Verilog 晶片設計(第四版)(附範例光碟) pdf epub mobi txt 电子书下载 2025

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林灶生

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Verilog
晶片設計
第四版
数字电路
硬件描述语言
FPGA
ASIC
可编程逻辑
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设计实例
范例光碟

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具体描述

　　本書將IC設計實務經驗深入於範例探討，且每一範例均經過模擬驗證。除了基本的設計技巧外，亦說明多模組整合設計之技術。希望藉由此書帶領讀者進入以Verilog為主的各種相關設計領域中，熟悉Verilog語言全貌，更希望藉由它，幫助讀者完成各種晶片之設計。內容包含有：數位邏輯設計與Verilog發展沿革、Verilog設計風格與觀念、Verilog設計結構、閘層(Gate Level)描述、資料流描述設計、行為描述、函數及任務、自定邏輯電路與狀態機、Verilog程式設計技巧、電路的延遲時序設定、專題實務設計範例等，適合科大資工、電子、電機系教授「數位邏輯設計」、「數位邏輯設計實習」之課程或相關業界人士及有興趣之讀者使用。

晶片設計實務指引：從概念到實現的綜合探討書籍簡介本書旨在為讀者提供一套全面且深入的晶片設計實務方法論，涵蓋數位IC設計的整個生命週期。我們不著重於特定硬體描述語言（如Verilog或VHDL）的語法細節，而是聚焦於設計思想、架構選擇、驗證策略以及實體實現的關鍵決策點。本書的目標讀者是具備基礎數位邏輯知識的工程師、研究生，以及希望從學術理論轉向實際產業應用的技術人員。第一部分：系統級思考與架構決策在進入具體的電路級設計之前，穩健的系統架構是成功的基石。本部分詳盡闡述瞭如何將高層次的規格轉化為可行的硬體結構。 1. 需求分析與規格定義的藝術：我們將深入探討如何精確地從模糊的產品需求中提取出可量化的性能指標（如吞吐量、延遲、功耗預算）。重點分析規格不確定性對設計迭代的影響，並介紹如何建立清晰的介面定義文檔（Interface Definition Document, IDD），作為後續所有設計活動的黃金標準。討論應對性能需求衝突（如速度與面積的權衡）的系統級優化技術。 2. 架構層級的選擇與比較：本章詳細比較了不同類型的處理單元和資料路徑架構。內容包括：流水線（Pipelining）的深度選擇：分析流水線級數對時脈頻率、時序裕度和資源利用率的影響，並討論如何優化級間暫存器的佈局。並行化策略：深入探討指令級並行（ILP）、資料級並行（DLP，如SIMD/Vector處理器）和任務級並行（TLP）的適用場景。針對每個策略，提供設計範例，闡明資料依賴性如何限制並行化的極限。記憶體層級結構（Memory Hierarchy）：探討快取（Cache）的設計參數（集合、行大小、替換策略）對整體系統性能的影響。不涉及特定記憶體單元的內部結構，而是側重於如何透過軟硬體協同設計來最佳化記憶體存取模式。狀態機設計原則：闡述如何從複雜的控制流程中提煉出清晰、可合成的有限狀態機（FSM）。重點分析了一熱編碼（One-Hot）與二進制編碼在速度和面積上的權衡，並強調如何避免在狀態轉換中產生不必要的毛刺（Glitch）。第二部分：邏輯層級優化與合成準備本部分關注於將抽象的架構轉換為高效能、可綜合的邏輯網表（Netlist）前的設計優化工作。 3. 時序驅動的邏輯優化：本章探討了在不依賴特定合成工具的情況下，如何手動優化電路邏輯以滿足嚴格的時序要求。組合邏輯的深度簡化：分析冗餘邏輯路徑，並介紹如何透過布林代數的簡化技巧來縮短臨界路徑（Critical Path）。平衡時序（Timing Balancing）：討論如何調整中間節點的扇入（Fan-in）和扇出（Fan-out），確保所有路徑的延遲盡可能平均分佈，從而提高時脈頻率的穩定性。