具体描述
内容简介
《PLD系统设计入门与实践/电子电路设计丛书》的内容包括基础篇和实践篇两部分共11章。基础篇主要介绍EDA技术概述、可编程逻辑器件PLD、VHDL语言、Verilog HDL语言、ISE软件、Quartus Ⅱ软件、SOPC设计入门等;实践篇介绍了PLD开发实验系统、组合逻辑电路实验、时序逻辑电路实验、PLD设计实例等内容。 目录
第1章 EDA技术概述
1.1 EDA技术的涵义
1.2 EDA技术的发展历程
1.3 EDA技术的主要内容
1.3.1 可编程逻辑器件
1.3.2 硬件描述语言
1.3.3 EDA软件开发工具
1.3.4 实验开发系统
1.4 数字系统的设计
1.4.1 数字系统的设计模型
1.4.2 数字系统的设计准则
1.4.3 数字系统的设计步骤
1.4.4 数字系统的设计方法
1.4.5 两种设计方法的比较
1.4.6 EDA技术设计流程
1.5 EDA技术的应用形式
1.6 EDA技术的发展趋势
1.6.1 可编程逻辑器件发展趋势
1.6.2 开发工具的发展趋势
第2章 可编程逻辑器件PLD
2.1 PLD的发展历程
2.2 PLD的分类
2.2.1 按PLD集成密度分类
2.2.2 按PLD编程方式分类
2.2.3 按PLD结构特点分类
2.3 阵列型PLD的结构
2.3.1 简单PLD的基本结构
2.4 现场可编程门阵列FPGA
2.4.1 FPGA的分类
2.4.2 FPGA的基本结构
2.5 边界扫描测试技术
2.6 在系统编程lSP
第3章 VHDL语言
3.1 VHDL语言概述
3.2 VHDL程序结构
3.2.1 实体
3.2.2 结构体
3.2.3 块语句
3.2.4 进程
3.2.5 子程序
3.2.6 库、程序包和配置
3.3 VHDL的语言要素
3.3.1 VHDL语言的基本语法
3.3.2 数据对象
3.3.3 数据类型
3.3.4 运算操作符
3.3.5 属性
3.3.6 保留关键字
3.4 VHDL的基本语句
3.4.1 顺序语句
3.4.2 并发语句
3.5 VHDL的描述举例
3.5.1 VHDL描述风格
3.5.2 组合逻辑电路描述举例
3.5.3 时序逻辑电路描述举例
第4章 Verilog HDL语言
4.1 Verilog HDL语言概述
4.1.1 Verilog HDL的发展历史
4.1.2 Verilog HDL和VHDL的比较
4.2 Verilog HDL程序基本结构
4.2.1 Verilog HDL程序基本结构
4.2.2 模块的结构
4.3 Verilog HDL语言要素
4.3.1 标识符
4.3.2 常量、变量和数据类型
4.3.3 运算符及表达式
4.4 Verilog HDL基本语句
4.4.1 赋值语句
4.4.2 块语句
4.4.3 条件语句
4.4.4 循环语句
4.4.5 结构说明语句
4.4.6 编译预处理
4.5 VerIlog HDL描述举例
4.5.1 Vetilog HDL描述风格
4.5.2 组合逻辑电路描述举例
4.5.3 时序逻辑电路描述举例
第5章 ISE软件
5.1 ISE软件主界面
5.2 ISE软件设计流程
5.2.1 设计输入
5.2.2 综合优化
5.2.3 实现
5.2.4 仿真验证
5.2.5 编程配置
5.3 用ISE软件新建工程
5.4 原理图编辑设计方法
5.4.1 新建工程文件
5.4.2 新建原理图文件
5.4.3 基于XST的综合
5.4.4 基于ISE的仿真
5.4.5 基于ISE的实现
5.4.6 使用Floorplan分配引脚
5.4.7 使用UCF文件分配引脚
5.4.8 下载验证
5.5 文本编辑设计方法
5.5.1 新建工程文件
5.5.2 新建文本文件
