高速数字系统设计-科大版
高速数字电路设计
高速数字电路设计高速数字电路设计是现代电子工程领域的重要分支，它涉及到数字系统的设计和实现。
高速数字电路使用数字信号进行信息传输和处理，并且具有快速响应速度、高精度和低功耗的特点。
在数字通信、计算机网络、信息处理以及人工智能等领域中，高速数字电路都扮演着重要的角色。
在高速数字电路设计中，首先需要对数字电路的需求进行系统分析和规划。
这一步骤通常包括对数字信号处理要求的理解，对传输带宽和速度的确定，以及对系统的可靠性和稳定性的考虑。
根据这些要求，设计师可以选择合适的数字电路结构和器件。
接下来，设计师需要进行电路的逻辑设计。
这一步骤包括选择适当的逻辑门和触发器，以及确定电路的连接方式。
设计师需要保证电路的逻辑正确性和稳定性，并且尽可能地减少延迟和功耗。
在这个阶段，数字电路的性能和功能都被决定了。
在逻辑设计之后，接下来是电路的物理设计。
这一步骤包括布局和布线两个方面。
设计师需要将电路组件放置在适当的位置，以最大限度地减少相互干扰和延迟。
然后，设计师需要进行布线，将电路连接起来，并且尽可能地减少信号传输路径的长度和功耗。
最后，设计师需要对设计的电路进行仿真和验证。
这一步骤通常使用专业的电路仿真工具来进行，以模拟电路的性能和功能。
设计师可以通过仿真来验证电路的可靠性和稳定性，并对电路进行优化。
在高速数字电路设计中，设计师还需要注意一些常见的问题。
例如，时钟信号的同步和分配、噪声和干扰的抑制、功耗和散热控制等。
这些问题都会对电路的性能和可靠性产生影响，设计师需要采取相应的措施来解决这些问题。
总结起来，高速数字电路设计是一个综合性的任务，需要设计师具备深厚的电子学知识和技术。
通过合理的系统分析、逻辑设计、物理设计和仿真验证，设计师可以设计出满足系统要求的高速数字电路。
这些电路在现代技术领域中具有广泛的应用，对推动数字化进程和提升信息处理能力起到重要作用。
高速数字电路设计是现代电子工程领域的重要分支，它涉及到数字系统的设计和实现。
通信电子中的高速数字设计
通信电子中的高速数字设计随着科技的不断发展，通信电子设备得到了广泛的应用。
特别是在数字通信领域，高速数字设计已经成为了一种极为重要的技术。
在现代通信电子设备中，高速数字设计可以提高系统的工作速度，同时还可以保证数据的准确传输和处理，对于保证通信系统的稳定性和可靠性具有至关重要的作用。
高速数字设计是一项复杂的工作，它需要结合各种数字电路设计原理和信号处理技术，同时考虑到系统的稳定性、可靠性和性能因素。
高速数字电路的基本设计包括信号传输的传输线、时钟信号的分频、时序逻辑电路等，这些都是数字信号的主要组成部分。
首先，我们需要了解高速数字电路的基本原理。
在数字系统中，信号都是由二进制编码表示的，以0和1两种状态来表示信息的传递。
在传输过程中，数字信号会遭遇各种干扰，如噪声、电平变化、交叉耦合等，这些干扰都会影响到数字信号的传输质量，可能导致传输错误或系统崩溃。
因此，高速数字设计需要考虑信号传输质量的问题。
传输线是数字信号传输的主要通道，正确的传输线设计可以有效地提高数字信号的传输速度和抗干扰能力。
通常，高速数字传输线采用微带线或同轴线等结构，以减少传输线的传输延迟和信号失真。
同时，在信号输入端和输出端加上阻抗匹配电路，可以增强传输信号的稳定性和可靠性。
其次，高速数字设计还需要考虑时钟信号的分频。
时钟信号是数字系统中的一个重要部分，它控制着系统的时序，包括数据传输和处理等方面。
但是，在高速数字系统中，时钟信号的频率非常高，会导致系统时钟滞后或者同步信号不准确，因此，我们需要对时钟信号进行分频。
分频的原理是将时钟信号进行除法处理，使其变得更加精确和稳定。
这样可以有效地降低系统时钟信号的频率，减少同步误差和时钟偏差，提高系统运行的稳定性。
同时，通过分频的方式可以实现更高速的系统时钟率，提高系统的传输速度和处理能力。
最后，高速数字设计中还需要考虑时序逻辑电路的设计。
时序逻辑电路是指能够在特定的时序条件下执行特定操作的电路。
高速数字设计英文版pdf
高速数字设计英文版pdfTitle: High-Speed Digital Design English Version PDFIntroduction:In the rapidly advancing field of digital design, it is essential to stay updated with the latest techniques and practices. One valuable resource for acquiring knowledge in this area is the High-Speed Digital Design English Version PDF. This article aims to provide an accurate and comprehensive overview of the content covered in this PDF. The structure of the article will include an introduction, main body with six major points, and a conclusion.Main Body:1. Importance of High-Speed Digital Design:1.1 Understanding the significance of high-speed digital design in modern electronic systems.1.2 Exploring the challenges and complexities associated with high-speed digital design.1.3 Recognizing the impact of design choices on signal integrity, power consumption, and performance.2. Signal Integrity:2.1 Explaining the concept