Verilog 硬體描述語言數位電路 設計實務 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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本書深入淺齣地介紹Verilog硬體描述語言的特性，以及電腦輔助設計工具(CAD)。

　　Verilog語言是一種一般性的硬體描述語言，它的語法與C語言相似，易學易用。本書是以邏輯閤成的方式寫成的，可讓剛開始使用Verilog來 設計數位電路的新手們，用起來很上手。

　　本書目的在於藉由學習Verilog語言的過程中去瞭解硬體描述語言的設計概念，進而完成設計數位晶片的最終目標。最新版本中新增UDP，且增強Verilog 2001特色。
 

經典設計方法與前沿技術：數字係統實現策略精粹 本書旨在為電子工程、計算機科學與微電子學領域的專業人士及高級學習者提供一個全麵且深入的視角，聚焦於數字係統設計、驗證與實現過程中的核心原理、先進方法論以及關鍵技術棧。本書內容橫跨理論基石到業界標準實踐，強調係統級思維與具體工程實現的無縫銜接。 第一部分：數字係統基礎與建模範式 本部分奠定紮實的理論基礎，重點探討現代數字係統設計所依賴的數學模型、邏輯理論與硬件抽象層級。 1. 組閤邏輯與時序電路的深入分析 布爾代數與最小化技術： 詳細介紹卡諾圖、Quine-McCluskey算法的擴展應用，並探討多值邏輯係統在故障檢測中的潛力。 競爭、毛刺與時序約束分析： 不僅僅停留在基本定義，更深入分析動態係統中的信號完整性問題，包括亞穩態的根源、危害評估及通過去抖動電路和同步器設計來緩解這些問題的具體方法。 同步設計基礎與時鍾域交叉（CDC）： 詳盡闡述同步時序係統的設計原則，重點分析多時鍾域係統（Multiple Clock Domain）的同步挑戰。引入基於握手協議（Handshaking Protocols）、雙端口RAM（Dual-Port RAM）以及先進的異步FIFO（Asynchronous First-In, First-Out）結構，確保跨域數據傳輸的可靠性。 2. 硬件描述語言（HDL）的抽象層次與建模風格 本章超越單一語言的語法介紹，專注於不同抽象級彆建模帶來的設計權衡。 行為級（Behavioral）建模精要： 探討如何使用高級程序結構（如狀態機、循環結構）來描述復雜的算法功能，並分析行為級代碼嚮寄存器傳輸級（RTL）綜閤時的潛在效率損失。 寄存器傳輸級（RTL）的優化藝術： 深入探討如何編寫清晰、高效且易於綜閤的RTL代碼。內容涵蓋資源共享（Resource Sharing）、流水綫化（Pipelining）的原理與應用，以及如何通過數據路徑寬度和操作並行度的精確控製來影響最終的門級網錶麵積與速度。 結構級（Structural）設計與模塊化： 討論如何將復雜係統分解為可重用、可驗證的模塊，並介紹層次化設計方法在大型ASIC/FPGA項目中的管理策略。 第二部分：算法實現與高性能架構 本部分聚焦於如何將數學算法轉化為高效的硬件結構，這是實現高性能計算（HPC）和專用集成電路（ASIC）設計的核心。 3. 數字信號處理（DSP）硬體實現 濾波器設計與硬件映射： 介紹有限脈衝響應（FIR）和無限脈衝響應（IIR）濾波器的基本原理，並詳細講解如何將這些算法映射到優化的硬件結構上，如CORDIC算法在三角函數計算中的替代方案。 乘法器架構比較： 對比不同的乘法器結構（如陣列乘法器、Booth編碼乘法器、Wallace樹乘法器）的延遲、麵積特性，並指導讀者根據目標技術節點和性能要求進行選擇。 快速傅裏葉變換（FFT）的硬件加速： 闡述蝶形運算（Butterfly Operation）的分解與實現，探討內存訪問模式對FFT性能的關鍵影響，以及如何設計高效的內存訪問策略。 4. 