5.5.3 代码模板的使用
5.6 混合编辑设计方法
5.6.1 新建顶层工程文件
5.6.2 编辑模块的VHDL程序并生成元件符号
5.6.3 设计顶层电路原理图
5.6.4 设计的实现
第6章 Quartus Ⅱ软件
6.1 Quartus Ⅱ软件主窗口
6.2 Quartus Ⅱ软件设计流程
6.2.1 设计输入
6.2.2 综合优化
6.2.3 布局布线
6.2.4 仿真验证
6.2.5 编程配置
6.3 用Quartus Ⅱ软件新建工程
6.4 原理图编辑设计方法
6.4.1 新建工程文件
6.4.2 新建原理图文件
6.4.3 编译工程
6.4.4 新建仿真矢量波形文件
6.4.5 波形仿真
6.4.6 I/0引脚分配
6.4.7 下载验证
6.5 文本编辑设计方法
6.5.1 新建工程文件
6.5.2 新建文本文件
6.5.3 编译工程
6.5.4 新建仿真矢量波形文件
6.5.5 波形仿真
6.5.6 I/O引脚分配
6.5.7 下载验证
6.6 混合编辑设计方法
6.6.1 新建工程文件
6.6.2 新建文本文件
6.6.3 新建原理图文件
6.6.4 编译工程
6.6.5 I/O引脚分配
6.6.6 下载验证
第7章 SOPC设计人门
7.1 SOPC概述
7.1.1 片上系统
7.1.2 可编程片上系统
7.2 NiOSⅡ嵌入式处理器简介
7.2.1 NiosⅡ嵌入式处理器主要特性
7.2.2 NiosⅡ嵌入式处理器结构
7.2.3 NiosⅡ嵌入式处理器运行模式
7.2.4 寄存器文件
7.2.5 算术逻辑单元ALU
7.2.6 异常和中断控制
7.2.7 存储器与I/0组织
7.3 Avalon系统互连结构总线
7.3.1 Avalon总线基本概念
7.3.2 Avalon总线特点
7.3.3 Avalon总线为外设提供的服务
7.3.4 Avalon总线传输模式
7.4 HAL系统库简介
7.4.1 HAL SOPC系统的层次结构
7.4.2 HAL系统库的特点
7.4.3 基于HAL系统库设计应用程序
7.5 SOPC设计流程
7.5.1 SOPC硬件设计流程
7.5.2 SOPC软件设计流程
7.6 SOPC设计举例
7.6.1 用Quartus Ⅱ软件新建文件
7.6.2 用SOPC Builder软件生成硬件系统
7.6.3 用Quartus Ⅱ软件处理硬件系统
7.6.4 用Nios Ⅱ IDE软件设计应用程序
第8章 PLD开发实验系统
8.1 PLD开发实验系统的结构
8.2 EPM1270核心板
8.3 XC95288XL核心板
8.4 EP2C5Q208核心板
8.5 MAGIC3200扩展板
第9章 组合逻辑电路实验
9.1 实验1 门电路实验
9.1.1 实验目的
9.1.2 实验设备
9.1.3 实验原理
9.1.4 实验步骤
9.1.5 实验结果
9.1.6 参考程序及引脚分配
9.2 实验2 全加器实验
9.2.1 实验目的
9.2.2 实验设备
9.2.3 实验原理
9.2.4 实验步骤
9.2.5 实验结果
9.2.6 参考程序及引脚分配
9.3 实验3 2.4译码器实验
9.3.1 实验目的
9.3.2 实验设备
9.3.3 实验原理
9.3.4 实验步骤
9.3.5 实验结果
9.3.6 参考程序及引脚分配
9.4 实验4 4.2编码器实验
9.4.1 实验目的
9.4.2 实验设备
9.4.3 实验原理
9.4.4 实验步骤
9.4.5 实验结果
9.4.6 参考程序及引脚分配
9.5 实验5 数据选择器实验
9.5.1 实验目的
9.5.2 实验设备
9.5.3 实验原理
9.5.4 实验步骤
9.5.5 实验结果
9.5.6 参考程序及引脚分配
9.6 实验6 数据比较器实验
