EDA技術與VHDL(第5版)（高等院校電子信息科學與工程規劃教材） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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潘鬆，黃繼業 著

圖書標籤:

• EDA
• VHDL
• 數字電路設計
• Verilog HDL
• FPGA
• 可編程邏輯器件
• 電子信息工程
• 高等教育
• 教材
• 電路分析

齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302489443

版次：5

商品編碼：12287809

包裝：平裝

開本：16

齣版時間：2018-01-01

用紙：膠版紙

頁數：361

字數：583000

正文語種：中文

內容簡介

本書係統地介紹瞭EDA 技術和VHDL 硬件描述語言，將VHDL 的基礎知識、編程技巧和實用方法與實際工程開發技術在Quartus II 13.1 上很好地結閤起來，使讀者通過本書的學習能迅速瞭解並掌握EDA技術的基本理論和工程開發實用技術，為後續的深入學習和發展打下堅實的理論與實踐基礎。
　　作者依據高校課堂教學和實驗操作的規律與要求，並以提高學生的實際工程設計能力和自主創新能力為目的，閤理編排全書內容。全書共分為8 個部分：EDA 技術的概述、VHDL 語法知識及其實用技術、Quartus II 及LPM 宏模塊的詳細使用方法、有限狀態機設計技術、16 位實用CPU 設計技術及創新實踐項目、基於ModelSim 的Test Bench 仿真技術、以及基於MATLAB 和DSP Builder 平颱的EDA 設計技術及大量實用係統設計示例。除個彆章節外，其他章節都安排瞭相應的習題和大量針對性強的實驗與設計項目。書中列舉的VHDL 示例都已經編譯通過或經硬件測試通過。
　　本書主要用於高等院校本、專科的EDA 技術和VHDL 語言基礎課，推薦作為電子工程、通信、工業自動化、計算機應用技術、電子對抗、儀器儀錶、數字信號或圖像處理等學科專業和相關實驗指導課的教材用書或主要參考書，同時也可作為電子設計競賽、FPGA 開發應用的自學參考書。
　　與此教材配套的還有 CAI 教學課件、實驗指導課件、實驗源程序，以及與實驗設計項目相關的詳細技術資料等，讀者都可免費索取。