時脈分配與時脈樹（Clock Tree Synthesis, CTS）的預備工作：討論設計者如何透過合理的邏輯劃分，減少對後端工具在處理時脈偏斜（Skew）時的負擔。 4. 功耗意識設計（Power-Aware Design）：高效能不應以犧牲功耗為代價。本章集中於靜態與動態功耗的建模與降低技術。動態功耗管理：介紹時脈閘控（Clock Gating）和功率門控（Power Gating）的設計模式。重點在於如何設計精確的控制邏輯，確保閘控信號的同步性與無毛刺性。電壓/頻率調整（DVFS）的接口設計：討論如何在設計中預留接口，以適應外部電源管理單元的動態電壓調整，確保在低電壓模式下，關鍵路徑的邏輯功能依然正確。第三部分：設計驗證的策略與實施驗證通常佔用晶片設計專案 60% 以上的資源。本部分強調的是系統性的驗證方法論，而非單一工具的使用。 5. 驗證環境的建立與覆蓋率分析：測試平台（Testbench）的架構：介紹如何設計模組化、可重複使用的驗證環境結構，包括激勵產生器（Stimulus Generator）、響應檢查器（Response Checker）和計分板（Scoreboard）的獨立模組設計。覆蓋率（Coverage）的層次化：詳細區分功能覆蓋（Functional Coverage）、程式碼覆蓋（Code Coverage）和斷言覆蓋（Assertion Coverage）。說明如何定義有效的覆蓋率目標，並指導設計者將驗證資源集中於高風險區域。約束隨機測試（Constrained Random Verification）：探討如何建立強大的約束模型，以自動生成大量、非預期的邊界條件和互動場景，從而高效地發現深層次的錯誤。 6. 形式驗證與設計斷言：本章介紹了超越模擬的驗證技術。形式模型檢查（Model Checking）：解釋如何使用形式化工具來證明設計的某些屬性（如安全性、活性）在所有可能狀態下都成立。重點在於如何將複雜的設計分解為適合形式驗證的小型、可處理的模組。系統級斷言（Assertions）：強調在設計流程中嵌入時序斷言（如SVA的概念，但不限於特定語言）的重要性，這些斷言在模擬和形式驗證中都能作為自動化的錯誤偵測點。第四部分：從邏輯到實體：綜合與簽核本部分處理設計定稿後，進入物理實作階段的關鍵流程與決策。 7. 物理綜合與設計約束：邏輯網表到物理佈局的橋樑在於設計約束（Design Constraints）。時序約束的精確設定：詳細說明如何定義輸入輸出延遲（I/O Delays）、例外路徑（False Paths）和多週期路徑（Multi-Cycle Paths），這些約束直接決定了後續綜合與佈局的品質。綜合工具的優化目標設定：分析如何指導綜合工具去優化面積、時序或功耗，以及如何在這些目標之間進行迭代權衡。 8. 靜態時序分析（Static Timing Analysis, STA）的深度應用： STA是確保晶片在最終實體實現後仍能按預期時脈運行的核心工具。建立時序報告的解讀能力：教導讀者如何從數以萬計的時序違規中，快速定位到根本原因，區分是設計問題、約束問題還是工具收斂問題。後佈局（Post-Layout）時序簽核：闡述寄生參數（Parasitic Extraction）的影響，以及如何透過考慮訊號完整性（SI）和串擾（Crosstalk）的效應，進行最終的時序收斂。本書結構嚴謹，專注於解決實際晶片設計中遇到的普遍性挑戰，提供一套獨立於特定工具鏈的、可遷移的設計智慧與實務方法論。

著者信息

　　1.作者將IC設計實務經驗深入於範例探討，且每一範例均經過模擬驗證。

　　2.本書除了基本的設計技巧外，亦說明多模組整合設計之技術。希望藉由此書帶領讀者進入以Verilog為主的各種相關設計領域中，熟悉Verilog語言全貌。

　　3.本書提供範例程式光碟，方便讀者使用。

图书目录

第1章數位邏輯設計與Verilog發展沿革
1.1 電腦輔助設計與積體電路產業 1-2
1.2 硬體描述語言(Hardware Description Language, HDL) 1-4
1.3 積體電路晶片設計流程 1-5

