VHDL數字電路設計教程 (巴西)佩德羅尼 電子工業齣版社 9787121186721 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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巴西佩德羅尼 著

圖書標籤:

• VHDL
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• 硬件描述語言
• FPGA
• 數字係統設計

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齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121186721

商品編碼：29703400613

包裝：平裝

齣版時間：2013-01-01

基本信息

書名：VHDL數字電路設計教程

定價：35.00元

作者：(巴西)佩德羅尼

齣版社：電子工業齣版社

齣版日期：2013-01-01

ISBN：9787121186721

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.241kg

編輯推薦

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內容提要

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自從VHDL在1987年成為IEEE標準之後，就因其在電路模型建立、仿真、綜閤等方麵的強大功能而被廣泛用於復雜數字邏輯電路的設計中。本書共分為三個基本組成部分，首先詳細介紹VHDL語言的背景知識、基本語法結構和VHDL代碼的編寫方法；然後介紹VHDL電路單元庫的結構和使用方法，以及如何將新的設計加入到現有的或自己新建立的單元庫中，以便於進行代碼的分割、共享和重用；後介紹CPLD和FPGA的發展曆史、主流廠商提供的開發環境使用方法。本書在結構組織上有獨特之處，例如將並發描述語句、順序描述語句、數據類型與運算操作符和屬性等獨立成章，使讀者更容易清晰準確地掌握這些重要內容。本書注重設計實踐，給齣瞭大量完整設計實例的電路圖、相關基本概念、電路工作原理以及仿真結果，從而將VHDL語法學習和如何采用它進行電路設計有機地結閤在一起。

目錄

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目 錄
部分 電 路 設 計
章 引言2
1.1 關於VHDL2
1.2 設計流程2
1.3 EDA工具3
1.4 從VHDL代碼到電路的轉化4
1.5 設計實例6
第2章 VHDL代碼結構9
2.1 VHDL代碼基本單元9
2.2 庫聲明10
2.3 實體11
2.4 構造體12
2.5 例題13
2.6 習題16
第3章 數據類型19
3.1 預定義的數據類型19
3.2 用戶定義的數據類型22
3.3 子類型23
3.4 數組24
3.5 端口數組26
3.6 記錄類型27
3.7 有符號數和無符號數28
3.8 數據類型轉換29
3.9 小結30
3.10 例題31
3.11 習題35
第4章 運算操作符和屬性37
4.1 運算操作符37
4.2 屬性40
4.3 用戶自定義屬性42
4.4 操作符擴展43
4.5 通用屬性語句43
4.6 設計實例44
4.7 小結48
4.8 習題49
第5章 並發代碼51
5.1 並發執行和順序執行51
5.2 使用運算操作符53
5.3 WHEN語句54
5.4 GENERATE語句63
5.5 塊語句65
5.6 習題68
第6章 順序代碼72
6.1 進程72
6.2 信號和變量74
6.3 IF語句74
6.4 WAIT語句78
6.5 CASE語句80
6.6 LOOP語句84
6.7 CASE語句和IF語句的比較91
6.8 CASE語句和WHEN語句的比較91
6.9 同步時序電路中的時鍾問題92
6.10 使用順序代碼設計組閤邏輯電路96
6.11 習題98
第7章 信號和變量103
7.1 常量103
7.2 信號103
7.3 變量105
7.4 信號和變量的比較106
7.5 寄存器的數量112
7.6 習題121
第8章 狀態機128
8.1 引言128
8.2 設計風格#1129
8.3 設計風格#2136
8.4 狀態機編碼風格：二進製編碼和獨熱編碼149
8.5 習題150
第9章 典型電路設計分析153
9.1 桶形移位寄存器153
9.2 有符號數比較器和無符號數比較器156
9.3 逐級進位和超前進位加法器159
9.4 定點除法162
9.5 自動售貨機控製器166
9.6 串行數據接收器171
9.7 並/串變換器173
9.8 一個7段顯示器的應用例題175
9.9 信號發生器178
9.10 存儲器設計181
9.11 習題186
第二部分 係 統 設 計
0章 包集和元件192
10.1 概述192
10.2 包集193
10.3 元件195
10.4 端口映射201
10.5 GENERIC參數的映射202
10.6 習題208

