[Verilog] Digital Design (Verilog): An Embedded Systems Approach Using Verilog

2007年五星书 英文版 Digital Design (Verilog): An Embedded Systems Approach Using Verilog Product Description Digital Design: An Embedded Systems Approach Using Verilog provides a foundation in digital design for students in computer engineering, electrical engineering and computer science courses. It takes an up-to-date and modern approach of presenting digital logic design as an activity in a larger systems design context. Rather than focus on aspects of digital design that have little relevance in a realistic design context, this book concentrates on modern and evolving knowledge and design skills. Hardware description language (HDL)-based design and verification is emphasized--Verilog examples are used extensively throughout. By treating digital logic as part of embedded systems design, this book provides an understanding of the hardware needed in the analysis and design of systems comprising both hardware and software components. Includes a Web site with links to vendor tools, labs and tutorials. Presents digital logic design as an activity in a larger systems design context. Features extensive use of Verilog examples to demonstrate HDL usage at the abstract behavioural level and register transfer level, as well as for low-level verification and verification environments. Includes worked examples throughout to enhance the reader's understanding and retention of the material. Companion Web site includes links to CAD tools for FPGA design from Synplicity, Mentor Graphics, and Xilinx, Verilog source code for all the examples in the book, lecture slides, laboratory projects, and solutions to exercises. Paperback: 584 pages Publisher: Morgan Kaufmann (September 14, 2007) Language: English ISBN-10: 0123695279 ISBN-13: 978-0123695277 contents c h a p t e r 1 Introduction and Methodology . . . . . . . . . . . 1 1.1 Digital Systems and Embedded Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Binary Representation and Circuit Elements . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Real-World Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.1 Integrated Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.2 Logic Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.3 Static Load Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3.4 Capacitive Load and Propagation Delay . . . . . . . . . 15 1.3.5 Wire Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3.6 Sequential Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3.7 Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3.8 Area and Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.5 Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.5.1 Embedded Systems Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.6 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 c h a p t e r 2 Combinational Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.1 Boolean Functions and Boolean Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.1.1 Boolean Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.1.2 Boolean Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.1.3 Verilog Models of Boolean Equations . . . . . . . . . . . 51 2.2 Binary Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.2.1 Using Vectors for Binary Codes . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2.2 Bit Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.3 Combinational Components and Circuits . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.3.1 Decoders and Encoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.3.2 Multiplexers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.3.3 Active-Low Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.4 Verification of Combinational Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.5 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 2.6 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 c h a p t e r 3 Numeric Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.1 Unsigned Integers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.1.1 Coding Unsigned Integers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.1.2 Operations on Unsigned Integers . . . . . . . . . . . . . . 92 3.1.3 Gray Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.2 Signed Integers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3.2.1 Coding Signed Integers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3.2.2 Operations on Signed Integers . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 3.3 Fixed-Point Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.3.1 Coding Fixed-Point Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.3.2 Operations on Fixed-Point Numbers . . . . . . . . . . . . 136 3.4 Floating-Point Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 3.4.1 Coding Floating-Point Numbers . . . . . . . . . . . . . . . 138 3.5 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.6 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 c h a p t e r 4 Sequential Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.1 Storage Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.1.1 Flip-flops and Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.1.2 Shift Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 4.1.3 Latches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 4.2 Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 4.3 Sequential Datapaths and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 4.3.1 Finite-State Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 4.4 Clocked Synchronous Timing Methodology . . . . . . . . . . . . . . 187 4.4.1 Asynchronous Inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 4.4.2 Verification of Sequential Circuits . . . . . . . . . . . . . . 196 4.4.3 Asynchronous Timing Methodologies . . . . . . . . . . . 200 4.5 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 4.6 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 c h a p t e r 5 Memories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.1 General Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.2 Memory Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 5.2.1 Asynchronous Static RAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 5.2.2 Synchronous Static RAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 5.2.3 Multiport Memories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 5.2.4 Dynamic RAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 5.2.5 Read-Only Memories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 5.3 Error Detection and Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 5.4 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 5.5 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 c h a p t e r 6 Implementation Fabrics . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 6.1 Integrated Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 6.1.1 Integrated Circuit Manufacture . . . . . . . . . . . . . . . . 250 6.1.2 SSI and MSI Logic Families . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 6.1.3 Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) . . . 255 6.2 Programmable Logic Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 6.2.1 Programmable Array Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 6.2.2 Complex PLDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 6.2.3 Field-Programmable Gate Arrays . . . . . . . . . . . . . . 263 6.3 Packaging and Circuit Boards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 6.4 Interconnection and Signal Integrity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 6.4.1 Differential Signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 6.5 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 6.6 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 c h a p t e r 7 Processor Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 7.1 Embedded Computer Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 7.1.1 Microcontrollers and Processor Cores . . . . . . . . . . . 283 7.2 Instructions and Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 7.2.1 The Gumnut Instruction Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 7.2.2 The Gumnut Assembler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 7.2.3 Instruction Encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 7.2.4 Other CPU Instruction Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 7.3 Interfacing with Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 7.3.1 Cache Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 7.4 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 7.5 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 c h a p t e r 8 I/O Interfacing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 8.1 I/O Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 8.1.1 Input Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 8.1.2 Output Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 8.2 I/O Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 8.2.1 Simple I/O Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 8.2.2 Autonomous I/O Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 8.3 Parallel Buses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 8.3.1 Multiplexed Buses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 8.3.2 Tristate Buses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 8.3.3 Open-Drain Buses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 8.3.4 Bus Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 8.4 Serial Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 8.4.1 Serial Transmission Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . 353 8.4.2 Serial Interface Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 8.5 I/O Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 8.5.1 Polling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 8.5.2 Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 8.5.3 Timers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 8.6 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 8.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375 c h a p t e r 9 Accelerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 9.1 General Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 9.2 Case Study: Video Edge-Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 9.3 Verifying an Accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 9.4 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 9.5 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 c h a p t e r 1 0 Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 10.1 Design Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 10.1.1 Architecture Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 10.1.2 Functional Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 10.1.3 Functional Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 10.1.4 Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 10.1.5 Physical Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 10.2 Design Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 10.2.1 Area Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 10.2.2 Timing Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443 10.2.3 Power Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 10.3 Design for Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 10.3.1 Fault Models and Fault Simulation . . . . . . . . . . . . . 452 10.3.2 Scan Design and Boundary Scan . . . . . . . . . . . . . . . 454 10.3.3 Built-In Self Test (BIST) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 10.4 Nontechnical Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 10.5 In Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 10.6 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465 10.7 Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466