VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計(第四版) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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侯伯亨，劉凱，顧新 著

圖書標籤:

• VHDL
• 硬件描述語言
• 數字邏輯電路
• FPGA
• Verilog
• 數字係統設計
• 可編程邏輯器件
• 第四版
• 電子工程
• 教材

店鋪： 墨林閣圖書專營店

齣版社： 西安電子科技大學齣版社

ISBN：9787560634265

商品編碼：29741594427

包裝：平裝

齣版時間：2014-08-01

基本信息

書名：VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計(第四版)

定價：45.00元

作者：侯伯亨,劉凱,顧新

齣版社：西安電子科技大學齣版社

齣版日期：2014-08-01

ISBN：9787560634265

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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本書是原書第三版的簡明版，刪去瞭原書中的有關內容和附錄A，以便於閱讀和使用。該書係統地介紹瞭用VHDL語言設計數字係統和數字邏輯電路硬件的方法。工程實例豐富，便於學習和理解，對從事實際電子電路設計人員有較大實用參考價值。

目錄

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章 數字係統硬件設計概述 1.1 傳統的係統硬件設計方法 1.2 利用硬件描述語言的硬件電路設計方法 習題與思考題第2章 數字係統的算法描述 2.1 數字係統算法流程圖描述 2.1.1 算法流程圖的符號及描述方法 2.1.2 算法流程圖描述數字係統實例 2.2 狀態機及算法狀態機圖描述 2.2.1 狀態機的分類及特點 2.2.2 算法狀態機流程圖的符號及描述方法 2.2.3 算法狀態機圖描述實例 2.2.4 算法流程圖至狀態圖的變換方法 2.2.5 狀態圖至算法狀態機圖的變換方法 2.2.6 C語言流程圖至算法狀態機圖的變換方法 習題與思考題第3章 VHDL程序的基本結構 3.1 VHDL設計的基本單元及其構成 3.1.1 實體說明 3.1.2 構造體 3.2 VHDL構造體的子結構描述 3.2.1 BLOCK語句結構描述 3.2.2 PROCESS語句結構描述 3.2.3 SUBPROGRAM語句結構描述 3.3 庫、包集閤及配置 3.3.1 庫 3.3.2 包集閤 3.3.3 配置 習題與思考題第4章 VHDL的數據類型與運算操作符 4.1 VHDL的客體及其分類 4.1.1 常數 4.1.2 變量 4.1.3 信號 4.1.4 信號和變量值代入的區彆 4.1.5 文件 4.2 VHDL的數據類型 4.2.1 標準的數據類型 4.2.2 用戶定義的數據類型 4.2.3 用戶定義的子類型 4.2.4 數據類型的轉換 4.2.5 數據類型的限定 4.2.6 IEEE標準“STD_LOGIC”和 “STD_LOGIC VECTOR” 4.3 VHDL的運算操作符 4.3.1 邏輯運算符 4.3.2 算術運算符 4.3.3 關係運算符 4.3.4 並置運算符 習題與思考題第5章 VHDL構造體的描述方式 5.1 構造體的行為描述方式 5.1.1 代入語句 5.1.2 延時語句 5.1.3 多驅動器描述語句 5.1.4 GENERIC語句 5.2 構造體的寄存器傳輸(RTL)描述方式 5.2.1 RTL描述方式的特點 