具體描述
基本信息
書名:EDA技術與VHDL編程
定價：45.00元
售價：32.9元,便宜12.1元,摺扣73
作者:李俊
齣版社：電子工業齣版社
齣版日期：2012-06-01
ISBN：9787121174254
字數：
頁碼：
版次：5
裝幀：平裝
開本：12k
商品重量：0.722kg
編輯推薦
《EDA技術與VHDL編程》編著者李俊。EDA技術主要包括大規模可編程邏輯、硬件描述語言、軟件開發工具等內容。目前，應用*為廣泛的大規模可編程邏輯是復雜可編程邏輯器件CPLD和現場可編程門陣列FPGA；硬件描述語言liDL主要有VHDL、VerilogHDL、ABEL、AHDL、Sy~em Verilog和SystemC等；主流的EDA軟件開發工具則有MAX plusII、Quartus II、ispDesignEXPERT、FoundationSeries、1SENSE WebPACKSeries等。本書采用IEEE標準硬件描述語言VHDL對數字電路和係統進行性能描述，以Altera公司的Quartus11軟件為集成開發環境，對EDA技術進行瞭深入、詳盡的闡述。
內容提要
《EDA技術與VHDL編程》編著者李俊。《EDA技術與VHDL編程》內容提要：本書主要講解EDA技術和VHDL硬件描述語言的使用，共10章。內容包括EDA概述，可編程邏輯器件，VHDL硬件描述語言，QuartusII操作指南，VHDL基本邏輯電路設計，VHDL語句進階，VHDL的屬性描述與仿真延時，VHDL層次化程序設計，VHDL的數字係統設計，以及VHDL在通信和DSP係統中的應用。通過大量數字電路和數字係統的案例，給讀者演示瞭VHDL在數字係統設計中充當的角色，以及利用VHDL語言進行數字係統設計的基本步驟和具體方法。本書配有大量的設計實例和實驗練習，還針對目前FPGA的主流應用領域如微控製係統、通信係統和DSP係統給齣瞭係統級彆的設計實例。力求使讀者理解VHDL硬件描述語言的基礎知識，掌握數字係統的設計原理、方法和步驟。本書可作為高等院校電子、通信、自動化、計算機等信息工程類相關專業學生的教學用書，也適閤於立誌自學成纔的讀者和從事EDA技術應用與研究的專業技術人員使用。
目錄
作者介紹
文摘
序言
《數字係統設計與硬件描述語言實踐》 前言 在當今快速發展的電子信息時代，數字係統無處不在，從掌上設備到高性能服務器，從智能傢居到工業自動化，它們是現代科技的基石。理解和掌握數字係統的設計原理，以及如何利用硬件描述語言（HDL）來高效地實現這些設計，對於投身於集成電路、嵌入式係統、FPGA開發等領域的工程師和研究人員而言，已成為一項至關重要的能力。 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入且實用的數字係統設計指南，重點聚焦於理解數字係統的底層邏輯、設計方法以及如何運用業界主流的硬件描述語言進行高效的建模與實現。我們並非僅僅羅列技術術語，而是緻力於引導讀者理解設計的“道”與“術”，掌握從概念到代碼，再到最終實現的完整流程。本書內容將涵蓋數字邏輯基礎、現代數字係統設計流程、常用的硬件描述語言及其應用，以及一些高級設計技巧和驗證方法。 本書並非一本純粹的理論書籍，更側重於實踐。我們深知，在數字係統設計領域，動手實踐是檢驗和鞏固理論知識的最佳途徑。因此，在講解核心概念的同時，本書將穿插大量的實例，引導讀者通過實際操作來加深理解。讀者將有機會接觸到實際的設計案例，學習如何將抽象的邏輯轉化為可執行的硬件描述，並通過仿真和實際硬件實現來驗證設計的正確性。 我們相信，通過閱讀本書，讀者不僅能夠建立起紮實的數字係統設計理論基礎，更能夠掌握將理論知識轉化為實際工程能力的技巧。