根据中国半导体行业协会统计,集成电路设计业销售收入2011年为473.74亿元人民币,2019年增长到3 063.5亿元人民币,2020年增至3 778.4亿元人民币,同比增长了23.3%。集成电路的高速发展足以证明其已经成为高科技发展的基石。2000年,国务院出台《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》(国发〔2000〕18号),极大地鼓励和推动了我国集成电路产业的发展。2020年,国务院发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》(国发〔2020〕8号),再次确认了集成电路的战略发展地位。
近年来,随着国家对电子信息产业的大力扶持和推进,以及读者对集成电路设计图书需求的激增,国内有关数字集成电路设计的书籍也是越来越多,可以归纳为以下三类:① 国外教材翻译类,主要翻译国外经典的集成电路教材。② 语言介绍类,以讲述硬件描述语言为主,包括Verilog HDL和VHDL。③ 工具实现类,以介绍FPGA 的应用实现方法为主,是对FPGA 产品的介绍和推广。这些图书既包括国外引进的版本,也包括国内编写的版本。数字集成电路设计不仅依赖硬件描述语言,更重要的是,设计人员需要掌握逻辑电路、数字信号系统和体系架构的专业知识。设计过程中不仅要考虑数字系统的逻辑功能,还要考虑其物理性能。数字系统的逻辑功能融合了逻辑综合、数字计算、数据路径和逻辑控制等,而物理性能则包含面积、功耗、速度、时延和吞吐率等多方面。目前,国内数字系统集成电路设计与性能优化的图书相对较少,这或将使高性能数字系统集成化设计水平的提升受到制约。
本教材以数字逻辑为基础,以数字计算和数字信号体系架构为重点,深入讨论数字系统的设计原理;同时,从集成化的角度,重点讲述逻辑综合、时序、速度、面积和功耗等物理性能的设计优化,通过对各物理性能的折中分析,实现高性能数字系统的设计方案。本书的具体内容如下:
第1章,概述了在电子信息社会背景下,高级复杂数字系统设计所面临的集成化挑战、设计流程、发展趋势和未来的应用前景等。
第2章,介绍了Verilog硬件描述语言,其中包括基本结构、模块与声明、数据类型与运算符、行为建模和Verilog2001设计规则等内容。
第3章,讨论了电路逻辑综合优化,其中包括电路面积优化、速度优化、模块间接口设计、复位信号与结构的优化等;介绍了在实现相同逻辑功能的前提下,不同代码描述对应的不同物理结构,从而对面积、速度、功耗带来不同的结果。
第4章,描述了数字系统设计常用的运算单元结构,其中包括逻辑电路中数的表示方法,以及加法器、乘法器等数值计算的基本内容。
第5章,讨论了数字信号计算、数字信号处理的基础,主要包括基本概念、流水线与并行处理、重定时、乘累加计算和脉动阵列等内容。
第6章,介绍了冯·诺依曼体系架构的重点问题状态机与数据路径,其中包括状态机的概念、分类、描述方法、编码风格、可综合化、性能优化等方面的内容, 以及数据路径中的FSMD、寄存器级数据路径的设计方法、调度与分配等集成化设计实例。
第7章,介绍了数字电路中的重要概念时序、同步和异步。随着数字系统计算速度的提升,对电路时序的要求日趋严峻,为此介绍了时序参数定义、时钟抖动与偏差、时钟分布、延迟时间等问题,进而讨论了同步与异步逻辑电路的概念和设计方法。
第8章,介绍了集成电路设计中的重点问题低功耗,包括功耗的种类、定义等概念;讨论了低功耗设计的方法,如系统级、算法级、结构级和电路级等。
第9章,介绍了可重构电路FPGA 和可重构计算,其中包括可重构器件的现状和分类、FPGA 电路结构、可重构系统等。
第10章,作为实例,介绍了当前深度学习人工智能芯片和AES加解密芯片的设计方法,通过神经网络和加解密算法讲解了复杂数字系统算法、架构、电路的设计方法。
限于篇幅,有关FPGA 设计实现方法和ASIC设计实现方法的内容,本书作为增值服务材料给出,有需要的读者请到增值服务材料包中获取。
本书由李洪革构思并主笔撰写完成,全书凝结了作者数十年集成数字系统设计的工作经验,并吸收、总结了多位学者的研究成果。参与本书编写的人员有郭晓宇、陈宇昊、李玉亮、祝亚楠、高云飞、张子裕、薛翔宇、李岩等多名研究生。在本书的编写过程中,得到了多方面的支持与帮助。特别感谢清华大学王志华老师、北京航空航天大学夏宇闻老师、清华大学刘雷波教授、中国科学院大学杨海钢教授、电子科技大学周军教授的审阅和支持。我校国家集成电路人才培养基地北京航空航天大学电子信息工程学院的领导和师生,一直对本书给予大力的支持和帮助。本书还获得了北京航空航天大学教材出版基金的支持。北京航空航天大学出版社对本书的出版提供了直接帮助。在此谨向所有为本书的编写、出版给予鼓励和帮助的社会各界人士表示衷心的感谢!
尽管作者对书稿进行了多次修改和推敲,但由于集成系统设计的先进性和快速发展的特点,且作者学识所限,书中不当之处在所难免,恳请使用本书的师生和社会各界人士给予批评、指正。作者的邮箱:honggeli@buaa.edu.cn。
编 者
2021年8月
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