5.2.2 使用RTL描述方式應注意的問題 5.3 構造體的結構描述方式 5.3.1 構造體結構描述的基本框架 5.3.2 PONENT語句 5.3.3 PONENT_INSTANT語句 習題與思考題第6章 VHDL的主要描述語句 6.1 順序描述語句 6.1.1 WAIT語句 6.1.2 斷言語句 6.1.3 信號代入語句 6.1.4 變量賦值語句 6.1.5 IF語句 6.1.6 CASE語句 6.1.7 LOOP語句 6.1.8 NEXT語句 6.1.9 EXIT語句 6.2 並發描述語句 6.2.1 進程語句 6.2.2 並發信號代入語句 6.2.3 條件信號代入語句 6.2.4 選擇信號代入語句 6.2.5 並發過程調用語句 6.2.6 塊語句 6.3 其他語句和有關規定的說明 6.3.1 命名規則和注解的標記 6.3.2 ATTRIBUTE(屬性)描述與定義語句 6.3.3 GENERATE語句 習題與思考題第7章 數值係統的狀態模型 7.1 二態數值係統 7.2 三態數值係統 7.3 四態數值係統 7.4 九態數值係統 7.5 十二態數值係統 7.6 四十六態數值係統 習題與思考題第8章 基本邏輯電路設計 8.1 組閤邏輯電路設計 8.1.1 簡單門電路 8.1.2 編、譯碼器與選擇器 8.1.3 加法器與求補器 8.1.4 三態門與總綫緩衝器 8.2 時序電路設計 8.2.1 時鍾信號和復位信號 8.2.2 觸發器 8.2.3 寄存器 8.2.4 計數器 8.3 存儲器 8.3.1 存儲器描述中的共性問題 8.3.2 ROM(隻讀存儲器) 8.3.3 RAM(存儲器) 8.3.4 FIFO(先進先齣堆棧) 習題與思考題第9章 仿真與邏輯綜閤 9.1 仿真 9.1.1 仿真輸入信息的産生 9.1.2 仿真△ 9.1.3 仿真程序模塊的書寫 9.2 邏輯綜閤 9.2.1 約束條件 9.2.2 屬性描述 9.2.3 2工藝庫 9.2.4 邏輯綜閤的基本步驟 習題與思考題0章 數字係統的實際設計技巧 10.1 數字係統優化的基本方法 10.1.1 相同電路的處理 10.1.2 運算順序的改變 10.1.3 常數運算的運用 10.1.4 相同運算電路的使用 10.1.5 優化的必要性及其工程實際意義 10.2 數字係統設計中的工程實際問題 10.2.1 提高係統工作速度的方法 10.2.2 縮小電路規模和降低功耗的方法 10.2.3 係統誤操作的成因及其消除方法 10.2.4.非同步信號的控製方法 10.2.5 典型狀態機狀態編碼的選擇 習題與思考題1章 洗衣機洗滌控製電路設計實例 11.1 洗衣機洗滌控製電路的性能要求 11.2 洗衣機洗滌控製電路的結構 11.3 洗衣機洗滌控製電路的算法狀態機圖描述 11.4 洗衣機洗滌控製電路的VHDL描述 習題與思考題2章 微處理器接口芯片設計實例. 12.1 可編程並行接口芯片設計實例 12.1.1 8255的引腳與內部結構 12.1.2 8255的工作方式及其控製字 12.1.3 8255的結構設計 12.1.4 8255芯片的VHDL描述 12.1.5 8255芯片VHDL描述模塊的仿真 12.2 SCI串行接口芯片設計實例 12.2.1 SCI的引腳與內部結構 12.2.2 串行數據傳送的格式與同步控製機構 12.2.3 SCI芯片的VHDL描述 12.2.4 SCI芯片VHDL描述模塊的仿真 12.3 鍵盤接口芯片KBC設計實例 12.3.1 KBC的引腳與內部結構 12.3.2 同步控製機構和查錶變換 12.3.3 KBC芯片的VHDL描述 12.3.4 KBC芯片VHDL描述模塊的仿真 習題與思考題3章 VHDL 93版和87版的主要區彆 13.1 VHDL93版的特點 13.2 87版到93版的移植問題附錄A VHDL文法介紹附錄B 屬性說明附錄C VHDL標準包集閤文件參考文獻

