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巴西佩德羅尼 著

圖書標籤:

• VHDL
• 數字電路
• 設計
• 教程
• 電子工業齣版社
• FPGA
• Verilog
• 數字係統設計
• 硬件描述語言
• 可編程邏輯器件
• EDA

店鋪： 北京群洲文化專營店

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121186721

商品編碼：29666136300

包裝：平裝

齣版時間：2013-01-01

基本信息

書名：VHDL數字電路設計教程

定價：35.00元

作者：(巴西)佩德羅尼

齣版社：電子工業齣版社

齣版日期：2013-01-01

ISBN：9787121186721

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.241kg

編輯推薦

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內容提要

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自從VHDL在1987年成為IEEE標準之後，就因其在電路模型建立、仿真、綜閤等方麵的強大功能而被廣泛用於復雜數字邏輯電路的設計中。本書共分為三個基本組成部分，首先詳細介紹VHDL語言的背景知識、基本語法結構和VHDL代碼的編寫方法；然後介紹VHDL電路單元庫的結構和使用方法，以及如何將新的設計加入到現有的或自己新建立的單元庫中，以便於進行代碼的分割、共享和重用；後介紹CPLD和FPGA的發展曆史、主流廠商提供的開發環境使用方法。本書在結構組織上有獨特之處，例如將並發描述語句、順序描述語句、數據類型與運算操作符和屬性等獨立成章，使讀者更容易清晰準確地掌握這些重要內容。本書注重設計實踐，給齣瞭大量完整設計實例的電路圖、相關基本概念、電路工作原理以及仿真結果，從而將VHDL語法學習和如何采用它進行電路設計有機地結閤在一起。

目錄

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目 錄
部分 電 路 設 計
章 引言2
1.1 關於VHDL2
1.2 設計流程2
1.3 EDA工具3
1.4 從VHDL代碼到電路的轉化4
1.5 設計實例6
第2章 VHDL代碼結構9
2.1 VHDL代碼基本單元9
2.2 庫聲明10
2.3 實體11
2.4 構造體12
2.5 例題13
2.6 習題16
第3章 數據類型19
3.1 預定義的數據類型19
3.2 用戶定義的數據類型22
3.3 子類型23
3.4 數組24
3.5 端口數組26
3.6 記錄類型27
3.7 有符號數和無符號數28
3.8 數據類型轉換29
3.9 小結30
3.10 例題31
3.11 習題35
第4章 運算操作符和屬性37
4.1 運算操作符37
4.2 屬性40
4.3 用戶自定義屬性42
4.4 操作符擴展43
4.5 通用屬性語句43
4.6 設計實例44
4.7 小結48
4.8 習題49
第5章 並發代碼51
5.1 並發執行和順序執行51
5.2 使用運算操作符53
5.3 WHEN語句54
5.4 GENERATE語句63
5.5 塊語句65
5.6 習題68
第6章 順序代碼72
6.1 進程72
6.2 信號和變量74
6.3 IF語句74
6.4 WAIT語句78
6.5 CASE語句80
6.6 LOOP語句84
6.7 CASE語句和IF語句的比較91
6.8 CASE語句和WHEN語句的比較91
6.9 同步時序電路中的時鍾問題92
6.10 使用順序代碼設計組閤邏輯電路96
6.11 習題98
第7章 信號和變量103
7.1 常量103
7.2 信號103
7.3 變量105
7.4 信號和變量的比較106
7.5 寄存器的數量112
7.6 習題121
第8章 狀態機128
8.1 引言128
8.2 設計風格#1129
8.3 設計風格#2136
8.4 狀態機編碼風格：二進製編碼和獨熱編碼149
8.5 習題150
第9章 典型電路設計分析153
9.1 桶形移位寄存器153
9.2 有符號數比較器和無符號數比較器156
9.3 逐級進位和超前進位加法器159
9.4 定點除法162
9.5 自動售貨機控製器166
9.6 串行數據接收器171
9.7 並/串變換器173
9.8 一個7段顯示器的應用例題175
9.9 信號發生器178
9.10 存儲器設計181
9.11 習題186
第二部分 係 統 設 計
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參數的映射202
10.6 習題208

1章 函數和過程209
11.1 函數209
11.2 函數的存放211
11.3 過程219
11.4 過程的存放221
11.5 函數與過程小結224
11.6 斷言語句224
11.7 習題224
2章 係統設計實例分析226
12.1 串-並型乘法器226
12.2 並行乘法器230
12.3 乘-纍加電路235
12.4 數字濾波器238
12.5 神經網絡243
12.6 習題249
附錄A 可編程邏輯器件251
附錄B Xilinx ISE和ModelSim使用指南259
附錄C Altera MaxPlus II和Advanced Synthesis Software使用指南267
附錄D Altera Quartus II使用指南277
VHDL保留字285
參考文獻286

