集成电路设计理论与技术是现代工业的重要基础。本书包括了数字集成电路设计的两个主要部分，第一部分是建立相应的描述模型并对其进行仿真测试，通过仿真测试，检查所设计的逻辑描述模型是否符合设计规范的要求；第二部分是根据所建立的逻辑结构模型，完成相应电路设计和仿真测试。

　　本书特点：
　　●通过学习本书内容并完成本书所提供的练习和实践，可以初步掌握数字集成电路设计的核心内容。
　　●为满足集成电路设计技术专业的教学需要，本书在教学实践的基础上，采用了仿真分析作为基本分析方法。
　　●本书采用了“实践——认识——再实践”的编写结构，突出了对基础理论和概念的应用及技术实践。

无

集成电路设计理论与技术是现代工业的重要基础。近年来，随着信息技术、集成电路制造技术和半导体材料的飞速发展，集成电路设计技术日益发展，正在为应用领域提供复杂的集成电路器件，对现代科学与技术的发展起到了巨大的推动和促进作用。
　　目前我国正在大力发展集成电路产业，对集成电路设计人才的需求巨大。因此，集成电路设计人才的培养已经成为电子科学与技术和电子工程等学科专业的重要任务。
　　一、集成电路设计理论与技术的基本内容
　　对于集成电路设计人才来说，重要的是掌握集成电路设计理论与技术的核心。自20世纪90年代以来，集成电路设计与制造分别成为了两大工业系统。这就形成了集成电路设计理论与技术这种专门技术。集成电路设计理论与技术包括如下内容：
　　1）基本元件分析理论；
　　2）电路结构设计分析理论与技术；
　　3）电路模型描述技术；
　　4）仿真分析理论与技术；
　　5）版图设计规划理论与技术。
　　在这些基本内容中，模型、建模技术和模型分析技术是最基本的核心，也是学习的重点。在集成电路设计理论与技术的学习中，必须十分重视模型分析技术和相应的建模技术，把模型作为设计目标，把建模作为分析指南。
　　由于集成电路设计与制造已经成为两大相对独立、关系密切的工业系统，因此，集成电路设计理论与技术专业的教学重点，应当放在集成电路设计理论、技术与方法上面，而不应当把制造工艺、半导体物理和微电子学作为培养的核心与重点。
　　与其他工程技术相同，集成电路设计既具有科学性，也具有经验性。因此，在教学过程中，必须注重实验和实践性技术的学习。
　　对于高等院校的电子科学与技术、电子信息科学与技术、电子工程等专业的教学来说，必须满足集成电路设计人才培养的需要，重点培养学生集成电路设计理论与技术应用，为学生进行集成电路的工业设计提供坚实的基础。
　　二、本书的内容
　　数字集成电路具有规模巨大、元件众多的特点，因此，设计数字集成电路是一项十分复杂的工程。
　　数字集成电路设计可以分为两个主要部分。
　　第一部分是建立相应的描述模型并对其进行仿真测试，通过仿真测试检查所设计的逻辑描述模型是否符合设计规范的要求。这部分以硬件描述语言（HDL）为基本描述建模方法，通过HDL完成设计目标的逻辑结构和逻辑特性的描述，并通过仿真对所设计的逻辑结构进行测试验证。这一过程叫做逻辑设计和仿真。
　　第二部分是根据所建立的逻辑结构模型，完成相应电路设计和仿真测试。这一部分的任务是完成逻辑模型的物理实现。数字集成电路的物理实现技术有两种，一种是专用集成电路（ASIC）技术，另一种是版图流片技术。这两种实现技术具有很大不同，一个是以固定单元模块为基础，可以快速实现集成电路；另一个则是以版图设计为基础，必须通过制造技术才能实现集成电路。
　　上述两个设计工作部分之间具有相互协调、相互影响的关系。
　　本书包括了上述两部分的基本内容，通过学习本书并完成本书提供的练习和实验，可以初步掌握数字集成电路设计的核心，为今后的学习和设计工作提供基础。
本书内容安排如下：
　　第1章中提供了有关集成电路理论与技术的发展简史，对不同历史时期所使用的基本理论和技术进行了相应的介绍，目的是使读者能够明确当前的基本理论与基本技术，明确学习目标。
　　第2章比较全面地介绍了数字集成电路设计所涉及的基本概念、基本技术，其中包括模型概念和描述方法、数字集成电路设计的基本流程与相关技术，以及相应的仿真分析概念等。读者通过本章的学习，可以建立比较完整的数字集成电路设计技术概念，这是学习数字集成电路设计的基础。
