從算法到電路：數字芯片算法的電路實現

定　價：￥119.00

作　者：	白櫟旸
出版社：	機械工業(yè)出版社
叢編項：
標　簽：	暫缺

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ISBN：	9787111760788	出版時間：	2024-08-01	包裝：	平裝-膠訂
開本：	16開	頁數：		字數：

內容簡介

　　這是一本深入解讀基礎算法及其電路設計，以打通算法研發(fā)到數字IC設計的實現屏障，以及指導芯片設計工程師從底層掌握復雜電路設計與優(yōu)化方法為目標的專業(yè)技術書。任何芯片（如WiFi芯片、5G芯片、AI芯片、多媒體處理芯片等）都是由四則運算器、濾波器、特殊信號發(fā)生器等基本算法電路構成的，熟練掌握這些基本算法電路是實現復雜算法電路的基礎。忽視基本算法及其電路設計而談論復雜算法電路，無異于癡人說夢。本書力求從算法、芯片設計、軟件開發(fā)等多個角度解讀基礎算法電路的設計，涵蓋了溢出保護、有符號運算、浮點運算、位寬確定等運算電路基礎知識，以及除法器、信號發(fā)生器、濾波器、小數分頻器等常用基本算法電路的Matlab建模和RTL設計，可幫助數字IC設計者掌握常用算法設計思路、工具和流程，從根本上提高設計基本算法電路和復雜算法電路的能力。本書共分為12章。第1 ~ 2章介紹算法和芯片設計的基礎知識，包括算法與芯片設計的關系，芯片設計人員掌握算法知識的必要性，以及位寬確定、有符號數處理、浮點數運算、溢出保護和四舍五入等算法的實現。第3 ~ 11章重點介紹各種典型基本算法的電路設計，其中包括任何數字內容簡介這是一本深入解讀基礎算法及其電路設計，以打通算法研發(fā)到數字IC設計的實現屏障，以及指導芯片設計工程師從底層掌握復雜電路設計與優(yōu)化方法為目標的專業(yè)技術書。任何芯片（如WiFi芯片、5G芯片、AI芯片、多媒體處理芯片等）都是由四則運算器、濾波器、特殊信號發(fā)生器等基本算法電路構成的，熟練掌握這些基本算法電路是實現復雜算法電路的基礎。忽視基本算法及其電路設計而談論復雜算法電路，無異于癡人說夢。本書力求從算法、芯片設計、軟件開發(fā)等多個角度解讀基礎算法電路的設計，涵蓋了溢出保護、有符號運算、浮點運算、位寬確定等運算電路基礎知識，以及除法器、信號發(fā)生器、濾波器、小數分頻器等常用基本算法電路的Matlab建模和RTL設計，可幫助數字IC設計者掌握常用算法設計思路、工具和流程，從根本上提高設計基本算法電路和復雜算法電路的能力。本書共分為12章。第1 ~ 2章介紹算法和芯片設計的基礎知識，包括算法與芯片設計的關系，芯片設計人員掌握算法知識的必要性，以及位寬確定、有符號數處理、浮點數運算、溢出保護和四舍五入等算法的實現。第3 ~ 11章重點介紹各種典型基本算法的電路設計，其中包括任何數字芯片都必不可少的乘法器和除法器設計，在不同專業(yè)芯片領域有著廣泛應用的數字信號發(fā)生器、復數求模求角度運算器、普通濾波器、ΣΔADC中使用的抽取濾波器、基于ΣΔ結構實現的小數倍分頻器、CRC校驗器等。每個電路均給出了算法的浮點建模、定點建模、RTL以及TestBench仿真文件，并在理論上對ADC、頻率、濾波器以及電路結構拓撲進行深入解讀。部分電路給出了多種可選設計，并在面積和時序等方面進行了優(yōu)缺點分析。第12章介紹IEEE754浮點運算單元的設計，專為滿足具備標準協議格式的浮點運算核開發(fā)需求。其中涉及算法的內容較少，重點介紹協議實現、集成和應用。基于這一章設計得到的電路既可作為SoC芯片中的可編程浮點運算加速器，也可作為專用芯片的浮點運算硬核。

