內容簡介
《EDA技術與應用/高等學校應用型本科“十三五”規劃教材》是電子設計自動化(EDA)技術的基礎教材。
《EDA技術與應用/高等學校應用型本科“十三五”規劃教材》共7章,主要內容包括:EDA技術概述與可編程邏輯器件、工具軟件MAX+plusII/QuartusII、工具硬件SOPC簡介、VerilogHDL硬件描述語言、VHDL硬件描述語言、程序設計實例、EDA實驗及課程設計。
《EDA技術與應用/高等學校應用型本科“十三五”規劃教材》作為電子信息類專業EDA技術基礎教材,以基礎知識適度與結構體係鮮明為編寫原則,注意瞭各部分知識的活化聯係,重點突齣,難度適中。考慮到應用型本科院校的特點和實際情況,對例題與習題做瞭精選,在保證必要的基本訓練的基礎上,適當降低其難度,努力拓寬知識麵,盡量反映新科技發展概況。
《EDA技術與應用/高等學校應用型本科“十三五”規劃教材》適閤作為高等院校電子信息類專業相關課程的教材,也可作為高職高專院校電子設計自動化課程的教材或參考書,還可作為自學考試或函授教材。
內頁插圖
目錄
第1章 EDA技術概述與可編程邏輯器件
1.1 EDA技術
1.1.1 EDA技術的含義
1.1.2 EDA技術的發展曆程
1.1.3 EDA的應用
1.1.4 EDA技術的發展趨勢
1.2 EDA軟件係統的構成
1.2.1 電子電路設計與仿真工具
1.2.2 PCB設計軟件
1.2.3 IC設計軟件
1.2.4 PLD設計工具
1.2.5 其他EDA軟件
1.3 硬件描述語言
1.3.1 HDL的發展曆程
1.3.2 HDL的特點
1.3.3 VHDL係統設計的特點及優勢
1.3.4 Verilog HDL的優點
1.4 可編程邏輯器件
1.4.1 可編程邏輯器件概述
1.4.2 PLD的分類
1.4.3 PLD産品介紹
1.4.4 PLD的配置
1.4.5 可編程邏輯器件的發展曆史及未來趨勢
第2章 工具軟件MAx+plus II/Quartus II
2.1 常用軟件
2.2 MAX+plus II軟件的使用
2.3 MAX+plus II原理圖輸入使用示例
2.3.1 建立文件
2.3.2 編譯環節
2.3.3 功能仿真設計文件
2.3.4 編程下載設計文件
2.4 Quarlus II軟件的使用
2.4.1 建立工程
2.4.2 設計輸入
2.4.3 電路仿真
第3章 工具硬件SOPC簡介
3.1 EDA/SOPC開發係統
3.2 硬件使用驗證示例
3.2.1 建立工程
3.2.2 選擇器件
3.2.3 新建VHDL文件
3.2.4 編譯環節
3.2.5 仿真功能設計文件
3.2.6 編程下載文件
3.2.7 硬件結果觀察
第4章 Verilog HDL硬件描述語言
4.1 Verilog的基本語法
4.1.1 簡單的Verilog HDL膜塊
4.1.2 數據類型及其常量、變量
4.1.3 Verilog HDL操作符
4.1.4 過程語句
4.1.5 賦值語句
4.1.6 塊語句
4.1.7 條件語句
4.1.8 選擇語句
4.1.9 循環語句
4.2 Verilog HDL的描述風格
4.2.1 結構型描述
4.2.2 數據流型描述
4.2.3 行為型描述
4.3 Verilog HDL的任務與函數
4.3.1 任務(Task)
4.3.2 函數(Function)
4.3.3 任務和函數的聯係與區彆
4.3.4 係統自定義任務和函數
第5章 VHDL硬件描述語言
5.1 VHDL程序結構
5.1.1 庫(LIBRARY)
5.1.2 程序包(PACKAGE)
5.1.3 實體(ENTITY)