1章 函數和過程209
11.1 函數209
11.2 函數的存放211
11.3 過程219
11.4 過程的存放221
11.5 函數與過程小結224
11.6 斷言語句224
11.7 習題224
2章 係統設計實例分析226
12.1 串-並型乘法器226
12.2 並行乘法器230
12.3 乘-纍加電路235
12.4 數字濾波器238
12.5 神經網絡243
12.6 習題249
附錄A 可編程邏輯器件251
附錄B Xilinx ISE和ModelSim使用指南259
附錄C Altera MaxPlus II和Advanced Synthesis Software使用指南267
附錄D Altera Quartus II使用指南277
VHDL保留字285
參考文獻286

作者介紹

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文摘

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序言

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精通VHDL，賦能數字電路設計新時代 數字電路設計是現代電子工業的基石，而VHDL（VHSIC Hardware Description Language）作為一種功能強大、應用廣泛的硬件描述語言，更是數字邏輯設計、仿真驗證和硬件實現的得力助手。本書《VHDL數字電路設計教程》以巴西著名專傢為作者，結閤電子工業齣版社的專業齣版優勢，為廣大讀者呈現瞭一套係統、深入、實用的VHDL學習指南。本書內容詳實，緊貼行業前沿，旨在幫助讀者從零基礎快速入門，逐步掌握VHDL的精髓，並能將其高效地應用於復雜的數字電路設計項目之中。 為何選擇VHDL？ 在數字化浪潮席捲全球的今天，FPGA（Field-Programmable Gate Array）和ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）等可編程邏輯器件和專用集成電路在通信、計算、消費電子、汽車電子、工業控製等眾多領域發揮著至關重要的作用。而VHDL正是實現這些復雜數字係統設計的核心語言之一。與傳統的門級網錶描述相比，VHDL能夠以更高級的抽象層次描述硬件行為，極大地提高瞭設計的效率和可維護性。通過VHDL，工程師可以更加便捷地描述時序邏輯、組閤邏輯，進行功能仿真，並最終生成可用於FPGA編程或ASIC製造的網錶文件。本書將帶領您深刻理解VHDL的優勢，以及它在現代數字電路設計流程中的不可替代性。 本書內容概覽：循序漸進，體係完整 本書的編寫邏輯清晰，結構嚴謹，從基礎概念入手，逐步深入到高級設計技巧。全書圍繞VHDL語言本身及其在數字電路設計中的應用展開，力求為讀者構建起堅實的理論基礎和豐富的實踐經驗。 第一部分：VHDL基礎篇——夯實根基 VHDL概述與發展曆程： 瞭解VHDL的起源、發展以及它在硬件描述語言領域的重要地位。 VHDL基本語法與結構： 深入學習VHDL的核心語法，包括實體（entity）、架構（architecture）、端口（port）、信號（signal）、常量（constant）、變量（variable）等基本概念。理解如何定義數字電路的輸入輸齣接口，以及如何聲明和使用內部信號。 數據類型與運算符： 掌握VHDL中豐富的數據類型，如`std_logic`、`std_logic_vector`、`integer`、`boolean`等，並理解各種邏輯、算術和關係運算符的用法。這將是描述電路行為的基礎。 並發語句與順序語句： 區分和理解VHDL中的並發語句（如`process`、`assign`）和順序語句（如`if`、`case`、`loop`），並學習如何在不同的設計場景下選擇和使用它們。 實體與架構的組閤： 學習如何將多個實體和架構進行實例化和連接，構建層次化設計的框架。理解組件（component）的概念及其在模塊化設計中的作用。 常用庫與包： 介紹VHDL中常用的標準庫，如`IEEE.STD_LOGIC_1164`、`IEEE.NUMERIC_STD`等，並講解如何使用它們提供的預定義數據類型和函數，從而簡化設計。 配置（Configuration）： 學習如何使用配置語句來選擇不同的架構實現，為設計提供靈活性，並方便進行不同版本的仿真和實現。 第二部分：VHDL設計進階——實踐能力提升 組閤邏輯設計： 學習如何使用VHDL描述基本的組閤邏輯電路，如加法器、減法器、多路選擇器、譯碼器、編碼器、比較器等。重點掌握如何將邏輯真值錶或邏輯錶達式轉換為VHDL代碼。 時序邏輯設計： 深入研究時序邏輯電路的設計，包括觸發器（flip-flop）、寄存器（register）、計數器（counter）、移位寄存器（shift register）等。理解時鍾（clock）信號的作用，以及如何設計同步和異步時序邏輯。 狀態機（Finite State Machine, FSM）設計： 學習如何設計有限狀態機，這是控製復雜數字係統的關鍵。掌握 Moore 型和 Mealy 型狀態機的VHDL描述方法，並學習如何將其應用於實際的控製邏輯設計。 參數化設計與生成（Generics & Generate Statements）： 學習如何使用`generic`和`generate`語句實現設計的參數化，提高代碼的可重用性和靈活性。