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巴西佩德罗尼 著

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121186721

商品编码：29666136300

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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目 录
部分 电 路 设 计
章 引言2
1.1 关于VHDL2
1.2 设计流程2
1.3 EDA工具3
1.4 从VHDL代码到电路的转化4
1.5 设计实例6
第2章 VHDL代码结构9
2.1 VHDL代码基本单元9
2.2 库声明10
2.3 实体11
2.4 构造体12
2.5 例题13
2.6 习题16
第3章 数据类型19
3.1 预定义的数据类型19
3.2 用户定义的数据类型22
3.3 子类型23
3.4 数组24
3.5 端口数组26
3.6 记录类型27
3.7 有符号数和无符号数28
3.8 数据类型转换29
3.9 小结30
3.10 例题31
3.11 习题35
第4章 运算操作符和属性37
4.1 运算操作符37
4.2 属性40
4.3 用户自定义属性42
4.4 操作符扩展43
4.5 通用属性语句43
4.6 设计实例44
4.7 小结48
4.8 习题49
第5章 并发代码51
5.1 并发执行和顺序执行51
5.2 使用运算操作符53
5.3 WHEN语句54
5.4 GENERATE语句63
5.5 块语句65
5.6 习题68
第6章 顺序代码72
6.1 进程72
6.2 信号和变量74
6.3 IF语句74
6.4 WAIT语句78
6.5 CASE语句80
6.6 LOOP语句84
6.7 CASE语句和IF语句的比较91
6.8 CASE语句和WHEN语句的比较91
6.9 同步时序电路中的时钟问题92
6.10 使用顺序代码设计组合逻辑电路96
6.11 习题98
第7章 信号和变量103
7.1 常量103
7.2 信号103
7.3 变量105
7.4 信号和变量的比较106
7.5 寄存器的数量112
7.6 习题121
第8章 状态机128
8.1 引言128
8.2 设计风格#1129
8.3 设计风格#2136
8.4 状态机编码风格：二进制编码和独热编码149
8.5 习题150
第9章 典型电路设计分析153
9.1 桶形移位寄存器153
9.2 有符号数比较器和无符号数比较器156
9.3 逐级进位和超前进位加法器159
9.4 定点除法162
9.5 自动售货机控制器166
9.6 串行数据接收器171
9.7 并/串变换器173
9.8 一个7段显示器的应用例题175
9.9 信号发生器178
9.10 存储器设计181
9.11 习题186
第二部分 系 统 设 计
0章 包集和元件192
10.1 概述192
10.2 包集193
10.3 元件195
10.4 端口映射201
10.5 GENERIC参数的映射202
10.6 习题208

1章 函数和过程209
11.1 函数209
11.2 函数的存放211
11.3 过程219
11.4 过程的存放221
11.5 函数与过程小结224
11.6 断言语句224
11.7 习题224
2章 系统设计实例分析226
12.1 串-并型乘法器226
12.2 并行乘法器230
12.3 乘-累加电路235
12.4 数字滤波器238
12.5 神经网络243
12.6 习题249
附录A 可编程逻辑器件251
附录B Xilinx ISE和ModelSim使用指南259
附录C Altera MaxPlus II和Advanced Synthesis Software使用指南267
附录D Altera Quartus II使用指南277
VHDL保留字285
参考文献286