9.6.1 实验目的
9.6.2 实验设备
9.6.3 实验原理
9.6.4 实验步骤
9.6.5 实验结果
9.6.6 参考程序及引脚分配
9.7 实验7 显示译码器实验
9.7.1 实验目的
9.7.2 实验设备
9.7.3 实验原理
9.7.4 实验步骤
9.7.5 实验结果
9.7.6 参考程序及引脚分配
第10章 时序逻辑电路实验
10.1 实验8 触发器实验
10.1.1 实验目的
10.1.2 实验设备
10.1.3 实验原理
10.1.4 实验步骤
10.1.5 实验结果
10.1.6 参考程序及引脚分配
10.2 实验9 分频器实验
10.2.1 实验目的
10.2.2 实验设备
10.2.3 实验原理
10.2.4 实验步骤
10.2.5 实验结果
10.2.6 参考程序及引脚分配
10.3 实验10 移位寄存器实验
10.3.1 实验目的
10.3.2 实验设备
10.3.3 实验原理
10.3.4 实验步骤
10.3.5 实验结果
10.3.6 参考程序及引脚分配
10.4 实验11 计数器实验
10.4.1 实验目的
10.4.2 实验设备
10.4.3 实验原理
10.4.4 实验步骤
10.4.5 实验结果
10.4.6 参考程序及引脚分配
10.5 实验12 数字电子钟实验
10.5.1 实验目的
10.5.2 实验设备
10.5.3 实验原理
10.5.4 实验步骤
10.5.5 实验结果
10.5.6 数字电子钟vHDL参考程序
现代电子系统设计:原理、方法与应用 在飞速发展的数字时代,电子系统已渗透到我们生活的方方面面,从智能手机、个人电脑到复杂的工业自动化、航空航天设备,无不依赖于精巧的电子设计。理解和掌握现代电子系统设计,不仅是工程师的必备技能,更是推动科技进步、解决现实挑战的关键。本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的现代电子系统设计指南,涵盖了从基础原理到高级应用的各个层面,帮助读者构建扎实的理论基础,掌握实用的设计技巧,并深刻理解不同应用领域的设计考量。 第一部分:电子系统设计的基础理论 本部分将从最根本的概念入手,为读者构建坚实的理论基石。 半导体物理与器件基础: 深入剖析半导体材料的导电特性,讲解 PN 结的形成与工作原理,详细介绍二极管、三极管(BJT 和 MOSFET)、场效应管等基本器件的结构、特性曲线、工作模式以及在电路中的作用。我们将不仅仅停留在器件的“是什么”,更要探讨“为什么”它们能这样工作,理解其内在的物理机制,为后续更复杂的电路设计打下基础。这部分内容将包含对载流子、能带理论、费米能级等概念的清晰阐述,并结合实际器件的等效电路模型,让抽象的物理原理变得具象化。 模拟电路基础: 放大器是模拟电路的核心,我们将系统讲解不同类型的放大器(共射、共集、共基、差分放大器等)的增益、输入输出阻抗、频率响应特性。此外,还将深入分析滤波器(低通、高通、带通、带阻滤波器)的设计原理、不同类型的实现方式(RC、RLC、有源滤波器),以及它们在信号调理和噪声抑制中的关键作用。振荡器的设计也是模拟电路的重要组成部分,我们将介绍不同类型的振荡器(RC 振荡器、LC 振荡器、晶体振荡器)的工作原理,以及如何控制其频率和稳定性。最后,将涵盖运算放大器(Op-amp)的理想模型、实际特性以及其作为核心构建单元在各种应用(比较器、积分器、微分器、有源滤波器等)中的强大功能。 数字电路基础: 本部分将从逻辑门(AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR)出发,介绍组合逻辑电路的设计方法,如卡诺图化简法、Quine-McCluskey算法,以及逻辑门互转和优化。