VerilogHDL高级数字设计

第1章 数字设计方法概论

1.1 设计方法简介

1.1.1 设计规格

1.1.2 设计划分

1.1.3 设计输入

1.1.4 仿真与功能验证

1.1.5 设计整合与验证

1.1.6 预综合完成

1.1.7 门级综合与工艺映射

1.1.8 后综合设计确认

1.1.9 后综合时序验证

1.1.10 测试生成与故障模拟

1.1.11 布局与布线

1.1.12 物理和电气设计规则检查

1.1.13 提取寄生参量

1.1.14 设计完成

1.2 IC工艺选择

1.3 后续内容概览

参考文献

第2章 组合逻辑设计回顾

2.1 组合逻辑与布尔代数

2.1.1 ASIC库单元

2.1.2 布尔代数

2.1.3 狄摩根定律

2.2 布尔代数化简定理

2.3 组合逻辑的表示

2.3.1 积之和表示法

2.3.2 和之积表示法

2.4 布尔表达式的化简

2.4.1 异或表达式的化简

2.4.2 卡诺图(积之和形式)

2.4.3 卡诺图(和之积形式)

2.4.4 卡诺图与任意项

2.4.5 扩展的卡诺图

2.5 毛刺与冒险

2.5.1 静态冒险的消除(积之和形式)

2.5.2 消除两级电路静态冒险的小结

2.5.3 多级电路中的静态冒险

2.5.4 消除多级电路静态冒险的小结

2.5.5 动态冒险

2.6 逻辑设计模块

2.6.1 与非或非结构

2.6.2 多路复用器

2.6.3 多路解复用器

2.6.4 编码器

2.6.5 优先编码器

2.6.6 译码器

2.6.7 优先译码器

参考文献

习题

第3章 时序逻辑设计基础

3.1 存储元件

3.1.1 锁存器

3.1.2 透明锁存器

3.2 触发器

3.2.1 D触发器

3.2.2 主从触发器

3.2.3 J-K触发器

3.2.4 T触发器

3.3 总线与三态器件

3.4 时序机设计

3.5 状态转移图

3.6 设计举例: BCD码到余3码的转换器

3.7 数据传输的串行线码转换器

3.7.1 设计举例: 用Mealy型FSM实现串行线性码转换

3.7.2 设计举例: 用Moore型FSM实现串行线码转换

3.8 状态化简与等价状态

参考文献

习题

第4章 Verilog逻辑设计介绍

4.1 组合逻辑的结构化模型

4.1.1 Verilog原语和设计封装

4.1.2 Verilog结构化模型

4.1.3 模块端口

4.1.4 语言规则

4.1.5 自顶向下的设计和模块嵌套

4.1.6 设计层次和源代码结构

4.1.7 Verilog矢量

4.1.8 结构化连接

4.2 逻辑系统设计验证及测试方法

4.2.1 Verilog中的四值逻辑和信号解析

4.2.2 测试方法

4.2.3 测试平台的信号发生器

4.2.4 事件驱动仿真

4.2.5 测试模板

4.2.6 定长数

4.3 传播延时

4.3.1 惯性延时

4.3.2 传输延时

4.4 组合与时序逻辑的Verilog真值表模型

参考文献

习题

第5章 用组合与时序逻辑的行为级模型进行逻辑设计

5.1 行为建模

5.2 行为级建模的数据类型的简要介绍

5.3 基于布尔方程的组合逻辑行为级模型

5.4 传播延时与连续赋值

5.5 Verilog中的锁存器和电平敏感电路

5.6 触发器和锁存器的周期性行为模型

5.7 周期性行为和边沿检测

5.8 行为建模方式的比较

5.8.1 连续赋值模型

5.8.2 数据流/寄存器传输级模型

5.8.3 基于算法的模型

5.8.4 端口名称: 风格问题

5.8.5 用行为级模型仿真

5.9 多路复用器、 编码器和译码器的行为模型

5.10 线性反馈移位寄存器的数据流模型

5.11 用循环算法的数字机模型

5.11.1 IP(知识产权)的复用和参数化模型

5.11.2 时钟发生器

5.12 多循环操作状态机

5.13 设计文件中的函数和任务: 是精明还是愚蠢?

