计算电路原理与架构

本书入选“十四五”国家重点图书出版项目和2025年国家出版基金项目支持。作者根据多年的科研和工程经验，系统介绍了计算电路的原理、架构和设计方法，弥补了芯片设计知识体系中从逻辑电路到计算电路之间的空白，为从事集成电路设计、AI芯片设计的研究人员提供了详实的参考。

本书以数的系统、计算电路、数字信号与电路系统为基础，以复杂数字计算系统为应用背景，重点研究和讨论计算电路中涉及的数的基本概念、计算电路基础、电路计算机制、复杂计算电路、数字信号处理、概率计算算法架构、有限域运算以及片上系统的架构与优化等内容。本书综合性高、实践性强、体系完整，可作为从事集成电路设计、芯片设计相关技术人员的参考书，也适合作为高校电子信息、计算机和集成电路设计等专业的教材。

李洪革 ，北京航空航天大学教授、博士生导师 ；IEEE\IEICE\SID\CCF\电子学会高级会员，国家多部门专家委员，集成电路设计专委会委员、密码芯片专委会委员等 ；研究领域为集成电路设计、AI智能芯片与计算 ；发表集成电路与智能计算等相关领域的论文近100篇，包括北航研究成果首篇的国际集成电路领域顶级期刊 IEEE Jouranl of Solid-State Circuits (IEEE JSSC,国际固体电路学报)、TVLSI、TCASII、JDT、ESL、TEMC、ISCAS以及Neurocomptuing等；出版专业教材专著4部。主持和承担多项国家级科研项目，国家重点专项、国家自然基金项目、国家预研基金、北京市科委重点项目、973/863课题负责人等； 申请国家专利30余项，其中获发明及实用新型专利授权25项 ，申请国际专利2项；获省部级科技进步、发明奖三项。

推荐序<br />前言<br />第1章计算电路概要<br />1.1计算机器<br />1.2MOS器件基础<br />1.2.1MOS管<br />1.2.2CMOS逻辑门<br />1.3电路设计基础<br />1.4总结和展望<br />思考题<br />第2章数的系统<br />2.1数的表示<br />2.1.1数的基<br />2.1.2基数转换<br />2.1.3数的编码<br />2.2冗余数系统<br />2.2.1冗余数基础<br />2.2.2冗余数编码<br />2.2.3数集的转换<br />2.3剩余数系统<br />2.3.1算术基础<br />2.3.2剩余数电路<br />2.4概率数系统<br />2.4.1概率数<br />2.4.2概率计算电路<br />2.5定点数与浮点数<br />2.6基本数学概念<br />思考题<br />第3章算术电路基础<br />3.1组合逻辑电路<br />3.1.1逻辑门基础<br />3.1.2组合逻辑变换<br />3.1.3基本逻辑电路<br />3.1.4其他逻辑电路<br />3.2加减法电路<br />3.2.1半加器<br />3.2.2全加器<br />3.2.3减法器<br />3.2.4递加递减电路<br />3.3基础加法器<br />3.3.1行波进位加法器<br />3.3.2曼彻斯特加法器<br />3.3.3位串行加法器<br />思考题<br />第4章高速加法器<br />4.1进位传播加法器<br />4.1.1超前进位加法器<br />4.1.2条件求和加法器<br />4.1.3进位选择加法器<br />4.1.4进位旁路加法器<br />4.2并行前缀加法器<br />4.2.1前缀加法<br />4.2.2常见的并行前缀加法器<br />4.3多操作数加法器<br />4.3.1无进位加法<br />4.3.2进位保留加法器<br />4.3.3华莱士树<br />4.3.4其他多输入数加法器<br />4.4冗余数加法<br />4.4.1冗余数<br />4.4.2冗余数运算<br />4.4.3混合基-2加减法<br />思考题<br />第5章乘法计算与电路<br />5.1求和移位乘法<br />5.1.1求和移位<br />5.1.2求和移位乘法器<br />5.2再编码乘法<br />5.2.1BOOTH算法<br />5.2.2再编码算法<br />5.2.3高基BOOTH乘法<br />5.3阵列乘法器<br />5.3.1无符号阵列乘法<br />5.3.2补码阵列乘法<br />5.3.3Baugh-Wooley乘法器<br />5.3.4BOOTH阵列乘法<br />5.4其他乘法器<br />5.4.1平方乘法器<br />5.4.2大位宽整数乘法<br />5.4.3截位乘法器<br />思考题<br />第6章除法计算电路<br />6.1基本除法<br />6.1.1恢复除法<br />6.1.2不恢复除法<br />6.2SRT除法<br />6.2.1SRT除法基础<br />6.2.2边界及连续条件<br />6.2.3进位保留除法<br />6.2.4高基数除法<br />6.3阵列结构<br />6.3.1带恢复阵列除法<br />6.3.2不恢复阵列除法<br />6.3.3SRT阵列除法<br />6.4收敛逼近法<br />6.4.1Goldschmidt除法<br />6.4.2牛顿-拉夫逊除法<br />6.5除法器的分类<br />思考题<br />第7章数字信号处理<br />7.1基本概念<br />7.1.1图的表示<br />7.1.2树和割集<br />7.1.3路径参数<br />7.1.4数字滤波器<br />7.2流水线与并行处理<br />7.2.1流水线<br />7.2.2并行处理<br />7.3重定时<br />7.3.1重定时基础<br />7.3.2割集重定时<br />7.3.3降速重定时<br />7.4脉动阵列<br />7.4.1脉动阵列基础<br />7.4.2脉动阵列的设计<br />7.4.3二维脉动阵列<br />7.5乘累加计算<br />7.5.1卷积计算<br />7.5.2分布式计算<br />7.5.3位串行乘法<br />思考题<br />第8章有限域运算<br />8.1有限域基础<br />8.1.1基本概念<br />8.1.2有限域多项式运算<br />8.2多项式运算电路<br />8.2.1加法电路<br />8.2.2乘法电路<br />8.2.3GF（2n）乘法<br />8.3密码芯片电路的设计<br />第9章概率及混合概率计算<br />9.1概率计算概述<br />9.1.1概率计算的起源<br />9.1.2概率计算电路的实现<br />9.2传统概率计算优化<br />9.2.1算术运算优化<br />9.2.2编码优化<br />9.3混合概率计算及电路<br />9.3.1混合概率计算简介<br />9.3.2混合概率运算单元<br />9.3.3混合概率计算的噪声容错<br />9.4混合概率计算的实现<br />9.4.1不同数系的计算<br />9.4.2复杂函数的计算方法<br />9.4.3带噪图像的处理<br />9.4.4混合概率计算神经网络加速器<br />第10章片上系统<br />10.1SoC简介<br />10.1.1SoC的架构<br />10.1.2软硬件协同设计<br />10.1.3芯片系统的开发<br />10.2SoC片上总线<br />10.2.1Wishbone总线<br />10.2.2AMBA总线<br />10.2.3TileLink总线<br />10.3SoC指令的编译执行<br />10.3.1SoC的计算过程<br />10.3.2系统编译过程<br />10.3.3系统机器码生成<br />10.4RISC-V核单元<br />10.4.1RISC-V核简介<br />10.4.2RISC-V指令集<br />10.5SoC的验证测试<br />10.5.1SoC模块仿真<br />10.5.2RISC-V系统验证<br />10.5.3SoC芯片测试<br />参考文献