無論您是初學者，還是有一定經驗的從業者，都將從本書中獲益。我們希望本書能夠成為您在數字係統設計道路上的一盞明燈，助您在技術前沿乘風破浪。 第一章：數字係統設計的基石——邏輯電路原理 revisited 在深入探討現代數字係統設計之前，迴顧和鞏固基礎的邏輯電路原理是必不可少的。本章將帶領讀者重新審視數字電路的基石，確保讀者對邏輯門、布爾代數、組閤邏輯和時序邏輯等核心概念有清晰的認識。 1.1 邏輯門與基本邏輯運算： 本節將從最基本的邏輯門（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR）齣發，詳細介紹它們的邏輯功能、真值錶以及在集成電路中的實現方式。我們將深入探討布爾代數的基本定律和定理，並展示如何利用這些工具來簡化和優化邏輯錶達式。 1.2 組閤邏輯電路： 組閤邏輯電路的輸齣僅取決於當前輸入，不具備記憶功能。本節將重點講解組閤邏輯電路的設計方法，包括邏輯函數的錶示（卡諾圖、真值錶）、邏輯方程的簡化以及常用組閤邏輯模塊（如加法器、減法器、多路選擇器、譯碼器、編碼器）的設計。我們將通過實例演示如何從功能需求齣發，設計齣高效、簡潔的組閤邏輯電路。 1.3 時序邏輯電路： 時序邏輯電路的輸齣不僅取決於當前輸入，還取決於電路過去的狀態，這使得它們具備瞭“記憶”能力。本節將深入講解時序邏輯電路的核心概念，包括觸發器（RS, JK, D, T觸發器）的工作原理、狀態轉換圖和狀態錶。我們將重點分析同步時序邏輯電路的設計，如寄存器、計數器（異步/同步）、移位寄存器等。同步時鍾的概念及其在時序電路設計中的作用將得到詳細闡述。 1.4 有限狀態機（FSM）： 有限狀態機是描述時序邏輯係統行為的強大工具。本節將介紹Mealy型和Moore型有限狀態機的區彆與聯係，學習如何構建狀態圖和狀態錶，以及如何將FSM轉化為實際的硬件電路。我們將通過實際例子，如簡單的交通燈控製器、序列檢測器，來演示FSM的設計和實現過程。 1.5 邏輯電路的分析與綜閤： 本節將介紹如何對已有的邏輯電路進行分析，理解其功能和時序特性。同時，我們將探討邏輯綜閤的基本概念，即如何將高層次的功能描述轉化為底層的邏輯門級網錶。 第二章：現代數字係統設計流程與方法 在掌握瞭邏輯電路的基礎之後，本章將帶領讀者進入現代數字係統設計的流程和方法論。我們將探討當前業界主流的設計流程，以及如何選擇和運用閤適的工具和技術來高效地完成復雜的數字係統設計。 2.1 設計流程概覽： 本節將詳細介紹數字係統設計的典型流程，包括需求分析、係統架構設計、模塊劃分、邏輯設計、仿真驗證、綜閤、布局布綫、時序分析以及最終的物理實現。我們將強調在每個階段的關鍵考慮因素和常見挑戰。 2.2 層次化設計與模塊化： 復雜係統需要分解成更小的、可管理的模塊。本節將深入講解層次化設計和模塊化的重要性，以及如何有效地進行模塊劃分，實現代碼復用和團隊協作。 2.3 抽象層次： 數字係統設計存在不同的抽象層次，從行為級到寄存器傳輸級（RTL）再到門級。本節將解釋不同抽象層次的特點、優勢以及它們在設計流程中的作用。 2.4 設計方法學： 我們將介紹麵嚮設計的各種方法學，包括自頂嚮下設計和自底嚮上設計，以及如何根據項目需求選擇閤適的設計策略。 2.5 驗證的重要性與策略： 驗證是數字係統設計中至關重要但耗時耗力的環節。本節將強調驗證的必要性，並介紹常用的驗證策略，如功能驗證、性能驗證和形式驗證。我們將初步探討仿真驗證、測試平颱搭建的基本概念。 2.6 綜閤與適配： 瞭解邏輯綜閤的原理和過程，以及綜閤工具如何將RTL代碼轉化為門級網錶。同時，探討不同目標平颱（如FPGA, ASIC）對綜閤結果的影響。 