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根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),集成電路設(shè)計(jì)業(yè)銷售收入2011年為473.74億元人民幣,2019年增長(zhǎng)到3 063.5億元人民幣,2020年增至3 778.4億元人民幣,同比增長(zhǎng)了23.3%。集成電路的高速發(fā)展足以證明其已經(jīng)成為高科技發(fā)展的基石。2000年,國(guó)務(wù)院出臺(tái)《鼓勵(lì)軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》(國(guó)發(fā)〔2000〕18號(hào)),極大地鼓勵(lì)和推動(dòng)了我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2020年,國(guó)務(wù)院發(fā)布《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》(國(guó)發(fā)〔2020〕8號(hào)),再次確認(rèn)了集成電路的戰(zhàn)略發(fā)展地位。

近年來(lái),隨著國(guó)家對(duì)電子信息產(chǎn)業(yè)的大力扶持和推進(jìn),以及讀者對(duì)集成電路設(shè)計(jì)圖書需求的激增,國(guó)內(nèi)有關(guān)數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的書籍也是越來(lái)越多,可以歸納為以下三類:① 國(guó)外教材翻譯類,主要翻譯國(guó)外經(jīng)典的集成電路教材。② 語(yǔ)言介紹類,以講述硬件描述語(yǔ)言為主,包括Verilog HDL和VHDL。③ 工具實(shí)現(xiàn)類,以介紹FPGA 的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方法為主,是對(duì)FPGA 產(chǎn)品的介紹和推廣。這些圖書既包括國(guó)外引進(jìn)的版本,也包括國(guó)內(nèi)編寫的版本。數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)不僅依賴硬件描述語(yǔ)言,更重要的是,設(shè)計(jì)人員需要掌握邏輯電路、數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)和體系架構(gòu)的專業(yè)知識(shí)。設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能,還要考慮其物理性能。數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能融合了邏輯綜合、數(shù)字計(jì)算、數(shù)據(jù)路徑和邏輯控制等,而物理性能則包含面積、功耗、速度、時(shí)延和吞吐率等多方面。目前,國(guó)內(nèi)數(shù)字系統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化的圖書相對(duì)較少,這或?qū)⑹垢咝阅軘?shù)字系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)水平的提升受到制約。

本教材以數(shù)字邏輯為基礎(chǔ),以數(shù)字計(jì)算和數(shù)字信號(hào)體系架構(gòu)為重點(diǎn),深入討論數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理;同時(shí),從集成化的角度,重點(diǎn)講述邏輯綜合、時(shí)序、速度、面積和功耗等物理性能的設(shè)計(jì)優(yōu)化,通過(guò)對(duì)各物理性能的折中分析,實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本書的具體內(nèi)容如下:

第1章,概述了在電子信息社會(huì)背景下,高級(jí)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的集成化挑戰(zhàn)、設(shè)計(jì)流程、發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)的應(yīng)用前景等。

第2章,介紹了Verilog硬件描述語(yǔ)言,其中包括基本結(jié)構(gòu)、模塊與聲明、數(shù)據(jù)類型與運(yùn)算符、行為建模和Verilog2001設(shè)計(jì)規(guī)則等內(nèi)容。

第3章,討論了電路邏輯綜合優(yōu)化,其中包括電路面積優(yōu)化、速度優(yōu)化、模塊間接口設(shè)計(jì)、復(fù)位信號(hào)與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等;介紹了在實(shí)現(xiàn)相同邏輯功能的前提下,不同代碼描述對(duì)應(yīng)的不同物理結(jié)構(gòu),從而對(duì)面積、速度、功耗帶來(lái)不同的結(jié)果。

第4章,描述了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)常用的運(yùn)算單元結(jié)構(gòu),其中包括邏輯電路中數(shù)的表示方法,以及加法器、乘法器等數(shù)值計(jì)算的基本內(nèi)容。

第5章,討論了數(shù)字信號(hào)計(jì)算、數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ),主要包括基本概念、流水線與并行處理、重定時(shí)、乘累加計(jì)算和脈動(dòng)陣列等內(nèi)容。

第6章,介紹了馮·諾依曼體系架構(gòu)的重點(diǎn)問(wèn)題狀態(tài)機(jī)與數(shù)據(jù)路徑,其中包括狀態(tài)機(jī)的概念、分類、描述方法、編碼風(fēng)格、可綜合化、性能優(yōu)化等方面的內(nèi)容, 以及數(shù)據(jù)路徑中的FSMD、寄存器級(jí)數(shù)據(jù)路徑的設(shè)計(jì)方法、調(diào)度與分配等集成化設(shè)計(jì)實(shí)例。

第7章,介紹了數(shù)字電路中的重要概念時(shí)序、同步和異步。隨著數(shù)字系統(tǒng)計(jì)算速度的提升,對(duì)電路時(shí)序的要求日趨嚴(yán)峻,為此介紹了時(shí)序參數(shù)定義、時(shí)鐘抖動(dòng)與偏差、時(shí)鐘分布、延遲時(shí)間等問(wèn)題,進(jìn)而討論了同步與異步邏輯電路的概念和設(shè)計(jì)方法。

第8章,介紹了集成電路設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問(wèn)題低功耗,包括功耗的種類、定義等概念;討論了低功耗設(shè)計(jì)的方法,如系統(tǒng)級(jí)、算法級(jí)、結(jié)構(gòu)級(jí)和電路級(jí)等。

第9章,介紹了可重構(gòu)電路FPGA 和可重構(gòu)計(jì)算,其中包括可重構(gòu)器件的現(xiàn)狀和分類、FPGA 電路結(jié)構(gòu)、可重構(gòu)系統(tǒng)等。

第10章,作為實(shí)例,介紹了當(dāng)前深度學(xué)習(xí)人工智能芯片和AES加解密芯片的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和加解密算法講解了復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)算法、架構(gòu)、電路的設(shè)計(jì)方法。

限于篇幅,有關(guān)FPGA 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法和ASIC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法的內(nèi)容,本書作為增值服務(wù)材料給出,有需要的讀者請(qǐng)到增值服務(wù)材料包中獲取。

本書由李洪革構(gòu)思并主筆撰寫完成,全書凝結(jié)了作者數(shù)十年集成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作經(jīng)驗(yàn),并吸收、總結(jié)了多位學(xué)者的研究成果。參與本書編寫的人員有郭曉宇、陳宇昊、李玉亮、祝亞楠、高云飛、張子裕、薛翔宇、李巖等多名研究生。在本書的編寫過(guò)程中,得到了多方面的支持與幫助。特別感謝清華大學(xué)王志華老師、北京航空航天大學(xué)夏宇聞老師、清華大學(xué)劉雷波教授、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)楊海鋼教授、電子科技大學(xué)周軍教授的審閱和支持。我校國(guó)家集成電路人才培養(yǎng)基地北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和師生,一直對(duì)本書給予大力的支持和幫助。本書還獲得了北京航空航天大學(xué)教材出版基金的支持。北京航空航天大學(xué)出版社對(duì)本書的出版提供了直接幫助。在此謹(jǐn)向所有為本書的編寫、出版給予鼓勵(lì)和幫助的社會(huì)各界人士表示衷心的感謝!

盡管作者對(duì)書稿進(jìn)行了多次修改和推敲,但由于集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性和快速發(fā)展的特點(diǎn),且作者學(xué)識(shí)所限,書中不當(dāng)之處在所難免,懇請(qǐng)使用本書的師生和社會(huì)各界人士給予批評(píng)、指正。作者的郵箱:honggeli@buaa.edu.cn。

編 者

2021年8月