Verilog HDL程序设计实例详解

Verilog HDL程序设计实例详解 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:人民邮电
作者:张延伟
出品人:
页数:368
译者:
出版时间:2008-4
价格:48.00元
装帧:
isbn号码:9787115176325
丛书系列:
图书标签:
  • Verilog
  • FPGA
  • Verilog HDL
  • 硬件描述语言
  • 数字电路
  • FPGA
  • Verilog
  • 程序设计
  • 实例
  • 电子工程
  • EDA
  • 设计实例
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具体描述

《EDA技术丛书·Verilog HDL程序设计实例详解》全面介绍了使用Visual C++开发各种网络程序的方法与技巧,内容涵盖TCP和UDP的客户/服务器编程、Internet和LAN上的远程PC控制、链路层的计算机扫描技术、路由跟踪技术、IP欺骗技术、密码截获及保护技术、网络封包截获技术、串口通信技术、IOCP技术,以及分层协议、NDIS中间层网络驱动编程等。

电子系统设计与实现中的关键技术:基于VHDL的数字逻辑开发实战 本书特色:深入浅出,以实例驱动,全面覆盖VHDL语言及其在现代电子系统设计中的应用。 --- 第一部分:数字逻辑设计基础与VHDL语言入门 本篇旨在为读者搭建坚实的数字逻辑基础,并引导初学者快速掌握VHDL(VHSIC Hardware Description Language)这一国际公认的硬件描述语言的核心语法和设计哲学。我们不满足于简单的语法罗列,而是强调“硬件思维”的培养。 第一章:现代数字系统设计的新范式 本章首先回顾了传统硬件设计(如门级逻辑图绘制)的局限性,重点阐述了硬件描述语言(HDL)在提高设计效率、增强可移植性和支持复杂系统建模方面的重要地位。随后,我们引入VHDL作为主流的建模工具,剖析其与传统编程语言(如C/C++)在并发性、时序约束和综合性上的本质区别。内容将涵盖设计流的概览,从概念需求到最终ASIC/FPGA实现的完整流程。 第二章:VHDL核心元素与结构化建模 本章细致讲解VHDL的基本结构单元。实体(Entity)如何定义芯片的外部接口,架构(Architecture)如何描述内部行为或结构。重点剖析数据类型(如`BIT`, `STD_LOGIC`, `INTEGER`)的选用及其对综合工具的影响。我们将详细介绍标准逻辑库`IEEE.STD_LOGIC_1164`和数字运算库`IEEE.NUMERIC_STD`的正确使用方法,避免使用已被淘汰的非标准库。通过对比组合逻辑和时序逻辑在VHDL中的不同写法,奠定清晰的设计基础。 第三章:行为级建模的艺术——并发与顺序执行 组合逻辑和时序逻辑是数字电路的基石。本章专注于过程(PROCESS)的使用。我们将深入探讨`WAIT`语句的限制及其在综合代码中的替代方案(敏感列表)。通过对信号(SIGNAL)和变量(VARIABLE)在并发执行环境下的区别的详尽分析,确保读者理解何时应使用信号进行数据传输,何时使用变量进行内部计算。大量示例将展示如何高效地描述多路选择器、全加器等基础单元。 第四章:结构化建模——层次化设计的实现 对于大型系统,层次化设计至关关重要。本章讲解如何利用VHDL的组件(COMPONENT)机制将小模块封装起来,实现复用和抽象。我们将演示如何实例化一个已有的设计模块,并讲解映射(MAP)的语法,确保端口连接的准确性。同时,本章也会介绍生成(GENERATE)语句在处理重复性结构(如总线驱动器或阵列乘法器)时的强大能力。 --- 第二部分:高级设计技巧与时序逻辑深入剖析 本部分将从基础语法转向实际的系统设计挑战,重点关注如何准确描述复杂的时序电路和接口逻辑。 第五章:时序电路的精确描述与同步设计 时序电路(触发器、寄存器、计数器)是所有状态机的核心。