作者介绍

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文摘

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序言

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模拟世界的脉搏：电路设计与仿真深度解析 在这个信息爆炸的时代，数字世界已渗透到我们生活的方方面面。从智能手机的芯片到无人驾驶汽车的控制系统，再到支撑全球通信的网络基础设施，这一切都离不开精妙绝伦的数字电路设计。本书旨在揭示数字电路设计的核心原理与实践技巧，带您深入理解电路的每一个“脉搏”，洞悉其背后的逻辑与智慧。 一、 数字电路设计的基础：从比特到架构 我们首先将从最基本的构建单元——晶体管——出发，理解它们如何组合成逻辑门，例如AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR等。您将学习到如何运用布尔代数来简化和优化逻辑电路，这是任何复杂数字系统设计的基石。接着，我们将深入探讨组合逻辑和时序逻辑的差异及其应用。组合逻辑电路的输出仅取决于当前的输入，而时序逻辑电路的输出则还受到其历史状态的影响。我们将详细分析触发器（Flip-Flops）和寄存器（Registers）等基本时序元件，它们是构建记忆单元和状态机的关键。 更进一步，我们将引导您理解如何将这些基本逻辑单元组织成更复杂的模块，如加法器、多路选择器、译码器、编码器等。您将学习到状态机的设计方法，无论是有限状态机（FSM）还是更复杂的 Moore 型和 Mealy 型状态机，它们在控制逻辑、序列发生器等方面发挥着至关重要的作用。我们将通过大量的实例，例如交通灯控制器、串行通信接口的发送/接收模块等，来直观地展示这些概念的应用。 二、 硬件描述语言（HDL）：数字设计的通用语言 要设计复杂的数字电路，手工绘制电路图已不再可行。硬件描述语言（HDL）应运而生，它们提供了以文本形式描述硬件结构和行为的能力，极大地提高了设计的效率和准确性。本书将重点介绍两种主流的HDL：Verilog和VHDL。 Verilog： 作为一种简洁高效的HDL，Verilog在业界得到了广泛的应用。我们将从Verilog的基本语法入手，包括数据类型、运算符、模块实例化、过程块（always块）等。您将学习如何使用Verilog来描述组合逻辑和时序逻辑，如何进行模块化设计，以及如何使用任务（tasks）和函数（functions）来提高代码的可重用性。我们将演示如何用Verilog设计常用的数字电路模块，例如存储器、算术逻辑单元（ALU）等，并探讨其仿真和综合的流程。 VHDL： VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是一种更加严格和结构化的HDL，尤其在航空航天、军事等对可靠性要求极高的领域有着广泛的应用。我们将详细讲解VHDL的语法体系，包括实体（Entity）、架构（Architecture）、端口（Port）、信号（Signal）、变量（Variable）、常量（Constant）等核心概念。您将学习如何使用VHDL来描述电路的行为和结构，如何利用进程（Process）语句来控制逻辑的执行，以及如何运用包（Package）和库（Library）来管理可重用组件。本书将通过实例演示如何用VHDL实现复杂的数字逻辑，例如微处理器控制器、数据通路等，并深入剖析其仿真和综合的原理。 虽然我们将在书中分别介绍Verilog和VHDL，但您将了解到两者在核心设计理念上的共通之处，并能够根据实际需求选择最合适的语言。我们不会局限于语言的表面语法，更会强调如何用HDL写出高质量、易于理解、便于仿真的代码。 三、 电路仿真：验证设计的生命线 设计的正确性是数字电路成功的关键。电路仿真器是验证设计功能是否符合预期的最重要工具。本书将详细介绍仿真器的原理和使用方法。 