微處理器與定製指令集架構（ISA） 精簡指令集計算機（RISC）核心設計： 詳細剖析單周期、多周期以及流水綫化CPU的設計流程。重點分析流水綫中的冒險（Hazard）類型（結構、數據、控製）及其硬件解決方案（如轉發/旁路、分支預測）。 內存係統與緩存層次結構： 探討緩存的工作原理（直接映射、組相聯、全相聯），緩存一緻性問題在多核係統中的挑戰，以及如何設計內存控製器以優化外部存儲器接口的吞吐量。 領域特定架構（DSA）與可重構計算： 介紹定製指令和數據路徑設計如何超越通用處理器性能限製，並初步探討現場可編程門陣列（FPGA）在快速原型驗證和DSA實現中的獨特優勢。 第三部分：設計流程與驗證工程 現代數字設計無法脫離嚴格的流程管理和完備的驗證體係。本部分深入探討工具鏈的使用、設計收斂的策略以及行業標準的驗證方法學。 5. 綜閤、布局布綫與時序驅動設計（Timing-Driven Design） 邏輯綜閤的原理與約束： 講解綜閤器如何將RTL映射到特定庫單元的過程，強調設計約束文件（SDC）在指導綜閤器優化中的核心作用，包括設置輸入延遲、輸齣延遲和時鍾定義。 靜態時序分析（STA）的深度應用： 徹底解析建立時間（Setup Time）和保持時間（Hold Time）的計算模型，探討跨時鍾域路徑（CDC Path）的例外處理，以及如何診斷和修復時序違例（Timing Violations）。 布局布綫與物理實現： 簡述從門級網錶到物理版圖的流程，討論布綫擁塞（Congestion）、時鍾樹綜閤（CTS）對最終性能的決定性影響，以及如何通過物理設計階段的迭代反饋優化RTL。 6. 功能驗證與形式化方法 驗證環境的構建： 介紹激勵生成（Stimulus Generation）、響應檢查（Response Checking）和覆蓋率收集（Coverage Collection）的基本框架。 麵嚮驗證的編程（UVM/OVM）精要： 探討麵嚮對象的驗證方法學如何提高測試平颱的可重用性和可擴展性，重點分析配置（Configuration）、序列（Sequence）和代理（Agent）的設計模式。 斷言與形式驗證： 介紹係統Verilog斷言（SVA）在設計規範檢查中的應用，以及形式驗證工具如何通過數學方法證明或證僞設計屬性，特彆是在安全關鍵和高可靠性係統中作為傳統仿真補充的重要性。 第四部分：低功耗設計與新興技術接口 隨著移動設備和物聯網（IoT）的普及，能源效率成為衡量設計的關鍵指標之一。本部分涵蓋瞭功耗優化策略和現代接口協議的硬件實現。 7. 電源管理與低功耗設計技術 功耗分解與分析： 區分動態功耗（開關活動造成）和靜態功耗（漏電流造成），並介紹功耗建模工具的使用。 電源門控（Power Gating）與時鍾門控（Clock Gating）： 詳細討論如何在RTL和門級實現自動和手動時鍾門控，以及電源門控在隔離敏感區域和管理空閑模塊中的策略。 多電壓域（Multi-Voltage Domain）設計： 探討如何在一個芯片內設置不同的電壓區域以實現功耗/性能的權衡，並介紹電平轉換器（Level Shifter）的設計與重要性。 8. 高速串行接口的硬件實現 SerDes（串行器/解串器）架構概述： 介紹高速數據傳輸中預加重（Pre-emphasis）和均衡（Equalization）技術的物理層原理。 PCI Express (PCIe) 協議棧的硬件映射： 探討如何在FPGA或ASIC中實現MAC層（媒體訪問控製）和物理層（PHY）的適配器邏輯，重點關注事務層（TLP）的打包與解包。 內存接口（DDRx）： 概述DDR內存控製器的關鍵挑戰，包括高精度時序校準、訓練序列的自動生成以及對飛行時間（Fly-by）拓撲結構的處理。 本書結構嚴謹，內容翔實，旨在提供一個從理論到實踐、從基礎到前沿的全麵知識體係，是數字電路設計工程師和研究人員的必備參考書。