5.13.1 任务

5.13.2 函数

5.14 行为建模的算法状态机图

5.15 ASMD图

5.16 计数器、 移位寄存器和寄存器组的行为级模型

5.16.1 计数器

5.16.2 移位寄存器

5.16.3 寄存器组和寄存器(存储器)阵列

5.17 用于异步信号的去抖动开关、 亚稳定性和同步装置

5.18 设计实例: 键盘扫描器和编码器

参考文献

习题

第6章 组合逻辑与时序逻辑的综合

6.1 综合简介

6.1.1 逻辑综合

6.1.2 RTL综合

6.1.3 高级综合

6.2 组合逻辑的综合

6.2.1 优先级结构的综合

6.2.2 利用逻辑无关紧要条件

6.2.3 ASIC单元与资源共享

6.3 带锁存器的时序逻辑综合

6.3.1 锁存器的无意综合

6.3.2 锁存器的有意综合

6.4 三态器件和总线接口的综合

6.5 带有触发器的时序逻辑综合

6.6 显式状态机的综合

6.6.1 BCD码/余3码转换器的综合

6.6.2 设计举例: Mealy型NRZ码/Manchester线性码转换器的综合

6.6.3 设计举例: Moore型NRZ码/Manchester线性码转换器的综合

6.6.4 设计举例: 序列检测器的综合

6.7 寄存器逻辑

6.8 状态编码

6.9 隐式状态机、 寄存器和计数器的综合

6.9.1 隐式状态机

6.9.2 计数器综合

6.9.3 寄存器综合

6.10 复位

6.11 门控时钟与时钟使能的综合

6.12 预测综合结果

6.12.1 数据类型综合

6.12.2 运算符分组

6.12.3 表达式替代

6.13 循环的综合

6.13.1 不带内嵌定时控制的静态循环

6.13.2 带内嵌定时控制的静态循环

6.13.3 不带内嵌定时控制的非静态循环

6.13.4 带内嵌定时控制的非静态循环

6.13.5 用状态机替代不可综合的循环

6.14 要避免的设计陷阱

6.15 分割与合并: 设计划分

参考文献

习题

第7章 数据通路控制器的设计与综合

7.1 时序状态机的划分

7.2 设计实例: 二进制计数器

7.3 RISC存储程序机的设计与综合

7.3.1 RISC SPM: 处理器

7.3.2 RISC SPM: ALU

7.3.3 RISC SPM: 控制器

7.3.4 RISC SPM: 指令集

7.3.5 RISC SPM: 控制器设计

7.3.6 RISC SPM: 程序执行

7.4 设计实例: UART

7.4.1 UART的操作

7.4.2 UART发送器

7.4.3 UART接收器

参考文献

习题

第8章 可编程逻辑及存储器件

8.1 可编程逻辑器件

8.2 存储器件

8.2.1 只读存储器

8.2.2 可编程ROM(PROM)

8.2.3 可擦除ROM

8.2.4 基于ROM的组合逻辑实现

8.2.5 用于ROM的Verilog系统任务

8.2.6 ROM的比较

8.2.7 基于ROM的状态机

8.2.8 闪存

8.2.9 静态随机存储器(SRAM)

8.2.10 铁电非易失性存储器

8.3 可编程逻辑阵列(PLA)

8.3.1 PLA最小化

8.3.2 PLA建模

8.4 可编程阵列逻辑(PAL)

8.5 PLD的可编程性

8.6 复杂可编程逻辑器件

8.7 现场可编程门阵列

8.7.1 FPGA在ASIC市场中的角色

8.7.2 FPGA技术

8.7.3 Xilinx公司Virtex系列FPGA

8.8 片上系统(SoC)的嵌入式可编程IP核

8.9 基于Verilog的FPGA设计流程

8.10 FPGA综合

参考文献

相关网站

习题及基于FPGA的设计训练

第9章 数字处理器的算法和架构

9.1 算法、 循环嵌套程序和数据流图

9.2 设计实例: 半色调像素图像转换器

9.2.1 半色调像素图像转换器的原型设计

9.2.2 基于NLP的半色调像素图像转换器结构

9.2.3 半色调像素图像转换器的最小并行处理器结构

9.2.4 半色调像素图像转换器: 设计权衡

9.2.5 带反馈数据流图的结构

9.3 数字滤波器和信号处理器

9.3.1 FIR滤波器

9.3.2 数字滤波器设计过程

9.3.3 IIR滤波器

9.4 构建信号处理器的基本运算单元模型

9.4.1 积分器(累加器)