5.1.4 結構體(ARCHITECn5RE)
5.1.5 塊語句結構(BLOCK)
5.1.6 進程(PROCESS)
5.1.7 子程序(SUBPROGRAM)
5.1.8 配置(CONFIGURATION)
5.2 VHDL語言要素
5.2.1 VHDL文字規則
5.2.2 VHDL數據對象
5.2.3 VHDL數據類型
5.2.4 VHDL操作符
5.3 VHDL順序語句
5.3.1 賦值語句
5.3.2 流程控製語句
5.3.3 WAIT語句
5.3.4 子程序調用語句
5.3.5 返迴語句(RETURN)
5.3.6 空操作語句(NIULL)
5.4 VHDL並行語句
5.4.1 進程語句
5.4.2 塊語句
5.4.3 並行信號賦值語句
5.4.4 並行過程調用語句
5.4.5 元件例化語句
5.4.6 類屬映射語句
5.4.7 生成語句
5.5 VHDL描述風格
5.5.1 行為描述
5.5.2 數據流描述
5.5.3 結構描述
5.6 仿真
5.6.1 VHDL仿真
5.6.2 VHDL係統級仿真
5.7 綜閤
5.7.1 VHDL綜閤
5.7.2 優化技術
5.7.3 調度和分配
5.7.4 綜閤器
第6章 程序設計實例
6.1 Veritog程序實例
6.1.1 常見組閤邏輯電路的設計
6.1.2 常見時序邏輯電路的設計
6.1.3 Verilog綜閤設計實例
6.2 VHDL程序實例
第7章 EDA實驗及課程設計
7.1 課程實驗部分
7.1.1 MAX+plus II/Quartus II軟件圖形設計
實驗一 MAX+plus II/Quartus II軟件應用
實驗二 奇偶檢測電路設計
實驗三 同步計數器74161的應用
實驗四 數據選擇器74151的應用
實驗五 3→8譯碼器
7.1.2 MAX+plus II/Quartus II軟件VHDL設計
實驗六 VHDL欺件設計
實驗七 編碼器
實驗八 數據比較器
實驗九 組閤邏輯電路的VHDL描述
實驗十 計數器
實驗十一 數字時鍾
7.2 課程設計部分
設計一 BCD碼加法器
設計二 四位全加器
設計三 齣租車計費器
設計四 數字秒錶
設計五 交通燈控製器
設計六 四人搶答器
設計七 四位並行乘法器
設計八 步長可變的加減法計數器
設計九 VGA彩條發生器
附錄 試驗箱接口資源I/O對照錶
參考文獻
前言/序言
本書內容符閤教育部“高等教育麵嚮21世紀教學內容和課程體係改革計劃”的基本要求,是編者在總結教學實踐經驗的基礎上,為高等工科院校電子信息類專業編寫的EDA課程(或可編程邏輯器件設計課程)教材。本書內容包括EDA技術概述與可編程邏輯器件、工具軟件MAX+plusII/QuartusII、工具硬件SOPC簡介、VerilogHDL硬件描述語言、VHDL硬件描述語言、程序設計實例、EDA實驗及課程設計,主要介紹常見的可編程邏輯器件、常用的設計軟件MAX+plusII/QuartusII、硬件描述語言VerilogHDL和VHDL以及EDA技術的實際應用。
本書由三所高校的教師在四年教學改革的基礎上,總結、提煉、豐富、改編現有教材而完成,目的就是幫助讀者學會設計數字係統的硬件描述語言,並熟悉工具軟件MAX+plusII和QuartusII。在編寫過程中我們力求突齣以下特點:
(1)有關EDA技術及可編程邏輯器件隻做簡單的介紹,因為有大量的資料可以供讀者參考,隻是齣於完整性的考慮在教材中適當體現。
(2)語言通俗易懂,內容力求精練,避免晦澀難懂的敘述。
(3)教材中涉及的實例力求簡單明瞭,針對性強。
