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[巴西] 佩德罗尼 著

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• 设计教程
• 可编程逻辑器件
• 数字系统设计

店铺： 夜语笙箫图书专营店

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121186721

商品编码：29643761051

包装：平装

出版时间：2013-01-01

基本信息

书名：VHDL数字电路设计教程

定价：35.00元

作者：(巴西)佩德罗尼

出版社：电子工业出版社

出版日期：2013-01-01

ISBN：9787121186721

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.241kg

编辑推荐

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内容提要

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自从VHDL在1987年成为IEEE标准之后，就因其在电路模型建立、仿真、综合等方面的强大功能而被广泛用于复杂数字逻辑电路的设计中。本书共分为三个基本组成部分，首先详细介绍VHDL语言的背景知识、基本语法结构和VHDL代码的编写方法；然后介绍VHDL电路单元库的结构和使用方法，以及如何将新的设计加入到现有的或自己新建立的单元库中，以便于进行代码的分割、共享和重用；后介绍CPLD和FPGA的发展历史、主流厂商提供的开发环境使用方法。本书在结构组织上有独特之处，例如将并发描述语句、顺序描述语句、数据类型与运算操作符和属性等独立成章，使读者更容易清晰准确地掌握这些重要内容。本书注重设计实践，给出了大量完整设计实例的电路图、相关基本概念、电路工作原理以及仿真结果，从而将VHDL语法学习和如何采用它进行电路设计有机地结合在一起。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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《数字逻辑与计算机体系结构：从基础到实践》 书籍简介 本书旨在为读者构建一个坚实的数字逻辑基础，并在此基础上深入探索计算机体系结构的核心概念。从最基本的逻辑门电路到复杂的处理器设计，我们将一步步揭示数字世界的设计哲学与实现原理。这是一条从抽象概念走向具体实现的探索之路，适合对计算机硬件原理、数字系统设计以及底层软硬件交互感兴趣的学生、工程师和技术爱好者。 第一部分：数字逻辑基础 第一章：二进制世界与逻辑运算 二进制数制与转换： 深入剖析二进制、十进制、十六进制之间的相互转换，理解计算机内部数据表示的根本。我们将从概念出发，通过大量实例演示，让读者熟练掌握不同数制之间的转换技巧。 逻辑门电路： 介绍与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门等基本逻辑门的功能、符号和真值表。通过实例分析，展示这些基本门如何构成更复杂的逻辑功能。 布尔代数与逻辑表达式： 学习布尔代数的公理、定理和运算规则，如交换律、结合律、分配律、德摩根定律等。理解如何使用布尔代数对逻辑电路进行简化和优化，降低电路复杂度和成本。 逻辑函数的化简： 掌握卡诺图（Karnaugh Map）化简法，这是一种直观且高效的化简方法，能够帮助我们快速找到最简的逻辑表达式。我们将从二维卡诺图开始，逐步扩展到三变量、四变量卡诺图，并讨论其在实际应用中的优势。 组合逻辑电路分析与设计： 学习如何分析给定的组合逻辑电路，推导出其逻辑功能和输出表达式。