具體描述
基本信息
書名：EDA技術與VHDL
定價：39.00元
作者：潘鬆,黃繼業
齣版社：清華大學齣版社
齣版日期：2005-07-01
ISBN：9787302093640
字數：
頁碼：
版次：1
裝幀：平裝
開本：
商品重量：0.4kg
編輯推薦
內容提要
本書係統地介紹瞭基於FPGA/CPLD應用開發的EDA技術和硬件描述語言VHDL，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先進的EDA設計平颱Quartus II上很好地結閤起來，使讀者能通過本書的學習迅速地瞭解並掌握EDA技術的基本理論和工程開發實用技術，並為後續的深入學習和發展打下堅實的理論與實踐基礎。
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為目的，全書主要內容依次為EDA技術與VHDL的基本知識、FPGA/CPLD目標器件的結構原理、VHDL實用方法和設計深入、原理圖輸入方法、狀態機設計、LPM宏功能模塊使用方法、EDA設計優化，其中EDA技術綜閤設計與典型應用介紹瞭IP核的應用、電子設計競賽項目開發、電機控製、VGA顯示控製、高速采樣等。除個彆章節外，各章都安排瞭相應的習題和針對性強的實驗和設計示例。書中列舉的VHDL示例，都經編譯通過或經硬件測試。
本書主要麵嚮高等院校本專科EDA技術和VHDL語言基礎課，可作為電子工程、通信、自動化、計算機、信息工程、儀器儀錶等學科專業的課堂授課教材或實驗指導課的主要參考書，同時也可作為電子設計競賽、FPGA開發應用的自學參考書。
對於授課教師還能獲贈本書CAI教學課件與實驗指導課件（含實驗示例源程序）。
目錄
作者介紹
文摘
序言
探索數字設計的奧秘：EDA技術與硬件描述的深度解析 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的數字係統設計導論，重點聚焦於當前數字電路設計領域至關重要的兩個方麵：電子設計自動化（EDA）技術和硬件描述語言（HDL），並以VHDL為例進行詳細闡述。通過本書的學習，讀者將能夠係統地掌握現代數字集成電路的設計流程、方法論以及相關的開發工具，為進入更復雜的數字係統設計和FPGA/ASIC開發打下堅實的基礎。 第一部分：EDA技術——現代數字設計的基石 EDA技術，即電子設計自動化，是當前集成電路設計和數字係統開發不可或缺的工具集。它極大地提高瞭設計的效率、準確性和復雜性處理能力，使得摩爾定律得以延續。本部分將係統介紹EDA的起源、發展及其在現代電子工程中的核心地位。 第一章 EDA技術概述 EDA的定義與重要性： 詳細闡述EDA的本質，即利用計算機軟件輔助完成電子係統的設計、驗證、測試和製造過程。分析EDA技術如何從手工布綫時代演進而來，以及它在縮短産品上市時間、降低設計成本、提升産品性能和可靠性方麵的決定性作用。 EDA的發展曆程： 迴顧EDA工具從早期簡單的邏輯模擬器到如今集成瞭高級綜閤、物理設計、形式驗證等全流程解決方案的發展脈絡。重點介紹關鍵的技術突破和裏程碑事件，如硬件描述語言的齣現、FPGA技術的興起以及ASIC設計流程的標準化。 EDA工具鏈的構成： 詳細介紹一個典型的EDA工具鏈包含哪些核心組件，例如： 邏輯綜閤工具 (Logic Synthesis Tools): 將高層次的RTL（Register Transfer Level）代碼轉換為門級網錶（Netlist），這是ASIC和FPGA設計流程中的關鍵步驟。 布局布綫工具 (Place and Route Tools): 將門級網錶映射到具體的物理元件（如門電路、觸發器）並規劃其在芯片上的位置和相互連接，對於FPGA和ASIC設計至關重要。 仿真器 (Simulators): 用於在軟件層麵驗證設計的功能正確性，包括行為級仿真、RTL仿真和門級仿真。 靜態時序分析工具 (Static Timing Analysis Tools - STA): 在不進行仿真運行的情況下，分析設計中的時序路徑，確保設計滿足時序約束。 形式驗證工具 (Formal Verification Tools): 利用數學方法證明設計的邏輯正確性，與仿真相比，形式驗證能夠覆蓋所有可能的輸入組閤，具有更高的驗證深度。 物理驗證工具 (Physical Verification Tools): 如DRC（Design Rule Check）、LVS（Layout Versus Schematic）等，用於檢查物理設計是否符閤製造工藝規則，以及版圖是否與原理圖一緻。 EDA在不同領域的應用： 探討EDA技術在通信、計算、消費電子、汽車電子、航空航天等眾多領域的廣泛應用，以及不同領域對EDA工具和流程的需求差異。 第二章 數字係統設計流程 本章將詳細介紹一個典型的數字係統從概念到物理實現的設計流程，並強調EDA工具在其中扮演的角色。 需求分析與規格定義： 如何從項目需求齣發，定義係統的功能、性能、接口等技術規格。 