系统芯片（SOC）设计原理

序

前言

第1章绪论

1.1系统芯片是微电子技术发展的

必然

1.2电子设计自动化技术和硬件描述

语言

1.2.1电子设计自动化技术发展

概述

1.2.2TopDown设计方法

1.2.3硬件描述语言

第2章CMoS数字集成电路

2.1引言

2.2集成电路的主要生产工艺

2.2.1晶片准备

2.2.2制版

2.2.3光刻

2.2.4氧化

2.2.5淀积

2.2.6腐蚀

2.2.7扩散

2.2.8导体和电阻

2.3CMOS反相器及其版图

2.3.1MOS晶体管及其版图

2.3.2CMOS反相器的结构及其

版图

2.4设计规则与工艺参数

2.4.1设计规则的内容与作用

2.4.2几何规则

2.4.3电学规则

2.5CMOS数字电路的特征

2.5.1标准逻辑电平

2.5.2逻辑扇出特性

2.5.3容性负载及其影响

2.5.4CMOS电路的噪声容限

2.6CMOS逻辑门

2.6.1CMOS或非门

2.6.2CMOS与非门

2.6.3多输入CMOS逻辑门

2.7NMOS传输晶体管与CMOS传输门

2.7.1NMOS传输晶体管

2.7.2NMOS传输门

习题

第3章硬件描述语言VHDL

3.1引言

3.2VHDL的基础知识

3.2.1VHDL程序的结构

3.2.2VHDL常用资源库中的程序包

3.2.3VHDL的词法单元

3.2.4数据对象和类型

3.2.5表达式与运算符

3.3VHDL结构体的描述方式

3.3.1结构体的行为描述

3.3.2结构体的RTL描述

3.3.3结构体的结构化描述

3.4结构体的子结构形式

3.4.1进程

3.4.2复杂结构体的多进程组织

方法

3.4.3块

3.4.4子程序

3.5顺序语句和并发语句

3.5.1顺序语句

3.5.2并发语句

3.6VHDL中的信号和信号处理

3.6.1信号的驱动源

3.6.2信号的延迟

3.6.3仿真周期和信号的δ延迟

3.6.4信号的属性函数

3.6.5带属性函数的信号

3.7VHDL的其他语句

3.7.1ATTRIBUTE描述与定义语句

3.7.2ASSERT语句

3.7.3TEXTIO

3.8多值逻辑

3.8.1三态数值模型

3.8.2多值逻辑

3.9元件例化

3.9.1设计通用元件

3.9.2构造程序包

3.9.3元件的调用

3.10配置

3.10.1默认配置

3.10.2元件的配置

3.10.3块的配置

3.10.4结构体的配置

习题

第4章基本数字逻辑单元的设计

4.1组合逻辑电路设计

4.1.1门电路

4.1.2三态缓冲器和总线缓冲器

4.1.3编码器、译码器和选择器

4.1.4运算器的设计

4.1.5算术逻辑运算单元

4.2时序逻辑电路设计

4.2.1触发器

4.2.2锁存器

4.2.3寄存器

4.2.4计数器

4.3存储器

4.3.1概述

4.3.2只读存储器

4.3.3随机存取存储器

4.3.4先进后出堆栈

4.4有限状态机

习题

第5章数字系统的层次结构设计

5.1硬件的算法模型

5.1.1先进先出堆栈的算法模型

5.1.2布思一位补码乘法器的算法

模型

5.2芯片系统的划分

5.2.1并行接口8255

5.2.2布思二位补码乘法器的结构化

设计

5.3系统间互连的表示

5.4系统的仿真和测试

5.4.1概述

5.4.2仿真程序的设计方法

5.4.3TEXTl0建立测试程序

习题

第6章SOC的体系结构

6.1SOC的结构

6.1.1引言

6.1.2S0C的硬件结构

6.1.3嵌入式软件

6.2soc中的嵌入式精简指令集处理

器

6.2.1概述

6.2.2RIsc的定义与特点

6.2.3RIsc的指令特点

6.2.4RIsc的并行处理技术

6.2.5RIsc／DsP结构

6.2.6RIsc核的设计

6.3嵌入式处理器ARM的体系结构

6.3.1概述

6.3.2ARM7系列处理器

6.3.3ARM9系列处理器

6.3.4ARM9E系列处理器

6.3.5ARMlO系列处理器

6.3.6ARMll系列处理器

6.4嵌入式处理器MIPS324Kc的体系

结构

6.4.1概述

6.4.2MIPS324Kc嵌入式处理器

6.5SOC的互连机制

6.5.1概述

6.5.2AMBA总线

6.5.3CoreConnect总线

6.5.4Wishbone总线

6.5.5OCP总线

6.5.6虚拟元件接口

6.6带ARM核的嵌入式系统芯片

举例

6.6.1LPC2100系列高性能微控制器

6.6.2AT91sAM7x系列高性能微

控制器

6.6.3AT91RM9200高性能微控制

器

6.7嵌入式实时操作系统

6.7.1实时操作系统

6.7.2嵌入式实时操作系统概述