第一章 數位電路的設計觀念
1.1 數位係統的實作方法
1.2 典型的「半訂製」（Semi Customize）IC設計流程

第二章 Verilog硬體描述語言簡介
2.1 硬體描述語言（Hardware Description Language，HDL）和傳統數位電路設計的優缺點比較
2.2 Verilog硬體描述語言（HDL）的特性
2.3 電腦輔助設計工具（CAD）－Quick Logic的介紹
2.4 QuickLogic及Synopsys的Design Analyzer之Primitive Cell介紹
2.5 Verilog模組整閤與模擬的流程（Synthesis and Simulation Flow）－使用QuickLogic
2.6 VHDL電路模擬軟體－ModelSim的介紹
2.7 VHDL電路設計與模擬的流程（VHDL design in and simulation flow）－使用ModelSim
2.8 Verilog模組閤成與模擬的流程（Synthesis and Simulation Flow）－使用Synopsys的Designer Analyzer

第三章 Verilog的模組與架構
3.1 Verilog的輸齣入埠敘述
3.2 Verilog資料型態（Data Types）
3.3 Verilog的時間控製（Timing Control）
3.4 Verilog的四大模型（Model）
3.5 Verilog的模組（Module）
3.6 Verilog的語法協定
3.7 階層式設計（Hierarchy Design）的觀念

第四章 能否用於電路閤成的Verilog語法
4.1 不能用於電路閤成的Verilog語法
4.2 能用於電路閤成的Verilog語法

第五章 Verilog的敘述
5.1 Verilog常用的敘述
5.2 assign敘述
5.3 always敘述
5.4 if敘述
5.5 if…else…敘述
5.6 case敘述
5.7 casex敘述
5.8 casez敘述
5.9 if與case這二大類敘述的使用時機
5.10 for敘述
5.11 function敘述
5.12 task敘述
5.13 function與task敘述的差異

第六章 Verilog電路設計的基本觀念
6.1 訊號（signal）與變數（variable）
6.2 always中的訊號（signal）與變數（variable）
6.3 使用括弧來描述復雜的電路結構
6.4 運算元的位用寬度（operator bitwidth）
6.5 重置（Reset）訊號與預設（Preset）訊號的重要性

第七章 算術運算
7.1 『數字係統』基本介紹
7.2 『乘法』的基本觀念
7.3 『除法』的基本觀念
7.4 『無號數整數』的運算
7.5 『有號數整數』的運算
7.6 『無號數小數』的運算
7.7 『有號數小數』的運算

第八章 組閤邏輯電路與簡易的算術邏輯運算
8.1 組閤邏輯（Combination Logic）電路
8.2 簡易的算術邏輯運算單元（ALU）的設計

第九章 循序邏輯電路
9.1 記憶元件設計
9.2 移位暫存器（Shift Register）
9.3 計數器電路（Counter）
9.4 除頻電路（Frequency Divider）

第十章 有限狀態機器
10.1 循序電路的基本模式
10.2 同步（Synchronous）與非同步（Asynchronous）循序電路
10.3 有限的狀態機器（Finite State Machine，FSMs）的簡介
10.4 有限狀態機器的設計實例

第十一章 進階設計概念
11.1 資源共用（Resource Sharing）
11.2 Verilog的編譯命令（Compiler Directives）
11.3 易於調整的設計方式（Scalable Design）
11.4 撰寫經濟實用的HDL程式碼之原則
11.5 除彈跳電路（DeBounce circuit）與單一脈波電路（Mono pulse circuit）
11.6 非同步Reset
11.7 節省電力的基本方法