目錄

第 1 章 EDA 技術概述 1
11 EDA 技術 1
12 EDA 技術應用對象 2
13 常用的硬件描述語言 4
14 EDA 技術的優勢 5
15 麵嚮FPGA 和CPLD 的開發流程 6
151 設計輸入 7
152 綜閤 7
153 適配（布綫布局） 9
154 仿真 9
155 RTL 描述 10
16 可編程邏輯器件 10
161 PLD 的分類 11
162 PROM 可編程原理 12
163 GAL 14
17 CPLD 的結構與可編程原理 15
18 FPGA 的結構與工作原理 18
181 查找錶邏輯結構 18
182 Cyclone 4E 係列器件的結構原理 18
183 內嵌Flash 的FPGA 器件 21
19 硬件測試技術 21
191 內部邏輯測試 21
192 JTAG 邊界掃描測試 22
110 編程與配置 22
111 Quartus II 23
112 IP 核 25
113 EDA 的發展趨勢 25
習題 27
第2 章程序結構與數據對象 28
21 VHDL 程序結構 28
22 VHDL 程序基本構建 30
221 實體和端口模式 30
222 結構體 31 223 庫和庫的種類 32
224 庫和程序包的調用方法 34
225 配置 35
23 VHDL 文字規則 36
231 數字 36
232 字符串 36
233 關鍵詞 37
234 標識符及其錶述規則 37
235 文件取名和存盤 38
236 規範的程序書寫格式 38
24 VHDL 數據對象 39
241 常數 39
242 變量 39
243 信號 40
習題 42
第3 章數據類型與順序語句 43
31 VHDL 數據類型 43
311 BIT 和BIT_VECTOR 類型 44
312 STD_LOGIC 和STD_LOGIC_VECTOR 類型 44
313 整數類型INTEGER 46
314 布爾數據類型BOOLEAN 47
315 SIGNED 和UNSIGNED 類型 47
316 其他預定義類型 49
317 數據類型轉換函數 50
32 常用順序語句 52
321 賦值語句 52
322 CASE 語句 53
323 PROCESS 語句 54
324 並置操作符& 55
325 IF 語句 56
33 IF 語句使用示例 57
331 D 觸發器的VHDL 描述 57
332 含異步復位和時鍾使能D 觸發器的描述 60
333 基本鎖存器的描述 60
334 含清零控製鎖存器的描述 62
335 實現時序電路的不同錶述方式 63
336 4 位二進製加法計數器設計 64
337 計數器更常用的VHDL 錶達方式 65
338 設計一個實用計數器 67 339 含同步並行預置功能的8 位移位寄存器設計 69
3310 優先編碼器設計 70
34 VHDL 其他順序語句 71
341 LOOP 循環語句 72
342 NEXT 語句 72
343 EXIT 語句 73
344 WAIT 語句 74
345 GENERIC 參數定義語句 77
346 REPORT 語句 77
347 斷言語句 78
348 端口數據含1 個數的統計電路模塊設計 80
習題 81
第4 章時序仿真與硬件實現 83
41 代碼編輯輸入和係統編譯 83
411 編輯和輸入設計文件 83
412 創建工程 84
413 約束項目設置 85
414 全程綜閤與編譯 87
415 RTL 圖觀察器應用 88
42 時序仿真 89
43 硬件測試 91
431 引腳鎖定 92
432 編譯文件下載 93
433 通過JTAG 口對配置芯片進行間接編程 95
434 USB-Blaster 驅動程序安裝方法 96
44 電路原理圖設計流程 96
441 設計一個半加器 96
442 完成全加器頂層設計 98
443 對全加器進行時序仿真和硬件測試 99
45 利用屬性錶述實現引腳鎖定 100
46 SignalTap II 的用法 101
47 編輯SignalTap II 的觸發信號 106
48 安裝Quartus II 131 說明 106
習題 111
實驗與設計 112
實驗4-1 多路選擇器設計實驗 112
實驗4-2 十六進製7 段數碼顯示譯碼器設計 112
實驗4-3 應用宏模塊設計數字頻率計 114
實驗4-4 計數器設計實驗 117實驗4-5 數碼掃描顯示電路設計 118
實驗4-6 硬件消抖動電路設計 118
實驗4-7 串行靜態顯示控製電路設計 119
第5 章並行語句 121
51 並行信號賦值語句 121
511 簡單信號賦值語句 121
512 條件信號賦值語句 122
513 選擇信號賦值語句 123
514 塊語句 124
515 元件例化語句 124
516 例化語句應用示例 125
517 生成語句 127
518 GENERIC 參數傳遞映射語句及其使用方法 129
519 數據類型定義語句 131
5110 VHDL 的存儲器描述 134
5111 信號屬性及屬性函數 136
52 VHDL 運算操作符 138
521 邏輯操作符 138
522 關係操作符 140
523 算術操作符 141
524 省略賦值操作符 144
53 keep 屬性應用 145
54 SignalProbe 使用方法 146
習題 148
實驗與設計 149
實驗5-1 8 位加法器設計實驗 149
實驗5-2 高速硬件除法器設計 149
實驗5-3 移位相加型8 位硬件乘法器設計 150
實驗5-4 基於VHDL 代碼的頻率計設計 150
實驗5-5 VGA 彩條信號顯示控製電路設計 152
實驗5-6 不同類型的移位寄存器設計實驗 156
第6 章 LPM宏模塊使用方法 157
61 調用計數器宏模塊示例 157
611 計數器LPM 模塊文本代碼的調用 157
612 LPM 計數器代碼與參數傳遞語句應用 159
613 創建工程與仿真測試 160
62 利用屬性控製乘法器構建的示例 161
63 LPM_RAM 宏模塊用法 162
631 初始化文件及其生成 162 632 LPM_RAM 的設置與調用 164
633 測試LPM_RAM 166
634 用VHDL 代碼描述存儲器以及用初始化文件加載錶述 166
64 LPM_ROM 使用示例 168
641 簡易正弦信號發生器設計 168
642 正弦信號發生器硬件實現和測試 169
65 在係統存儲器數據讀寫編輯器應用 171
66 LPM 嵌入式鎖相環調用 172
661 建立嵌入式鎖相環元件 172
662 測試鎖相環 175
67 In-System Sources and Probes Editor 用法 175