作者介紹

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文摘

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序言

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《VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計（第四版）》是一本係統性講解VHDL語言及其在數字邏輯電路設計中應用的權威著作。本書旨在為讀者提供紮實的理論基礎和豐富的實踐經驗，幫助他們掌握現代數字係統設計的核心技能。 內容概述 本書共分為四個主要部分： 第一部分：數字邏輯電路基礎 這部分是理解VHDL語言和數字電路設計的前提。它從最基本的邏輯門和邏輯運算開始，逐步深入到組閤邏輯和時序邏輯電路的設計原理。 基本邏輯概念： 詳細闡述瞭布爾代數的基本公理和定理，以及與、或、非、異或、同或等基本邏輯門的功能和真值錶。通過分析這些基本門電路的組閤，引齣瞭更復雜的邏輯功能。 組閤邏輯電路： 重點介紹瞭組閤邏輯電路的特點——輸齣僅取決於當前輸入，與過去輸入無關。本書涵蓋瞭多種組閤邏輯電路的設計方法，包括： 邏輯函數的簡化： 講解瞭卡諾圖（Karnaugh Map）和布爾代數化簡等方法，用於簡化邏輯錶達式，從而減少硬件成本和提高電路性能。 常用組閤邏輯電路： 詳細分析瞭多路選擇器（Multiplexer, MUX）、譯碼器（Decoder）、編碼器（Encoder）、加法器（Adder）、減法器（Subtractor）、比較器（Comparator）、並行乘法器（Parallel Multiplier）等關鍵組閤邏輯模塊的設計原理、結構及其應用。例如，在講解多路選擇器時，會分析其如何根據選擇信號從多個輸入中選擇一個輸齣，並給齣相應的邏輯錶達式和硬件實現。 爭議和冒險現象： 探討瞭在實際電路中可能齣現的競爭冒險（Race Condition）現象，分析其産生的原因，並介紹如何通過冗餘邏輯或脈衝整形等技術來消除或減小冒險的影響。 時序邏輯電路： 深入講解瞭時序邏輯電路的特點——輸齣不僅取決於當前輸入，還取決於過去的輸入狀態，並引入瞭“狀態”的概念。本書詳細闡述瞭： 觸發器（Flip-Flop）： 重點介紹瞭SR觸發器、D觸發器、JK觸發器和T觸發器等基本觸發器的結構、工作原理、狀態轉移圖和狀態轉移錶。這些觸發器是構成存儲單元和時序係統的基礎。 寄存器（Register）： 講解瞭寄存器如何由多個觸發器組成，用於存儲二進製信息，並分析瞭移位寄存器（Shift Register）和通用寄存器（Universal Register）的設計。 計數器（Counter）： 詳細介紹瞭同步計數器（Synchronous Counter）和異步計數器（Asynchronous Counter）的設計，包括二進製計數器、BCD計數器、環形計數器（Ring Counter）和約翰遜計數器（Johnson Counter）等。本書還會分析計數器的模（Modulo）的概念以及如何設計任意模的計數器。 有限狀態機（Finite State Machine, FSM）： 這是時序邏輯設計中的核心概念。本書詳細介紹瞭摩爾（Moore）型和米利（Mealy）型有限狀態機的區彆、狀態圖、狀態錶的設計方法，以及如何將其轉化為硬件實現。 時序電路的設計： 提供瞭係統性的時序電路設計流程，包括狀態圖/錶的設計、狀態分配、卡諾圖化簡、電路實現等步驟。 第二部分：VHDL語言入門與進階 這部分是本書的核心，係統地介紹瞭VHDL語言的語法、語義以及在數字電路設計中的具體應用。 VHDL概述： 介紹VHDL的曆史、標準以及其作為一種硬件描述語言的優勢，強調其“描述”而非“編程”的特性。 基本語法結構： 實體（Entity）和結構（Architecture）： 詳細講解瞭VHDL設計中的基本模塊——實體和結構。實體定義瞭模塊的接口（端口），而結構描述瞭模塊的內部行為和實現。 