第十二章 記憶體設計與應用
12.1 隨機存取記憶體（Random Access Memory，RAM）
12.2 隨機存取記憶體（RAM）的擴充
12.3 隨機存取記憶體（RAM）的應用
12.4 唯讀記憶體（Read Only Memory，ROM）
12.5 唯讀記憶體（ROM）的擴充
12.6 唯讀記憶體（ROM）的應用

第十三章 Verilog 2001增強特色
13.1 Configuration
13.2 generate
13.3 Constant function
13.4 Indexed vector part select
13.5 Multi-dimensional Array
13.6 Array Bit and Part Select
13.7 Signed Arithmetic Extension
13.8 Power Operator
13.9 Re-entrant Task and Recursive Function
13.10 Comma-separated Sensitivity List
13.11 Combinational Logic Sensitivity
13.12 Enhanced File I/O
13.13 Automatic Width Extension Past 32 bits
13.14 Default Net with Continuous Assign
13.15 Disable Default Net Declaration
13.16 Explicit In-line Parameter Passing
13.17 Combined Port/Data Type Declaration
13.18 ANSI-style Port List
13.19 Reg Declaration With Initialization
13.20 "Register" Changed To "Variable"
13.21 Enhanced PLA Modeling
13.22 Accurate BNF, with Subsection
13.23 Enhanced Conditional Compilation
13.24 File and Line Compiler Directive
13.25 Attribute
13.26 Standard Random Number Generator
13.27 Enhanced Invocation Option Test
13.28 On-detect Pulse Error Propagation
13.29 Negative Pulse Detection
13.30 New Timing Constraint Check
13.31 Negative Timing Constraint
13.32 Enhanced SDF support
13.33 Extended VCD File / PLI Enhancement
13.34 Verilog 2001新增的保留字、運算子、函數、compiler directive以及token

第十四章 Verilog的檔案處理與除錯輔助功能
14.1 測試平颱（TestBench）
14.2 Verilo的檔案處理
14.3 Verilog的除錯輔助功能
14.4 Verilog的時間格式與精確度
14.5 資料型態轉換
14.6 Verilog的係統任務

第十五章 User Defined PrimitiveS
15.1 User Defined PrimitiveS（UDPs）
15.2 組閤邏輯UDP
15.3 循序邏輯UDP
附錄Ａ Verilog的識彆字（Keywords）

 

序

　　本書是教導學習Verilog硬體描述語言的書籍，目的在於藉由學習Veri-log語言的過程中去瞭解硬體描述語言的設計概念，進而完成設計數位晶片的最終目標。

　　本書使用Verilog硬體描述語言來實作齣來，每個電路模組都是電腦輔助設計工具ModelSim之下，完成瞭模組電路作編譯、閤成、仿真以及驗證…等等步驟，所以本書的各個模組都是可以實作得齣來的。
 

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我一直認為，掌握一門硬體描述語言，最終目的就是要能夠設計齣令人滿意的硬體電路，而《Verilog 硬體描述語言數位電路設計實務》這個書名，完美地詮釋瞭這一理念。很多時候，我們學習Verilog，隻是停留在語法層麵，對於如何寫齣高效、可綜閤、易於維護的代碼，以及如何應對真實世界的各種設計挑戰，總感覺有些捉襟見肘。這本書的“實務”二字，讓我看到瞭它在填補這方麵空白上的巨大潛力。我尤其看重它在“數位電路設計”方麵的論述，希望它能深入講解各種數位電路模塊的設計思路和Verilog實現技巧，比如狀態機、有限狀態機、數據通路的設計等等。此外，我期待它能提供一些關於仿真、驗證以及後端的工程化流程的介紹，這樣纔能真正地將理論知識轉化為生産力。這本書的齣現，對我來說，無疑是為我打開瞭一扇通往更專業、更深入的硬體設計世界的大門。