反之，学习如何根据需求设计出实现特定功能的组合逻辑电路，例如编码器、译码器、多路选择器、数据分配器等。通过实际设计案例，让读者理解组合逻辑电路在数据处理和控制中的作用。 第二章：时序逻辑电路与状态机 触发器： 详细介绍SR触发器、D触发器、JK触发器、T触发器等基本存储单元的工作原理、时序图和状态转换。理解触发器如何实现状态的存储，是构建时序逻辑电路的关键。 时序逻辑电路分析与设计： 学习如何分析时序逻辑电路的时序图和状态转移图，理解电路在不同时钟周期下的行为。反之，学习如何根据需求设计出具有特定时序行为的电路，如计数器、移位寄存器等。 有限状态机（FSM）： 深入讲解Mealy型和Moore型有限状态机的区别与联系。学习如何构建状态转移图和状态表，将抽象的状态机模型转化为具体的硬件电路。通过实例，如交通灯控制器、序列检测器等，展示FSM在复杂控制逻辑设计中的强大能力。 同步与异步逻辑： 区分同步时序逻辑和异步时序逻辑的特点、优缺点以及应用场景。重点分析时钟信号的作用，以及如何避免竞争冒险等问题，确保电路的稳定可靠运行。 第三章：常用数字集成电路与系统应用 编码器与译码器： 详细介绍各种编码器（如优先编码器）和译码器（如BCD码转七段显示译码器）的功能和电路结构。分析它们在地址解码、数据选择和显示控制等方面的应用。 多路选择器与数据分配器： 讲解多路选择器（MUX）如何根据选择信号从多个输入中选择一个输出，以及数据分配器（DEMUX）如何将一个输入分发到多个输出。分析它们在数据通路切换、信号路由等方面的作用。 加法器与减法器： 学习全加器、半加器等基本算术电路的设计。介绍如何构成并行加法器、串行加法器，以及如何利用加法器实现减法运算（如采用二进制补码）。 存储器： 介绍各种存储器的工作原理，包括RAM（静态RAM和动态RAM）、ROM（PROM、EPROM、EEPROM）等。理解存储器的寻址方式、读写操作以及在计算机系统中的作用。 逻辑系列与选择： 讨论TTL、CMOS等不同逻辑系列的特点、性能指标和选型考量。 第二部分：计算机体系结构基础 第四章：计算机系统概述 计算机系统组成： 介绍计算机系统的基本组成部分，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出设备（I/O）以及它们之间的连接总线。 指令集体系结构（ISA）： 理解指令集是CPU与软件之间的接口，介绍不同ISA的特点，如RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）。 存储器层次结构： 讲解CPU寄存器、缓存（Cache）、主存储器（RAM）和二级存储器（硬盘）之间的层次关系，以及缓存如何通过局部性原理提高数据访问速度。 总线系统： 介绍数据总线、地址总线和控制总线的概念，以及总线在CPU、存储器和I/O设备之间传输信息的作用。 第五章：中央处理器（CPU）的设计与工作原理 CPU的组成： 详细介绍CPU的三个核心部件：算术逻辑单元（ALU）、控制器和寄存器组。 指令的执行周期： 深入剖析CPU执行指令的四个基本阶段：取指令（Fetch）、指令译码（Decode）、执行（Execute）和写回（Write-back）。 精简指令集计算机（RISC）与复杂指令集计算机（CISC）的对比： 详细分析两种指令集架构的设计理念、指令格式、寻址方式和性能特点。 流水线技术： 讲解流水线技术如何通过将指令执行过程分解为多个阶段，并在不同阶段并行处理多条指令，从而提高CPU的吞吐量。我们将分析理想流水线的加速比，以及实际应用中可能遇到的冲突（如结构冲突、数据冲突、控制冲突）。 超标量与乱序执行： 介绍更高级的CPU性能增强技术，如超标量处理器如何通过多条指令处理单元并行执行多条指令，以及乱序执行如何突破指令依赖性限制，进一步提高执行效率。 