端口（Port）： 介紹瞭輸入、輸齣、雙嚮端口的定義方式，以及端口模式（IN, OUT, INOUT, BUFFER）。 信號（Signal）： 講解瞭信號的聲明、賦值（過程賦值和並發賦值），以及信號在不同並發語句之間的傳遞。 常量（Constant）和變量（Variable）： 區分瞭常量和變量的特性，以及它們在VHDL設計中的使用場景。 數據類型（Data Type）： 詳細介紹VHDL內置的數據類型，如STD_LOGIC, BIT, BOOLEAN, INTEGER, REAL, TIME, ENUMERATED TYPE, SUBTYPE等，並重點講解瞭IEEE 1164標準中引入的STD_LOGIC和STD_LOGIC_VECTOR，它們提供瞭更豐富的邏輯值（'0', '1', 'Z', 'X', 'U', 'H', 'L', '-'）和狀態，更能準確地描述實際硬件。 運算符（Operator）： 講解瞭算術運算符、邏輯運算符、關係運算符、移位運算符以及它們的優先級。 並發與順序語句： 並發語句（Concurrent Statements）： 講解瞭VHDL中描述並行硬件行為的語句，包括信號賦值語句（`<=`）、組件實例化（Component Instantiation）、條件語句（`when-else`）、選擇語句（`with-select`）以及進程（`process`）的並發特性。 順序語句（Sequential Statements）： 講解瞭在`process`語句內部使用的順序語句，如變量賦值語句（`:=`）、`if-then-else`語句、`case`語句、`loop`語句（`for`, `while`, `loop`）以及`wait`語句。 進程（Process）： 詳細講解瞭`process`語句的建模能力，它能夠描述同步和異步邏輯。特彆強調瞭`process`語句中的敏感信號列錶（Sensitivity List）在仿真和綜閤中的重要性，以及`wait`語句在仿真控製中的作用。 組件（Component）與實例化（Instantiation）： 講解瞭如何創建可復用的設計模塊（組件），以及如何將這些組件實例化到更高層次的設計中，實現模塊化設計。 函數（Function）與過程（Procedure）： 講解瞭如何定義和使用函數與過程來封裝可重用的代碼段，提高代碼的可讀性和維護性。 屬性（Attribute）： 介紹瞭VHDL的屬性機製，用於為信號、類型、實體等添加元數據，例如`'EVENT`, `'LAST_VALUE'`, `'RANGE'`等，這些屬性在仿真和綜閤中具有重要意義。 包（Package）與庫（Library）： 講解瞭如何使用包來組織和共享VHDL代碼，例如IEEE庫中的`std_logic_1164`包。 第三部分：VHDL在數字邏輯電路設計中的應用 這部分將前兩部分的理論知識相結閤，通過具體的實例演示如何使用VHDL來設計各種典型的數字邏輯電路。 組閤邏輯電路設計： 使用VHDL描述門級電路，如AND, OR, XOR門。 使用VHDL實現邏輯函數，例如使用`if-then-else`、`case`語句或`with-select`語句。 設計多路選擇器、譯碼器、編碼器、加法器、減法器、比較器等。 演示如何使用VHDL描述一個包含多個功能模塊的復雜組閤邏輯電路，並對其進行仿真驗證。 時序邏輯電路設計： 使用VHDL描述觸發器，如D觸發器。 設計寄存器，包括移位寄存器。 實現各種計數器，例如同步二進製計數器、異步計數器，以及具有特定模的計數器。 使用VHDL實現有限狀態機（FSM），包括摩爾型和米利型。書中會給齣詳細的狀態圖、狀態錶到VHDL代碼的轉換過程。 設計簡單的數字係統，如序列發生器、握手協議控製器等。 存儲器設計： 使用VHDL描述RAM（隨機存取存儲器）和ROM（隻讀存儲器）的基本結構和讀寫操作。 探討不同類型的存儲器，如SRAM, DRAM, FIFO（先入先齣）等。 接口設計： 講解如何使用VHDL設計簡單的接口電路，例如用於連接不同模塊的並行接口或串行接口。 同步與異步設計： 深入討論同步時序邏輯和異步時序邏輯的設計風格，以及它們在實際應用中的優缺點。 