例如，設計一個可以根據參數調整位寬的加法器。 結構化設計與行為級設計： 理解結構化設計（強調組件實例化和連接）與行為級設計（強調功能描述）的區彆，並學會根據設計需求選擇閤適的設計方法。 進程（Process）的高級用法： 深入探討`process`語句的敏感性列錶（sensitivity list）的正確使用，以及如何避免常見的仿真和綜閤問題。 復用器（Multiplexer）和分用器（Demultiplexer）： 學習如何高效地使用VHDL設計這些關鍵的信號路由和選擇電路。 存儲器（Memory）設計： 學習如何使用VHDL描述RAM（Random Access Memory）和ROM（Read-Only Memory）等存儲單元，並理解其讀寫操作的時序。 第三部分：VHDL仿真與驗證——確保設計質量 仿真環境搭建與測試平颱設計： 介紹如何搭建VHDL仿真環境（如ModelSim, Vivado Simulator等），並學習如何編寫測試平颱（testbench）來驗證設計的正確性。 測試嚮量（Test Vector）的生成與應用： 學習如何生成有效的測試嚮量，覆蓋各種輸入組閤和邊界條件，以全麵地驗證設計功能。 仿真波形分析： 掌握如何分析仿真生成的波形圖，識彆和定位設計中的錯誤。 斷點與信號監控： 學習在仿真過程中使用斷點和信號監控功能，深入探究設計的內部工作狀態。 覆蓋率分析： 瞭解仿真覆蓋率的概念，並學習如何通過分析覆蓋率來評估測試的有效性。 第四部分：VHDL綜閤與實現——硬件落地 綜閤（Synthesis）概念： 深入理解VHDL綜閤的原理，即如何將VHDL代碼轉換為門級網錶。 綜閤約束（Synthesis Constraints）： 學習如何編寫綜閤約束文件，指導綜閤工具優化設計的時序和麵積。 時序分析（Timing Analysis）： 理解時序分析在數字電路設計中的重要性，並學習如何解讀時序報告，識彆時序違例。 FPGA/CPLD實現流程： 介紹將VHDL設計映射到FPGA或CPLD器件的典型流程，包括綜閤、布局布綫（Place & Route）和比特流生成。 ASIC設計流程簡介： 簡要介紹VHDL在ASIC設計流程中的應用，以及與FPGA設計流程的區彆。 第五部分：高級主題與實用技巧——提升設計能力 流水綫（Pipelining）技術： 學習如何使用流水綫技術來提高電路的吞吐量和性能。 數據通路（Datapath）與控製通路（Control Path）設計： 學習如何將復雜的數字係統分解為數據通路和控製通路，並分彆進行設計。 IP核（Intellectual Property Core）的應用： 介紹如何集成和使用預先設計好的IP核，加速開發進程。 低功耗設計（Low Power Design）簡介： 簡要探討在VHDL設計中實現低功耗的一些基本策略。 時鍾管理（Clock Management）： 學習如何處理多時鍾域設計、時鍾偏移（clock skew）等問題。 異步復位（Asynchronous Reset）與同步復位（Synchronous Reset）的設計： 掌握這兩種復位方式的區彆和應用場景。 代碼優化技巧： 提供一些實用的VHDL代碼優化技巧，以提高設計效率和性能。 本書的特色與價值： 案例豐富，貼近實際： 本書包含大量精心設計的VHDL代碼示例，覆蓋瞭從基礎邏輯到復雜係統的各種常見應用。這些實例不僅僅是枯燥的代碼，更融入瞭實際的設計思路和工程實踐。 講解深入淺齣，適閤不同層次讀者： 無論是初學者還是有一定VHDL基礎的設計者，都能在本書中找到適閤自己的內容。對於初學者，循序漸進的講解能夠幫助建立紮實的VHDL功底；對於有經驗的設計者，本書提供的高級主題和優化技巧能幫助他們進一步提升設計能力。 理論與實踐相結閤： 本書不僅講解VHDL的語法和理論，更注重其在實際數字電路設計中的應用。通過大量的仿真和實現方麵的介紹，幫助讀者將理論知識轉化為實際的工程技能。 專業的齣版與嚴謹的質量： 由電子工業齣版社齣版，保證瞭本書內容的專業性、準確性和權威性。 培養解決問題的能力： 本書不隻是提供“怎麼做”，更強調“為什麼這麼做”，引導讀者理解設計背後的原理，從而在麵對新的設計挑戰時，能夠獨立思考並找到解決方案。 誰適閤閱讀本書？ 電子工程、計算機科學及相關專業的在校學生： VHDL是數字邏輯設計課程的核心內容，本書能為學生提供係統、完整的學習材料。 從事FPGA/CPLD/ASIC設計的工程師： 無論是初入職場的新人，還是經驗豐富的老將，都能從本書中學習到新的知識、設計技巧和優化方法。 希望深入瞭解數字電路設計原理和實現方法的愛好者： 如果您對數字係統的工作原理充滿好奇，並希望能夠親手設計和實現它們，本書將是您的理想選擇。 需要進行嵌入式係統硬件開發的技術人員： 掌握VHDL是進行高性能硬件加速、定製化硬件接口設計的重要技能。 開啓您的數字設計之旅 掌握VHDL並熟練運用它進行數字電路設計，是現代電子工程師必備的核心競爭力之一。本書《VHDL數字電路設計教程》將為您提供一扇通往數字設計世界的金鑰匙。通過係統學習，您將能夠自信地運用VHDL描述、仿真和實現復雜的數字係統，為您的職業生涯和項目開發注入強大的動力。立即開始您的VHDL學習之旅，用代碼構建您的數字夢想！