随后,将转向时序逻辑电路,详细讲解触发器(SR, JK, D, T)的工作原理、状态转移图、状态表,并在此基础上介绍寄存器、计数器、移位寄存器等基本时序电路模块的设计与应用。我们还会探讨有限状态机(FSM)的概念,包括 Moore 机和 Mealy 机,以及如何将其应用于更复杂的控制逻辑设计。 数模混合电路基础: 现代电子系统往往同时包含模拟和数字信号,因此理解数模混合电路的设计至关重要。我们将详细介绍模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的各种工作原理、性能指标(分辨率、采样率、非线性度等)以及不同类型的实现方法(逐次逼近型、∑-Δ型、流水线型ADC,R-2R、权电流型DAC)。这些单元是连接真实世界模拟信号和数字处理核心的桥梁,它们的性能直接影响到整个系统的精度和功能。 第二部分:现代电子系统设计的方法与工具 理论知识需要转化为实际的设计,本部分将聚焦于设计流程、EDA 工具以及 PCB 设计。 系统级设计与架构: 在进入具体电路设计之前,对整个系统进行合理的架构设计至关重要。我们将探讨如何根据需求分析,将复杂系统分解为功能模块,并定义模块之间的接口和交互方式。系统级建模与仿真技术,如使用 MATLAB/Simulink 等工具进行高级抽象建模,能在项目早期发现潜在问题,缩短开发周期。模块化设计、接口设计原则(如总线协议、差分信号设计)以及系统级功耗管理和散热设计的考虑也将被深入讨论。 EDA 工具的使用: 电子设计自动化(EDA)工具是现代电子设计不可或缺的利器。我们将详细介绍主流的 EDA 工具链,包括: 原理图输入工具: 如 Altium Designer, OrCAD, Eagle 等,学习如何绘制规范、清晰的电路原理图,并进行基本的电气规则检查(ERC)。 仿真工具: 如 LTspice, PSpice, Proteus 等,掌握如何对模拟电路和数字电路进行功能仿真、参数扫描、瞬态分析、交流分析等,验证电路设计的正确性。 PCB 布局布线工具: 学习如何根据原理图将电路元件放置在 PCB 板上,并进行高效、可靠的布线。我们将深入讲解布局原则(元件摆放、散热考虑)、布线规则(信号完整性、电源完整性、EMC 考虑)、多层板设计、差分对布线、过孔使用等关键技术。 FPGA/CPLD 设计工具: 对于使用可编程逻辑器件的项目,我们将介绍 VHDL/Verilog 硬件描述语言(HDL)的基本语法和设计流程,以及 Quartus Prime, Vivado 等综合、布局布线、时序分析工具的使用。 PCB 设计与制造: 印刷电路板(PCB)是电子系统的物理载体。本部分将深入讲解 PCB 设计的整个流程,从原理图到 Gerber 文件生成。我们将详细探讨 PCB 的层叠结构、覆铜设计、地线和电源线的规划、信号完整性(SI)和电源完整性(PI)的分析与优化、电磁兼容性(EMC)设计原则、热设计考虑、以及阻抗匹配的实现。此外,还将介绍 PCB 制造工艺的基本流程,以及如何根据制造能力进行设计,确保设计能够成功转化为物理板卡。 第三部分:特定应用领域的电子系统设计 本部分将通过多个典型的应用领域,展示前述理论和方法在实际中的应用,帮助读者建立起将理论知识转化为解决实际问题能力的信心。 嵌入式系统设计: 嵌入式系统是现代电子系统中最广泛的应用领域之一。我们将以微控制器(MCU)和微处理器(MPU)为核心,讲解如何选择合适的处理器、设计硬件接口(GPIO, SPI, I2C, UART, ADC, DAC 等)、进行嵌入式软件开发(C/C++ 编程、RTOS 应用),以及如何进行系统集成与调试。例如,一个智能家居控制器的设计,会涉及传感器信号采集、电机驱动、无线通信模块(Wi-Fi, Bluetooth)的集成等。 