本章将聚焦于如何使用时钟敏感列表和上升沿/下降沿描述精确的触发器行为。我们将详细区分同步复位(Synchronous Reset)和异步复位(Asynchronous Reset)在VHDL代码中的实现方式,并探讨异步复位解除(de-assertion)的时序要求。对于锁存器(Latch)的隐式生成,我们将提供识别和避免的方法,这是综合设计中的常见陷阱。 第六章:有限状态机(FSM)的完备建模与编码风格 有限状态机是控制逻辑的核心。本章将系统介绍三种主流的FSM建模风格: 1. 三进程模型(Three-Process Model): 最清晰、最易于阅读和验证的结构,分别处理状态寄存器、组合逻辑输出和状态转移。 2. 两进程模型(Two-Process Model)。 3. 一步到位模型(One-Process Model)。 我们将通过一个实际的例子(如序列检测器)来比较这三种风格的优劣,并强调为保证综合效果,状态编码(如二进制、独热编码One-Hot)的选择对资源消耗和时序性能的影响。 第七章:数据通路组件的构建与流水线设计 本章转向数据处理部分的设计,包括乘法器、除法器、累加器和寄存器堆栈。重点讲解数据类型转换在确保运算精度中的关键作用。我们还将引入流水线(Pipelining)的概念,展示如何在VHDL中通过插入寄存器级来提高系统的时钟频率(Fmax),并分析流水线延迟对整体系统吞吐量的影响。 第八章:接口设计与总线协议的抽象描述 现代系统离不开标准接口。本章将专注于如何使用VHDL描述常见的片上通信协议。内容涵盖: 简单的握手协议(Handshake Protocol)。 先进先出(FIFO)缓冲器的行为建模与结构化实现。 我们将区分纯行为描述的RAM/FIFO与需要映射到FPGA内部资源(如Block RAM)的结构化描述。 有限状态机在总线仲裁器中的应用。 --- 第三部分:设计验证、综合与实际应用 好的代码需要严格的验证。本部分将重点介绍如何利用VHDL的测试平台进行仿真验证,并理解设计如何被转换为实际的硬件电路。 第九章:测试平台(Testbench)的构建与仿真验证 VHDL的强大之处在于其内置的仿真能力。本章将详细讲解如何构建一个独立的测试平台(Testbench)来驱动被测设计(DUT)。我们将介绍: 激励生成: 如何使用延时(`after`)和时钟生成循环。 波形观察: 使用`DISPLAY`语句输出关键信号。 断言(ASSERTION): 利用VHDL的`ASSERT`语句编写自动化的错误检查机制,提高测试的效率和自动化程度。 本章将提供一个完整的、带有激励和结果检查的综合仿真实例。 第十章:设计约束与逻辑综合入门 硬件描述语言最终需要被综合成实际的门级网表。本章解释了综合(Synthesis)的概念,即如何将抽象的VHDL代码转换为目标FPGA或ASIC的逻辑单元。我们将讨论设计约束(Constraints)的重要性,例如: 时钟定义(Clock Definition)。 输入输出延迟(Input/Output Delay)。 时序目标(Timing Goals,如Setup/Hold Time)。 强调编写“可综合”(Synthesizable)代码的规则,例如避免使用不可预测的延迟和未初始化的变量。 第十一章:系统级范例:基于VHDL的简单处理器子系统实现 为了将所学知识融会贯通,本章将展示一个综合性的设计案例——一个简化的RISC处理器控制单元或一个高速数据采集模块。我们将使用层次化设计方法,将前述的FSM、寄存器组和数据通路组件整合到一个完整的系统中,并展示如何为其编写专门的测试平台以验证端到端的系统功能。 --- 目标读者: 电子工程、通信工程、计算机科学与技术专业的本科生、研究生,以及希望从传统电路图设计转向现代化HDL设计流程的硬件工程师。 学习成果: 读者将能够熟练使用VHDL语言描述复杂数字电路,掌握自顶向下的层次化设计方法,能够独立构建模块化代码,并为后续的FPGA或ASIC设计流程打下坚实的基础。