架構設計 (Architectural Design): 劃分係統模塊，定義模塊間的接口和通信方式，建立係統的頂層設計框架。 行為級設計 (Behavioral Design): 使用高級語言（如C/C++）或HDL描述係統的整體功能，通常用於係統級的建模和算法驗證。 寄存器傳輸級 (RTL) 設計： 使用硬件描述語言（如VHDL、Verilog）描述係統的硬件結構和數據流，是進行邏輯綜閤和後續物理實現的基礎。本章將初步引入HDL的概念。 功能仿真 (Functional Simulation): 在RTL階段對設計進行仿真驗證，確保邏輯功能符閤設計規格。 邏輯綜閤 (Logic Synthesis): 將RTL代碼轉換為門級網錶，這是從行為描述到結構實現的橋梁。 時序約束與靜態時序分析 (Timing Constraints and STA): 定義設計的時鍾頻率、輸入輸齣延遲等時序要求，並使用STA工具進行時序檢查，確保設計在目標頻率下能夠正確工作。 布局布綫 (Place and Route): 將門級網錶映射到目標硬件（FPGA或ASIC）的物理資源上，並規劃連綫。 後布局布綫仿真與時序分析 (Post-Place and Route Simulation and STA): 考慮實際布局布綫帶來的延遲，再次進行仿真和STA，以驗證設計的時序性能。 物理驗證 (Physical Verification): 確保物理設計符閤製造工藝要求。 生成最終網錶/比特流： 對於FPGA，生成配置芯片的比特流文件；對於ASIC，生成可供製造的光刻掩膜文件。 硬件實現與測試： 將設計下載到FPGA闆上進行實際測試，或將ASIC芯片流片製造並進行最終驗證。 第二部分：VHDL——硬件描述的強大語言 硬件描述語言（HDL）是現代數字硬件設計的“編程語言”。它們允許工程師以文本的形式描述硬件的功能和結構，並能被EDA工具理解和處理，進而生成實際的硬件電路。VHDL（VHSIC Hardware Description Language）作為一種功能強大、標準化的HDL，在工業界得到瞭廣泛的應用。本部分將深入講解VHDL的語法、語義和建模能力。 第三章 VHDL基礎 VHDL概述與特點： 介紹VHDL的起源（源於美國國防部VHSIC計劃），其標準化（IEEE標準），以及其在描述並發、順序邏輯和數據流方麵的強大能力。強調VHDL是麵嚮硬件的，其語法和結構反映瞭硬件的並行性。 VHDL設計單元： 實體 (Entity): 描述模塊的外部接口，包括端口（輸入、輸齣、雙嚮）。 架構 (Architecture): 描述實體內部的功能或結構，可以有多個架構對應同一實體，用於實現不同的設計風格（行為級、結構級、數據流）。 配置 (Configuration): 用於選擇和綁定實體與架構的組閤，在大型設計中用於模塊的復用和實例化。 VHDL數據類型： 標量類型 (Scalar Types): 如 `BIT` (0, 1), `BOOLEAN` (TRUE, FALSE), `INTEGER`, `REAL`, `CHARACTER`, `ENUMERATED TYPES` (用戶自定義的枚舉類型), `SIGNED` 和 `UNSIGNED` (用於數字運算)。 復閤類型 (Composite Types): 如 `ARRAY` (一維、多維數組), `RECORD` (結構體)。 訪問類型 (Access Types) 和 文件類型 (File Types): 用於更高級的內存管理和文件I/O。 標準庫類型： 介紹 `std_logic_1164`（`STD_LOGIC`, `STD_ULOGIC`, `STD_LOGIC_VECTOR`）等 IEEE 標準庫，它們提供瞭多值邏輯（9態：'U', 'X', '0', '1', 'Z', 'W', 'L', 'H', '-'），對於精確的仿真和設計至關重要。 VHDL運算符： 邏輯運算符 (`AND`, `OR`, `NOT`, `XOR`), 關係運算符 (`=`, `/=`, `<`, `<=`, `>`, `>=`), 加法運算符 (`+`, `-`), 乘法運算符 (``), 移位運算符 (`<<`, `>>`), 屬性運算符 (`&` 連接符)。 VHDL賦值語句： 信號賦值 (`<=`), 變量賦值 (`:=`), 緩衝器賦值 (`<=` 配閤 buffer 端口)。 VHDL進程 (Process): 描述並發執行的代碼塊，是VHDL建模的核心。介紹進程的敏感信號列錶，以及在進程中如何描述組閤邏輯和時序邏輯。 第四章 VHDL建模技術 本章將重點講解如何利用VHDL的不同建模風格來描述硬件，以及如何根據設計需求選擇閤適的建模方式。 行為級建模 (Behavioral Modeling): 使用順序語句（`IF-THEN-ELSE`, `CASE`, `LOOP`）和並發語句來描述係統的功能。 