通信系统设计: 通信系统是信息时代的基础。我们将探讨射频(RF)电路设计的基本原理,包括阻抗匹配、滤波器设计、放大器设计(低噪声放大器 LNA, 功率放大器 PA)、混频器、振荡器等。此外,还将涉及数字通信中的调制解调技术、信道编码、均衡技术等。例如,设计一个简单的无线传感器节点,会涉及 RF 模块的选择、低功耗设计、以及数据传输协议的实现。 电源管理系统设计: 稳定可靠的电源是任何电子系统正常工作的基石。我们将深入讲解线性稳压器(LDO)和开关稳压器(Buck, Boost, Buck-Boost)的设计原理、工作模式、纹波抑制、效率优化等。此外,还将探讨电池管理系统(BMS)的设计,包括充电控制、放电管理、电池状态估算等。例如,设计一个便携式设备的电源管理方案,需要考虑输入源(电池、USB)的适配、多路输出的稳定、以及低功耗待机模式的设计。 传感器与测量系统设计: 传感器是将物理世界信息转化为电信号的“眼睛”和“耳朵”。我们将介绍各种类型的传感器(温度、湿度、压力、光、加速度、陀螺仪等)的工作原理、选型原则、以及如何设计相应的信号调理电路(放大、滤波、线性化)和数据采集系统。测量系统的精度和稳定性是关键,我们将讨论噪声的来源与抑制、校准技术、以及数据处理算法的应用。 第四部分:电子系统设计的进阶主题与发展趋势 在掌握了基础知识和通用方法后,本部分将带领读者探索更深层次的电子系统设计议题,并展望未来的发展方向。 信号完整性(SI)与电源完整性(PI): 随着电路工作频率的不断提升和器件尺寸的微型化,信号完整性和电源完整性问题日益突出。我们将深入分析高速信号传输中的反射、串扰、损耗等现象,并介绍相应的仿真工具和设计技巧来解决这些问题。同样,不稳定的电源也会导致系统工作异常,我们将探讨电源分配网络(PDN)的阻抗、去耦电容的选择和布局等。 电磁兼容性(EMC): 电子设备的电磁兼容性是指设备在电磁环境中能正常工作,并且不对该环境中的任何设备产生过量电磁骚扰的能力。我们将介绍 EMC 的基本概念、常见的干扰源、传导和辐射干扰的传播途径,以及屏蔽、滤波、接地等 EMC 设计方法。 低功耗设计: 在电池供电设备和物联网(IoT)领域,低功耗设计至关重要。我们将探讨从硬件到软件的各种低功耗设计策略,包括选择低功耗器件、优化电路工作模式、采用电源门控技术、以及利用低功耗操作系统和节能软件算法。 可信计算与安全设计: 随着电子系统日益智能化和互联化,系统安全问题也越来越受到重视。我们将介绍可信计算的基本概念、硬件安全模块(HSM)、加密算法在硬件中的实现,以及硬件安全设计中的常见攻击与防御手段。 新兴技术与未来趋势: 本部分将简要介绍一些前沿的电子系统设计技术,如人工智能(AI)在电子设计中的应用(如 AI 辅助布局布线、AI 芯片设计)、微机电系统(MEMS)、柔性电子、量子计算等,并展望它们对未来电子系统设计可能产生的影响。 本书特色: 理论与实践相结合: 每一章都力求在讲解理论概念的同时,提供实际的设计案例和工程经验,帮助读者将知识融会贯通。 循序渐进的教学方法: 从基础原理到复杂应用,内容组织逻辑清晰,适合不同层次的读者。 丰富的图示与示例: 大量精美的电路图、PCB 示意图、仿真波形图以及应用实例,使抽象的概念更加易于理解。 强调工程实践: 关注实际的工程问题和设计考量,如功耗、成本、可靠性、可制造性等。 紧跟技术前沿: 涵盖了当前电子设计领域的热点和发展趋势,帮助读者保持技术领先。 通过本书的学习,读者将能够系统地理解现代电子系统的设计原理,熟练掌握常用的设计工具和方法,并能够独立完成各种复杂电子系统的设计与实现。无论您是初入电子设计领域的新手,还是希望提升专业技能的在职工程师,本书都将是您宝贵的参考资源。