 可编程逻辑器件 113 第12章 基于查找表的神经网络矩阵乘法 116 12.1 引言 116 12.2 基本定义 116 12.3 方法 117 12.4 小结 121 参考文献 121 第13章 基于传输管逻辑的易测试可编程逻辑阵列 123 13.1 引言 123 13.2 乘积线分组 123 13.3 设计 124 13.4 乘积线分组技术 126 13.5 小结 127 参考文献 128 第14章 译码PLA 输入分配的遗传算法 129 14.1 译码器简介 129 14.2 译码PLA 132 14.3 基本定义 134 14.4 遗传算法 134 14.4.1 遗传算法术语 135 14.4.2 简单遗传算法 136 14.4.3 稳态遗传算法 136 14.5 遗传算子 138 14.5.1 选择 138 14.5.2 交叉 139 14.5.3 突变 139 14.5.4 反演 140 14.6 译码PLA 的遗传算法 141 14.6.1 问题编码 141 14.6.2 适应度函数 141 14.6.3 改进的遗传算法 142 14.6.4 译码与- 异或PLA 实现 143 14.7 小结 143 参考文献 144 第15章 基于FPGA 的乘法器——采用LUT 合并定理 145 15.1 引言 145 15.2 LUT 合并定理 146 15.3 采用LUT 合并定理的乘法器电路 146 15.4 小结 153 参考文献 153 第16章 基于LUT 的BCD 加法器 154 16.1 引言 154 16.2 基于LUT 的BCD 加法器的设计 154 16.2.1 并行BCD 加法 155 16.2.2 用LUT 实现并行BCD 加法器电路 159 16.3 小结 161 参考文献 161 第17章 FPGA 布局布线算法 163 17.1 引言 163 17.2 布局和布线 164 17.3 模块划分算法 164 17.4 Kernighan-Lin 算法 164 17.4.1 K-L 算法原理 165 17.4.2 K-L 算法实现 165 17.4.3 K-L 算法步骤 166 17.5 小结 167 参考文献 167 第18章 基于LUT 的BCD 乘法器 169 18.1 引言 169 18.2 基本性质 171 18.3 算法 173 18.3.1 BCD 乘法思想 174 18.3.2 LUT 架构 175 18.4 基于LUT 的BCD 乘法器设计 179 18.5 小结 183 参考文献 183 第19章 基于鸽笼原理的LUT 矩阵乘法器电路 185 19.1 引言 185 19.2 基本定义 188 19.2.1 二进制乘法 188 19.2.2 矩阵乘法 189 19.2.3 BCD 编码 189 19.2.4 BCD 加法 190 19.2.5 二进制到BCD 转换 191 19.2.6 鸽笼原理 191 19.2.7 现场可编程门阵列 192 19.2.8 查找表 193 19.2.9 基于LUT 的加法器 194 19.2.10 BCD 加法器 195 19.2.11 比较器 197 19.2.12 移位寄存器 197 19.2.13 字面量成本 198 19.2.14 门输入成本 199 19.2.15 Xilinx Virtex-6 FPGA Slice 200 19.3 矩阵乘法器 200 19.3.1 一种高效的矩阵乘法 200 19.3.2 矩阵乘法算法 213 19.3.3 高性价比的矩阵乘法器电路 217 19.4 小结 225 参考文献 226 第20章 BCD 加法器——使用基于LUT 的FPGA 229 20.1 引言 229 20.2 基于LUT 的BCD 加法器 230 20.2.1 BCD 加法 230 20.2.2 LUT 架构 232 20.3 使用LUT 的BCD 加法器电路 236 20.4 小结 237 参考文献 237 第21章 通用复杂可编程逻辑器件（CPLD）电路板 239 21.1 引言 239 21.2 硬件设计与开发 240 21.2.1 DC-DC 转换器 240 21.2.2 JTAG 接口 241 21.2.3 LED 接口 241 21.2.4 时钟电路 241 21.2.5 CPLD 241 21.2.6 七段显示器 243 21.2.7 输入/ 输出连接器 243 21.3 CPLD 内部硬件设计 243 21.3.1 A5/1 算法 243 21.3.2 七段显示驱动器 244 21.3.3 