作者介紹

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文摘

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序言

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模擬世界的脈搏：電路設計與仿真深度解析 在這個信息爆炸的時代，數字世界已滲透到我們生活的方方麵麵。從智能手機的芯片到無人駕駛汽車的控製係統，再到支撐全球通信的網絡基礎設施，這一切都離不開精妙絕倫的數字電路設計。本書旨在揭示數字電路設計的核心原理與實踐技巧，帶您深入理解電路的每一個“脈搏”，洞悉其背後的邏輯與智慧。 一、 數字電路設計的基礎：從比特到架構 我們首先將從最基本的構建單元——晶體管——齣發，理解它們如何組閤成邏輯門，例如AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR等。您將學習到如何運用布爾代數來簡化和優化邏輯電路，這是任何復雜數字係統設計的基石。接著，我們將深入探討組閤邏輯和時序邏輯的差異及其應用。組閤邏輯電路的輸齣僅取決於當前的輸入，而時序邏輯電路的輸齣則還受到其曆史狀態的影響。我們將詳細分析觸發器（Flip-Flops）和寄存器（Registers）等基本時序元件，它們是構建記憶單元和狀態機的關鍵。 更進一步，我們將引導您理解如何將這些基本邏輯單元組織成更復雜的模塊，如加法器、多路選擇器、譯碼器、編碼器等。您將學習到狀態機的設計方法，無論是有限狀態機（FSM）還是更復雜的 Moore 型和 Mealy 型狀態機，它們在控製邏輯、序列發生器等方麵發揮著至關重要的作用。我們將通過大量的實例，例如交通燈控製器、串行通信接口的發送/接收模塊等，來直觀地展示這些概念的應用。 二、 硬件描述語言（HDL）：數字設計的通用語言 要設計復雜的數字電路，手工繪製電路圖已不再可行。硬件描述語言（HDL）應運而生，它們提供瞭以文本形式描述硬件結構和行為的能力，極大地提高瞭設計的效率和準確性。本書將重點介紹兩種主流的HDL：Verilog和VHDL。 Verilog： 作為一種簡潔高效的HDL，Verilog在業界得到瞭廣泛的應用。我們將從Verilog的基本語法入手，包括數據類型、運算符、模塊實例化、過程塊（always塊）等。您將學習如何使用Verilog來描述組閤邏輯和時序邏輯，如何進行模塊化設計，以及如何使用任務（tasks）和函數（functions）來提高代碼的可重用性。我們將演示如何用Verilog設計常用的數字電路模塊，例如存儲器、算術邏輯單元（ALU）等，並探討其仿真和綜閤的流程。 VHDL： VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是一種更加嚴格和結構化的HDL，尤其在航空航天、軍事等對可靠性要求極高的領域有著廣泛的應用。我們將詳細講解VHDL的語法體係，包括實體（Entity）、架構（Architecture）、端口（Port）、信號（Signal）、變量（Variable）、常量（Constant）等核心概念。您將學習如何使用VHDL來描述電路的行為和結構，如何利用進程（Process）語句來控製邏輯的執行，以及如何運用包（Package）和庫（Library）來管理可重用組件。本書將通過實例演示如何用VHDL實現復雜的數字邏輯，例如微處理器控製器、數據通路等，並深入剖析其仿真和綜閤的原理。 雖然我們將在書中分彆介紹Verilog和VHDL，但您將瞭解到兩者在核心設計理念上的共通之處，並能夠根據實際需求選擇最閤適的語言。我們不會局限於語言的錶麵語法，更會強調如何用HDL寫齣高質量、易於理解、便於仿真的代碼。 三、 電路仿真：驗證設計的生命綫 設計的正確性是數字電路成功的關鍵。電路仿真器是驗證設計功能是否符閤預期的最重要工具。本書將詳細介紹仿真器的原理和使用方法。 仿真流程： 您將瞭解從編寫HDL代碼、生成激勵文件（testbench）、運行仿真器到分析仿真結果的完整流程。我們將重點講解testbench的設計，如何有效地生成各種輸入激勵來覆蓋不同的工作場景，以及如何利用斷言（assertions）來自動驗證設計的功能。 仿真波形分析： 仿真結果通常以波形的形式呈現。我們將教您如何解讀仿真波形，識彆潛在的時序問題、邏輯錯誤以及其他設計缺陷。您將學會如何利用仿真器提供的各種調試工具，例如設置斷點、單步執行、查看信號值等，來精確定位問題所在。 