硬件架構的藝術：數(shù)字電路的設計方法與技術

目　　錄
譯者序
前　言
第1章　亞穩(wěn)態(tài)的世界1　
1.1　簡介1
1.2　亞穩(wěn)態(tài)理論1
1.3　亞穩(wěn)態(tài)窗口3
1.4　計算MTBF4
1.5　避免亞穩(wěn)態(tài)5
1.5.1　使用多級同步器6
1.5.2　使用時鐘倍頻電路的多級同步器6
1.6　亞穩(wěn)態(tài)測試電路7
1.7　同步器的類型8
1.8　亞穩(wěn)態(tài)/綜合性建議10
第2章　時鐘和復位11　
2.1　概述11
2.2　同步設計12
2.2.1　避免使用行波計數(shù)器12
2.2.2　門控時鐘12
2.2.3　雙邊沿或混合邊沿時鐘13
2.2.4　用觸發(fā)器驅(qū)動另一個觸發(fā)器的異步復位端13
2.3　推薦的設計技術14
2.3.1　避免在設計中出現(xiàn)組合環(huán)路14
2.3.2　避免數(shù)字設計中的延遲鏈16
2.3.3　避免使用異步脈沖產(chǎn)生器16
2.3.4　避免使用鎖存器17
2.3.5　避免使用雙沿時鐘20
2.4　時鐘方案22
2.4.1　內(nèi)部產(chǎn)生的時鐘22
2.4.2　分頻時鐘24
2.4.3　行波計數(shù)器25
2.4.4　多路時鐘25
2.4.5　同步時鐘使能和門控時鐘26
2.5　門控時鐘方法學28
2.5.1　不含鎖存器的門控時鐘電路28
2.5.2　基于鎖存器的門控時鐘電路30
2.5.3　門控信號32
2.5.4　重組數(shù)據(jù)路徑以減少轉(zhuǎn)換傳播32
2.6　復位信號的設計策略32
2.6.1　用同步復位進行設計33
2.6.2　使用異步復位進行設計36
2.6.3　帶異步復位和異步置位的觸發(fā)器38
2.6.4　移除異步復位的問題39
2.6.5　復位同步器40
2.6.6　過濾復位毛刺41
2.7　控制時鐘偏移42
2.7.1　短路徑問題43
2.7.2　時鐘偏移和短路徑分析43
2.7.3　使時鐘偏移最小化45
參考文獻49
第3章　處理多個時鐘50　
3.1　介紹50
3.2　多時鐘域50
3.3　多時鐘域設計的難題51
3.3.1　違背建立時間和保持時間52
3.3.2　亞穩(wěn)態(tài)53
3.4　多時鐘設計的處理技術53
3.4.1　時鐘命名法53
3.4.2　分塊化設計54
3.4.3　跨時鐘域54
3.5　跨時鐘域57
3.5.1　同頻零相位差時鐘57
3.5.2　同頻恒定相位差時鐘58
3.5.3　非同頻、可變相位差時鐘59
3.6　握手信號方法63
3.6.1　握手信號的要求64
3.6.2　握手信號的缺點64
3.7　使用同步FIFO傳輸數(shù)據(jù)65
3.7.1　同步FIFO架構65
3.7.2　同步FIFO的工作方式66
3.8　異步FIFO（或雙時鐘FIFO）68
3.8.1　避免用二進制計數(shù)器實現(xiàn)指針69
3.8.2　使用格雷碼取代二進制計數(shù)69
3.8.3　用格雷碼實現(xiàn)FIFO指針72
3.8.4　FIFO滿和FIFO空的產(chǎn)生76
3.8.5　雙時鐘FIFO設計79
參考文獻82
第4章　時鐘分頻器83　
4.1　介紹83
4.2　同步整數(shù)分頻器83
4.3　具有50%占空比的奇數(shù)整數(shù)分頻84
4.4　非整數(shù)分頻（非50%占分比）86
4.4.1　具有非50%占空比的1.5倍分頻86
4.4.2　4.5倍分頻計數(shù)器的實現(xiàn)（非50%占空比）87
4.5　N分頻的替換方法88
參考文獻89
第5章　低功耗設計90　
5.1　介紹90
5.2　功耗源90
5.3　在各設計抽象層次降低功耗91