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用户评价

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**体验心得:** 收到这本书的时候,我原本是抱着学习Verilog HDL基础知识的目的来的,毕竟这是一门在数字电路设计领域至关重要的硬件描述语言。然而,当我翻开这本书,一股扑面而来的“实在”感就让我意识到,这不仅仅是一本教条式的教科书,而更像是一位经验丰富的工程师在倾囊相授。书中对每一个概念的讲解都力求清晰透彻,循序渐进,从最基本的语法、数据类型,到复杂的时序逻辑、状态机设计,都通过大量的实例进行了生动的演绎。我尤其欣赏书中对“为什么”的深入剖析,而不是简单地罗列“怎么做”。例如,在讲解寄存器和组合逻辑的区别时,作者并没有停留在定义层面,而是通过对时序仿真和电路行为的细致描述,让我真正理解了它们在硬件实现上的本质差异,这对于避免我日后在实际设计中犯下低级错误有着至关重要的指导意义。 书中收录的实例覆盖面相当广泛,从简单的加法器、计数器,到复杂的FIFO、RAM控制器,再到一些嵌入式系统中常见的接口设计,几乎囊括了Verilog HDL应用的大部分场景。而且,每一个实例都不仅仅是代码的堆砌,而是附带着详细的设计思路、状态划分、时序约束以及仿真验证的完整流程。我特别喜欢书中对“时序约束”这一部分的讲解,在许多教材中,这部分内容往往被一带而过,但这本书却将其作为一个重点来强调,并通过多个实际例子展示了如何正确地设置和理解时序约束,以及不良时序约束可能带来的严重后果。对于初学者来说,这是非常有价值的指导,能够帮助他们尽早养成良好的设计习惯,避免在实际项目开发中走弯路。

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**思维的启迪者:** 在阅读《Verilog HDL程序设计实例详解》之前,我对Verilog的理解更多停留在语法层面,这本书则帮助我将语法转化为一种强大的设计思维。书中对“时序逻辑”的阐述,特别是对亚稳态(metastability)的解释,让我茅塞顿开。作者通过一个时钟域交叉的实例,生动地模拟了亚稳态发生的场景,并详细解释了为什么会发生亚稳态,以及如何通过多级寄存器同步来降低亚稳态发生的概率。这个讲解,让我深刻理解了时序设计的复杂性和潜在的陷阱,也让我对设计出稳定可靠的硬件系统有了更深的敬畏。 书中对“异步复位”和“同步复位”的对比分析,也是我学习过程中的一个重要节点。作者不仅给出了两种复位方式的代码实现,更重要的是,他深入剖析了这两种方式在实际硬件电路中的区别,以及它们在不同应用场景下的优缺点。例如,异步复位能够立即响应复位信号,但可能在复位释放时引入亚稳态;而同步复位则需要等待一个时钟周期才能生效,但更加安全可靠。这种对比分析,让我能够根据实际需求,做出更明智的设计选择。此外,书中还触及了对RTL(Register Transfer Level)代码进行优化的技术,例如如何合并冗余逻辑,如何选择合适的编码方式来减小面积或提高时序。

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**实战的基石:** 作为一名对FPGA开发充满热情的业余爱好者,我一直在寻找一本既能打牢基础,又能指导实践的书籍。这本书无疑满足了我的需求。《Verilog HDL程序设计实例详解》就像一座知识的宝库,每一次的阅读都能让我有新的收获。我特别喜欢书中对“模块化设计”的强调,以及如何通过实例化来构建复杂的系统。书中通过构建一个简单但完整的CPU模型,逐步展示了如何将各个功能模块(如ALU、寄存器堆、指令译码器等)实例化并连接起来,最终形成一个能够执行基本指令的系统。这个过程的演示,让我深刻理解了层次化设计的理念,以及如何有效地管理和组织大型Verilog项目。 书中在讲解高级主题时,例如流水线(pipelining)设计,并没有止步于概念的介绍,而是通过一个具体的例子,如一个简单的乘法器流水线,详细阐述了流水线化的目的、实现方法以及如何通过合理的流水线级数来提高吞吐量。同时,书中也坦诚地指出了流水线设计可能带来的挑战,如数据冒险和控制冒险,并给出了相应的解决方案。这让我意识到,硬件设计的精妙之处在于权衡和取舍。此外,书中对IP核(Intellectual Property core)的概念也有所提及,虽然没有深入展开,但已经为我打开了另一扇了解更高级设计方法的窗户,让我知道在实际工程中,并非所有模块都需要从头开始编写。