8 位二进制计数器 244 21.4 应用 246 21.5 小结 246 参考文献 246 第22章 基于FPGA 的可编程逻辑控制器（PLC） 248 22.1 引言 248 22.2 PLC 中的FPGA 技术 249 22.3 PLC 系统设计流程 250 22.3.1 梯形图程序结构 250 22.3.2 PLC 的运行模式 251 22.3.3 梯形图扫描 251 22.3.4 梯形图执行 251 22.3.5 系统实现 252 22.4 设计约束 253 22.5 小结 254 参考文献 254 第4部分 数字电路设计架构 256 第23章 除法器电路设计——基于商和部分余数的并行计算 258 23.1 引言 258 23.2 基本定义 262 23.2.1 除法运算 262 23.2.2 移位寄存器 263 23.2.3 补码逻辑 266 23.2.4 比较器 266 23.2.5 加法器 267 23.2.6 减法器 268 23.2.7 查找表 270 23.2.8 计数器电路 270 23.2.9 可逆逻辑和容错逻辑 272 23.3 方法学 272 23.3.1 除法算法 272 23.3.2 基于ASIC 的电路 277 23.3.3 基于LUT 的电路 296 23.4 小结 307 参考文献 308 第24章 TANT 网络的布尔函数综合 310 24.1 引言 310 24.2 TANT 最小化 310 24.3 TANT 最小化的推荐方法 312 24.4 不同阶段使用的算法 314 24.5 小结 315 参考文献 316 第25章 基于神经网络的非对称高基有符号数加法器 317 25.1 基本定义 318 25.1.1 神经网络 318 25.1.2 非对称数系统 318 25.1.3 二进制到非对称数系统的转换 318 25.1.4 AHSD4 数字系统的加法 319 25.2 基于神经网络的加法器设计 320 25.3 基5 非对称高基有符号数加法 321 25.4 小结 321 参考文献 321 第26章 SoC 测试自动化集成框架——基于矩形装箱的包装器/TAM 协同优化与约束测试调度 322 26.1 引言 322 26.2 包装器设计 323 26.3 TAM 设计及测试调度 324 26.4 功率约束测试调度 326 26.4.1 数据结构 326 26.4.2 矩形结构 327 26.4.3 对角线长度计算 328 26.4.4 TAM 任务分配 329 26.5 小结 330 参考文献 330 第27章 基于忆阻器的SRAM 331 27.1 引言 331 27.2 忆阻器特性 332 27.3 忆阻器作为开关 334 27.4 忆阻器工作原理 334 27.5 忆阻SRAM 335 27.6 小结 336 参考文献 337 第28章 微处理器设计的容错方法 338 28.1 引言 338 28.1.1 设计故障 338 28.1.2 制造缺陷 339 28.1.3 运行故障 339 28.2 动态验证 340 28.2.1 系统架构 341 28.2.2 检查处理器架构 342 28.3 物理设计 344 28.4 附加故障覆盖率的设计改进 345 28.4.1 运行错误 345 28.4.2 制造错误 347 28.5 小结 348 参考文献 348 第29章 超大规模集成电路与嵌入式系统的应用 350 29.1 超大规模集成电路应用 350 29.1.1 工业厂房中的自主机器人 351 29.1.2 制造业中的机器 351 29.1.3 用于质量控制的智能视觉技术 353 29.1.4 确保安全的可穿戴设备 354 29.1.5 使用CPU 进行计算 354 29.1.6 片上系统 355 29.1.7 前沿AI 处理 356 29.1.8 5G 网络中的VLSI 356 29.1.9 模糊逻辑和决策图 357 29.2 嵌入式系统应用 358 29.2.1 用于路灯控制的嵌入式系统 358 29.2.2 用于工业温度控制的嵌入式系统 358 29.2.3 用于交通信号控制的嵌入式系统 358 29.2.4 用于车辆定位的嵌入式系统 359 29.2.5 用于战地侦察机器人的嵌入式系统 359 29.2.6 自动售货机 359 29.2.7 机械臂调节器 359 29.2.8 路由器和交换机 359 29.2.9 工业FPGA 360 29.2.10 工业PLC 361 29.3 小结 361 参考文献 362 结束语 364 作者简介 366