作者簡介

　　白櫟旸廈大通信系碩士，芯片設計與算法工程師，某知名企業(yè)WiFi芯片算法負責人。先后供職于多家知名芯片公司和創(chuàng)業(yè)團隊，從事數字電路架構和算法設計工作。具有豐富的數字IC設計經驗和算法研發(fā)經驗，長期與模擬設計團隊聯合設計數?；旌想娐?，擅長射頻電路相關數字校準算法設計以及SoC芯片的架構設計。主持研發(fā)的芯片累積產量已達上億顆。作為第一發(fā)明人獲授國家發(fā)明專利4項。著有《數字IC設計入門》等專業(yè)技術圖書。

圖書目錄

目　　錄
序
前言
第1章　芯片算法與數字電路設計　1
1.1　芯片研發(fā)的流程　1
1.1.1　芯片公司的分類　1
1.1.2　芯片設計流程　2
1.2　芯片數字電路設計與算法的關系　4
1.2.1　預研階段　4
1.2.2　系統架構確定階段　5
1.2.3　實際電路設計階段　5
1.3　芯片驗證與算法的關系　6
1.3.1　普通驗證　6
1.3.2　算法驗證　6
1.4　算法工具和數字開發(fā)工具　7
1.5　數字開發(fā)工程師掌握算法知識的必要性　8
1.5.1　算法的具象化　8
1.5.2　算法的定點化　8
第2章　數字電路設計的算法基礎　10
2.1　電路中有符號數的表示　10
2.1.1　無符號的信號對應的實體電路　10
2.1.2　有符號的信號對應的實體電路　11
2.1.3　補碼羅盤　12
2.1.4　補碼的優(yōu)勢　12
2.2　信號位寬　13
2.2.1　無符號整數信號的位寬　13
2.2.2　無符號浮點信號的位寬　13
2.2.3　有符號信號的位寬　14
2.2.4　特殊取值范圍的位寬處理　14
2.2.5　MSB和LSB　14
2.2.6　信號的范圍和精度　15
2.2.7　信號變化范圍的確定　15
2.2.8　運算結果的位寬　16
2.3　溢出保護　19
2.3.1　什么是溢出　19
2.3.2　是否需要溢出保護　19
2.3.3　無符號信號的溢出保護　20
2.3.4　有符號信號的溢出保護　22
2.4　截位與四舍五入　24
2.4.1　截位的數學本質　24
2.4.2　四舍五入的設計方法　25
2.5　浮點數在電路中的定點化　27
2.6　signed聲明和注意事項　28
2.7　從算法到RTL實現的轉化流程　32
第3章　加法電路設計　33
3.1　實現加法器的方法　33
3.2　全加器的實現　34
3.3　超前進位加法器的實現　37
3.4　邏輯優(yōu)化和面積對比　39
3.5　浮點數加法的電路實現　40
3.6　有符號數加法的電路實現　45
第4章　乘法電路設計　48
4.1　用綜合器實現乘法電路　48
4.2　基于加法迭代的乘法電路　53
4.3　基于CORDIC的乘法電路　63
4.3.1　CORDIC原理　64
4.3.2　線性坐標系對CORDIC通式的簡化　72
4.3.3　線性坐標系旋轉模式下的CORDIC運算　73
4.3.4　算法建?！?4
4.3.5　電路實現　80
4.4　不同實現方式的面積與性能比較　85
4.5　浮點乘法的電路實現　85
4.6　有符號數乘法的電路實現　88
第5章　除法電路設計　91
5.1　用綜合器實現除法電路　92
5.2　線性迭代除法電路　97
5.2.1　算法建?！?7
5.2.2　電路實現　105
5.3　基于CORDIC的除法電路　112
5.3.1　線性坐標系向量模式下的CORDIC運算　112
5.3.2　算法建?！?13
5.3.3　電路實現　120
5.4　不同實現方式的面積與性能比較　123
5.5　復數除法電路　125
5.5.1　復數的原理和應用　125
5.5.2　復數除法方案　126
5.5.3　電路實現　127
第6章　常用數字信號處理電路設計　131
6.1　基于CORDIC的正余弦波發(fā)生器　131
6.1.1　圓坐標系對CORDIC通式的簡化　131
6.1.2　圓坐標系旋轉模式下的CORDIC運算　132
6.1.3　算法建?！?33
6.1.4　電路實現　142
6.2　基于查表法的正余弦波發(fā)生器　147
6.2.1　查表法的優(yōu)缺點　147
6.2.2　查表數據的構造以及用腳本生成Verilog格式的方法　148
6.2.3　查表法結構設計　151
6.2.4　查表法與CORDIC法的面積對比　153
6.2.5　查表法對算法電路設計的啟示　154
6.3　反正切運算電路　155
6.3.1　圓坐標系向量模式下的CORDIC運算　155
6.3.2　算法建?！?56
6.3.3　電路實現　161
6.4　復數求模電路　162
6.4.1　算法原理　162
6.4.2　算法建?！?63
6.4.3　電路實現　170
第7章　濾波器基礎概念　174
7.1　頻率和相位　174
7.2　信息的傳遞方式　178
7.3　帶寬　183
7.4　濾波器的作用　185
7.5　濾波器的功能類型　186
7.6　濾波器關注的指標　186
7.7　濾波器的響應特性　188
7.8　濾波器的結構類型　190
7.9　FIR濾波器的結構　191
7.10　系統函數　193
7.11　一拍延遲對應的Z變換　194
7.12　在已知頻域響應的前提下求FIR的抽頭系數　195
7.13　相移濾波和頻譜奇對稱　196
7.14　頻譜復制情況下的抽頭　201
7.15　使用頻域掃描方式獲取濾波器抽頭的應用場景　202
第8章　濾波器電路設計　203
8.1　低通濾波器　203
8.1.1　濾波器設計工具　203
8.1.2　設計命題說明　209
8.1.3　抽頭個數和數值的確定　210
8.1.4　自動生成濾波器電路　213
8.1.5　手工編寫濾波器電路　215
8.1.6　低通濾波器的驗證　219
8.2　高通濾波器 223
8.2.1　抽頭個數和數值的確定 223
8.2.2　電路實現與驗證 224