第2章 Verilog設計風格與觀念
2.1 Verilog設計風格 2-2
2.1.1 設計者與變更原因 2-2
2.1.2 設計內文說明 2-2
2.1.3 設計過程注意事項 2-3
2.2 Verilog基本觀念 2-4
2.2.1 運算子(Operator) 2-5
2.2.2 註解說明(Comment)與空格(White space) 2-5
2.2.3 數字(Number) 2-6
2.2.4 字串(Strings) 2-8
2.2.5 識別字、關鍵字及系統函數(Identifiers, Keywords and Sy
2.2.6 將訊息顯示於標準之輸出 2-10
2.2.7 模擬監視 2-13
2.2.8 結束模擬 2-14

第3章 Verilog設計結構
3.1 設計方法(Design methodologies) 3-3
3.2 模組(Modules) 3-4
3.3 連接埠(Ports) 3-5
3.4 模組例證(Module instantiations) 3-8
3.5 資料型態(Data types) 3-9
3.5.1 數值集合 3-9
3.5.2 連接線(Nets) 3-10
3.5.3 暫存器(Registers) 3-11
3.5.4 向量(Vectors) 3-11
3.5.5 數字(Numbers) 3-12
3.5.6 參數（Parameters） 3-13
3.5.7 陣列(Array)與記憶體(Memory) 3-14
3.5.8 三態(Tri-state) 3-14

第4章閘層(Gate Level)描述
4.1 and、or、nand、nor、xor及xnor閘 4-2
4.2 buf及not閘 4-4
4.3 實例說明 4-6
4.4 多工器(Multiplexer)實例 4-19

第5章資料流描述設計(Dataflow Modeling)
5.1 連續指定(Continuous assignment ) 5-2
5.2 表示式(Expression) 5-3
5.2.1 常數值表示式 5-3
5.2.2 運算元(Operand) 5-4
5.2.3 運算子(Operators) 5-4
5.3 應用實例 5-22
5.3.1 3對8解碼器 5-22
5.3.2 4對2編碼器 5-24
5.3.3 4位元加法器 5-26
5.3.4 1對4解多工器 5-29
5.3.5 3位元多數(Majority)位元表決器 5-31
5.3.6 1位元全減器 5-33

第6章行為描述
6.1 程序結構(Procedual constructs) 6-2
6.1.1 initial區塊 6-2
6.1.2 Always區塊 6-2
6.2 程序指定(Procedural assignment) 6-8
6.2.1 方塊程序指定 6-9
6.2.2 非方塊程序指定 6-12
6.3 begin...end方塊敘述 6-16
6.4 if敘述 6-16
6.5 case敘述 6-32
6.6 casez敘述 6-39
6.7 casex敘述 6-43
6.8 迴圈 6-46
6.8.1 for迴圈 6-46
6.8.2 while迴圈 6-60
6.8.3 forever迴圈 6-61
6.8.4 repeat迴圈 6-62
6.9 命名begin...end區塊敘述 6-65
6.10 fork...join區塊敘述 6-67
6.11 wait準位感測控制 6-68
6.12 實用範例 6-69
6.12.1 二位數BCD計數器 6-69
6.12.2 四位元BCD加法器 6-74
6.12.3 十六位元組雙埠RAM 6-79
6.12.4 十六位元組單埠RAM 6-83

第7章函數及任務
7.1 函數(Function) 7-2
7.2 任務(Task) 7-12
7.3 函數呼叫函數 7-18
7.4 任務呼叫函數及任務 7-20
7.5 系統函數與任務 7-23
7.5.1 與實數有關之系統函數與任務 7-24
7.5.2 顯示(＄display)與寫入(＄write)之系統任務 7-25
7.5.3 驅動器(drivers)計數系統函數＄countdirvers 7-25
7.5.4 檔案輸出系統任務 7-26
7.5.5 完成執行之系統任務 7-27
7.5.6 時序檢查系統之任務 7-27
7.5.7 測試訊號系統任務 7-28
7.5.8 載入記憶體系統任務 7-29
7.5.9 時間刻度系統函數與任務 7-30
7.5.10 儲存與重新啟動系統任務 7-32
7.5.11 重置系統任務 7-33
7.5.12 其他系統任務與函數 7-33