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**案例分析的典范:** 这本书的价值在于它的“实例详解”这四个字,它并非空洞的理论堆砌,而是将Verilog HDL语言的应用场景与实际硬件设计紧密结合。我曾仔细研究了书中关于“握手信号”(handshake signals)在异步通信中的应用。书中通过一个简单的发送/接收数据的例子,详细展示了如何使用ready/valid信号来协调两个不同时钟域下的模块进行数据交换,以及在这种机制下可能出现的时序问题和解决方案。这种贴近实际的讲解,比单纯的理论叙述更能帮助我理解代码背后的设计意图和工程实践。 我对于书中在数据路径和控制路径分离设计方面的讲解尤为欣赏。很多时候,我们容易将二者混淆,导致代码逻辑混乱。这本书通过一个具体的例子,如一个简单的ADC(模数转换器)接口模块,清晰地划分了数据采集、数据存储、数据传输等数据路径的逻辑,以及启动、停止、复位等控制路径的逻辑,并分别用不同的`always`块或`assign`语句进行描述。这种清晰的划分,不仅使得代码易于阅读和维护,也为后续的仿真和调试奠定了良好的基础。而且,书中还涉及了一些关于功耗优化的设计思路,虽然篇幅不多,但已足够引导我去思考如何在追求性能的同时,兼顾功耗的控制。

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**设计思路的启发者:** 这本书不仅仅是教我写Verilog代码,更是启发我如何进行硬件设计。书中对“接口设计”的讲解,特别是对AXI(Advanced eXtensible Interface)等标准总线的介绍,为我打开了系统级设计的视野。虽然书中并未对AXI进行非常详尽的阐述,但它通过一个具体的实例,展示了如何在一个Verilog模块中实现一个简单的AXI Lite接口,包括写地址通道、写数据通道、写响应通道、读地址通道和读数据通道。这让我初步了解了现代SoC(System on Chip)设计中常用的通信协议,以及如何设计符合标准的接口,以便于与其他IP核进行集成。 我对书中对“并发性”的讲解印象深刻。Verilog HDL作为一种硬件描述语言,其核心在于描述硬件的并发行为。书中通过对不同`always`块、`assign`语句以及任务(task)和函数(function)的执行顺序和相互影响的分析,让我更深刻地理解了Verilog的并发模型。特别是对时序逻辑的描述,如`always @(posedge clk)`块中的逻辑,是如何在每个时钟上升沿并发执行的。这种对并发执行的深入理解,对于我编写出正确且高效的Verilog代码至关重要。

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**技术探索的指南:** 这本书为我打开了Verilog HDL的广阔世界,让我看到了硬件描述语言在现代电子设计中的巨大潜力。我特别欣赏书中对“状态机”的详尽讲解。从最基础的有限状态机(FSM)概念,到如何绘制状态转移图,如何选择合适的状态编码方式(独热编码、二进制编码、格雷码等),以及如何将状态机转化为可综合的Verilog代码,书中都进行了清晰的阐述。通过一个实际的例子,比如一个简单的串口通信接收模块,我学会了如何一步步地设计和实现一个复杂的状态机,并理解了状态机在控制复杂逻辑时的优势。 书中在讲解“测试平台”(testbench)的编写方面,也提供了非常有价值的指导。我曾经在编写Verilog代码时,对如何有效地验证我的设计感到困惑。这本书通过多个实例,展示了如何使用Verilog本身的语法来构建功能强大的测试平台,包括如何实例化被测模块(DUT)、如何产生激励信号、如何监测输出信号、如何进行断言检查(assertions)以及如何利用系统函数(如 `$display`, `$monitor`)来输出仿真结果。这些实用的技巧,极大地提高了我的仿真效率,也帮助我更早地发现和修复设计中的错误。

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**工程实践的参考:** 《Verilog HDL程序设计实例详解》是一本真正“落地”的书籍,它将理论知识转化为解决实际工程问题的工具。书中对“流水线设计”的讲解,给我留下了深刻的印象。作者通过一个简单的四级流水线乘法器实例,详细展示了如何将串行计算转化为并行计算,从而提高系统的吞吐量。他不仅解释了流水线化的基本原理,还深入讨论了流水线设计中的数据依赖、控制依赖以及如何处理这些问题,例如通过转发(forwarding)和气泡(bubble)机制。这让我对高性能计算的设计思路有了初步的认识。 书中对“异步FIFO”(First-In, First-Out)的设计讲解,也是一个亮点。异步FIFO在不同时钟域之间进行数据传输时至关重要,而其设计又相对复杂。这本书通过一个详细的实例,清晰地展示了如何设计一个完整的异步FIFO,包括读写指针的跨时钟域同步、空/满标志的生成以及回环(loopback)机制的实现。作者对每一个细节都进行了深入的剖析,让我理解了其中的关键技术点和潜在的风险,对于我在实际项目中设计跨时钟域接口提供了宝贵的参考。