評分☆☆☆☆☆

閱讀這本書的過程，就像是跟著一位經驗老到的工程師在進行一場結構化的實踐訓練。它的章節安排邏輯性極強，從最基礎的“信號”和“實體”的定義，逐步過渡到復雜的“進程（Process）”結構和“有限狀態機（FSM）”的設計。作者在講解FSM時，采用瞭多種不同的編碼風格進行對比分析，這一點我特彆欣賞。他沒有武斷地說哪種最好，而是根據不同的性能需求（例如資源占用、時序收斂速度）來推薦閤適的實現方式，這體現瞭數字設計中“權衡取捨”的藝術。每講完一個核心概念，後麵立刻跟進瞭一個小型但完整的例子，這些例子大多源自真實的工業應用場景，而非憑空捏造的玩具電路。最讓我感到驚喜的是，書中對於仿真和調試的部分給予瞭足夠的重視。他詳細闡述瞭如何編寫有效的測試平颱（Testbench），以及如何利用波形觀察器來診斷設計中的競爭冒險（Race Condition）等經典問題。這種強調實踐驗證的教學方法，確保瞭我們寫齣的代碼不僅能“編譯通過”，更能“正確運行”。對於渴望從理論走嚮實踐的讀者來說，這無疑是一份極其寶貴的財富。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計著實引人注目，那種深邃的藍色調，配上簡潔有力的標題字體，一下子就能抓住工科生的眼球。我翻開第一頁，就被作者那份嚴謹的態度所摺服。開篇並沒有急於拋齣復雜的代碼，而是花瞭相當大的篇幅去鋪陳VHDL這門語言的哲學思想和底層邏輯。你能清晰地感覺到，作者是在試圖搭建一座堅實的理論橋梁，讓你在踏入實際電路設計之前，對“硬件描述”這件事有一個宏觀且深刻的理解。尤其是關於時序邏輯和組閤邏輯的劃分，他引入瞭非常形象的比喻，即便是一個初學者，也能迅速捕捉到兩者在硬件實現上的本質區彆。而且，書中對標準庫的解析也做得非常到位，不是簡單地羅列函數，而是結閤實際的設計案例，去講解每一個標準組件在芯片內部是如何映射和運作的。這種“知其然，更知其所以然”的教學方式，極大地提升瞭我學習的效率和興趣。我之前接觸過幾本國外的教材，很多都過於側重應用層麵的堆砌，缺乏這種對根基的深挖，而這本書在這方麵做得非常齣色，讓人感覺作者真的是傾注瞭大量心血，力求讓讀者能夠真正掌握這門語言的精髓。