68 DDS 實現原理與應用 178
681 DDS 原理 178
682 DDS 信號發生器設計示例 180
習題 181
實驗與設計 181
實驗6-1 查錶式硬件運算器設計 181
實驗6-2 正弦信號發生器設計 182
實驗6-3 簡易邏輯分析儀設計 182
實驗6-4 DDS 正弦信號發生器設計 183
實驗6-5 移相信號發生器設計 184
實驗6-6 VGA 簡單圖像顯示控製模塊設計 185
實驗6-7 AM 幅度調製信號發生器設計 186
第7 章 VHDL 設計深入 188
71 進程中的信號賦值與變量賦值 188
72 含高阻輸齣的電路設計 192
721 三態門設計 192
722 雙嚮端口的設計方法 193
723 三態總綫電路設計 195
73 資源優化 196
731 資源共享 197
732 邏輯優化 198
733 串行化 199
74 速度優化 200
741 流水綫設計 201
742 關鍵路徑法 203
75 仿真延時 204
751 固有延時 204
752 傳輸延時 205 753 仿真δ 205
習題 206
實驗與設計 207
實驗7-1 4X4 陣列鍵盤鍵信號檢測電路設計 207
實驗7-2 樂麯硬件演奏電路設計 207
實驗7-3 PS2 鍵盤控製模型電子琴電路設計 210
實驗7-4 直流電機綜閤測控係統設計 213
實驗7-5 VGA 動畫圖像顯示控製電路設計 215
第8 章狀態機設計技術 216
81 VHDL 狀態機的一般形式 216
811 狀態機的特點與優勢 216
812 VHDL 狀態機的一般結構 217
813 狀態機設計初始約束與錶述 220
82 Moore 型狀態機的設計 221
821 多進程狀態機 222
822 序列檢測器之狀態機設計 225
83 Mealy 型狀態機的設計 226
84 狀態編碼 230
841 直接輸齣型編碼 230
842 順序編碼 232
843 一位熱碼狀態編碼 232
844 狀態編碼設置 233
85 安全狀態機設計 234
851 程序直接導引法 235
852 狀態編碼監測法 235
853 藉助EDA 優化控製工具生成安全狀態機 236
習題 236
實驗與設計 236
實驗8-1 序列檢測器設計 236
實驗8-2 並行ADC 采樣控製電路實現與硬件驗證 237
實驗8-3 數據采集模塊設計 238
實驗8-4 五功能智能邏輯筆設計 239
實驗8-5 串行ADC/DAC 采樣或信號輸齣控製電路設計 240
第9 章 16 位CPU 創新設計 241
91 KX9016 的結構與特色 241
92 KX9016 基本硬件係統設計 244
921 單步節拍發生模塊 244
922 運算器 244
923 比較器 245 924 基本寄存器與寄存器陣列組 246
925 移位器 250
926 程序與數據存儲器 251
93 KX9016v1 指令係統設計 251
931 指令格式 251
932 指令操作碼 252
933 軟件程序設計實例 254
934 KX9016 v1 控製器設計 255
935 指令設計實例詳解 259
94 KX9016 的時序仿真與硬件測試 260
941 時序仿真與指令執行波形分析 260
942 CPU 工作情況的硬件測試 262
95 KX9016 應用程序設計實例和係統優化 264
951 乘法算法及其硬件實現 264
952 除法算法及其硬件實現 265
953 KX9016v1 的硬件係統優化 266
習題 267
實驗與設計 268
實驗9-1 16 位CPU 驗證性設計綜閤實驗 268
實驗9-2 新指令設計及程序測試實驗 268
實驗9-3 16 位CPU 的優化設計與創新 269
第10 章 VHDL 仿真和語句補充 271
101 VHDL 仿真流程 272
102 VHDL 測試基準實例 274
103 VHDL Test Bench 測試流程 276
104 VHDL 子程序 278
1041 函數 278
1042 重載函數 281
1043 決斷函數 283
1044 過程 284
1045 重載過程 286
1046 子程序調用語句 286
1047 RETURN 語句 288
1048 並行過程調用語句 289
105 VHDL 程序包 291
習題 293
實驗與設計 294
實驗10-1 在ModelSim 上對VHDL Test Bench 進行仿真 294
第11 章 DSP Builder 係統設計方法 295 111 MATLAB/DSP Builder 及其設計流程 295
112 正弦信號發生器設計 297
1121 建立設計模型 298
1122 Simulink 模型仿真 304
1123 SignalCompiler 使用方法 307
1124 使用ModelSim 進行RTL 級仿真 308
1125 使用Quartus II 實現時序仿真 310
1126 硬件測試與硬件實現 310
113 DSP Builder 層次化設計 311
114 基於DSP Builder 的DDS 設計 314
1141 DDS 模塊設計 314
1142 FSK 調製器設計 316
1143 正交信號發生器設計 318
1144 數控移相信號發生器設計 318
1145 幅度調製信號發生器設計 318
115 HIL 硬件測試 320
習題 324
實驗與設計 325
實驗11-1 利用MATLAB/DSP Builder 設計基本電路模塊 325
實驗11-2 基於DSP Builder 的DDS 應用模型設計 326
實驗11-3 HIL 硬件環仿真實驗 327
第12 章 DSP Builder 設計深入 329
121 FIR 數字濾波器設計 329
1211 FIR 濾波器原理 329
1212 使用DSP Builder 設計FIR 濾波器 330
1213 使用MATLAB 的濾波器設計工具 334
1214 使用FIR IP Core 設計FIR 濾波器 340
122 HDL 模塊插入仿真及其設計 343
習題 346
實驗與設計 347
實驗12-1 FIR 數字濾波器設計實驗 347
實驗12-2 調製解調模塊設計實驗 348
實驗12-3 HDL Import 模塊應用實驗 348
附錄A EDA 開發係統及相關電路與錶格 349
A1 KX_CDS 係列EDA/SOPC 係統 350
A2 部分實驗擴展模塊 354
A3 mif 文件生成器使用方法 355
A4 核心闆FPGA 擴展至KX_CDS 係統對照錶 357
A5 多功能重配置結構可切換的部分實驗電路圖 359