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**问题解决的助手:** 这本书是我在学习Verilog HDL过程中遇到的一个宝贵资源,它不仅提供了知识,更重要的是教会了我如何去解决实际问题。书中关于“错误排除与调试”的章节,虽然篇幅不多,但内容却非常实用。作者通过分析一些常见的Verilog设计错误,例如逻辑死锁、时序违例、不可综合代码等,并给出相应的排查方法和调试技巧,让我受益匪浅。特别是在仿真过程中,当遇到波形不符合预期的情况时,我能够根据书中提供的思路,有针对性地去查找问题所在。 我尤其欣赏书中在讲解“可综合性”时,所提供的一些“避坑指南”。例如,在描述时序逻辑时,应该使用非阻塞赋值(`<=`),而在描述组合逻辑时,应该使用阻塞赋值(`=`)。书中详细解释了这两种赋值方式在仿真和综合时的区别,以及为什么使用不当会导致意想不到的结果。此外,书中还提醒了关于使用`forever`循环、`repeat`循环、`for`循环(在某些情况下)以及随机数生成器等在综合时的注意事项。这些宝贵的经验,能够帮助我避免在设计过程中犯下一些难以发现的错误,从而提高设计效率和可靠性。

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**深入学习的伙伴:** 这是一本我愿意反复翻阅,并在遇到疑难杂症时寻求解答的工具书。它并非那种“一目了然”的速成手册,而是需要读者投入时间和精力去理解和消化。我曾花了不少时间研究书中关于“可综合性”的章节,这对于将Verilog代码转化为实际硬件至关重要。书中通过对比“可综合”与“不可综合”的代码写法,并解释其背后的逻辑,让我深刻认识到,撰写能够有效映射到硬件逻辑的代码,与仅仅实现功能是两个层面的要求。特别是关于时钟域交叉(Clock Domain Crossing, CDC)的设计,书中提供了几种不同的处理方案,并详细分析了各自的优缺点以及潜在的风险,这对于设计大型、复杂的系统级芯片尤为重要,能够帮助我避免很多潜在的同步问题。 另一让我印象深刻的是,书中在讲解组合逻辑和时序逻辑的设计时,并没有局限于使用always块,而是穿插了assign语句的使用,并且详细解释了assign语句在描述组合逻辑中的优势,以及它与always @(*)的区别和联系。这使得我对Verilog的理解更加全面和灵活。此外,书中对于状态机的设计,从简单的Mealy和Moore状态机,到更复杂的多段状态机,都提供了清晰的建模方法,并通过实际的例子,如交通灯控制器、按键消抖等,展示了状态机在解决实际问题中的强大能力。更重要的是,书中不仅给出了实现代码,还对状态机的设计思路、状态转移图的绘制以及状态编码的优化都进行了深入的讲解,让我能够更好地掌握状态机设计的核心思想。

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**学习路径的引导者:** 《Verilog HDL程序设计实例详解》为我提供了一个清晰的学习Verilog HDL的路径。这本书的组织结构非常合理,从基础语法到高级应用,循序渐进,让我在掌握基本概念的同时,也能逐步挑战更复杂的课题。我特别喜欢书中关于“状态机”的章节,它不仅仅是罗列几种状态机的类型,更是从一个实际问题出发,引导读者如何思考、如何划分状态、如何定义状态转移,以及如何将这些抽象的概念转化为可执行的代码。例如,书中用一个交通灯控制器的例子,详细演示了如何从需求分析到状态图绘制,再到Verilog代码的编写,以及最终的仿真验证。 书中对“时序控制”的讲解也是我学习过程中的一个重要突破。在硬件设计中,时序的准确性至关重要,而Verilog HDL提供了多种方式来控制时序。这本书通过对`#`延迟、`@`事件控制和`wait`语句的详细介绍,以及它们在不同场景下的应用,让我对Verilog的时序控制有了更深入的理解。特别是对`wait`语句的讲解,让我了解到它在某些特定场景下可以用来等待某个条件的发生,从而实现更灵活的时序控制。这对于设计一些需要与外部信号同步的模块非常有帮助。

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选用的示例都是很有用的,但是设计思路和理论讲解太单薄了,感觉就是一堆代码的堆积,实用性很差

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