第9章　ΣΔADC電路設計 226
9.1　ADC概述 226
9.1.1　ADC的本質 226
9.1.2　ADC的性能指標 227
9.1.3　ADC的參考電壓 230
9.1.4　ADC的符號 232
9.2　ΣΔADC的組成 232
9.3　簡單ΣΔ結構及其特征 233
9.4　復雜ΣΔ結構 239
9.4.1　高階噪聲濾波與一階噪聲濾波的性能比較 239
9.4.2　Mash1-1-1結構 240
9.4.3　Mash2-1-1結構 241
9.4.4　ΣΔ結構的算法建模 243
9.5　抽取濾波器概述 249
9.6　題設 253
9.7　濾波器的性能指標 254
9.8　CIC濾波器 255
9.8.1　濾波器結構 255
9.8.2　算法建模 256
9.8.3　電路實現 259
9.9　CIC補償濾波器 263
9.9.1　算法建模 263
9.9.2　電路實現 265
9.10　半帶濾波器 268
9.10.1　算法建模 268
9.10.2　電路實現 272
9.11　用CSD方法進行抽頭乘法運算 279
9.12　抽取濾波的整體效果 279

第10章　鎖相環(huán)小數倍分頻器的電路設計 286
10.1　鎖相環(huán)的基本結構 286
10.2　對ΣΔ結構的改進 287
10.3　電路實現與驗證 289

第11章　CRC校驗電路設計 298
11.1　校驗技術概述 298
11.2　CRC校驗原理 300
11.3　常用的生成多項式 302
11.4　用MATLAB計算CRC校驗信息 303
11.5　CRC的電路實現 304
11.6　CRC電路實現與CRC原理 310
11.7　校準結果的驗收 311
11.8　CRC的應用 313

第12章　 IEEE754浮點運算單元的設計 314
12.1　用數字硬件實現IEEE754浮點運算的意義 314
12.2　IEEE754的協議格式 315
12.3　IEEE754表示法中的特例 316
12.3.1　表示0的方法 316
12.3.2　表示無窮大的方法 317
12.4　 IEEE754浮點運算單元的結構 317
12.5　IEEE754解析器的設計 319
12.6　加減法處理單元的設計 320
12.7　乘法處理單元的設計 327
12.8　除法處理單元的設計 330
12.9　乘除法結構的改進措施 333
12.10　APB接口設計 334
12.11　模塊頂層設計 337
12.12　浮點運算單元的軟件驗證和性能對比 338