強調時鍾域（Clock Domain）的概念以及跨時鍾域（Clock Domain Crossing, CDC）設計的挑戰和方法。 第四部分：高級主題與實踐 這部分將進一步探討更高級的VHDL設計技巧、仿真工具的使用以及一些實踐性的建議。 層次化設計（Hierarchical Design）： 講解如何將大型設計分解為多個可管理的子模塊，並通過組件實例化來實現層次化設計，提高設計的可維護性和可復用性。 參數化設計（Parameterized Design）： 介紹如何使用泛型（Generic）和參數化生成器（Configuration）來創建具有可配置參數的設計模塊，例如設計一個可以根據參數配置位寬的加法器。 約束與屬性的應用： 討論如何使用VHDL的屬性來嚮綜閤工具提供設計信息，例如時序約束、物理約束等，以優化電路的性能和麵積。 仿真與調試： 講解如何編寫測試平颱（Testbench）來仿真VHDL設計，包括激勵信號的生成、輸齣的檢查和結果的分析。 介紹常見的仿真器（如Modelsim, QuestaSim）的基本使用方法。 提供調試VHDL代碼的技巧和策略。 綜閤（Synthesis）： 解釋硬件綜閤的概念，即如何將VHDL代碼轉化為門級網錶。強調可綜閤（Synthesizable）VHDL代碼的書寫規範，避免使用無法綜閤的語句（如`wait`語句、非確定性賦值等）。 FPGA/CPLD設計流程： 簡要介紹將VHDL設計映射到FPGA（現場可編程門陣列）和CPLD（復雜可編程邏輯器件）的整個流程，包括代碼編寫、仿真、綜閤、布局布綫（Place and Route）、生成比特流（Bitstream）以及下載到硬件。 常見設計陷阱與優化： 總結在VHDL設計過程中可能遇到的常見問題，如狀態編碼問題、時序違例、不必要的邏輯生成等，並提供相應的優化建議。 設計模式與最佳實踐： 分享一些常用的VHDL設計模式和編碼風格，指導讀者寫齣高質量、可讀性強、易於維護的代碼。 實戰案例分析： 提供一些典型的數字係統設計案例，例如簡單CPU的控製器、總綫接口、數據通路的設計等，幫助讀者鞏固所學知識，並將其應用到更復雜的實際項目中。 本書特色 理論與實踐並重： 本書不僅提供瞭紮實的理論基礎，還通過大量的實例和代碼示例，讓讀者能夠立即將所學知識應用到實踐中。 循序漸進的講解： 從基本的數字邏輯概念到復雜的VHDL設計技巧，本書的講解層次分明，易於讀者理解和掌握。 豐富的示例代碼： 提供的VHDL代碼示例清晰、簡潔、注釋詳盡，可以直接用於學習和參考。 針對現代設計工具： 本書的講解與當前主流的EDA（電子設計自動化）工具和FPGA開發流程緊密結閤。 權威性和全麵性： 作為第四版，本書在內容上進行瞭更新和補充，涵蓋瞭VHDL語言及其在數字邏輯電路設計領域的最新發展和最佳實踐。 適用讀者 本書適閤以下讀者： 計算機科學與技術、電子工程、自動化等專業的本科生和研究生。 從事數字電路設計、ASIC（專用集成電路）設計、FPGA設計的工程師。 對數字邏輯電路設計和硬件描述語言感興趣的初學者。 希望深入學習VHDL語言及其在實際工程中應用的專業人士。 通過學習本書，讀者將能夠熟練掌握VHDL語言，獨立完成各種數字邏輯電路的設計，並為從事更高級的數字係統設計打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和章節組織結構非常流暢，閱讀體驗極佳，簡直是為自學和進階提升量身定做的。我尤其欣賞作者在每章末尾設置的“深入探討”或“常見陷阱”環節。這些內容往往不是考試的重點，卻是在真實項目中最容易失誤的地方。例如，關於如何避免在綜閤工具中産生不必要的鎖存器（Latches）的講解，作者沒有簡單地給齣if/else的正確寫法，而是結閤瞭仿真波形圖，直觀地展示瞭鎖存器在不同輸入組閤下的“記憶”行為，這種視覺化的解釋瞬間打消瞭我長期以來對鎖存器産生的模糊概念。此外，書中對工具鏈的認識，例如如何理解綜閤器和布局布綫器對不同VHDL結構的處理差異，也幫助我建立起一個更完整的“代碼到芯片”的認知閉環。這使得我不再盲目依賴EDA工具的默認設置，而是能夠主動地去影響最終的物理實現結果。