第8章自定邏輯電路與狀態機
8.1 自定邏輯電路設計方法 8-3
8.2 自定組合邏輯電路 8-3
8.3 自定序向邏輯電路 8-7
8.4 狀態機 8-11
8.4.1 Moore狀態機 8-12
8.4.2 Mealy狀態機 8-28

第9章 Verilog程式設計技巧
9.1 Verilog程式設計技巧 9-2
9.1.1 如何設計可合成電路 9-2
9.1.2 數學運算式之順序及群集 9-3
9.1.3 if敘述與case敘述之比較 9-4
9.2 編譯器指引(Compiler directives) 9-5
9.2.1 `include 9-5
9.2.2 `define與`undef 9-7
9.2.3 `timescale 9-8
9.2.4 `resetall 9-9
9.2.5 `ifdef、`else與`endif 9-9

第10章電路的延遲時序設定
10.1 邏輯閘延遲(Gate delay) 10-2
10.2 連接線訊號轉換延遲(Net delay) 10-4
10.3 模組路徑延遲(Module path delay) 10-5
10.3.1 特定區塊(Specify blocks) 10-5
10.3.2 特定參數(Specify parameters) 10-9
10.4 邊緣感應路徑延遲(Edge-sensitive path delay) 10-10
10.5 狀態相關路徑延遲(State-dependent path delay) 10-13
10.6 延遲時間值設定 10-16

第11章專題實務設計範例
11.1 0 ~ 9999 十進制計數器 11-2
11.2 16位元移位式乘法器 11-10
11.3 16位元固定點式乘法器 11-15
11.4 16位元布斯(Booth)乘法器 11-20
11.5 16位元移位式(Shifting)除法器 11-25
11.6 16位元重存(Restoring)與非重存(Non-Restoring)除法器 11-
11.7 移動蛇(Running snake)控制電路 11-40
11.8 鍵盤控制電路 11-52
11.9 循環餘數核對(Cyclic Redundancy Check, CRC)電路 11-62
11.10 浮點數運算器電路 11-71
11.10.1 浮點數加法器 11-72
11.10.2 浮點數乘法器 11-80

图书序言

ISBN：9786263281189
叢書系列：大專電子
規格：平裝 / 424頁 / 19 x 26 x 2.12 cm / 普通級 / 單色印刷 / 四版
出版地：台灣

本書分類：專業/教科書/政府出版品> 電機資訊類> 電子

用户评价

评分☆☆☆☆☆

對於我們這些在業界打滾多年，經常需要帶新人或自己複習舊知識的人來說，一本好的參考書不只是用來看的，更是用來「查」的。我比較注重的是書中的索引編排和關鍵詞的精確度。如果第四版能夠像前幾版一樣，在每個章節末尾提供詳細的術語表（Glossary）和關鍵語法的快速參考指南，那就太棒了。有時候，專案急著要生出一個 FIFO 的模組，或是一個簡單的同步電路，與其在網路上海撈那些品質參差不齊的程式碼片段，不如直接翻閱經過權威驗證的版本，效率和準確性是完全不同的層次。此外，我很希望這次能看到更多關於「可綜合性」（Synthesizability）的探討。很多新手會寫出看似正確，但實際上無法被轉換成實體邏輯閘的 Verilog 程式碼，特別是牽涉到延遲（Delay）和鎖定（Latch）的隱藏產生。如果這本書能用更直觀的圖表來解釋哪些語法是合成工具的「地雷區」，我想，它對於整個台灣 IC 設計人才的養成，會是一個非常正向的貢獻。