　　第3章从逻辑和电路设计的角度，较详细地介绍了Verilog HDL的基本内容和使用方法。
　　第4章以Verilog HDL为基本工具，介绍了数字逻辑电路的描述方法，以及模型仿真分析的基本技术。
　　第5章对数字逻辑电路的HDL建模方法进行讨论，同时介绍了相应的仿真分析技术。这三章一起构成了数字集成电路设计技术的第一部分，即逻辑结构描述模型及其分析技术。同时，这三章也是进一步学习数字集成电路物理实现技术的重要基础。
　　第6章对数字集成电路的ASIC实现技术进行了讨论，重点介绍了用现场可编程门阵列（FPGA）/复杂可编程逻辑器件（CPLD）实现数字集成电路的基本方法。
第7章和第8章分别介绍了数字集成电路的结构设计技术和版图设计技术，其中包括MOS管设计分析方法、组合逻辑结构设计和触发器结构设计。这三章构成了数字集成电路设计技术的第二部分，即电路实现技术。
　　作为进一步学习的介绍，本书第9章讨论了数字集成电路设计中的规划问题，第10章讨论了数字集成电路IP核应用技术。
　　三、本书的特色与使用建议
　　本书采用的是“实践——认识——再实践”的编写结构，打破了重理论分析、实验提供验证的体系结构，突出了基础理论和基本概念的应用，突出了技术实践。同时，考虑到仿真分析已经成为现代电子技术和集成电路设计技术的基本分析技术，本书力求实现以仿真分析为基本分析方法、仿真工具为基本学习工具。正是在这样的特色基础之上，建议在教学过程中突出实验和仿真分析。
　　本书的基本内容经过北京交通大学电子科学与技术专业2001、2002、2003三届学生数字集成电路设计基础课程的使用，取得了宝贵的教学经验和较好的教学效果。
　　本书建议学时为48+16，其中48学时为教学学时，包括课程教学中必要的实验练习，16学时为课程设计学时，结合课程教学过程，完成一个完整的数字集成电路设计。每个学生的设计要求为，课程中完成一个独立数字电路的描述模型设计、仿真分析、逻辑综合、电路综合、FPGA实现的全过程，而在16学时的专用设计中，完成版图设计和仿真。对于学生来说，应当完成加法器、乘法器、存储器、ALU、复杂译码器等电路的设计，完成描述模型、逻辑仿真、逻辑综合和版图设计的全部内容。
　　本书还提供了练习与习题解答，同时还提供了基本电子教案。
　　本书第1、2、6、7、8、9、10章和附录由李哲英教授编写，第3、4、5章由骆丽教授编写，北京联合大学的钮文良副教授、姜余祥讲师、赵俊良讲师、陈婷婷讲师、韩玺助教和北京交通大学的刘元盛工程师参与本书部分章节、附录的部分内容和习题解答的编写工作，硕士研究生刘翔、李博、李争、李月梅、王亮、蒋昊、郝乐等对HDL模块和版图模块电路进行了测试。全书由李哲英统稿。
　　本书编写过程中得到了北京联合大学信息学院、北京联合大学微电子应用技术研究所和北京交通大学电子信息学院电子工程系的有关领导和教师的热情支持。北京联合大学信息学院鲍泓教授、李金平教授审阅了本书的全部内容，并提出了宝贵的建议。在本书编写过程中，东南大学王志功教授、北京航空航天大学张晓林教授、北京联合大学王毓银教授、北京理工大学罗伟雄教授都与作者讨论过相关的技术内容，这些讨论给作者以极大的启示。作者在此对他们表示衷心的感谢。
　　为了满足国内集成电路设计理论与技术专业的教学需要，作为一种尝试，本书在教学实践和广泛的国内外调研基础上，采用了仿真分析作为基本分析方法。在内容选取和安排上也与国内相关教材有较大的不同。由于作者水平有限，这种尝试会使本书存在一定的不足和错误，作者真诚地希望广大读者对本书提出宝贵的意见和建议。
　　“实践——认识——再实践”是学习现代技术的基本规律，也是使用本书的基本规律。


　　李哲英　
　　2007年3月　