第三章：硬件描述語言（HDL）基礎與建模 硬件描述語言是現代數字係統設計的核心工具。本章將重點介紹業界兩大主流HDL——Verilog和VHDL的基礎知識，並講解如何利用它們來描述數字硬件的行為和結構。 3.1 HDL的概述與選擇： 介紹硬件描述語言的作用，為何需要HDL，以及Verilog和VHDL的起源、特點和主要區彆。為讀者提供選擇HDL的參考依據。 3.2 Verilog基礎： 3.2.1 語法與數據類型： 學習Verilog的基本語法，包括模塊定義、端口聲明、信號類型（wire, reg）、參數、運算符等。 3.2.2 行為級建模： 講解如何使用`always`塊、`assign`語句來描述硬件的行為。重點介紹時序控製（`posedge`, `negedge`, `delay`）和敏感列錶。 3.2.3 數據流建模： 學習使用`assign`語句實現連續賦值，描述組閤邏輯。 3.2.4 結構級建模： 講解如何實例化其他模塊，構建模塊間的連接，描述硬件的結構。 3.2.5 常用Verilog結構： 介紹`if-else`, `case`, `for`循環等語句在Verilog中的應用。 3.3 VHDL基礎： 3.3.1 VHDL的結構與元素： 介紹VHDL的實體（Entity）、結構（Architecture）、端口（Port）、信號（Signal）、常量（Constant）等核心概念。 3.3.2 數據類型與運算符： 學習VHDL的標準數據類型（如`std_logic`, `integer`, `boolean`）以及各種運算符。 3.3.3 行為建模： 講解如何使用進程（Process）來描述硬件的行為，包括時序控製（`rising_edge`, `falling_edge`）和條件語句（`if-then-else`, `case`）。 3.3.4 數據流建模： 學習使用並發賦值語句（`<=`）實現數據流建模。 3.3.5 結構建模： 介紹如何實例化組件（Component）來實現結構化設計。 3.3.6 VHDL的標準庫： 講解`IEEE.STD_LOGIC_1164`等常用VHDL庫的使用。 3.4 兩種HDL的比較與轉化： 簡要對比Verilog和VHDL在建模風格、語法特性上的差異，並指導讀者如何理解和轉化兩種語言編寫的代碼。 第四章：HDL中的時序邏輯與狀態機建模 本章將專注於如何利用HDL來精確地建模時序邏輯電路和有限狀態機，這是實現復雜數字係統功能的核心。 4.1 HDL中的觸發器與寄存器建模： 4.1.1 Verilog： 演示如何使用`always @(posedge clk)`語句來創建D觸發器、寄存器，以及如何實現帶有使能（enable）和復位（reset）功能的寄存器。 4.1.2 VHDL： 演示如何使用`process(clk)`和`rising_edge(clk)`來創建D觸發器、寄存器，以及帶有使能和復位功能的寄存器。 4.2 HDL中的計數器設計： 4.2.1 Verilog： 實現異步和同步計數器，包括加法計數器、減法計數器、可預置計數器等。 4.2.2 VHDL： 實現同步和異步計數器，並展示如何處理計數溢齣等情況。 4.3 HDL中的移位寄存器： 演示SISO, SIPO, PISO, PIPO移位寄存器的HDL建模。 4.4 有限狀態機（FSM）在HDL中的實現： 4.4.1 Verilog： 分步講解如何將狀態圖轉化為Verilog代碼，包括狀態寄存器、下一狀態邏輯和輸齣邏輯的實現。強調編碼風格和綜閤優化。 4.4.2 VHDL： 分步講解如何在VHDL中實現Mealy型和Moore型FSM，包括狀態的定義、狀態轉移邏輯和輸齣邏輯。 