of signal integrity and its importance in high-speed digital design.2.2 Discussing techniques for minimizing signal degradation, such as impedance matching and controlled impedance routing.2.3 Highlighting the role of transmission lines, terminations, and decoupling capacitors in maintaining signal integrity.3. Power Distribution and Grounding:3.1 Addressing the significance of proper power distribution and grounding techniques.3.2 Exploring the impact of power and ground noise on signal quality.3.3 Discussing strategies for minimizing power and ground noise, including power plane design and decoupling capacitors.4. High-Speed PCB Layout:4.1 Describing the key considerations for high-speed PCB layout, including component placement and trace routing.4.2 Discussing the importance of controlled impedance traces and differential signaling.4.3 Exploring techniques for reducing crosstalk and electromagnetic interference (EMI).5. Clock and Timing:5.1 Understanding the challenges associated with clock and timing signals in high-speed digital design.5.2 Exploring techniques for minimizing clock skew and jitter.5.3 Discussing the use of clock distribution networks and phase-locked loops (PLLs) for precise timing control.6. EMI and EMC Considerations:6.1 Explaining the concepts of Electromagnetic Interference (EMI) and Electromagnetic Compatibility (EMC).6.2 Discussing the importance of shielding, grounding, and proper PCB layout for EMI/EMC compliance.6.3 Highlighting the role of EMI filters and ferrite beads in reducing electromagnetic emissions.Conclusion:In conclusion, the High-Speed Digital Design English Version PDF provides valuable insights into the complexities and challenges associated with high-speed digital design. It covers various aspects, including signal integrity, power distribution, PCB layout, clock and timing, and EMI/EMC considerations. By understanding and implementing the principles discussed in this PDF, engineers can enhance the performance, reliability, and efficiency of their high-speed digital designs.Note: Unfortunately, as an AI language model, I cannot provide the actual PDF. However, you can search for it using the title mentioned in this article.。
工程类西安电子科大数字电路与逻辑设计
信道编码：数字电路与逻辑设计可以实现各种信道编码算法，如卷积码、LDPC码等，提高 通信系统的可靠性。
数字信号的传输：数字电路与逻辑设计在数字信号的传输中起到关键作用，如基带传输、频 带传输等。
数字电路与逻辑 设计在工业控制 系统中用于实现 自动化控制，如 电机控制、温度
团队合作：在课程设计和实验中，与同学合作，共同完成项目，提高团队协作能力。
教材：选择一本经典的教材，如《数字电路与逻辑设计》 在线课程：利用中国大学MOOC、网易云课堂等平台学习相关课程
实践项目：参与数字电路设计相关的实践项目，如FPGA设计、嵌入式系统开发等
论坛交流：加入数字电路与逻辑设计相关的论坛，与其他学习者交流心得
实验内容：组合逻 辑电路、时序逻辑 电路、可编程逻辑 器件等
实验方法：通过搭 建电路、编写程序 、测试与调试等步 骤完成实验
数字钟的设计与实现 抢答器的设计与实现 交通信号灯的控制逻辑设计 数字频率计的电路设计与实现