高級仿真技巧： 為瞭提高仿真效率，我們將介紹覆蓋率（coverage）的概念，以及如何通過度量仿真結果來評估測試的充分性。我們還會探討一些高級仿真技術，例如並行仿真、加速仿真等。 四、 電路綜閤：從行為到門級網錶 仿真驗證瞭設計的行為正確性，而綜閤（Synthesis）則是將HDL代碼轉換為實際硬件電路（門級網錶）的關鍵步驟。 綜閤工具原理： 您將瞭解綜閤工具的工作原理，它如何根據HDL代碼中的邏輯描述，匹配邏輯庫中的標準單元（如AND門、OR門、D觸發器等），並生成一個優化的、可供FPGA或ASIC實現的門級網錶。 綜閤約束： 為瞭使綜閤工具生成最優化的硬件電路，我們需要提供各種約束，例如時序約束（建立時間、保持時間）、麵積約束、功耗約束等。我們將詳細講解這些約束的含義、設置方法以及它們對最終硬件性能的影響。 綜閤後的網錶分析： 綜閤完成後，我們將引導您分析生成的門級網錶，理解其結構，並進一步進行靜態時序分析（STA），以確保電路能夠在目標時鍾頻率下可靠地工作。 五、 FPGA與ASIC：數字電路的兩種實現途徑 數字電路最終需要被物理地實現。本書將對比介紹兩種主流的實現技術：FPGA（現場可編程門陣列）和ASIC（專用集成電路）。 FPGA： 您將瞭解FPGA的內部架構，包括查找錶（LUT）、觸發器、布綫資源等。我們將介紹如何使用FPGA開發工具鏈，將綜閤後的網錶映射到FPGA硬件上，並進行下載與調試。我們將通過實際項目，例如實現一個簡單的處理器，來展示FPGA開發的完整流程。 ASIC： 相對而言，ASIC的開發周期更長，成本更高，但能夠實現更高的性能和更低的功耗。我們將介紹ASIC設計的基本流程，包括邏輯綜閤、物理設計（布局布綫）、版圖生成、流片（tape-out）等關鍵環節，並探討其與FPGA設計的權衡。 六、 高級主題與未來展望 為瞭使您的數字電路設計能力更上一層樓，本書還將觸及一些高級主題： 微處理器設計入門： 您將有機會接觸到簡單的CPU結構，瞭解指令集、流水綫、存儲器管理單元（MMU）等概念，並學習如何設計一個基本的RISC處理器。 片上係統（SoC）設計： 瞭解如何將CPU、DSP、內存控製器、外設接口等多個功能模塊集成到一個芯片上，構建復雜的SoC係統。 低功耗設計技術： 在移動設備和物聯網日益普及的今天，低功耗設計變得尤為重要。我們將介紹一些常見的低功耗設計策略，如時鍾門控、電源門控、動態電壓頻率調整（DVFS）等。 驗證方法學： 深入探討更高級的驗證方法，例如麵嚮覆蓋率的驗證、約束隨機驗證、形式驗證等，以應對日益復雜的數字係統。 新興技術： 簡要介紹一些當前熱門和未來的數字電路設計技術，如AI在芯片設計中的應用、先進的工藝技術、新型存儲器技術等。 本書特點： 理論與實踐相結閤： 本書不僅講解數字電路設計的理論知識，更注重實際操作和工程應用。 多語言支持： 兼顧Verilog和VHDL兩種主流HDL，滿足不同讀者的需求。 豐富的實例： 通過大量具體的電路設計實例，幫助讀者將理論知識轉化為實際技能。 流程清晰： 詳細講解從概念設計到最終實現的全過程，讓讀者對整個流程有清晰的認識。 循序漸進： 內容組織由淺入深，適閤初學者入門，也為有經驗的工程師提供進階參考。 通過本書的學習，您將能夠深刻理解數字電路的設計原理，熟練掌握硬件描述語言的運用，並能夠利用仿真和綜閤工具來驗證和實現您的設計。無論您是希望進入半導體行業，還是在通信、控製、嵌入式係統等領域尋求技術突破，本書都將是您不可或缺的得力助手，助您在數字世界的廣闊天地中，點亮創新的火花，塑造未來的科技。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我本來對VHDL這種硬件描述語言有點望而生畏，覺得它肯定充滿瞭各種繁瑣的語法和讓人抓狂的波形仿真。但是這本書的實戰案例部分徹底顛覆瞭我的看法。它不是那種乾巴巴地堆砌代碼的教材，而是真正把每個設計模塊都嵌入到一個“項目”的背景下去講解。比如，在講到有限狀態機（FSM）設計時，它不是孤立地展示狀態圖，而是把它放在一個簡易的交通信號燈控製器案例中進行演示。代碼的編寫規範性也值得稱贊，每一段邏輯都有詳細的注釋，清晰地標明瞭輸入、輸齣以及內部信號的含義，這對於後續的調試和維護至關重要。更讓我驚喜的是，它對仿真工具的使用做瞭非常細緻的步驟指導，從激勵波形的創建到結果的分析，每一步都有截圖輔助，對於自學的人來說，這簡直是救命稻草。我按照書上的步驟敲完第一個完整的CPU指令解碼模塊的仿真，看到波形圖完全符閤預期時，那種成就感是其他任何學習經曆都無法比擬的，這本書功不可沒。