精彩書摘

第1 章 EDA 技術概述

　　本章簡要介紹 EDA 技術、EDA 工具、FPGA 結構原理及EDA 的應用情況和發展趨勢，其中重點介紹基於EDA 的FPGA 開發技術的概況。
　　考慮到本章中齣現的一些基本概念和名詞有可能涉及較多的基礎知識和更深入的EDA 基礎理論，故對於本章的學習僅要求讀者做一般性的瞭解，無須深入探討。因為待讀者學習完本教程，並經曆瞭本教材配置的必要實踐後，對許多問題就會自然而然地弄明白瞭。不過需要強調的是，本章的重要性並不能因此而被低估。
1.1 EDA 技術
　　現代電子設計技術的核心已日趨轉嚮基於計算機的電子設計自動化技術，即EDA（Electronic Design Automation）技術。EDA 技術就是依賴功能強大的計算機，在EDA 工具軟件平颱上，對以硬件描述語言（HDL，Hardware Description Language）為係統邏輯描述手段完成的設計文件。它自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜閤、布局布綫以及邏輯優化和仿真測試，直至實現既定的電子綫路係統功能。EDA 技術使得設計者的主要工作僅限於利用軟件的方式來完成對係統硬件功能的實現，這是電子設計技術的一個巨大進步。
　　EDA 技術在硬件實現方麵融閤瞭大規模集成電路製造技術、IC 版圖設計、ASIC 測試和封裝以及FPGA/CPLD（Field Programmable Gate Array/Complex Programmable Logic Device）編程下載和自動測試等技術；在計算機輔助工程方麵融閤瞭計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助製造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）、計算機輔助工程（CAE）技術以及多種計算機語言的設計概念；而在現代電子學方麵則容納瞭更多的內容，如電子綫路設計理論、數字信號處理技術、數字係統建模和優化技術等。因此EDA 技術為現代電子理論和設計的錶達與實現提供瞭可能性。正因為EDA 技術豐富的內容及其與電子技術各學科領域的相關性，其發展的曆程同大規模集成電路設計技術、計算機輔助工程、可編程邏輯器件，以及電子設計技術和工藝是同步的。
　　就過去數十年的電子技術的發展曆程，可大緻將EDA 技術的發展分為3 個階段。
　　第一階段：20 世紀70 年代，在集成電路製作方麵，MOS 工藝已得到廣泛的應用。可編程邏輯技術及其器件已經問世，計算機作為一種運算工具已在科研領域得到廣泛應用。而在後期，CAD 的概念已見雛形，這一階段人們開始利用計算機取代手工勞動，輔助進行集成電路版圖編輯、PCB 布局布綫等工作，這是EDA 技術的雛形。
　　第二階段：20 世紀80 年代，集成電路設計進入瞭CMOS（互補場效應管）時代。復雜可編程邏輯器件已進入商業應用，相應的輔助設計軟件也已投入使用；在80 年代末，FPGA、CAE 和CAD 技術的應用更為廣泛，它們在PCB 設計方麵的原理圖輸入、自動布局布綫及PCB 分析、邏輯設計、邏輯仿真、布爾代數綜閤和化簡等方麵擔任瞭重要的角色。__特彆是各種硬件描述語言的齣現、應用和標準化方麵的重大進步，為電子設計自動化解決電子綫路建模、標準文檔及仿真測試等問題奠定瞭基礎。
　　第三階段：進入20 世紀90 年代，計算機輔助工程、輔助分析和輔助設計在電子技術領域獲得更加廣泛的應用。與此同時，電子技術在通信、計算機及傢電産品生産中的市場需求和技術需求，極大地推動瞭全新的電子設計自動化技術的應用和發展。特彆是集成電路設計工藝步入瞭超深亞微米階段，百萬門以上的大規模可編程邏輯器件的陸續問世，以及基於計算機技術的麵嚮用戶的低成本大規模ASIC 設計技術的應用，促進瞭EDA 技術的形成。更為重要的是，各EDA 公司緻力於推齣兼容各種硬件實現方案和支持標準硬件描述語言的EDA 工具軟件的齣現，都有效地將EDA 技術推嚮成熟和實用。
　　EDA 技術在進入21 世紀後，得到瞭更大的發展，突齣錶現在以下幾個方麵：
　　在 FPGA 上實現DSP（數字信號處理）應用成為可能，用純數字邏輯進行DSP 模塊的設計，使得高速DSP 的實現成為現實，並有力地推動瞭軟件無綫電技術的實用化和發展。基於FPGA 的DSP 技術，為高速數字信號處理算法提供瞭實現途徑。
　　嵌入式處理器軟核的成熟，使得SOPC（System On a Programmable Chip）步入大規模應用階段，在一單片FPGA 中實現一個完備的可隨意重構的嵌入式係統成為可能。
　　在仿真和設計兩方麵支持標準硬件描述語言的功能強大的 EDA 軟件不斷推齣。
　　EDA 使得電子領域各學科的界限更加模糊，更加互相包容：模擬與數字、軟件與硬件、係統與器件、ASIC 與FPGA 等。
　　基於 EDA 的用於ASIC 設計的標準單元已涵蓋大規模電子係統及復雜IP 核模塊。
　　軟硬 IP（Intellectual Property）核在電子行業的産業領域得到廣泛應用。
　　SOC 高效低成本設計技術的成熟。
　　係統級、行為驗證級硬件描述語言的齣現（如System C），使復雜電子係統的設計和驗證趨於簡單。
　　C 綜閤技術開始應用於復雜EDA 軟件工具。使用C 或類C 語言對數字邏輯係統進行設計已經成為可能。HLS（High-Level Synthesis）工具可以實現簡單C 程序到HDL 的轉化，而OpenCL 工具，可以構建以CPU 為核心的C 算法加速的應用。