数字电路与逻辑设 计的课程学习建议
掌握数字电路 与逻辑设计的 基本概念和原
数字电路与逻辑设计
汇报人：XX
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数字电路与逻辑设计 的基本概念
数字电路与逻辑设计 的基本原理
数字电路与逻辑设计 的实际应用
数字电路与逻辑设计 的实验与实践
数字电路与逻辑设计 的课程学习建议
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数字电路与逻辑设 计的基本概念
数字电路的定义：处理离散信号的 电路，通常以二进制形式表示数据。
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分类：根据逻辑功能的不同，逻辑 门电路可以分为与门、或门、非门、 与非门、或非门等类型。
高速数字系统设计-科大版
2012-2-13
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中国科技大学 快电子学 安琪
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授课老师
安琪
武杰
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中国科技大学 快电子学 安琪
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联系方式
安琪： 近代物理系 快电子学实验室 办公室：近代物理楼 506室 电话： 3601925
Email： anqi@
课件： 研究生教育/网络教学平台/课程展示/理学院
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Moore’s Law的描述
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中国科技大学 快电子学 安琪
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Intel’s Tera-Scale Research Prepares for Tens, Hundreds of Cores
1012（万亿）
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中国科技大学 快电子学 安琪
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中国科技大学 快电子学 安琪
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时序设计比较
数据来源：Mentor Graphics “Advanced Routing Techniques: The Importance of Timing”, April 2003
2012/2/13 中国科技大学 快电子学 安琪 33
信号电平发展趋势
李玉山 李丽平 等译，电子工业出版社，2004.10
Digital Signal Integrity: Modeling and Simulation with Interconnects & Packages
By Brian Young
Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance
一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计
现代电子技术Modern Electronics TechniqueMay 2024Vol. 47 No. 102024年5月15日第47卷第10期0 引 言空间带电粒子中有许多成分[1⁃2]，主要包含来自外空间射向地球的银河宇宙射线、太阳高能粒子和地球磁场捕获的高能粒子。
其中银河宇宙射线来自于太阳系以外的宇宙射线，是被星际磁场加速到达地球空间的高能带电粒子，包含质子、α粒子、重离子等[3]；太阳上发生耀斑时会发射出高能带电粒子，主要成分是质子、少量的重离子[4]；地球磁场俘获大量的高能粒子，在地球周围形成6~7个地球半径的粒子辐射区，称为Van Allen 带，包含质子、电子、重离子等[5⁃7]。
在这些带电粒子中，单粒子效应首要关注的是重离子引起的电离[8⁃9]，本文所开展的试验就是模拟宇航空间环境。
单粒子效应是指单个高能粒子穿过集成电路灵敏区时，造成电路状态非正常改变的一种辐射效应，常见的单粒子效应包括单粒子锁定（Single⁃Event Latch up, SEL ）、单粒子翻转（Single⁃Event Upset, SEU ）、单粒子功能中断（Single⁃Event Functional Interrupt, SEFI ）等。
其中单粒子锁定是高能粒子入射到电路，导致电路产生异常突变电流，主要发生于CMOS 电路中[10]；单粒子翻转是高能粒子作用于集成电路，使得电路逻辑状态发生异常变化，一般发生在数据存储或指令相关电路中；单粒DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2024.10.011引用格式：魏亚峰，蒋伟，陈启明，等.一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计[J].现代电子技术，2024，47（10）：57⁃63.一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计魏亚峰1， 蒋 伟1， 陈启明2， 孙 毅3， 刘 杰4， 李 曦1， 张 磊1（1.重庆吉芯科技有限公司， 重庆 400060； 2.中国原子能科学研究院， 北京 102400；3.北京卫星环境工程研究所， 北京 102400；4.中国科学院兰州近代物理研究所， 甘肃 兰州 730000）摘 要： 时钟分配电路是电子系统中信号处理单元参考时钟及多路时钟分配的关键元器件，其跟随系统在宇宙空间中容易受宇宙射线辐照发生单粒子效应，进而影响系统性能指标甚至基本功能。