評分☆☆☆☆☆

這本書的理論深度和廣度拿捏得非常精準，它沒有陷入過度深究底層物理特性的泥潭，而是牢牢聚焦在“如何用硬件描述語言高效地實現設計意圖”這個核心上。對於提升代碼的可綜閤性（Synthesizability）這一點，作者花瞭不少篇幅進行闡述，這是區分“能跑的仿真代碼”和“能用於實際FPGA/ASIC實現的代碼”的關鍵所在。我尤其喜歡其中關於“並發賦值”和“順序賦值”適用場景的辨析，通過對不同賦值方式在硬件映射上的差異分析，我纔真正理解瞭為什麼在組閤邏輯中要堅持使用`assign`語句，而在時序邏輯中則必須使用`process`塊。此外，書中對高級結構如流水綫（Pipelining）和數據通路設計也有獨到的見解，它用一種自頂嚮下、逐步細化的方式，將復雜的係統拆解成易於管理的子模塊，這種係統工程的思維方式，遠比單純學習語法更有價值，這讓我開始從“寫代碼”嚮“設計硬件”轉變。

評分☆☆☆☆☆

與其他一些偏嚮於工具操作或純理論推導的教材相比，這本書給人的感覺是“溫度”很高的。作者在行文之間流露齣的那種對這門學科的熱愛和對讀者學習過程的體諒，是很難僞裝齣來的。例如，在介紹一些相對冷門的VHDL特性時，它會給齣明確的建議：“除非你有特殊需求，否則請優先使用更常見且易於綜閤的結構”。這種“非強製性建議”的語氣，讓讀者在學習過程中保留瞭足夠的靈活性和判斷力。而且，這本書的配圖質量極高，不像某些教材那樣使用低分辨率的掃描圖，這裏的每一個圖錶都像是專門為這本書定製的一樣，綫條流暢，配色專業。總而言之，這本書成功地搭建瞭一座堅實的橋梁，連接瞭數字邏輯的理論基石與現代硬件設計的高效實踐，對於任何想認真踏入FPGA或ASIC設計領域的學習者來說，它都應是案頭必備的第一參考書。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計得非常簡潔大氣，那種深邃的藍色背景，配上跳躍的電路圖綫條，一下子就抓住瞭讀者的眼球。我剛拿到手的時候，就迫不及待地翻開，裏麵的排版也做得相當用心，字體大小適中，段落之間的留白處理得恰到好處，讀起來一點都不覺得纍。尤其是那些關鍵的原理圖和時序圖，印刷得非常清晰銳利，即便是復雜的邏輯結構，也能一目瞭然。作者在講解基礎概念時，用的都是非常生活化的比喻，比如把寄存器比作信息的小倉庫，把時鍾信號比作統一的指揮官，這讓初學者也能迅速建立起對數字電路的直觀認識。我特彆欣賞它在章節銜接上的流暢性，從最基礎的邏輯門過渡到更復雜的狀態機設計，感覺就像是沿著一條精心鋪設的軌道在前進，每一步都有紮實的鋪墊，讓人信心倍增。翻閱中，我甚至能想象到作者在編寫時，是如何反復斟酌每一個詞語和圖錶的擺放位置，力求將晦澀的專業知識用最平易近人的方式呈現齣來，這種匠人精神，在如今的教材中是相當難得的。

評分☆☆☆☆☆

我記得很多數字電路教材，在講到優化和約束條件時，往往會一帶而過，仿佛這些都是留給高級工程師的任務。然而，這本書卻非常負責任地在關鍵章節提到瞭綜閤約束（Synthesis Constraints）的重要性，並用實際例子說明瞭如何通過約束文件（如XDC文件）來指導布局布綫工具，以滿足時序要求。它強調瞭時鍾域交叉（CDC）問題，並給齣瞭幾種成熟的同步電路設計模式，比如異步FIFO和單比特握手協議的VHDL實現，這些都是在實際工作中經常會遇到的“攔路虎”。閱讀這些章節時，我感覺自己仿佛坐在一個經驗豐富的資深工程師身邊，他不僅教會瞭我如何搭積木，更重要的是，他指齣瞭在真實世界中，這些積木可能會因為速度、延遲等因素如何相互影響。這種前瞻性的指導，極大地減少瞭我未來可能踩的坑，讓我的學習目標更加明確和務實，完全不是那種“紙上談兵”的理論書。