前言/序言

　　新版教程的變化主要錶現在新版 EDA 軟件和較新的FPGA 的使用上：
　　（1）考慮到Quartus II 13.1 和 Quartus Prime Standard 16.1 版本的用法和功能基本相同，而13.1 版本支持的早期器件係列較多，包括Cyclone III。所以在一些重要的章節和示例中，用QuartusII 13.1 軟件取代瞭舊版的Quartus II 9.1。
　　（2）在上一版的前言中就已提到過，Quartus II 10.0 版本後不再支持內置的門級仿真器，即Altera 已將Quartus II 10.0 及此後版本的軟件中曾經一貫內置的門級波形仿真器移除瞭，這使得Quartus 的使用者不得不使用接口於Quartus II 的第三方仿真器ModelSim-Altera。顯然這一舉措對於多數初學者和相關的教學造成很大的不便。因為必須承認，Quartus II 9.x及之前版本軟件中一直內置的波形仿真器的易學、高效和便捷的巨大優勢，對於EDA 教學和初學者的學習是十分重要的。為此，Quartus II 13.1 及其以後的16.1 版本，藉助ModelSim-ase 構建瞭一個類似於波形仿真器的仿真工具。其在用法上也有少許不同之處，書中也做瞭介紹。
　　（3）由於新版軟件的波形仿真器是建立在第三方仿真軟件ModelSim-ase 上的，所以在安裝軟件時需要特彆注意要把ModelSim-ase 裝上，書中對此加入瞭Quartus II 13.1 安裝的簡要說明。
　　（4）考慮到較新的Cyclone 4 型FPGA 已經得到廣泛使用，並兼顧目前多數學校仍然使用基於Cyclone 3 係列FPGA 的實驗設備的事實，在此新版教材中包含瞭這兩種FPGA的使用示例。
　　（5）在FPGA 和CPLD 的結構介紹方麵，做瞭一定更新，介紹瞭較新近發展的FPGA（Cyclone4）和CPLD（內嵌Flash 的FPGA 器件）的結構特點。
　　（6）對一些習題和實驗項目做瞭精簡與完善。
　　（7）對第10 章的Test Bench 仿真示例升級在Quartus II 13.1 平颱上完成。
　　（8）對第11 和第12 章內容做瞭進一步的完善。
　　與本書 VHDL 內容相對應的Verilog HDL 教材可參考清華大學齣版社齣版的《EDA 技術與Verilog HDL（第3 版）》。
　　基於工程領域中 EDA 技術的巨大實用價值，以及對EDA 教學中實踐能力和創新意識培養的極端重視，本書的特色主要體現在如下兩個方麵。
　　1．注重實踐能力和創新能力的培養
　　在絕大部分章節中都安排瞭針對性較強的實驗與設計項目，使學生對每一章的課堂教學內容和教學效果能及時通過實驗得以消化和強化，並盡可能地從一開始學習就有機會將理論知識與實踐、自主設計緊密聯係起來。
　　全書包含數十個實驗及其相關的設計項目，這些項目涉及的 EDA 工具軟件類型較多、技術領域也較寬、知識涉獵密集、針對性強，而且自主創新意識的啓示性好。與書中的示例相同，所有的實驗項目都通過瞭EDA 工具的仿真測試及FPGA 平颱的硬件驗證。每一個實驗項目除給齣詳細的實驗目的、實驗原理和實驗報告要求外，還有2~5 個子項目或子任務。它們通常分為：第一個層次的實驗是與該章某個闡述內容相關的驗證性實驗，並通常提供詳細的且被驗證的設計源程序和實驗方法，學生隻需將提供的設計程序輸入計算機，並按要求進行編譯仿真，在實驗係統上實現即可，這使學生有一個初步的感性認識，也提高瞭實驗的效率；第二個層次的實驗任務要求在上一實驗基礎上做一些改進和發揮；第三個層次的實驗通常是提齣自主設計的要求和任務；第四、第五個實驗層次則是在僅給齣一些提示的情況下提齣自主創新性設計的要求。因此，教師可以根據學時數、教學實驗的要求以及不同的學生對象，布置不同層次含不同任務的實驗項目。
　　2．注重教學選材的靈活性和完整性相結閤
　　本教材的結構特點決定瞭授課學時數可十分靈活，即可長可短，應視具體的專業特點、課程定位及學習者的前期教育程度等因素而定，大緻在30~54 學時。考慮到EDA 技術課程的特質和本教材的特色，具體教學可以是粗放型的，其中多數內容，特彆是實踐項目，都可放手讓學生更多地自己去查閱資料、提齣問題、解決問題，乃至創新與創造；而授課教師隻需做一個啓濛者、引導者、鼓勵者和學生成果的檢驗者與評判者。授課的過程多數情況隻需點到為止，大可不必拘泥細節、麵麵俱到。但有一個原則，即安排的實驗學時數應多多益善。
　　事實上，任何一門課程的學時數總是有限的，為瞭有效增加學生的實踐和自主設計的時間，可以藉鑒清華大學的一項教改措施，即其電子係本科生從一入學就每人獲得一塊FPGA 實驗開發闆，可從本科一年級一直用到研究生畢業。這是因為EDA 技術本身就是一個可把全部實驗和設計帶迴傢的課程。
　　我校對於這門課程也基本采用瞭這一措施，即每個上EDA 課的同學都可藉齣一套EDA實驗闆，使他們能利用自己的計算機在課餘時間完成自主設計項目，強化學習效果。實踐錶明，這種安排使得實驗課時得到有效延長，教學成效自然顯著。
　　我們建議積極鼓勵學生利用課餘時間盡可能學完本書的全部內容，掌握本書介紹的所有EDA 工具軟件和相關開發手段，並盡可能多地完成本書配置的實驗和設計任務，甚至能參考教材中的要求，安排相關的創新設計競賽，進一步激發同學的學習積極性和主動性，並強化他們的動手能力和自主創新能力。
　　還有一個問題有必要在此探討，即自主創新能力的培養盡管重要，但對其有效提高絕非一朝一夕之事。多年的教學實踐告訴我們，針對這一問題的教改必須從兩方麵入手，一是教學內容，二是設課時間。二者密切聯係，不可偏廢。
　　前者主要指建立一個內在相關性好、設課時間靈活且易於將創新能力培養寓於知識傳播之中的課程體係。
　　後者主要指在課程安排的時段上，將這一體係的課程盡可能地提前。這一舉措是成功的關鍵，因為我們不可能到瞭本科三、四年級纔去關注能力培養，並期待奇跡發生，更不可能指望一兩門課程就能解決問題。尤其是以卓越工程師為培養目標的工科高等教育，自主創新能力的培養本身就是一項教學雙方必須投入密集實踐和探索的創新活動。我校的EDA 技術國傢級精品課程正是針對這一教改目標建立的課程體係，而“數字電子技術基礎” 是這一體係的組成部分和先導課程。它的提前設課是整個課程體係提前的必要條件。
　　通過數年的試點教學實踐和經驗總結，現已成功在部分本科學生中將此課程的設課時間從原來的第四或第五學期提前到瞭第一或第二學期。而這一體係的其他相關課程，如EDA 技術、單片機（相關教材是清華大學齣版社的《單片機原理與應用技術》，潘明、黃繼業等編著）、SOC 片上係統、計算機接口、嵌入式係統和DSP 等也相應提前，從而使學生到本科二年級時就具備瞭培養工程實踐和自主開發能力的條件。
　　另外有一個問題須在此說明。
　　針對本教材中的實驗和實踐項目所能提供的演示示例原設計文件的問題：本書中多數實驗都能提供經硬件驗證調試好的演示示例原設計，目的是讓讀者能順利完成實驗驗證和設計；有的示例的目的是希望能啓發或引導讀者完成更有創意的設計，其中一些示例盡管看上去頗有創意，但都不能說是最佳或最終結果，這給讀者留有許多改進和發揮的餘地。此外還有少數示例無法提供源代碼（隻能提供演示文件），是考慮到本書作者以外的設計者的著作權，但這些示例仍能在設計的可行性、創意和創新方麵給讀者以寶貴的啓示。
　　為瞭盡可能降低本書的成本和售價，不再配置光盤。與本書相關的其他資料，包括本書的配套課件、實驗示例源程序資料、相關設計項目的參考資料和附錄中提到的mif 文件編輯生成軟件等文件資料都可免費索取；此外對於一些與本教材相關的工具軟件，包括Quartus II、Synplify Pro、ModelSim-Atera 和DSP-Builder/MATLAB 等EDA 軟件的安裝使用問題都可谘詢（包括教學課件與實驗課件，以及實驗係統的FPGA 引腳查詢及對照錶等的免費索取）sunliangzhu@126.com，或與作者探討EDA 技術教學和實踐（hjynet@163.com）；或直接與齣版社聯係（主要是索取教學課件等）。
　　清華大學齣版社的網址和聯係方式分彆是：www.tup.com.cn，zzfangcn@vip.163.com。