評分☆☆☆☆☆

我必須說，閱讀這本書的過程中，我深刻體會到瞭一種久違的學習樂趣，這主要歸功於其在案例選取和圖示錶達上的獨到匠心。許多技術書籍往往堆砌枯燥的文字和符號，但這本書的配圖質量極高，那些結構清晰的波形圖、狀態圖以及模塊結構框圖，幾乎可以獨立承擔解釋部分復雜概念的功能。舉個例子，書中講解有限狀態機（FSM）的章節，它沒有采用韆篇一律的Moore或Mealy狀態圖，而是結閤瞭實際的協議控製場景，用一種更貼近實際應用的方式來構建狀態轉移，這讓我對狀態機的設計意圖有瞭更深層次的把握。更重要的是，書中對不同設計範式——比如麵嚮行為（Behavioral）、麵嚮數據流（Dataflow）和麵嚮結構（Structural）的描述方式——的優劣勢對比分析得非常透徹，並給齣瞭明確的使用場景建議，這對於我優化自己的代碼風格，寫齣更高質量、更易於綜閤的VHDL代碼起到瞭決定性的作用。我感覺自己不再是機械地敲擊代碼，而是真正開始“思考”硬件的並行性。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我帶著一些挑剔的眼光開始閱讀這本書的，因為市麵上的教材往往在新版本中僅僅是修補一些小錯誤，而缺乏實質性的內容升級。然而，這本書第四版給我的感覺是進行瞭徹底的現代化重構，特彆是在對並行處理和流水綫設計理念的闡述上，達到瞭一個新的高度。作者巧妙地將現代處理器設計中的一些核心思想，比如分支預測和指令預取單元的簡化模型，映射到瞭VHDL的模塊級描述中，這為我理解高性能計算硬件打下瞭堅實的基礎。它沒有直接去教一個完整的CPU設計，但它提供的那些構建復雜並行數據通路和控製邏輯的“積木塊”，其質量和設計思想遠超一般教材。對我來說，這本書最大的價值在於，它成功地將那些原本隻存在於FPGA廠商官方文檔和高級研討會中的“最佳實踐”，提煉並融入到瞭易於理解的教材框架之中，使得知識的獲取門檻大大降低，非常值得反復研讀。

評分☆☆☆☆☆

這個版本的《VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計》在內容深度和廣度上都給我帶來瞭不小的驚喜，尤其是在講解復雜係統級設計時，作者的處理方式非常細膩。我記得之前讀過一些教材，它們往往在理論介紹和實際應用之間存在明顯的鴻溝，但這本書在這方麵做得非常齣色。它不僅僅停留在VHDL語法層麵，更深入地探討瞭如何利用這種語言來高效地描述和綜閤現代的數字電路結構。例如，在同步時序邏輯的設計章節，書中的案例分析詳實到位，從RTL級彆的描述到最終的門級網錶映射，每一步的邏輯推導都清晰可見，這對於我理解高層次綜閤（HLS）的底層原理大有裨益。此外，對於那些初學者來說，書中提供的分步指導和調試技巧也極具價值，它教會我們如何從宏觀架構齣發，逐步細化到具體的邏輯單元，而不是一開始就被各種復雜的語法細節所淹沒。這種循序漸進的教學方法，使得原本抽象的硬件設計過程變得更加直觀和可操作。我特彆欣賞作者在介紹設計流程時，那種強調驗證和約束設置的嚴謹態度，這在實際工程中是至關重要的。

評分☆☆☆☆☆

從一個資深工程師的角度來看，這本書的理論深度和前瞻性是其最吸引人的地方。它沒有被最新的工具迭代所裹挾，而是穩紮穩打地構建瞭數字設計最核心的理念。特彆是在探討時序約束和亞穩態處理方麵，作者展現瞭深厚的專業功底。他們不僅解釋瞭如何使用時序分析工具（如`set_input_delay`或`set_output_delay`），更重要的是，深入剖析瞭這些約束背後的物理意義——例如跨時鍾域（CDC）處理中的同步器設計，書中給齣的幾種主流同步電路（如雙觸發器同步、異步FIFO）的VHDL實現和原理分析，是教科書級彆的範本。這種對細節的精確把握，使得這本書超越瞭一般的入門指南，成為瞭一本可以放在案頭隨時查閱的參考手冊。對於那些希望從使用HDL語言的“代碼工人”轉變為係統級“架構師”的讀者而言，這本書提供的理論基石是無可替代的。