仿真流程： 您将了解从编写HDL代码、生成激励文件（testbench）、运行仿真器到分析仿真结果的完整流程。我们将重点讲解testbench的设计，如何有效地生成各种输入激励来覆盖不同的工作场景，以及如何利用断言（assertions）来自动验证设计的功能。 仿真波形分析： 仿真结果通常以波形的形式呈现。我们将教您如何解读仿真波形，识别潜在的时序问题、逻辑错误以及其他设计缺陷。您将学会如何利用仿真器提供的各种调试工具，例如设置断点、单步执行、查看信号值等，来精确定位问题所在。 高级仿真技巧： 为了提高仿真效率，我们将介绍覆盖率（coverage）的概念，以及如何通过度量仿真结果来评估测试的充分性。我们还会探讨一些高级仿真技术，例如并行仿真、加速仿真等。 四、 电路综合：从行为到门级网表 仿真验证了设计的行为正确性，而综合（Synthesis）则是将HDL代码转换为实际硬件电路（门级网表）的关键步骤。 综合工具原理： 您将了解综合工具的工作原理，它如何根据HDL代码中的逻辑描述，匹配逻辑库中的标准单元（如AND门、OR门、D触发器等），并生成一个优化的、可供FPGA或ASIC实现的门级网表。 综合约束： 为了使综合工具生成最优化的硬件电路，我们需要提供各种约束，例如时序约束（建立时间、保持时间）、面积约束、功耗约束等。我们将详细讲解这些约束的含义、设置方法以及它们对最终硬件性能的影响。 综合后的网表分析： 综合完成后，我们将引导您分析生成的门级网表，理解其结构，并进一步进行静态时序分析（STA），以确保电路能够在目标时钟频率下可靠地工作。 五、 FPGA与ASIC：数字电路的两种实现途径 数字电路最终需要被物理地实现。本书将对比介绍两种主流的实现技术：FPGA（现场可编程门阵列）和ASIC（专用集成电路）。 FPGA： 您将了解FPGA的内部架构，包括查找表（LUT）、触发器、布线资源等。我们将介绍如何使用FPGA开发工具链，将综合后的网表映射到FPGA硬件上，并进行下载与调试。我们将通过实际项目，例如实现一个简单的处理器，来展示FPGA开发的完整流程。 ASIC： 相对而言，ASIC的开发周期更长，成本更高，但能够实现更高的性能和更低的功耗。我们将介绍ASIC设计的基本流程，包括逻辑综合、物理设计（布局布线）、版图生成、流片（tape-out）等关键环节，并探讨其与FPGA设计的权衡。 六、 高级主题与未来展望 为了使您的数字电路设计能力更上一层楼，本书还将触及一些高级主题： 微处理器设计入门： 您将有机会接触到简单的CPU结构，了解指令集、流水线、存储器管理单元（MMU）等概念，并学习如何设计一个基本的RISC处理器。 片上系统（SoC）设计： 了解如何将CPU、DSP、内存控制器、外设接口等多个功能模块集成到一个芯片上，构建复杂的SoC系统。 低功耗设计技术： 在移动设备和物联网日益普及的今天，低功耗设计变得尤为重要。我们将介绍一些常见的低功耗设计策略，如时钟门控、电源门控、动态电压频率调整（DVFS）等。 验证方法学： 深入探讨更高级的验证方法，例如面向覆盖率的验证、约束随机验证、形式验证等，以应对日益复杂的数字系统。 新兴技术： 简要介绍一些当前热门和未来的数字电路设计技术，如AI在芯片设计中的应用、先进的工艺技术、新型存储器技术等。 本书特点： 理论与实践相结合： 本书不仅讲解数字电路设计的理论知识，更注重实际操作和工程应用。 多语言支持： 兼顾Verilog和VHDL两种主流HDL，满足不同读者的需求。 丰富的实例： 通过大量具体的电路设计实例，帮助读者将理论知识转化为实际技能。 流程清晰： 详细讲解从概念设计到最终实现的全过程，让读者对整个流程有清晰的认识。 循序渐进： 内容组织由浅入深，适合初学者入门，也为有经验的工程师提供进阶参考。 通过本书的学习，您将能够深刻理解数字电路的设计原理，熟练掌握硬件描述语言的运用，并能够利用仿真和综合工具来验证和实现您的设计。无论您是希望进入半导体行业，还是在通信、控制、嵌入式系统等领域寻求技术突破，本书都将是您不可或缺的得力助手，助您在数字世界的广阔天地中，点亮创新的火花，塑造未来的科技。