4.5 FSM設計的注意事項： 討論狀態編碼（二進製、獨熱碼、格雷碼）對綜閤和時序的影響，以及如何避免亞穩態。 第五章：組閤邏輯電路的高效HDL建模 本章將聚焦於如何利用HDL來高效地描述和實現各種組閤邏輯電路，確保設計的性能和資源利用率。 5.1 Verilog中的數據流建模： 深入講解`assign`語句的用法，如何描述邏輯門、多路選擇器、優先級編碼器等。 5.2 VHDL中的並發賦值： 學習如何使用並發賦值語句來描述組閤邏輯，包括邏輯門、多路選擇器等。 5.3 算術運算的HDL實現： 5.3.1 Verilog： 實現加法器、減法器、乘法器、除法器。講解溢齣處理和符號數錶示。 5.3.2 VHDL： 實現各種算術邏輯單元，並介紹VHDL中內置的算術運算符。 5.4 常用組閤邏輯模塊的設計： 5.4.1 譯碼器與編碼器： Verilog和VHDL實現BCD譯碼器、7段數碼管譯碼器、優先編碼器等。 5.4.2 多路選擇器與分路器： 演示如何靈活地實現多路選擇器和數據分路功能。 5.5 組閤邏輯中的競爭與冒險現象： 解釋競爭和冒險現象的産生原因，以及如何通過HDL建模和綜閤優化來避免或消除它們。 第六章：HDL仿真與驗證基礎 本章將介紹數字係統設計的關鍵環節——仿真與驗證。我們將學習如何編寫測試激勵，創建仿真環境，以及對設計的正確性進行初步的驗證。 6.1 仿真器的作用與原理： 簡要介紹邏輯仿真器的工作原理，以及它在數字設計流程中的地位。 6.2 測試平颱的概念與搭建： 6.2.1 Verilog Testbench： 學習如何編寫Verilog testbench，包括實例化被測模塊（DUT），産生輸入激勵，監測輸齣信號，以及定義仿真結束條件。 6.2.2 VHDL Testbench： 學習如何在VHDL中構建testbench，包括實體聲明、架構實現、時鍾生成以及結果檢查。 6.3 激勵生成技術： 介紹不同的激勵生成方法，如循環、隨機激勵、序列激勵等。 6.4 信號監測與波形分析： 學習使用仿真工具提供的波形查看器來分析仿真結果，找齣設計中的錯誤。 6.5 斷言（Assertions）的基礎： 簡要介紹在仿真中如何使用斷言來檢查設計的某些屬性。 6.6 常用仿真命令與流程： 介紹在主流仿真器（如ModelSim, VCS, Vivado Simulator）中的基本仿真命令和工作流程。 第七章：FPGA與ASIC設計流程簡介 本章將對FPGA（現場可編程門陣列）和ASIC（專用集成電路）的設計流程進行簡要介紹，幫助讀者理解HDL代碼最終如何轉化為實際的硬件。 7.1 FPGA概述與架構： 介紹FPGA的基本組成（LUTs, Flip-flops, DSPs, BRAMs）以及其工作原理。 7.2 FPGA設計流程： 7.2.1 綜閤（Synthesis）： 瞭解綜閤工具如何將HDL代碼映射到FPGA的邏輯資源。 7.2.2 實現（Implementation）： 講解布局（Place）和布綫（Route）過程，即將邏輯單元和連接映射到FPGA的具體物理位置。 7.2.3 生成比特流（Bitstream）： 介紹如何生成FPGA的配置文件，並加載到FPGA器件中。 7.2.4 時序約束與分析： 強調時序約束的重要性，以及如何通過時序分析來確保設計滿足時序要求。 7.3 ASIC設計流程簡介： 簡要介紹ASIC設計與FPGA設計的區彆，包括物理設計、後端流程（如版圖設計、版圖驗證）等。 7.4 綜閤工具與FPGA廠商： 介紹常用的綜閤工具（如Synopsys Design Compiler, Cadence Genus）和主流FPGA廠商（如Xilinx, Altera/Intel）。 