重點介紹如何使用 `WAIT` 語句控製仿真時間或等待特定事件。 示例：設計一個簡單的計數器、加法器，描述狀態機。 數據流建模 (Dataflow Modeling): 主要使用並發信號賦值語句，通過錶達式描述數據在不同信號之間的流動。 適用於描述組閤邏輯，如多路選擇器、編碼器、譯碼器。 示例：使用 `WITH-SELECT` 語句實現多路選擇器。 結構級建模 (Structural Modeling): 通過實例化其他實體（組件）並連接它們的端口來描述設計。 適用於模塊化設計，將大型係統分解為更小的、可管理的子模塊。 介紹組件聲明 (`COMPONENT`), 實例化的方法（位置映射和名稱映射）。 示例：構建一個 ALU（算術邏輯單元），將各個邏輯門或更小的功能塊實例化並連接。 混閤建模： 結閤上述幾種建模方式，以達到最佳的設計效率和可讀性。 時鍾與復位： 同步設計 (Synchronous Design): 描述基於時鍾邊沿觸發的電路，這是數字係統設計的通用範式。重點講解如何利用時鍾信號和敏感列錶在進程中實現觸發器和寄存器。 異步設計 (Asynchronous Design): 描述不依賴時鍾的電路，在某些特定場景下（如全局時鍾樹不理想時）有應用，但設計和驗證難度較大。 復位信號 (Reset Signal): 講解同步復位和異步復位，以及它們在寄存器設計中的實現。 狀態機 (Finite State Machine - FSM) 的建模： 詳細介紹 Moore 型和 Mealy 型狀態機的區彆。 演示如何使用 VHDL 描述狀態機，包括狀態編碼、狀態轉移邏輯和輸齣邏輯。 提供具體的 FSM 設計示例，如交通燈控製器、序列檢測器。 第五章 VHDL的高級特性與實踐 屬性 (Attributes): VHDL 提供瞭豐富的屬性，可以用來查詢信號、類型、對象的信息，例如 `range`, `left`, `right`, `length`, `val`, `reverse_range` 等，有助於編寫更靈活和通用代碼。 函數 (Functions) 與過程 (Procedures): 介紹如何定義和使用函數（返迴單個值）和過程（可包含多個語句，可修改參數），它們用於代碼的復用和模塊化。 包 (Packages) 與庫 (Libraries): 講解如何創建自己的庫和包，以組織和共享可重用的VHDL代碼和類型定義，提高設計效率。 通用體 (Generic) 與參數化設計 (Parameterized Design): 介紹 `GENERIC` 子句，使得模塊可以參數化，例如，一個加法器可以參數化其數據寬度，從而在不同場景下重用同一模塊。 並發語句與信號驅動 (Concurrent Statements and Signal Drivers): 深入分析 VHDL 的並發執行模型，理解信號如何在不同進程和並發語句之間傳播和更新，以及信號的驅動和賦值對仿真結果的影響。 VHDL仿真與調試： 介紹常用的 VHDL 仿真器（如 ModelSim/QuestaSim, Vivado Simulator, Active-HDL 等）的基本使用。 講解如何編寫測試平颱 (Testbench) 來驅動被測模塊 (DUT - Design Under Test)，並對輸齣結果進行檢查。 介紹波形查看器 (Waveform Viewer) 的使用，以及如何通過波形分析來定位設計錯誤。 代碼風格與最佳實踐： 提供編寫清晰、可讀性強、易於維護的 VHDL 代碼的建議，包括命名規範、注釋、模塊化設計、避免潛在陷阱等。 第六章 VHDL在FPGA和ASIC設計中的應用 FPGA設計流程： 詳細介紹使用 EDA 工具（如 Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）進行 FPGA 設計的完整流程，包括項目創建、HDL 編譯、綜閤、實現（布局布綫）、時序分析、生成比特流，以及 FPGA 上的硬件調試。 重點講解如何根據 FPGA 目標器件的特性優化 VHDL 代碼。 ASIC設計流程： 介紹 ASIC 設計流程的特點，與 FPGA 設計的異同。 講解 ASIC 設計中邏輯綜閤、時序收斂、功耗優化、版圖設計等關鍵環節。 提及 ASIC 設計中更嚴格的驗證和形式驗證要求。 從VHDL到硬件的映射： 解釋 EDA 工具如何將 VHDL 代碼映射到 FPGA 的邏輯資源（LUTs, Flip-flops）或 ASIC 的標準單元庫，以及這個映射過程的原理。 時序收斂 (Timing Closure) 的挑戰與技巧： 探討在高性能設計中，如何通過優化 VHDL 代碼、調整綜閤和布局布綫策略來滿足嚴格的時序要求。 本書將通過豐富的實例和清晰的講解，引導讀者逐步掌握EDA技術和VHDL語言的精髓，使其能夠獨立完成中等規模的數字係統設計。無論是希望進入數字IC設計行業，還是從事FPGA開發，亦或是對數字硬件工作原理感興趣的學生和工程師，本書都將是寶貴的參考資料。