9.4.2 微分器

9.4.3 抽样和插值滤波器

9.5 流水线结构

9.5.1 设计实例: 流水线型加法器

9.5.2 设计实例: 流水线型FIR滤波器

9.6 环形缓冲器

9.7 异步FIFO--跨越时钟域的同步问题

9.7.1 简化异步FIFO

9.7.2 异步FIFO的时钟同步

参考文献

习题

第10章 算术处理器架构

10.1 数的表示方法

10.1.1 负整数的原码表示

10.1.2 负整数的反码表示方法

10.1.3 正数和负数的补码表示方法

10.1.4 小数的表示

10.2 加减法功能单元

10.2.1 行波进位加法器

10.2.2 超前进位加法器

10.2.3 上溢出和下溢出

10.3 乘法运算功能单元

10.3.1 组合(并行)二进制乘法器

10.3.2 时序二进制乘法器

10.3.3 时序乘法器设计: 层次化分解

10.3.4 基于STG的控制器设计

10.3.5 基于STG的高效二进制时序乘法器

10.3.6 基于ASMD的时序二进制乘法器

10.3.7 基于ASMD的高效二进制时序乘法器

10.3.8 基于ASMD数据通路和控制器设计的总结

10.3.9 精简寄存器时序乘法器

10.3.10 隐式状态机二进制乘法器

10.3.11 Booth算法时序乘法器

10.3.12 比特对编码

10.4 有符号二进制数乘法

10.4.1 有符号数的乘积: 被乘数为负， 乘数为正

10.4.2 有符号数的乘积: 被乘数为正， 乘数为负

10.4.3 有符号数的乘积: 被乘数、 乘数均为负

10.5 小数乘法

10.5.1 有符号小数: 被乘数、 乘数均为正

10.5.2 有符号小数: 被乘数为负， 乘数为正

10.5.3 有符号小数: 被乘数为正， 乘数为负

10.5.4 有符号小数: 被乘数、 乘数均为负

10.6 除法功能单元

10.6.1 无符号二进制数的除法

10.6.2 无符号二进制数的高效除法

10.6.3 精简寄存器时序除法器

10.6.4 有符号二进制数(补码)的除法

10.6.5 带符号的计算

参考文献

习题

第11章 后综合设计任务

11.1 后综合设计验证

11.2 后综合时序验证

11.2.1 静态时序分析

11.2.2 时序规范

11.2.3 影响时序的因素

11.3 ASIC中时序违约的消除

11.4 虚假路径

11.5 用于时序验证的系统任务

11.5.1 时序检查: 建立时间条件

11.5.2 时序检查: 保持时间约束

11.5.3 时序检查: 建立时间和保持时间约束

11.5.4 时钟检查: 脉冲宽度约束

11.5.5 时序检查: 信号偏移约束

11.5.6 时序检查: 时钟周期

11.5.7 时序检查: 恢复时间

11.6 故障模拟及制造测试

11.6.1 电路缺陷和故障

11.6.2 故障检测与测试

11.6.3 D标记法

11.6.4 组合电路的自动测试模板生成

11.6.5 故障覆盖和缺陷级别

11.6.6 时序电路的测试生成

11.7 故障模拟

11.7.1 故障解析

11.7.2 串行故障模拟

11.7.3 并行故障模拟

11.7.4 并发性故障模拟

11.7.5 概率性故障模拟

11.8 JTAG端口和可测性设计

11.8.1 边界扫描和JTAG端口

11.8.2 JTGA操作模式

11.8.3 JTAG寄存器

11.8.4 JTAG指令

11.8.5 TAP结构

11.8.6 TAP控制器状态机

11.8.7 设计实例: JTAG测试

11.8.8 设计实例: 内建自测试

参考文献

习题

附录A Verilog原语

附录B Verilog关键词

附录C Verilog数据类型

附录D Verilog运算符

附录E Verilog语言形式化语法(I)

附录F Verilog语言形式化语法(II)

附录G Verilog语言的附加特性

附录H 触发器和锁存器类型

附录I Verilog 2001, 2005

附录J 编程语言接口

附录K 相关网站

中英文术语对照表

本书依据数字集成电路系统工程开发的要求与特点，利用Verilog HDL对数字系统进行建模、设计与验证，对ASIC/FPGA系统芯片工程设计开发的关键技术与流程进行了深入讲解，内容包括:集成电路芯片系统的建模、电路结构权衡、流水线技术、多核微处理器、功能验证、时序分析、测试平台、故障模拟、可测性设计、逻辑综合、后综合验证等集成电路系统的前后端工程设计与实现中的关键技术及设计案例。

书中以大量设计实例叙述了集成电路系统工程开发须遵循的原则、基本方法、实用技术、设计经验与技巧。