第六章：存储器系统与I/O接口 存储器分类与接口： 深入探讨RAM（SRAM, DRAM）和ROM（Mask ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash）的内部结构、读写时序和接口设计。 高速缓存（Cache）设计： 讲解缓存的工作原理，包括块、行、索引、标记等概念。介绍直接映射、组相联映射和全相联映射等缓存映射策略，以及写回法（Write-back）和写通法（Write-through）等写策略。 虚拟存储器： 解释虚拟存储器的概念，以及它如何通过地址映射和页表机制，让程序访问比物理内存更大的地址空间。 输入/输出（I/O）接口： 介绍I/O设备与CPU之间的通信方式，包括程序控制I/O、中断驱动I/O和直接存储器访问（DMA）。 DMA控制器： 详细讲解DMA控制器如何允许I/O设备直接与主存储器进行数据传输，而无需CPU介入，从而大大提高I/O效率。 第七章：现代计算机体系结构特征 多核处理器： 介绍多核处理器的出现及其带来的并行计算优势，以及多核处理器之间的通信与同步机制。 指令级并行（ILP）与线程级并行（TLP）： 讨论CPU如何通过ILP技术（如超流水线、超标量）在单个处理器核心内实现并行，以及TLP技术（如多核、超线程）如何实现多个线程在多个核心上的并行。 存储器一致性模型： 介绍不同存储器一致性模型（如顺序一致性、松弛一致性）如何规范多处理器系统中共享数据的访问顺序，确保程序的正确性。 GPU（图形处理器）与异构计算： 探讨GPU在并行计算领域的独特优势，以及异构计算（CPU与GPU等不同处理器协同工作）的趋势。 计算机体系结构的发展趋势： 展望未来计算机体系结构可能的发展方向，如功耗优化、新的计算范式（如量子计算、神经形态计算）等。 实践与展望 本书在讲解理论知识的同时，注重将理论与实际相结合。通过大量的图示、表格和流程图，帮助读者直观理解抽象概念。每一章节都配有相关的思考题和练习题，旨在巩固所学知识，并引导读者进行独立思考和问题解决。 掌握本书内容，读者将能够： 深入理解数字电路的基本原理和设计方法。 构建和分析复杂的组合逻辑和时序逻辑电路。 理解计算机体系结构的核心组件及其工作机制。 分析CPU的指令执行流程、流水线技术和性能优化策略。 理解存储器系统、缓存机制和I/O接口的设计。 把握现代计算机体系结构的关键特征和发展趋势。 本书适合作为大学本科计算机科学、电子工程、自动化等专业的相关课程教材或参考书，也可作为有志于深入了解计算机底层工作原理的工程师和技术爱好者的自学读物。通过对本书的学习，您将能够以更深入的视角审视现代计算设备的复杂性，并为进一步的硬件设计或系统优化打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本号称“硬核”的数字电路设计教材，拿到手里着实让我眼前一亮，虽然我更偏向于软件实现，但面对那些复杂的时序逻辑和状态机设计，还是得回归到硬件描述语言的根基上来。我对这本书的整体印象是结构清晰，脉络分明，它并没有一上来就堆砌晦涩难懂的语法细节，而是巧妙地从最基础的逻辑门和布尔代数讲起，循序渐进地引导读者进入 VHDL 的世界。特别是它在介绍结构化建模和行为级建模的对比时，用了非常生动且贴近实际工程应用的例子，这远比那些纯理论的教科书要来得实在。我个人特别欣赏其中关于“如何编写可综合的代码”这一章节的深度剖析，里面详述了哪些写法在仿真时看起来完美无缺，但一旦综合到 FPGA 资源上就会产生意想不到的性能瓶颈或资源浪费。这种实战经验的分享，对于一个刚接触硬件设计流程的新手来说，简直是如获至宝。它不仅仅是教你“如何写 VHDL”，更是在教你“如何像一个合格的数字电路工程师那样思考”。我发现，即便是对我这种已经接触过 Verilog 基础的人来说，重新梳理 VHDL 的并发和顺序结构下的时序控制，也加深了我对硬件并行特性的理解。