當然,要想達到很高的設計水平,還需要讀者進行更專業的培訓和訓練。一本教材不能解決所有的問題,本書僅供讀者入門學習之用,能起到拋磚引玉之功效是作者的心願。
本書是麵嚮電子信息類專業的教材,根據我們教學的實踐,建議理論授課學時數為32學時,實踐課程為16學時,課程設計為16學時。不同院校可以根據自身的實際需求對書中內容加以取捨。當然,不僅僅局限於本書給齣的實驗和設計題目,根據學生掌握的難易程度,教師也可以自行設計其他題目。
本書由三所高校老師聯閤編寫,重慶郵電大學移通學院何春燕老師編寫第2章、第5章,重慶三峽學院電子與信息工程學院劉毓副教授編寫第4章、第7章,重慶郵電大學移通學院黃穎老師編寫第1章,重慶工程職業技術學院電氣工程學院李生好副教授編寫第3章,重慶郵電大學移通學院高飛副教授編寫第6章。全書由何春燕老師統稿、定稿。
由於編者水平有限,書中難免有不足和考慮不周之處,敬請使用本書的師生與其他讀者批評指正,以便修訂時改進。
非常感謝所有關心本書編寫的學校領導、同事給予我們的支持與幫助。
數據探索之旅:洞察隱藏的模式與價值 在這個信息爆炸的時代,數據已成為驅動決策、預測趨勢、乃至塑造未來的核心要素。然而,海量的數據本身並不能直接說話,它們如同沉睡的寶藏,需要我們深入挖掘、仔細審視,纔能發現其中蘊藏的價值。數據探索性分析(Exploratory Data Analysis, EDA)正是這樣一種強大的方法論,它賦予我們一雙銳利的眼睛,能夠穿透數據的迷霧,揭示其內在的結構、規律和潛在的問題。 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的數據探索技術學習框架,並結閤實際應用場景,引導大傢掌握如何有效地利用數據來解決現實世界中的各種挑戰。我們相信,數據探索不僅僅是技術層麵的操作,更是一種思維方式的轉變,一種對未知世界保持好奇、勇於探索的精神體現。 第一章:數據探索的基石——理解與準備 在踏上數據探索之旅之前,建立堅實的基礎至關重要。本章將帶領讀者從最根本的層麵理解數據的本質,以及在實際分析前所必須完成的關鍵步驟。 數據的本質與分類: 我們將探討數據的不同類型,包括定量數據(如身高、年齡、銷售額)和定性數據(如性彆、顔色、産品類彆),以及它們在分析中的不同處理方式。理解數據的尺度(名義、順序、間隔、比率)將幫助我們選擇閤適的統計方法和可視化圖錶。 數據質量的重要性: 數據的“髒”與“淨”直接影響分析結果的可靠性。本章將深入剖析數據質量問題,如缺失值、異常值、重復值、數據類型不匹配等,並闡述它們可能帶來的偏見和誤導。 數據預處理的策略: 為瞭應對上述質量問題,我們將介紹一係列重要的數據預處理技術。這包括: 缺失值處理: 填充(均值、中位數、眾數、前/後嚮填充)、刪除(行、列)、模型預測等多種方法的原理、適用場景及優缺點。 異常值檢測與處理: 利用統計學方法(如Z分數、IQR)、可視化方法(如箱綫圖)來識彆異常值,並討論是否需要刪除、轉換或視為特殊情況進行分析。 數據格式與類型轉換: 確保數據格式統一,例如日期、文本、數字等類型正確,為後續分析做好準備。 重復數據識彆與處理: 找齣並去除冗餘的記錄,避免影響分析結果的準確性。 特徵工程初探: 本章還將初步介紹特徵工程的概念,即根據業務理解和數據特點,創建新的、更有意義的特徵,以提升模型的預測能力。這可能包括組閤現有特徵、進行分箱處理、或者利用領域知識構建新特徵。 數據探索工具的選擇: 簡要介紹當前主流的數據探索工具和編程語言,如Python(及其Pandas、NumPy庫)、R語言、SQL,以及一些可視化工具,幫助讀者選擇最適閤自己需求的工具鏈。 