作 者
於杭州電子科技大學

EDA技術與VHDL（第5版）：數字係統設計的理論與實踐 引言 在當今信息技術飛速發展的時代，數字集成電路的設計與實現已經成為電子信息科學的核心內容之一。從微處理器到嵌入式係統，再到復雜的通信設備和高性能計算平颱，幾乎所有現代電子産品都離不開數字電路的設計。而EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）技術，正是實現高效、復雜數字集成電路設計的重要基石。EDA技術通過軟件工具自動化瞭設計流程中的繁瑣環節，極大地提高瞭設計效率和産品質量。 與此同時，VHDL（VHSIC Hardware Description Language，超大規模集成電路硬件描述語言）作為一種強大的硬件描述語言，在全球範圍內得到瞭廣泛的應用。它不僅能夠精確地描述數字電路的功能和結構，還能夠支持自頂嚮下和自底嚮上的設計方法，並為仿真、綜閤和驗證提供瞭統一的平颱。本書《EDA技術與VHDL（第5版）》正是圍繞這一核心主題，係統地闡述瞭EDA技術的基本原理、核心方法以及VHDL語言的精髓，旨在為讀者構建紮實的數字係統設計理論基礎，並掌握實際的設計與實現技能。 第一部分：EDA技術概述與設計流程 在數字係統設計領域，EDA技術扮演著至關重要的角色。它不僅僅是工具的集閤，更是一種係統化的設計理念和方法論。本書的第一部分將帶領讀者深入瞭解EDA技術的本質，以及它如何革新瞭傳統的電子設計模式。 1. EDA技術概覽 EDA的定義與發展曆程： 詳細介紹EDA的起源、發展壯大以及其在集成電路設計中的不可或缺性。從早期的手工布綫到如今高度自動化的集成電路設計流程，EDA技術經曆瞭質的飛躍。 EDA工具鏈的構成： 剖析現代EDA工具鏈的組成部分，包括邏輯綜閤工具、布局布綫工具、仿真器、驗證工具、時序分析工具等。理解這些工具之間的協同工作，對於掌握完整的EDA流程至關重要。 EDA在數字係統設計中的作用： 強調EDA技術如何提高設計效率，降低設計成本，縮短産品上市時間，並實現更復雜的數字係統。通過自動化設計，工程師可以將更多精力投入到創新的架構設計和算法優化中。 2. 數字係統設計流程 從需求到實現的全過程： 詳細梳理一個典型的數字係統設計項目所經曆的各個階段，從需求分析、係統級設計、邏輯設計、物理設計，到最終的製造和測試。 自頂嚮下與自底嚮上設計方法： 深入探討兩種主要的係統設計方法。自頂嚮下設計強調從宏觀功能齣發，逐步細化，而自底嚮上設計則側重於模塊的構建與集成。理解這些方法論有助於讀者根據項目特點選擇最優的設計策略。 EDA在各設計階段的應用： 結閤具體的EDA工具，闡述它們如何在設計的不同階段發揮作用。例如，使用仿真工具進行功能驗證，使用綜閤工具將HDL代碼轉換為門級網錶，使用布局布綫工具實現物理連接等。 3. 邏輯綜閤基礎 綜閤的概念與目標： 解釋邏輯綜閤是如何將高級硬件描述語言（如VHDL）代碼自動轉換為邏輯門（如AND, OR, NOT門）和觸發器等基本邏輯單元的電路網錶。其主要目標是實現指定的功能，同時優化電路的麵積、速度和功耗。 綜閤的輸入與輸齣： 明確綜閤工具的輸入（HDL代碼、約束文件）和輸齣（網錶、時序報告）。理解這些是成功進行綜閤的關鍵。 影響綜閤結果的因素： 探討影響邏輯綜閤效率和質量的多種因素，包括HDL代碼的書寫風格、時序約束的準確性、目標工藝庫的特性等。 第二部分：VHDL語言基礎與高級特性 VHDL作為一種IEEE標準硬件描述語言，是數字係統設計領域不可或缺的工具。本書的第二部分將帶領讀者從零開始，循序漸進地掌握VHDL語言的各個方麵。 1. VHDL語言入門 VHDL的基本結構： 介紹VHDL程序的基本組成部分，包括實體（ENTITY）、結構體（ARCHITECTURE）、庫（LIBRARY）和包（PACKAGE）。理解這些構件是編寫VHDL代碼的基礎。 數據類型與運算符： 詳細講解VHDL支持的標準數據類型（如BIT, BOOLEAN, INTEGER, REAL, STD_LOGIC, STD_LOGIC_VECTOR等）以及常用的運算符。重點介紹STD_LOGIC類型及其九種邏輯狀態，這對精確描述電路行為至關重要。 信號（SIGNAL）與變量（VARIABLE）： 區分信號和變量在VHDL中的作用和用法。信號用於描述硬件連接和時序行為，而變量則用於過程內部的計算。 2. VHDL並發語句與進程 並發語句： 介紹VHDL中的並發語句，如組件實例化、信號賦值語句（Concurrent Signal Assignment Statements）等。這些語句描述瞭硬件電路的並行性，是VHDL的核心特徵之一。 進程（PROCESS）： 深入講解進程的概念。進程是VHDL中描述順序行為的主要單元，可以被看作是一個獨立的執行塊，響應敏感列錶（Sensitivity List）中的信號變化而觸發。 條件語句與循環語句（在進程內）： 闡述如何在進程中使用IF, CASE, LOOP等結構來控製程序的執行流程，並將其映射到硬件電路。 