高速数字设计教程-Ch1_基本知识(2)
高速数字系统设计2006年2月22日第一章基本知识1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）1-2 频率与时间1-3 时间与距离1-4 -3dB频率与上升时间1-5 集总系统与分布系统1-6 四种电抗1-7 高速数字系统中的电阻、电容和电感元件中国科大快电子学安琪21-2 频率与时间电路元件的参数是对频率敏感的，在不同的频率范围内会表现出来不同的特性。
任何一种电参数，其数值仅在一定的频率范围内有效。
某参数f中国科大快电子学安琪3几种无源元件的阻抗中国科大快电子学安琪4考虑两个极端情况：1. 一个频率为10-12的正弦波波形变化一个周期需要3万年。
若输入到TTL电路，其输出电压每天变化不到1µV。
任何一个包含这样低频率的半导体器件的试验都会以失败而告终。
在这样长的时间尺度来看，集成电路只是一小块氧化硅。
2. 一个频率为1012的正弦波信号周期为1ps，数字电路根本无法响应这个频率的信号。
一些电路参数发生变化。
如地线的电阻由于趋肤效应由0.01Ω（1KHz）变为1Ω，并且还获得50Ω的感应电抗。
中国科大快电子学安琪5中国科大快电子学安琪6到底多高的频率会影响到高速数字电路的设计呢？要处理的高速数字信号的频带宽度是多少？中国科大快电子学安琪7频域'时域频域中的每个谐波分量都是时域中定义在t ＝－∞到＋∞上的正弦波。
将所有频率的正弦波在时域中的每个时间点上进行叠加，就可以得到时域中的波形。
任何一个时域的信号，都可以用一系列相应的正弦波叠加而成。
中国科大快电子学安琪8频域时域0次＋1次谐波0次＋1次＋3次谐波叠加比较：频域 时域叠加比较：随着参与叠加的谐波分量的增加，方波的顶端更平滑，上升时间更短，越接近理想方波。
对于实际的波形，包含的谐波分量越多，或者说信号带宽越高，信号的上升时间就越小。
带宽的概念本身是一个近似。
中国科大快电子学安琪9要解决的问题考虑信号带宽的定义，或者说找到一个谐波分量，其上更高的谐波分量对信号的近似的影响可以忽略。
高速数字信号处理器中的算术逻辑单元设计与实现
高速数字信号处理器中的算术逻辑单元设计与实现在现代科技发展的浪潮下，高速数字信号处理器（DSP）成为了各个领域中不可或缺的重要组成部分。
而在DSP的核心中，算术逻辑单元（ALU）的设计与实现显得尤为重要。
本文将探讨高速DSP中ALU的设计与实现的关键问题。
首先，我们需要了解ALU的基本功能。
ALU是一种用于执行算术和逻辑运算的电路。
它通常包括加法器、减法器、乘法器、除法器以及逻辑门等。
在高速DSP中，ALU的设计要考虑到运算速度、功耗和面积等因素。
在高速DSP中，加法器是最基本且最常用的运算单元之一。
因此，设计一个高效的加法器对于DSP的性能至关重要。
常见的加法器有全加器、并行加法器和快速加法器等。
全加器是最基本的加法器，但其速度较慢。
并行加法器通过将加法操作划分为多个子操作来提高运算速度，但其面积较大。
快速加法器则是一种折衷方案，通过结合并行和串行的操作来提高运算速度和降低面积。
在高速DSP中，选择合适的加法器设计方案至关重要。
除了加法器之外，乘法器也是高速DSP中不可或缺的运算单元。
乘法器的设计复杂度较高，通常采用乘积累加器（MAC）实现。
MAC是一种将乘法和累加操作结合在一起的电路。
在设计乘法器时，需要考虑到乘法的精度、运算速度和功耗等因素。
同时，还需要采用合适的算法和优化技术，以提高乘法器的性能。
除了加法器和乘法器之外，逻辑门也是高速DSP中的重要组成部分。
逻辑门用于执行与、或、非等逻辑运算。
在高速DSP中，逻辑门的设计要考虑到运算速度和功耗等因素。
常见的逻辑门有与门、或门、非门和异或门等。
在设计逻辑门时，需要采用合适的逻辑电路结构和布线技术，以提高逻辑门的性能。
除了以上提到的基本运算单元，高速DSP中还需要考虑到数据通路、控制单元和存储单元等因素。
数据通路用于连接各个运算单元，传输数据和控制信号。
控制单元用于控制运算单元的工作状态和时序。
存储单元用于存储数据和指令。
在设计高速DSP时，需要合理设计这些单元之间的连接和交互方式，以提高DSP的整体性能。
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关键的性能瓶颈：CPU主频、内存访问速度以及I/O访问速度之间的发展差距
2012/2/13
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Intel® Core™ Duo Processor Microprocessor Architecture
2012/2/13
中国科技大学 快电子学 安琪
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Intel® Pentium® processor Extreme Edition 955
数据来源：Intel
中国科技大学 快电子学 安琪 15
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Moore’s Law的描述
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Moore’s Law的描述
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“Moore’s Law remains a fundamental enabler of our growth, & it’s alive and well at Intel. But the way we and our customers look at Moore’s Law has changed. Moore’s Law isn’t just about more transistors. It’s also about how creatively you use those transistors.