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作為一名在校的電機係學生，我一直在尋找一本能夠將Verilog理論知識與實際硬體設計完美結閤的書籍。《Verilog 硬體描述語言數位電路設計實務》這個書名，恰恰擊中瞭我的學習痛點。我們課堂上講授的Verilog知識，雖然很重要，但往往缺乏足夠多的實際案例和項目實踐。我常常覺得，學完Verilog，卻不知道怎麼去設計一個完整的數位係統，像是CPU、記憶體控製器之類的。這本書的“數位電路設計實務”部分，我猜一定會包含各種經典數位電路上位元和下位元的實現方法，以及如何用Verilog把它們搭建起來。更重要的是，我期望它能提供一些真實的電路設計流程，比如從一個需求文檔開始，一步步地講解如何將其轉化為Verilog代碼，再到最終在FPGA上實現。這種“從無到有”的指導，對於我們這種初學者來說，絕對是極具價值的。

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說實話，剛拿到這本書的時候，我有點被它厚重的份量所“震撼”到，但同時也充滿瞭期待。這完全不同於市麵上一些泛泛而談的教科書，《Verilog 硬體描述語言數位電路設計實務》這個書名就很直接地說明瞭它的定位——聚焦於Verilog語言在數位電路設計中的實戰應用。我一直認為，學習硬體描述語言，最重要的一點就是要能“寫齣能跑的、並且是高效的硬體”。很多時候，光知道Verilog的語法是不夠的，更關鍵的是如何利用它來描述一個高效、穩定、滿足時序要求的硬體電路。我非常希望這本書能在這方麵提供深入的指導，比如如何避免常見的Verilog設計陷阱，如何進行有效的測試和驗證，以及如何根據硬體特性進行代碼優化。對我這種在數位邏輯設計方麵，已經有一定基礎但希望更上一層樓的讀者來說，這本書簡直就像是一座寶藏，我準備花大量時間好好研讀，從中汲取養分。

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哇，這本書的封麵設計就很有質感，光是看到書名《Verilog 硬體描述語言數位電路設計實務》，就覺得它是一本內容紮實的專業書籍。我一直對數位電路設計很有興趣，但感覺自己動手實踐的機會不多，常常停留在理論階段。看到這本書的實務導嚮，我非常有信心它能幫助我將所學知識真正應用到實際的電路設計中。這本書的書名就透露齣它涵蓋瞭Verilog語言的使用，以及數位電路設計的方法和技巧，這正是我一直以來想深入學習的。尤其是在學習過程中，如果能有範例代碼和具體的實現步驟，那學習效果肯定會事半功倍。我非常期待這本書能夠提供清晰易懂的講解，並且能帶領我一步一步地完成復雜的數位電路設計項目。對我來說，能有這樣一本以“實務”為主的教材，真的太難得瞭，它能填補我學習上的許多空白，讓我不再隻是紙上談兵，而是能真正成為一個能夠動手實現數位電路設計的工程師。

评分☆☆☆☆☆

這本書絕對是想在FPGA開發領域闖齣一片天地的同仁們的福音！我平常的工作就跟硬體描述語言打交道，對Verilog的熟悉程度也算還行，但總覺得在理解一些更深層次的電路優化和時序分析上還有些力不從心。看到《Verilog 硬體描述語言數位電路設計實務》這個書名，立刻被吸引住瞭。一個“實務”二字，就意味著它不是那種隻講概念的書，而是會教你如何真正地在硬體上實現設計。尤其是在數位電路這個領域，理論和實踐的差距往往是最大的鴻溝。我猜這本書裏麵一定會包含很多從需求分析到邏輯設計，再到綜閤、布局布綫、時序約束的完整流程講解，甚至可能會有針對不同FPGA平颱的一些優化技巧。這對於正在進行專案開發，或是想要提升自己硬體設計功力的工程師來說，絕對是不可多得的學習資源。我已經迫不及待想看看它到底能給我帶來哪些新的啓發和實用的方法論瞭！