6.7.3实时多任务调度

6.7.4信号与信号量

习题

第7章可编程逻辑器件

7.1概述

7.1.1可编程逻辑器件的发展

7.1.2用户再构造电路和可编程ASIC

电路

7.1.3可编程逻辑器件的分类

7.2可编程逻辑器件的编程元件

7.2.1熔丝型开关

7.2.2反熔丝开关

7.2.3浮栅编程技术

7.3PAL与GAL器件的电路结构

7.3.1PLD的电路表示方法

7.3.2PLD的基本电路结构

7.3.3PAL器件的电路结构

7.3.4通用阵列逻辑GAL

7.4ispLSI系列CPLD

7.4.1概述

7.4.2ispLSI11000系列CPLD的结构

特点

7.4.3ispLSICPLD的测试和编程

特性

7.4.4ispLSI2000系列CPCD的结构

7.4.5ispLSI3000系列CPLD

7.4.6ispLSI5000v系列CPLD的结构和

工作原理

7.4.7ispLSI8000／v系列CPLD的结构

和工作原理

7.5现场可编程门阵列

7.5.1概述

7.5.2xC4000系列FPGA的结构和

工作原理

7.5.3Spartan系列FPGA

7.6基于HDPLD的系统设计实现

7.6.1设计实现概述

7.6.2器件的选择

7.6.3HDPLD的设计流程

习题

第8章可编程系统芯片

8.1可编程系统芯片概述

8.2Virtex-II系列FPGA的结构和

性能

8.2.1概述

8.2.2virtex-II系列FPGA的总体

结构

8.2.3Virrtex-II系列FPGA的可构造

逻辑模块

8.2.418Khit可选RAM模块

8.2.5嵌入式乘法器

8.2.6全局时钟多路缓冲器

8.2.7数字时钟管理器

8.2.8输入输出模块

8.2.9有源互连技术

8.3嵌入式RISC处理器软核

MicroBlaze

8.3.1嵌入式处理器软核MicroBlaze

概况

8.3.2嵌入式处理器软核MicrcoBlaze的

结构

8.3.3嵌入式处理器软核MicrcoBlaze的

接口信号

8.4Virtex-IIPro系列可编程片上系统

芯片

8.4.1Virtex-IIPro系列SOPC概况

8.4.2嵌入式PowerPc405处理器核

8.4.3极速双向串行传送器

习题

第9章专用集成电路设计

9.1引言

9.2门阵列和门海阵列设计

9.2.1门阵列设计

9.2.2门海阵列

9.2.3门阵列和门海阵列的设计流程

9.3标准单元设计

9.4设计检验

9.4.1设计规则检查

9.4.2电学规则检查

9.4.3版图与电路图一致性检查

9.5后仿真

习题

第10章可测试性结构设计

10.1大规模集成电路可测试设计的

意义

10.2可测试性基础

1O.2.1故障模型

10.2.2可测试性分析

1O.2.3测试矢量生成

10.2.4故障模拟

10.3集成电路的可测试性结构设计

10.3.1专门测试设计

10.3.2扫描测试设计

10.3.3内建自测试技术

10.3.4系统级测试技术边界扫描

测试技术

习题

附录

附录AVHDL标准包集合文件

附录BIP核览表

参考文献

　　本书的特点可以概括为以下几个方面：1．涉及了SOC技术的各个层面，包括了系统、模块、逻辑、电路、版图等多方面的设计技术，使得读者能够系统地了解和掌握相关技术。2．结合了数字逻辑的基本知识，由浅入深地介绍先进的设计方法和理念，方便不同专业领域的读者学习。3．以硬件描述语言为核心，结合大量的应用实例，在讲授原理和方法的同时，给读者以主动实践的机会。本书可作为高等院校电子信息类高年级本科生与研究生的教材，也可作为相关领域工程技术人员的参考资料。　　本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。　　系统芯片(SystemOnaChip，简称SOC)是微电子技术发展的一个新的里程碑。本书介绍在EDA工具的平台上，进行以系统级设计为核心的系统芯片的设计方法。本书从基本单元电路设计出发，以VHDL语言为基本设计手段，讨论了各种典型的数字集成系统的设计，以及系统芯片实现的两种基本途径：半定制的高密度可编程逻辑器件(HDPLD)的实现和全定制的专用集成电路(ASIC)的实现。　　本书主要内容包括：集成电路工艺及版图基础，cM0s数字电路，硬件描述语言vHDL及数字系统的设计，系统集成芯片的体系结构，高密度可编程逻辑器件，可编程系统芯片(SOPC)，专用集成电路设计和可测试结构设计。全书语言流畅，循序渐进地讨论了系统芯片各方面的内容。每章后附有习题，供课后练习。　　本书配有免费电子课件，欢迎选用本书作教材的老师索取，电子邮箱：wbj@mail．maehineinfo．gov．cn。　　本书可作为高等院校电子信息类高年级本科生与研究生的教材，也可作为相关领域工程技术人员的参考资料。