評分☆☆☆☆☆

要說這本書的獨特之處，我認為在於其獨特的“工程視角”。它並沒有將VHDL僅僅視為一種編程語言，而是將其置於整個數字係統架構的宏大背景下進行考察。在講解循環和迭代結構時，作者特意穿插瞭關於資源分配和硬件並行性的討論，提醒讀者在編寫高級結構時，必須時刻注意其在硬件資源上會造成什麼樣的開銷。此外，書中對於模塊化設計和層次化抽象的強調也令人印象深刻。他推崇將復雜係統拆解成若乾個獨立、可驗證的小模塊，並通過接口（Port Map）進行連接，這無疑是現代大規模集成電路設計中的核心思想。我發現，很多其他教材隻停留在“如何用代碼實現功能”的層麵，而這本書則更進一步，深入探討瞭“如何用VHDL來組織一個可維護、可擴展的大型項目”。這種超前的設計理念灌輸，對於希望未來從事前沿芯片設計工作的讀者來說，是極為寶貴的財富。它訓練的不僅僅是寫代碼的能力，更是係統的組織和規劃能力。

評分☆☆☆☆☆

這本書的語言風格雖然是技術性的，但卻齣乎意料地流暢和富有啓發性。我可以感受到作者在遣詞造句中流露齣的那種對教育事業的熱忱。他常常使用一些類比手法來解釋抽象的概念，比如將組閤邏輯比作一堆相互連接的電子元件，信號的改變會立刻導緻輸齣的反應；而將時序邏輯比作流水綫上的工人，每一步操作都必須等待時鍾的精確指令。這種生動的描述，極大地降低瞭初學者的心理門檻。另外，書中對於不同EDA工具鏈的兼容性也做瞭探討，雖然沒有深入到具體某個軟件的操作手冊層麵，但對於理解不同廠商工具鏈在底層如何解析VHDL描述的差異性，提供瞭很好的視角。我特彆喜歡其中關於設計約束（Constraints）的那一章，它清晰地解釋瞭為何僅僅有正確的邏輯是不夠的，如何通過設定時鍾頻率、輸入延遲等參數，將邏輯電路成功映射到實際的FPGA或ASIC硬件上。這種對整個設計流程的覆蓋，使得這本書不僅僅是一本語言參考，更是一本實用的工程指南。

評分☆☆☆☆☆

這本書在巴西原版的基礎上進行翻譯和引進，這本身就帶有一種獨特的國際視野。從排版上看，清晰的配色和閤理的代碼塊高亮處理，使得長時間閱讀也不會感到眼睛疲勞。一個讓我頗為欣賞的細節是，書中對一些常見的“陷阱”和“誤區”都有專門的警示框。例如，關於信號（Signal）和變量（Variable）在進程中的區彆，作者用瞭一個非常清晰的錶格進行瞭歸納對比，並配上瞭錯誤代碼示例，這比單純的文字描述有效得多，幫助我立刻修正瞭幾個過去一直含糊不清的概念。更難能可貴的是，作者在處理一些具有曆史沿革的設計模式時，總是能給齣不同時間點的最佳實踐建議，體現瞭其深厚的行業積纍。這本書的深度足以讓有經驗的工程師查漏補缺，而其循序漸進的引導方式，也足以讓初學者建立起堅實的知識體係。總而言之，這是一本嚴謹、全麵且極富實踐指導意義的VHDL教材。