评分☆☆☆☆☆

這本《Verilog 晶片設計（第四版）》的書籍，老實說，光是看到「第四版」這幾個字，心裡就大概有個底，這絕對是業界行家推崇、教科書等級的經典。我記得當年剛踏入數位IC設計這塊領域時，手上拿的還是比較舊的版本，那時候對於這種需要紮實理論基礎的科目，總覺得有些地方講解得不夠透徹，尤其是在複雜的時序邏輯設計和進階的狀態機（FSM）處理上，常常需要搭配其他參考文獻才能拼湊出完整的圖像。不過，聽說這次的第四版在架構上做了大幅度的調整，特別是針對現代製程中對低功耗和時序收斂的嚴苛要求，加入了許多新的實戰技巧和範例。我猜測，光是光碟裡那些經過驗證的測試平臺（Testbench）和實際的IP實作案例，對初學者來說就已經是無價之寶了。畢竟，理論再好，終究要能實際合成、通過模擬，才能在真實的專案中派上用場，這本書的實作導向，確實是它能屹立不搖這麼久的重要原因。我個人最期待看到的是它如何闡述 SystemVerilog 的寫法，畢竟現在的 ASIC 和 FPGA 開發，如果還停留在純 Verilog 時代，那真的會被時代淘汰。

评分☆☆☆☆☆

說真的，現在市面上那麼多號稱「IC設計聖經」的書，很多內容其實是把規格文件照抄一遍，讀起來枯燥乏味，根本不適合當作輔助教材。我對這本《Verilog 晶片設計》抱持著高度期待，主要是因為它過去的版本在概念的闡述上，總能用一種很生活化的方式，把底層的電路行為和高層的硬體描述語言（HDL）語法之間建立起清晰的橋樑。舉例來說，當你在描述一個組合邏輯電路時，它不會只是丟給你一個 `assign` 敘述，而是會深入探討為什麼使用 `assign` 而非 `always` 區塊，以及這種選擇對綜合工具產生的影響。這種層層遞進、由淺入深的講解模式，對於那些想從「會寫程式」晉升到「會設計電路」的工程師來說，簡直是及時雨。我猜測第四版肯定會更強化 RTL 設計的優化策略，像是如何有效率地處理快取一致性（Cache Coherency）的基本概念，或者在 ASIC 前端設計流程中，如何利用 Verilog 的特性去預先排除潛在的設計錯誤，避免進到冗長的後端驗證階段才發現問題。這種「預防勝於治療」的設計哲學，是這本書真正價值所在。

评分☆☆☆☆☆

說實話，我對這類偏技術含量的中文書籍，最大的疑慮點往往不在於技術內容本身，而在於翻譯的流暢度和專有名詞的在地化程度。Verilog 本身就是一個高度專業化的領域，牽涉到時序分析（Timing Analysis）、寄生參數（Parasitic Extraction）等術語，如果翻譯得太生硬，或者直接使用英文縮寫而沒有清晰解釋，對剛接觸的讀者來說，學習曲線會變得非常陡峭。我期盼第四版在這方面能更貼近台灣本土的教學習慣，例如在講解「時鐘域交叉」（Clock Domain Crossing, CDC）時，除了標準的同步器結構外，能否加入一些台灣常見的解決方案或業界慣用的術語。此外，如果書中能增加一些關於低階電路層級的描述會更好。我們知道 Verilog 是高層次的抽象，但如果能適當地穿插一些關於標準單元（Standard Cell）和佈局規劃（Layout）對 Verilog 描述的影響，讓讀者意識到程式碼寫法如何直接影響後端實體實現的面積和功耗，那麼這本書的深度和廣度就會被極大地提升，不再只是停留在純軟體層面的描述。

评分☆☆☆☆☆

從另一個角度來看，既然是第四版，它必然肩負著與時俱進的責任。我猜測，這次的改版重點應該會緊密圍繞著現代 ASIC 設計流程中的一些關鍵趨勢。例如，在可程式化邏輯元件（FPGA）的應用方面，Verilog 的寫法和綜合工具的要求，其實跟 ASIC 有很大的差異。如果這本書能針對 FPGA 的資源限制（如 BRAM 的使用、DSP 模組的配置）提供專門的章節或附錄，那對在 FPGA 領域發展的工程師來說，簡直是如虎添翼。另外，我想知道它對「形式驗證」（Formal Verification）的態度。雖然 Verilog 本身是設計語言，但現代設計品質要求極高，許多設計師會使用 SVA（SystemVerilog Assertions）來輔助驗證。如果這本經典教材能與時俱進，將這些現代驗證方法融入到 Verilog 的實例討論中，例如如何用 Assertions 來描述介面協定，那這本書的實用價值將會直線飆升。總而言之，它必須證明自己不僅是回顧歷史，更是引領未來的設計標準。