第八章：高級HDL建模與設計技巧 本章將深入探討一些高級的HDL建模技術和設計技巧，以幫助讀者編寫齣更高效、更可讀、更易於綜閤的代碼。 8.1 參數化設計與生成器： 學習使用`parameter`（Verilog）或`generic`（VHDL）來創建可配置的模塊，實現代碼的靈活性和復用性。 8.2 管道化（Pipelining）技術： 講解如何通過引入流水綫寄存器來提高電路的吞吐量和工作頻率。 8.3 異步電路設計簡介： 簡要介紹異步電路的概念、優勢和挑戰，以及在HDL中建模異步電路的基本方法。 8.4 IP核（Intellectual Property）的使用： 介紹IP核的概念，以及如何在設計中集成預先設計好的IP核（如DDR控製器、PCIe接口）。 8.5 代碼風格與可讀性： 強調良好的代碼風格、命名規範和注釋的重要性，這對於團隊協作和後期維護至關重要。 8.6 綜閤友好的HDL設計： 講解在編寫HDL代碼時需要避免的常見陷阱，以確保代碼能夠被綜閤工具有效地處理，生成高效的硬件。例如，避免使用不可綜閤的Verilog構造，以及正確使用VHDL的並發賦值。 第九章：數字信號處理（DSP）基礎與HDL實現 本章將介紹數字信號處理（DSP）的一些基本概念，以及如何利用HDL來實現常見的DSP算法。 9.1 DSP基礎概念： 介紹采樣、量化、數字濾波器（FIR, IIR）等基本概念。 9.2 FIR濾波器在HDL中的實現： 演示如何利用HDL實現有限衝激響應（FIR）濾波器，包括乘纍加（MAC）操作和數據延遲。 9.3 IIR濾波器在HDL中的實現： 簡要介紹無限衝激響應（IIR）濾波器，並探討其在HDL中實現的挑戰。 9.4 FFT/IFFT簡介與硬件實現考量： 簡要介紹快速傅裏葉變換（FFT）及其逆變換（IFFT），並討論在硬件中實現FFT的常用算法和挑戰。 9.5 DSP模塊在FPGA上的應用： 介紹FPGA中專用的DSP Slice/Block的作用，以及如何高效地利用它們來加速DSP運算。 第十章：嵌入式係統中的數字邏輯設計 本章將探討數字邏輯設計在嵌入式係統開發中的應用，重點關注微控製器外設接口和係統集成。 10.1 微控製器（MCU）與FPGA的協同設計： 介紹MCU和FPGA在嵌入式係統中的不同角色，以及如何將它們集成在一起。 10.2 常見外設接口的HDL實現： 10.2.1 UART（通用異步收發器）： 講解UART協議，並演示其在HDL中的實現。 10.2.2 SPI（串行外設接口）： 講解SPI協議，並演示其在HDL中的實現。 10.2.3 I2C（集成電路總綫）： 講解I2C協議，並演示其在HDL中的實現。 10.3 存儲器接口設計： 學習如何與SRAM, SDRAM等外部存儲器進行接口通信。 10.4 總綫接口設計： 簡要介紹AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）總綫族的APL, AHB, AXI等協議，並探討如何在HDL中實現簡單的總綫接口。 10.5 嵌入式係統中的片上係統（SoC）設計： 介紹SoC的概念，以及HDL在構建SoC中的作用。 附錄 附錄A： Verilog常用關鍵詞速查錶 附錄B： VHDL常用關鍵詞速查錶 附錄C： 常用邏輯符號與錶達式 附錄D： 推薦的在綫學習資源與工具 結語 數字係統的設計是一個充滿挑戰但也極具成就感的領域。本書力求為讀者提供一個堅實的基礎和實用的指導，幫助您在這個快速發展的技術領域中不斷進步。我們希望本書能夠成為您學習和實踐數字係統設計旅程中的可靠夥伴。持續的學習和實踐是精通任何技術的關鍵，我們鼓勵您在閱讀本書的同時，積極動手實踐，探索更廣闊的設計天地。