评分☆☆☆☆☆

我发现很多 VHDL 教材的通病在于，它们往往把重点放在 VHDL 语言本身的“句法糖”上，比如各种数据类型、运算符的细枝末节，而忽略了硬件设计的核心——并发性（Concurrency）。这本书则成功地逆转了这种趋势。它从一开始就强调 VHDL 代码是并行执行的描述，而不是像 C 语言那样的顺序执行。在讲解 `signal` 和 `variable` 的区别时，作者不仅仅停留在赋值操作符的不同上，而是深入解释了它们在仿真和综合后对应到硬件资源（寄存器、连线）上的本质差异。这对于理解时序逻辑的正确建立至关重要。更让我惊喜的是，书中对于抽象层次的把握非常到位，它既能深入到寄存器传输级（RTL）的精细控制，也能提供系统级组件（如简单的总线仲裁器）的高层抽象描述。虽然书中没有涉及高级综合（HLS）的内容，但它所建立的扎实 RTL 基础，足以让读者在未来转向 HLS 时，依然能清楚地理解底层硬件的实际映射，从而写出更高效的源语言代码。

评分☆☆☆☆☆

说实话，初次翻阅这本书时，我有些担心它会陷入那种过度追求“全景覆盖”而导致内容浮于表面的陷阱。毕竟 VHDL 的标准和库函数浩如烟海，想在一本教程里讲透几乎不可能。然而，这本书的作者显然对内容取舍有着精准的把握。它聚焦于那些在实际项目——无论是简单的计数器、状态机，还是更复杂的 FIFO 缓存器——中出现频率最高的模块和设计模式。我印象最深的是它对有限状态机（FSM）的描述部分，作者没有满足于教科书式的 Moore/Mealy 模型解释，而是直接展示了如何利用 VHDL 的 `case` 语句配合 `process` 来实现一个健壮且易于调试的 FSM，并且深入探讨了状态编码对速度和逻辑资源的影响，这一点至关重要。此外，书中对测试平台（Testbench）的构建也给予了足够的重视，它展示了如何编写自检的代码来验证设计的正确性，这在现代设计流程中是不可或缺的一环。虽然书中的某些高级应用，例如系统级建模（SystemC 接口或高级综合）略显不足，但对于打牢“基础且实用”的 VHDL 功底而言，这本书无疑是顶尖的选择，它提供了一个极其坚实的起点，让你有能力去探索更复杂的领域。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，说实话，更像是在跟一位经验丰富的资深工程师在交流工作心得，而不是单纯地啃一本冰冷的教材。它的语言风格非常务实，摒弃了许多过于学术化的修饰，直奔主题，这对于我这种希望尽快上手实践的读者来说，简直太友好了。特别是在涉及到时序约束（Timing Constraints）和时钟域交叉（CDC）处理的那几章，作者没有使用过于抽象的数学公式去解释建立时间和保持时间，而是通过图示和具体的代码实例，清晰地展示了如果不做恰当的同步处理，亚稳态是如何产生的以及如何使用同步器来规避风险。我记得书中关于异步复位和同步复位的讨论，清晰地指出了在不同工艺节点和设计风格下，哪种复位策略更具优势。这种带着“过来人”视角的深度分析，极大地提升了我在实际设计中对时序敏感度的判断力。当然，如果能配上一个更详尽的、针对特定开发板（如某款 Xilinx 或 Intel 的 FPGA）的实物例程，那就更加完美了，但仅就语言描述和逻辑设计的深度而言，它已经超越了我的期待。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图表设计也值得称赞，这在技术书籍中往往是被忽视的环节。在讲解复杂的组合逻辑或状态转移图时，图示清晰明了，配色适中，不会让人产生视觉疲劳。更重要的是，作者在代码示例的选择上非常考究，每一个小段落的 VHDL 代码块都像是一个经过精心打磨的微型设计案例，它们独立性强，易于复制和修改用于快速验证。我尤其喜欢它在最后一部分对“设计优化”的讨论，它没有给出万能公式，而是提供了一套系统性的检查清单和思路框架，例如如何通过流水线（Pipelining）提高吞吐量，或者如何通过资源共享来降低面积。这本书的价值在于它提供了一种思考的范式，教会读者在面对一个设计需求时，如何从硬件资源的角度出发，反向推导出最合适的 VHDL 描述方式。它不是一本可以让你“快速入门”的书，而是一本能让你“扎实精进”的工具书，对于那些渴望真正掌握数字系统设计的学习者来说，是本不可多得的良品。