3. VHDL行為建模 時序建模： 講解如何使用VHDL描述帶有時間延遲的電路行為，例如使用WAIT語句和INERTIAL DELAY。這對於模擬真實硬件的時序特性至關重要。 狀態機（State Machine）設計： 詳細介紹如何使用VHDL實現有限狀態機（FSM），這是控製和排序數字係統操作的常用方法。通過狀態轉移圖和VHDL代碼的結閤，讀者可以清晰地理解狀態機的設計過程。 組閤邏輯與時序邏輯的建模： 分彆闡述如何用VHDL有效地描述組閤邏輯（輸齣僅取決於當前輸入）和時序邏輯（輸齣取決於當前輸入和過去的狀態，如觸發器）。 4. VHDL結構建模 組件實例化： 介紹如何通過組件實例化來構建層次化的設計。將復雜的係統分解為多個模塊，並通過組件連接起來，是實現大型設計的關鍵。 端口映射： 講解如何通過端口映射將父模塊的信號連接到子模塊的端口，確保數據能夠在不同模塊之間正確傳遞。 生成語句（GENERATE Statements）： 介紹GENERATE語句如何用於參數化設計，根據條件生成不同的電路結構，從而提高代碼的可重用性和靈活性。 5. VHDL的進階主題 庫與包（Libraries and Packages）： 深入講解如何創建和使用庫與包來組織和共享VHDL代碼。特彆是IEEE標準庫（如STD_LOGIC_1164, NUMERIC_STD）的應用。 屬性（Attributes）與用戶定義類型： 介紹VHDL的屬性機製，如何訪問和使用預定義屬性（如%range%）以及定義自己的數據類型，以增強代碼的可讀性和錶達能力。 文件I/O操作： 講解如何在VHDL中進行文件輸入輸齣，這在測試嚮量的讀寫、結果的記錄等方麵非常有用。 配置（Configuration）： 介紹配置機製，允許用戶在運行時選擇不同的組件實現，這為設計驗證和靈活應用提供瞭強大的支持。 第三部分：EDA工具鏈與VHDL設計實踐 理論學習必須結閤實踐纔能真正掌握。本書的第三部分將重點介紹主流EDA工具鏈的使用，並將VHDL語言的理論知識應用於實際設計項目。 1. 主流EDA工具介紹 主流FPGA/ASIC設計工具： 簡要介紹Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime等FPGA設計工具，以及Synopsys Design Compiler, Cadence Genus等ASIC設計工具。瞭解這些工具的基本界麵和功能。 仿真器的作用與使用： 詳細介紹仿真器在設計驗證中的重要性，包括功能仿真和時序仿真。重點講解如何編寫測試平颱（Testbench）來驅動被測模塊（DUT）並驗證其行為。 綜閤器的使用與優化： 結閤實際操作，演示如何使用綜閤器將VHDL代碼轉換為網錶，以及如何通過約束文件（如XDC, SDC）來指導綜閤過程，以滿足時序和麵積要求。 2. VHDL設計與仿真實踐 簡單的組閤邏輯設計： 從簡單的加法器、多路選擇器等組閤邏輯電路入手，編寫VHDL代碼，進行仿真驗證，並觀察仿真結果。 簡單的時序邏輯設計： 設計並實現寄存器、計數器、移位寄存器等時序邏輯電路。理解時鍾信號在時序邏輯中的作用，並進行仿真驗證。 狀態機設計實例： 以交通燈控製器、序列檢測器等具體實例，演示如何使用VHDL設計和實現狀態機，並進行仿真驗證。 模塊化設計與層次化驗證： 講解如何將復雜係統分解為多個模塊，並對每個模塊進行獨立測試，最後集成驗證。 3. FPGA/ASIC實現流程 綜閤、布局與布綫（Synthesis, Place & Route）： 詳細介紹FPGA/ASIC設計流程中的關鍵步驟。理解綜閤將HDL代碼轉化為邏輯網錶，布局布綫將網錶映射到目標器件的物理資源上。 時序約束與分析： 講解如何設置時序約束（如時鍾周期、輸入輸齣延遲），以及如何使用時序分析工具來檢查設計是否滿足時序要求。 比特流生成與下載： 介紹如何生成最終的配置文件（比特流），並將其下載到FPGA開發闆上進行硬件驗證。 4. 高級應用與案例分析 IP核的使用與設計： 介紹IP核（Intellectual Property Core）的概念，以及如何使用預設計的IP核來加速開發進程，例如DSP核、存儲器接口等。 低功耗設計方法： 探討在數字係統設計中降低功耗的技術，例如時鍾門控、多電壓域設計等。 魯棒性設計考慮： 討論在設計中如何考慮抗乾擾、錯誤檢測與糾正等魯棒性設計原則。 實際項目案例分析： 通過一到兩個典型應用場景（如嵌入式係統中的控製器設計、通信接口設計等），整閤本書所學的EDA技術和VHDL知識，展示一個完整的數字係統設計過程。 結論 《EDA技術與VHDL（第5版）》提供瞭一個全麵而深入的學習平颱，它不僅傳授瞭EDA技術的核心概念和VHDL語言的精妙之處，更注重將理論知識與實際設計緊密結閤。通過循序漸進的章節安排和豐富的實例，本書將幫助讀者掌握從係統構思到硬件實現的完整流程，為他們在數字集成電路設計領域的發展奠定堅實的基礎。無論您是初學者還是希望深化理解的工程師，本書都將是您寶貴的參考資料。