By Stephen H. Hall, Garrett W. Hall & James A. McCall
中文版： “高速数字系统设计” －互连理论和设计实践手册 伍 微 等译，机械工业出版社，2005.3 Signal Integrity: Simplified
By Eric Bogatin
中文版：信号完整性分析
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课程目的与内容
本课程不讨论任何具体的数字电路设计，它的重点是介绍和解 释与高速数字系统设计中相关的电路基本理论和模拟电路原理。这 些电路基本理论和模拟电路原理都与高速数字系统的信号传输时如 何保证“信号完整性（Signal Integrity）”的理论、方法和技术 相关。 课程学习特别强调高速数字系统中“无源元件”的行为。这些 无源元件包括了电路板（PCB）、接线、芯片封装，甚至是电路板 上的一个过孔，或是一个接地垫片。在低速时它们可能根本不起眼， 但在高速应用时却直接影响着电路的性能，甚至决定着系统的工作 与否。 “信号完整性（Signal Integrity）”概念将在本课程中贯穿始终， 我们所讨论的一切均都是为了保证在高速数字系统设计中信号的完 整性。
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Moore’s Law的描述
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Intel’s Tera-Scale Research Prepares for Tens, Hundreds of Cores
1012（万亿）
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The Intel 4004 Processor
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Pentium@4
3.8 GHz
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Intel’s Processors
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Moore’s Law
Dr. Gordon E. Moore is one of The new breed of electronic engineers, He earned a B.S. degree in chemistry from the Univ. of California and a Ph.D. degree in physical chemistry from the California Institute of Technology. He was one of the founders of Fairchild Semiconductor and has been director of the research and development lab. since 1959.
李玉山 李丽平 等译，电子工业出版社，2004.10
Digital Signal Integrity: Modeling and Simulation with Interconnects & Packages
By Brian Young
Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance
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中国科技大学 快电子学 安琪
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时序设计比较
数据来源：Mentor Graphics “Advanced Routing Techniques: The Importance of Timing”, April 2003
2012/2/13 中国科技大学 快电子学 安琪 33
信号电平发展趋势
32 纳米Westmere晶圆
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进军22nm工艺
32nm 2009： Westmere系列：6核，2010 普及， 2011： SandyBridge：嵌入6代GPU 22nm 2011： IvyBridge，在结构上和 SandyBridge保持一致； 2012： 第二代的Haswell 系列， 预计将第一次出现八核 处理器。
FPGA输入输出（I/O）管脚模型 连接器模型 PCB连线的传输线模型 Mentor Graphics ICXTM和HyperLynx@设计工具：SI分析
Multi-Gigabit Data
FPGA
Virtex-II ProTM
FPGA
Virtex-II ProTM
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嵌入式无源元件设计
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FPGA-on-Board Integration
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例： RocketIO Design Kit
Xilinx & Mentor Graphics 仿真PCB 板上FPGA之间数千兆位（Multi-Gigabit）数据的传输
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What is Signal Integrity ?
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教材
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作者简介
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参考书目
Dr. Howard Johnson Howie03@
By Mark I. Montrose
MECL System Design Handbook
By MOTOROLA Inc.
2012/2/13 中国科技大学 快电子学 安琪 9
其它参考书目
The Circuit Designer’s Companion
By Tim Wiliams 中文版：电路设计技术与技巧 周玉坤 靳济方 徐 宏 等译 电子工业出版社，2006.5
顾海洲 马双武 著， 清华大学出版社
Perfect Timing—A Design Guide for Clock Generation and Distribution
By CYPRESS Inc.
2012/2/13 中国科技大学 快电子学 安琪 10
Why
We must understand “Signal Integrity” in high speed digital design
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总线系统的发展趋势
PCI Express RapidIO
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PCB板设计复杂性呈加速发展
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中国科技大学 快电子学 安琪
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高密度PCB板设计
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Signal Integrity Issues & Printed Circuit Board Design By Eric Bogatin 中文版：信号完整性问题和印刷电路板设计 刘雷波 赵岩 译，机械工业出版社，2005.8 高速数字电路设计与噪声控制技术
谢金明 编著， 电子工业出版社
PCB电磁兼容技术－设计实践
中国科技大学 快电子学 安琪
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System on Chip: SoC
ASIC SoC
FPGA
2012/2/13
中国科技大学 快电子学 安琪
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技术仍在不断发展
The semiconductor industry moves from “more Moore” to “more than Moore.”
Paul S. Otellini －President & Chief Operating Officer, Intel
摩尔定律指的是 系统性能的提高，而 不仅仅指半导体。
Processing Power
Decreasing Costs
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