集成电路设计理论与技术是现代工业的重要基础。本书包括了数字集成电路设计的两个主要部分，第一部分是建立相应的描述模型并对其进行仿真测试，通过仿真测试，检查所设计的逻辑描述模型是否符合设计规范的要求；第二部分是根据所建立的逻辑结构模型，完成相应电路设计和仿真测试。 本书特点： ●通过学习本书内容并完成本书所提供的练习和实践，可以初步掌握数字集成电路设计的核心内容。 ●为满足集成电路设计技术专业的教学需要，本书在教学实践的基础上，采用了仿真分析作为基本分析方法。 ●本书采用了“实践——认识——再实践”的编写结构，突出了对基础理论和概念的应用及技术实践。

前言
第1章　绪论 1
1.1　集成电路的发展历史 1
1.2　数字集成电路工艺的进展 5
1.3　数字集成电路设计中的新课题 6
1.4　数字集成电路设计技术的学习方法 8
1.4.1　掌握设计概念 8
1.4.2　掌握分析技术 10
第2章　数字集成电路设计概论 12
2.1　数字集成电路设计的基本内容 12
2.1.1　数字集成电路的实现方法 13
2.1.2　数字逻辑系统设计 13
2.1.3　数字逻辑电路设计 17
2.1.4　数字电路版图设计 18
2.2　数字集成电路设计流程 19
2.2.1　自顶向下的数字集成电路设计流程 19
2.2.2　系统级设计流程 21
2.2.3　电路级设计流程 25
2.2.4　版图级设计流程 26
2.3　CMOS数字电路 27
2.3.1　基本CMOS数字电路 27
2.3.2　CMOS数字电路的主要技术特性 27
2.4　数字集成电路设计基本技术 29
2.4.1　数字集成电路分层设计技术 29
2.4.2　仿真分析 30
2.5　Verilog HDL基本概念 36
2.5.1　数字电路系统的模型概念 37
2.5.2　硬件描述与仿真的基本概念 38
2.5.3　Verilog HDL的编程原则 41
本章小结 42
习题 43
第3章　Verilog HDL数字电路描述 44
3.1　数字电路的Verilog HDL描述概念 44
3.1.1　数字电路的描述方法 44
3.1.2　Verilog HDL中的时间描述 53
3.2　Verilog HDL编程规则 55
3.2.1　Verilog HDL中的数据与变量 55
3.2.2　Verilog HDL的算子与表达式 64
3.2.3　Verilog HDL的语句 73
3.2.4　控制结构 87
3.2.5　定时控制 91
3.2.6　编译指令 93
3.2.7　系统任务 99
3.3　Verilog HDL中的用户定义原语UDP 102
3.3.1　用户定义原语的基本概念 102
3.3.2　UDP中的逻辑结构体 103
3.3.3　用户定义原语UDP应用 110
本章小结 110
习题 111
第4章　数字逻辑模型与仿真分析 114
4.1　数字逻辑Verilog HDL模型 114
4.1.1　开关级模型 114
4.1.2　门级模型 122
4.1.3　行为级模型 127
4.2　数据流分析与数字逻辑模型应用 129
4.2.1　数据流结构分析 129
4.2.2　组合逻辑模型应用概念 131
4.2.3　时序逻辑模型应用概念 133
4.3　Verilog HDL模型仿真分析 135
4.3.1　Verilog HDL仿真的基础 135
4.3.2　组合逻辑的Verilog HDL仿真 140
4.3.3　时序逻辑的Verilog HDL仿真 142
本章小结 144
习题 145
第5章　数字电路的逻辑设计 147
5.1　数字逻辑系统设计与验证概念 147
5.1.1　数字逻辑系统设计 147
5.1.2　数字逻辑仿真验证与分析 148
5.2　组合逻辑电路设计与仿真 150
5.2.1　组合逻辑模型描述 150
5.2.2　组合逻辑电路的行为描述设计 154
5.3　同步时序逻辑设计 157
5.3.1　时序逻辑模型描述 157
5.3.2　门级描述设计 160
5.4　存储器设计与仿真 162
5.5　数字系统基本模块设计 162
5.5.1　多路选择器 163
5.5.2　数据比较器 164
5.5.3　串行加法器 166
5.5.4　超前进位加法器 169
5.5.5　乘加器 170
5.5.6　时钟分频电路 172
5.5.7　并串和串并转换电路 173
本章小结 178