第二章:描述性統計——數據的初步畫像 在數據準備就緒後,我們開始通過描述性統計來“認識”我們的數據。這一步驟旨在用簡潔的數字和圖錶來概括數據的關鍵特徵,為後續的深入分析提供方嚮。 集中趨勢度量: 學習如何計算和解釋均值、中位數、眾數,以及它們在不同數據分布下的意義。理解為何在存在異常值時,中位數通常比均值更具代錶性。 離散程度度量: 探索方差、標準差、極差(Range)、四分位距(IQR)等指標,它們揭示瞭數據的分散程度和變異性。高標準差意味著數據波動大,而低標準差則錶示數據較為集中。 分布形態的刻畫: 深入理解偏度(Skewness)和峰度(Kurtosis)。偏度衡量瞭數據分布的不對稱性,左偏、右偏或對稱分布各有怎樣的含義。峰度則反映瞭數據分布的“尖銳”程度,重尾分布可能預示著極端事件的發生概率更高。 相關性分析: 掌握如何計算和解釋Pearson相關係數、Spearman相關係數等,理解變量之間的綫性或單調關係。我們還會探討相關性不等於因果關係這一重要概念。 分組統計: 學習如何根據某個或多個分類變量對數據進行分組,並計算各組的描述性統計量,從而發現不同群體之間的差異。 第三章:可視化探索——數據之美的呈現 “一圖勝韆言”,數據可視化是將抽象的數據轉化為直觀洞察的最有效手段之一。本章將係統介紹各種常用且強大的可視化技術,幫助讀者用圖形化的方式理解數據的分布、關係和趨勢。 單變量可視化: 直方圖(Histogram): 揭示數值型數據的分布形狀,識彆峰值、偏度和異常值。 箱綫圖(Box Plot): 直觀展示數據的五數概括(最小值、第一四分位數、中位數、第三四分位數、最大值),並清晰地標示齣潛在的異常值。 密度圖(Density Plot): 更加平滑地展示數值型數據的分布,尤其適閤比較多個數據集的分布。 條形圖(Bar Chart): 用於展示分類變量的頻率或比例,以及比較不同類彆的數值大小。 餅圖(Pie Chart): 展示各部分占總體的比例,但應謹慎使用,尤其是在類彆較多時。 雙變量可視化: 散點圖(Scatter Plot): 揭示兩個數值型變量之間的關係,如綫性、非綫性、聚集、離群點等。 摺綫圖(Line Chart): 常用於展示數據隨時間的變化趨勢,或兩個變量之間的關係。 分組條形圖/堆疊條形圖: 比較兩個分類變量的聯閤分布,或展示一個分類變量在不同類彆下的組成情況。 熱力圖(Heatmap): 用顔色深淺錶示兩個變量之間的關聯強度或值的分布,常用於顯示相關矩陣。 多變量可視化: 配對圖(Pair Plot): 一次性展示多個數值型變量之間的兩兩散點圖和單變量的分布圖,快速瞭解變量間的整體關係。 三維散點圖/錶麵圖: 當數據維度較高時,嘗試使用三維圖來可視化,但需注意其可讀性。 平行坐標圖(Parallel Coordinates Plot): 用於可視化高維數據集,每條綫代錶一個樣本,通過連接各個變量的取值點來展示其特徵。 選擇閤適的可視化圖錶: 強調根據數據的類型、分析目標以及想要傳達的信息來選擇最有效的可視化圖錶。 交互式可視化: 介紹如何使用工具創建交互式圖錶,允許用戶通過縮放、平移、篩選等操作深入探索數據。 第四章:深入挖掘——模式、異常與洞察 在有瞭初步的認識和可視化呈現後,本章將引導讀者運用更高級的技術,挖掘數據中更深層次的模式、識彆異常行為,並提煉齣有價值的洞察。 時間序列分析基礎: 趨勢、季節性與殘差: 理解時間序列數據中的主要構成要素,如何識彆長期趨勢、周期性變化和隨機波動。 平滑技術: 介紹移動平均、指數平滑等方法,用於平滑時間序列,揭示潛在的趨勢。 自相關與偏自相關: 學習如何使用ACF和PACF圖來理解時間序列的自身依賴性,為建模做準備。 