評分☆☆☆☆☆

我一直在尋找一本能夠係統地梳理EDA技術脈絡，並深入講解VHDL語言精髓的書籍，終於讓我找到瞭《EDA技術與VHDL(第5版)》。這本書的結構非常清晰，從基礎概念入手，逐步深入到高級主題，讓我能夠循序漸進地掌握相關知識。我特彆欣賞書中關於FPGA硬件實現原理的闡述，它詳細解釋瞭邏輯單元、布綫資源等核心組件如何協同工作，這讓我對最終生成的硬件電路有瞭更直觀的認識，也為我後續的設計優化提供瞭重要的理論指導。在VHDL語言部分，書中對於一些容易混淆的概念，如信號和變量的區彆，過程和函數的用法等，都進行瞭非常細緻的辨析，並且配以豐富的示例，讓我能夠深刻理解並正確運用。此外，書中還探討瞭一些關於代碼風格和可讀性的問題，這對於團隊協作和長期維護的項目來說尤為重要。這本書不僅教會瞭我如何“寫”VHDL，更重要的是教會瞭我如何“設計”VHDL，如何寫齣高質量、易於理解和維護的代碼，為我未來的工程實踐打下瞭堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

終於等到瞭這本《EDA技術與VHDL(第5版)》！作為一名電子信息工程專業的學生，EDA技術和VHDL語言在我學習和未來的職業生涯中都扮演著至關重要的角色。拿到這本書，首先映入眼簾的是它厚實的分量和清晰的排版，一看就知道是經過精心打磨的教材。翻開幾頁，我就被深深吸引住瞭。書中對EDA技術的概念、發展曆程以及在不同領域的應用進行瞭詳盡的介紹，這為我建立瞭一個宏觀的認識框架。特彆是關於FPGA和CPLD等主流EDA器件的原理和架構，講解得非常到位，理論結閤實際，讓我對這些復雜的芯片有瞭更直觀的理解。而且，書中關於VHDL語言的講解也格外細緻，從基礎語法、數據類型，到常用的語句結構、設計流程，層層遞進，循序漸進。我特彆喜歡其中大量的代碼示例，這些代碼不僅清晰易懂，而且能夠很好地展示VHDL語言在數字電路設計中的實際應用。我迫不及待地想要跟著書中的內容，一步步地掌握VHDL語言的精髓，並且嘗試用它來設計各種有趣的數字電路。這本書的齣現，無疑為我鋪平瞭通往EDA技術和VHDL學習道路上的重要基石。

評分☆☆☆☆☆

這本書的齣現，確實讓我對EDA技術和VHDL語言的理解提升到瞭一個新的高度。它最大的特點在於，不僅僅停留在理論的講解，而是非常注重實際操作和工程應用。書中通過大量的實例，展示瞭如何將VHDL語言應用於各種實際的數字電路設計，比如微處理器、信號處理單元、通信接口等等。我特彆喜歡其中關於狀態機設計的章節，通過不同的狀態機模型（如Moore和Mealy），以及如何用VHDL來實現它們，讓我對控製邏輯的設計有瞭更深刻的理解。而且，書中對於測試平颱的構建和仿真驗證的講解也十分詳盡，這對於確保設計的正確性至關重要。我以往在仿真方麵常常感到力不從心，而通過學習這本書，我學會瞭如何編寫有效的測試嚮量，如何利用仿真工具進行調試，從而大大提高瞭設計的效率和可靠性。這本書讓我明白，VHDL不僅僅是一門編程語言，更是一種工程化的設計方法論，能夠幫助我構建齣穩定、高效、可維護的數字係統。

評分☆☆☆☆☆

這本《EDA技術與VHDL(第5版)》給我的感覺就像是打開瞭一扇通往數字設計世界的大門。一直以來，我對如何將抽象的邏輯概念轉化為實際的硬件電路充滿好奇，而這本書正好滿足瞭我的求知欲。它沒有簡單地羅列枯燥的理論，而是通過生動的案例和詳盡的步驟，一步步地引導我理解EDA技術的強大之處。例如，書中關於時序邏輯和組閤邏輯的設計方法，讓我明白瞭如何用VHDL來描述和實現復雜的時序關係，這對於設計高速、可靠的數字係統至關重要。我尤其欣賞書中對具體設計流程的講解，從需求分析、功能描述，到仿真驗證、綜閤適配，每一個環節都介紹得非常清晰。尤其讓我眼前一亮的是，書中對於仿真和時序分析的深入探討，這對於保證設計的正確性和性能至關重要，也常常是初學者容易忽視的環節。通過閱讀相關章節，我不僅掌握瞭VHDL的語法，更重要的是學會瞭如何運用它進行規範、高效的數字邏輯設計。這本書絕對是我在學習EDA技術道路上的一位良師益友。

評分☆☆☆☆☆

說實話，作為一名在工程實踐中摸爬滾打瞭一段時間的學生，我經常會遇到理論知識與實際操作脫節的情況。而這本《EDA技術與VHDL(第5版)》則在很大程度上彌補瞭這一遺憾。它不僅僅是一本教科書，更像是一本能夠指導我解決實際工程問題的參考書。書中深入剖析瞭EDA工具鏈的各個環節，比如綜閤、布局布綫、時序約束等，這些都是實際項目開發中不可或缺的關鍵步驟。我曾經在項目實踐中遇到過時序違例的問題，當時束手無策，而現在我找到瞭這本書。書中關於時序分析和優化的章節，提供瞭非常實用的方法和技巧，讓我能夠理解問題産生的原因，並指導我如何通過修改VHDL代碼或調整設計約束來解決這些問題。此外，書中還介紹瞭一些高級VHDL設計技巧，例如狀態機設計、參數化設計等，這些都極大地提升瞭我的設計能力和代碼復用性。這本書的價值在於它能夠幫助我從“紙上談兵”走嚮“實戰齣真知”，讓我真正具備解決復雜數字係統設計問題的能力。