5.4　系統(tǒng)級低功耗技術93
5.4.1　片上系統(tǒng)方法93
5.4.2　硬件/軟件劃分93
5.4.3　低功耗軟件95
5.4.4　選擇處理器96
5.5　體系結構級降低功耗技術97
5.5.1　高級門控時鐘97
5.5.2　動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)99
5.5.3　基于緩存的系統(tǒng)體系結構100
5.5.4　對數(shù)FFT體系結構100
5.5.5　異步(無時鐘)設計100
5.5.6　電源門控102
5.5.7　多閾值電壓105
5.5.8　多電壓供電106
5.5.9　存儲器電源門控106
5.6　在寄存器傳輸級降低功耗107
5.6.1　狀態(tài)機編碼和解碼107
5.6.2　二進制數(shù)表示法108
5.6.3　門控時鐘基礎109
5.6.4　獨熱碼多路器111
5.6.5　除掉多余的轉(zhuǎn)換112
5.6.6　資源共享114
5.6.7　使用行波計數(shù)器來降低功耗114
5.6.8　總線反轉(zhuǎn)117
5.6.9　高活躍度網(wǎng)絡118
5.6.10　啟用和禁用邏輯云119
5.7　寄存器級低功耗技術120
5.7.1　技術水平120
5.7.2　版圖優(yōu)化120
5.7.3　襯底偏壓120
5.7.4　減少氧化層厚度121
5.7.5　多氧化層器件121
5.7.6　利用定制設計減小電容121
參考文獻122
第6章　流水線的藝術123　
6.1　介紹123
6.2　影響最大時鐘頻率的因素124
6.2.1　時鐘偏移125
6.2.2　時鐘抖動125
6.3　流水線127
6.4　解釋流水線——一個真實的例子129
6.5　來自于流水線的性能提高130
6.6　DLX指令集的實現(xiàn)133
6.7　流水線對吞吐率的影響137
6.8　流水線原理138
6.9　流水線冒險138
6.9.1　結構冒險139
6.9.2　數(shù)據(jù)冒險140
6.9.3　控制冒險143
6.9.4　其他風險144
6.10　ADC中的流水線——一個例子145
參考文獻146
第7章　處理字節(jié)順序147　
7.1　介紹147
7.2　定義147
7.3　小端模式或大端模式：哪個更好149
7.4　處理字節(jié)順序不匹配的問題151
7.5　訪問32位存儲器152
7.6　處理字節(jié)順序不匹配153
7.6.1　保持數(shù)據(jù)完整性（數(shù)據(jù)不變）154
7.6.2　地址不變156
7.6.3　軟件字節(jié)交換158
7.7　字節(jié)順序中性代碼159
7.8　字節(jié)順序中性編碼指南159
參考文獻160
第8章　消抖技術161　
8.1　簡介161
8.2　開關行為162
8.3　開關種類163
8.4　消抖164
8.4.1　RC消抖164
8.4.2　硬件消抖電路168
8.4.3　軟件消抖電路169
8.4.4　消抖指南171
8.4.5　在多重輸入下消抖172
8.5　現(xiàn)有的解決方案173
第9章　電磁兼容性能設計指南175　
9.1　簡介175
9.2　定義175
9.3　電磁干擾理論及與電流和頻率之關系177
9.4　電磁干擾的規(guī)程、標準和認證178
9.5　影響集成電路抗干擾性能的幾個因素179
9.5.1　作為噪聲源的微控制器179
9.5.2　影響電磁兼容性的其他因素180
9.5.3　噪聲載體181
9.6　減少EMC/EMI的技術181
9.6.1　系統(tǒng)級技術182
9.6.2　板級技術184
9.6.3　微控制器級技術193
9.6.4　軟件層級技術196
9.6.5　其他技術203
9.7　總結204