異常檢測進階: 基於統計的方法: 除瞭簡單的Z分數,還將介紹3-sigma原則、Grubbs檢驗等。 基於距離的方法: 如K近鄰(KNN)算法,識彆遠離大多數數據點的樣本。 基於密度的方法: 如LOF(Local Outlier Factor),識彆在局部密度較低區域的點。 基於模型的方法: 介紹如何利用簡單的模型(如綫性迴歸)來識彆殘差較大的點。 聚類分析入門: K-Means算法: 理解其原理、如何選擇K值、以及在不同應用場景下的使用。 層次聚類: 介紹凝聚型和分裂型聚類方法,以及如何解釋樹狀圖(Dendrogram)。 聚類在數據探索中的作用: 如何發現數據中的自然分組,理解不同簇的特徵。 降維技術初步: 主成分分析(PCA): 理解其核心思想,如何通過綫性變換將高維數據投影到低維空間,同時保留大部分方差。 降維在可視化和模型訓練中的應用: 如何減少數據的維度以利於可視化,或加速後續模型的訓練。 文本數據探索: 文本預處理: 分詞、去除停用詞、詞乾提取/詞形還原等。 詞頻-逆文檔頻率(TF-IDF): 理解如何衡量詞語在文檔中的重要性。 詞雲(Word Cloud): 直觀展示文本中高頻詞匯。 主題模型(LDA)入門: 探索文本數據中的潛在主題。 第五章:數據探索在各領域的應用實踐 理論結閤實際,本章將通過一係列典型的應用案例,展示數據探索技術在不同行業和場景中的價值。 商業智能與市場分析: 用戶行為分析: 通過探索用戶點擊流、購買記錄等數據,發現用戶偏好、識彆流失風險。 銷售預測與優化: 分析曆史銷售數據、促銷活動、季節性因素,預測未來銷售趨勢,優化庫存管理。 客戶細分: 基於用戶屬性和行為數據,將客戶劃分為不同的群體,製定個性化的營銷策略。 金融風險管理: 欺詐檢測: 識彆交易數據中的異常模式,發現潛在的欺詐行為。 信用評分: 分析客戶的財務和行為數據,評估其信用風險。 市場波動分析: 探索股票、匯率等金融市場數據,識彆風險和投資機會。 科學研究與工程應用: 生物醫學數據分析: 探索基因組學、蛋白質組學數據,發現疾病相關的生物標誌物。 環境監測與預測: 分析氣象、汙染等數據,預測環境變化趨勢。 製造業質量控製: 監控生産過程數據,識彆影響産品質量的關鍵因素,優化生産工藝。 社會科學研究: 輿情分析: 探索社交媒體、新聞報道等文本數據,瞭解公眾對特定事件或話題的看法。 政策評估: 分析社會經濟數據,評估政策實施的效果。 第六章:數據探索的進階話題與最佳實踐 在掌握瞭基礎和進階的技術後,本章將進一步探討數據探索的更廣闊視野,並總結行之有效的實踐方法。 模型選擇與調優的指導: 數據探索如何幫助我們理解數據特性,從而選擇閤適的機器學習模型,並指導模型的參數調優。 數據故事的構建: 如何將分析結果通過邏輯清晰、引人入勝的方式呈現齣來,讓非技術背景的決策者也能理解並采納。 自動化數據探索(Auto-EDA): 介紹自動化工具如何輔助進行初步的數據探索,提高效率,但同時強調人類的智慧和領域知識不可替代。 倫理與隱私考量: 在數據探索過程中,如何遵守數據使用倫理,保護用戶隱私,避免偏見和歧視。 持續學習與社區資源: 鼓勵讀者保持對新技術的關注,利用在綫課程、開源社區、學術論文等資源不斷提升自己的數據探索能力。 本書不僅是一本技術手冊,更是一次思維的啓迪。通過係統的學習和實踐,讀者將能夠熟練運用數據探索的各種技術,從紛繁復雜的數據中提煉齣有價值的見解,做齣更明智的決策,並在各自的領域中創造更大的價值。無論您是數據分析新手,還是希望深化技能的專業人士,本書都將是您踏上精彩數據探索之旅的理想夥伴。