评分☆☆☆☆☆

这本书的理论深度和广度拿捏得非常精准，它没有陷入过度深究底层物理特性的泥潭，而是牢牢聚焦在“如何用硬件描述语言高效地实现设计意图”这个核心上。对于提升代码的可综合性（Synthesizability）这一点，作者花了不少篇幅进行阐述，这是区分“能跑的仿真代码”和“能用于实际FPGA/ASIC实现的代码”的关键所在。我尤其喜欢其中关于“并发赋值”和“顺序赋值”适用场景的辨析，通过对不同赋值方式在硬件映射上的差异分析，我才真正理解了为什么在组合逻辑中要坚持使用`assign`语句，而在时序逻辑中则必须使用`process`块。此外，书中对高级结构如流水线（Pipelining）和数据通路设计也有独到的见解，它用一种自顶向下、逐步细化的方式，将复杂的系统拆解成易于管理的子模块，这种系统工程的思维方式，远比单纯学习语法更有价值，这让我开始从“写代码”向“设计硬件”转变。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我本来对VHDL这种硬件描述语言有点望而生畏，觉得它肯定充满了各种繁琐的语法和让人抓狂的波形仿真。但是这本书的实战案例部分彻底颠覆了我的看法。它不是那种干巴巴地堆砌代码的教材，而是真正把每个设计模块都嵌入到一个“项目”的背景下去讲解。比如，在讲到有限状态机（FSM）设计时，它不是孤立地展示状态图，而是把它放在一个简易的交通信号灯控制器案例中进行演示。代码的编写规范性也值得称赞，每一段逻辑都有详细的注释，清晰地标明了输入、输出以及内部信号的含义，这对于后续的调试和维护至关重要。更让我惊喜的是，它对仿真工具的使用做了非常细致的步骤指导，从激励波形的创建到结果的分析，每一步都有截图辅助，对于自学的人来说，这简直是救命稻草。我按照书上的步骤敲完第一个完整的CPU指令解码模块的仿真，看到波形图完全符合预期时，那种成就感是其他任何学习经历都无法比拟的，这本书功不可没。

评分☆☆☆☆☆

我记得很多数字电路教材，在讲到优化和约束条件时，往往会一带而过，仿佛这些都是留给高级工程师的任务。然而，这本书却非常负责任地在关键章节提到了综合约束（Synthesis Constraints）的重要性，并用实际例子说明了如何通过约束文件（如XDC文件）来指导布局布线工具，以满足时序要求。它强调了时钟域交叉（CDC）问题，并给出了几种成熟的同步电路设计模式，比如异步FIFO和单比特握手协议的VHDL实现，这些都是在实际工作中经常会遇到的“拦路虎”。阅读这些章节时，我感觉自己仿佛坐在一个经验丰富的资深工程师身边，他不仅教会了我如何搭积木，更重要的是，他指出了在真实世界中，这些积木可能会因为速度、延迟等因素如何相互影响。这种前瞻性的指导，极大地减少了我未来可能踩的坑，让我的学习目标更加明确和务实，完全不是那种“纸上谈兵”的理论书。

评分☆☆☆☆☆

与其他一些偏向于工具操作或纯理论推导的教材相比，这本书给人的感觉是“温度”很高的。作者在行文之间流露出的那种对这门学科的热爱和对读者学习过程的体谅，是很难伪装出来的。例如，在介绍一些相对冷门的VHDL特性时，它会给出明确的建议：“除非你有特殊需求，否则请优先使用更常见且易于综合的结构”。这种“非强制性建议”的语气，让读者在学习过程中保留了足够的灵活性和判断力。而且，这本书的配图质量极高，不像某些教材那样使用低分辨率的扫描图，这里的每一个图表都像是专门为这本书定制的一样，线条流畅，配色专业。总而言之，这本书成功地搭建了一座坚实的桥梁，连接了数字逻辑的理论基石与现代硬件设计的高效实践，对于任何想认真踏入FPGA或ASIC设计领域的学习者来说，它都应是案头必备的第一参考书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得非常简洁大气，那种深邃的蓝色背景，配上跳跃的电路图线条，一下子就抓住了读者的眼球。我刚拿到手的时候，就迫不及待地翻开，里面的排版也做得相当用心，字体大小适中，段落之间的留白处理得恰到好处，读起来一点都不觉得累。尤其是那些关键的原理图和时序图，印刷得非常清晰锐利，即便是复杂的逻辑结构，也能一目了然。作者在讲解基础概念时，用的都是非常生活化的比喻，比如把寄存器比作信息的小仓库，把时钟信号比作统一的指挥官，这让初学者也能迅速建立起对数字电路的直观认识。我特别欣赏它在章节衔接上的流畅性，从最基础的逻辑门过渡到更复杂的状态机设计，感觉就像是沿着一条精心铺设的轨道在前进，每一步都有扎实的铺垫，让人信心倍增。翻阅中，我甚至能想象到作者在编写时，是如何反复斟酌每一个词语和图表的摆放位置，力求将晦涩的专业知识用最平易近人的方式呈现出来，这种匠人精神，在如今的教材中是相当难得的。