习题 178
第6章　数字系统ASIC实现方法 180
6.1　FPGA/CPLD的基本特征 180
6.1.1　ASIC基本概念 180
6.1.2　可编程逻辑器件概述 181
6.1.3　FPGA/CPLD的应用特征 182
6.2　可编程器件结构 183
6.2.1　组合逻辑的电路结构 183
6.2.2　时序逻辑的电路结构 186
6.2.3　CPLD器件的基本结构 188
6.3　基于FPGA/CPLD的数字电路系统 192
6.3.1　基本应用技术 192
6.3.2　系统设计基本方法 197
6.3.3　应用开发系统Quartus II 205
本章小结 207
习题 207
第7章　数字集成电路结构设计 209
7.1　数字集成电路结构的图形描述 209
7.1.1　电路原理图 209
7.1.2　棒图 210
7.2　数字集成电路基本模块电路结构设计 213
7.2.1　基本门电路模块 213
7.2.2　组合逻辑电路设计方法 218
7.2.3　触发器逻辑电路模块 221
7.2.4　时钟电路 223
7.2.5　多米诺（domino）逻辑电路 224
7.3　数字集成电路的电路参数 225
7.3.1　CMOS的时间参数 225
7.3.2　CMOS的电阻与电容参数 229
7.3.3　内部连线的传输参数 230
7.3.4　CMOS的功率计算 234
7.4　加法器电路结构 236
7.4.1　基本加法器 236
7.4.2　超前进位加法器 236
7.5　乘法器电路结构 237
7.5.1　基本数字乘法器 238
7.5.2　串行乘法器 239
7.5.3　并行乘法器 239
本章小结 240
习题 240
第8章　CMOS数字集成电路版图设计 243
8.1　CMOS版图设计基本内容 243
8.1.1　数字集成电路综合技术 243
8.1.2　数字集成电路设计中的仿真技术 245
8.1.3　版图设计工具 250
8.2　基本元件设计 250
8.2.1　基本元件的设计概念 250
8.2.2　CMOS元件设计 251
8.2.3　无源元件参数分析 255
8.3　CMOS单元电路版图设计 259
8.3.1　单元电路版图设计规则 259
8.3.2　单元电路版图结构设计 262
8.3.3　单元电路参数抽取与仿真 264
8.3.4　单元电路功率损耗分析 265
8.3.5　可升级设计规则 265
8.4　数字集成电路布局分析 266
8.4.1　内部网络的信号传输特征 266
8.4.2　内部网络布局设计 267
8.5　存储器结构设计 269
8.5.1　存储器电路结构 269
8.5.2　存储器单元电路结构 271
8.5.3　存储器结构布局 277
8.5.4　存储器功率分析 277
8.6　管脚设计 277
8.6.1　数字集成电路对管脚的设计要求 278
8.6.2　集成电路管脚结构 279
本章小结 280
习题 280
第9章　数字集成电路设计中的规划 281
9.1　集成电路规划的概念 281
9.2　数字逻辑规划 284
9.2.1　功能规划 284
9.2.2　信号传输路径分析 286
9.3　电路规划 287
9.3.1　传输时间规划 287
9.3.2　电路结构规划分析 288
9.4　版图规划 289
本章小结 290
习题 291
第10章　数字集成电路IP核应用技术 292
10.1　IP核验证的基本概念 292
10.1.1　数字集成电路器件设计中的验证问题 292
10.1.2　IP核验证中的技术概念 295
10.2　IP核仿真测试 301
10.2.1　仿真基本概念 301
10.2.2　逻辑仿真验证的基本原理 304
10.2.3　仿真的验证能力 307
10.3　可复用IP软核测试 308
10.3.1　IP软核测试的基本概念 308
10.3.2　测试平台设计 309
10.3.3　验证文件 310
本章小结 310
习题 311
附录A　ModelSim简明使用手册 312
附录B　Microwind2操作说明 318