具体描述
《基于VHDL的CPLD/FPGA开发与应用》以Xinlinx公司和Alter公司的CPLD/FPGA开发环境为基础，对VHDL硬件描述语言、CPLD/FPGA开发应用及相关知识做了系统和完整的介绍，使读者掌握CPLD/FPGA在电路设计中的基本方法及实用技术。全书共分8章。第1章介绍EDA基本概念和CPLD/FPGA开发的基本设计方法；第2章介绍几种PLD器件的典型结构和原理；第3章、第4‘章介绍VHDL语言的基本概念、框架和语法知识；第5章介绍典型的数字电路的VHDL参考设计；第6章介绍可编程器件的开发环境；第7章介绍片上可编程系统SOPC的设计入门；第8章以数据采集系统中控制器的设计为例，详述了VHDL语言在实际工程设计中的应用。《基于VHDL的CPLD/FPGA开发与应用》可作为高等学校电气信息类、电子信息类及其他相近专业本科生和研究生教材，也可作为有关工程技术人员的参考书。同时，也希望对于从事数据采集技术研究的技术人员能有一定的帮助。
探索数字逻辑设计的无限可能：从基础原理到创新应用 在当今电子信息技术飞速发展的时代，数字逻辑设计作为其核心基石，扮演着至关重要的角色。从智能手机、高性能计算机到复杂的航空航天系统，无一不闪烁着数字逻辑设计的智慧之光。本书旨在带领读者深入浅出地探索数字逻辑设计的世界，揭示其精妙的原理，并展示其在现代科技中的广泛应用。我们不局限于单一的硬件平台，而是将目光投向更广阔的领域，涵盖了数字系统设计的通用方法论和核心技术。 第一部分：数字逻辑设计的基础原理 本部分将奠定坚实的理论基础，带领读者循序渐进地理解数字逻辑设计的精髓。 数字信号与逻辑门： 我们将首先从最基础的数字信号概念入手，理解二值逻辑（0和1）如何构成数字世界。随后，我们将详细介绍构成一切数字电路的基石——逻辑门（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR等）。通过清晰的图示和直观的解释，读者将深刻理解每个逻辑门的输入输出关系，以及它们如何组合实现基本逻辑功能。我们将通过实际的逻辑电路示例，展示这些基本门如何组合成更复杂的逻辑单元。 布尔代数与逻辑化简： 为了有效地分析和设计逻辑电路，布尔代数是不可或缺的工具。我们将系统地介绍布尔代数的基本定理和公理，例如交换律、结合律、分配律、德摩根定理等。在此基础上，我们将学习如何运用这些工具对复杂的逻辑表达式进行化简，从而优化电路的结构，减少元件数量，提高性能。我们将介绍卡诺图（Karnaugh Map）这一强大的可视化化简工具，并演示其在不同变量数量下的使用方法。 组合逻辑电路设计： 组合逻辑电路的特点是其输出仅取决于当前的输入状态，与过去的输入无关。本部分将详细讲解如何设计和分析各类组合逻辑电路，包括： 编码器与译码器： 学习如何设计将一种编码转换为另一种编码的电路，如二进制到BCD码的转换，以及如何根据特定编码选择相应的输出。 多路选择器（Multiplexer）与多路分配器（Demultiplexer）： 理解多路选择器如何根据选择信号从多个输入中选择一个输出，以及多路分配器如何将一个输入信号路由到多个输出中的一个。我们将通过实际应用场景，如信号路由和数据选择，来阐述它们的重要性。 加法器与减法器： 深入研究半加器、全加器等基本加法单元，以及如何构建能够执行多位二进制加法和减法的算术逻辑单元（ALU）。我们将探讨不同类型的加法器，如行波进位加法器和超前进位加法器，以及它们在速度和复杂度上的权衡。 比较器： 学习如何设计比较两个二进制数是否相等、大小的电路。 时序逻辑电路设计： 与组合逻辑电路不同，时序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入，还与之前的输入状态有关，这通常通过触发器（Flip-Flop）和寄存器（Register）来实现。本部分将深入讲解： 触发器（Flip-Flops）： 详细介绍SR触发器、D触发器、JK触发器、T触发器等基本触发器的工作原理，以及它们的时钟同步和时序特性。我们将重点讲解边沿触发和电平触发的区别，以及时钟信号在时序逻辑中的作用。 寄存器（Registers）与移位寄存器（Shift Registers）： 学习如何将触发器组合起来形成寄存器，用于存储一组数据。我们将深入探讨不同类型的移位寄存器，如SISO, SIPO, PISO, PIPO，以及它们在数据传输和处理中的应用。 计数器（Counters）： 介绍同步计数器和异步计数器的设计原理，包括加计数器、减计数器、任意模计数器等。我们将通过设计一个数字钟或一个频率分频器等实例，来展示计数器的强大功能。 有限状态机（Finite State Machines - FSM）： 这是时序逻辑设计的核心。我们将详细介绍Mealy模型和Moore模型，学习如何通过状态图和状态表来描述和设计复杂的状态控制逻辑。我们将通过实际的例子，如交通灯控制器或简单的序列检测器，来阐述FSM的设计流程。 第二部分：现代数字系统设计的工具与流程 在理论基础之上，本部分将介绍现代数字系统设计所依赖的工具和规范化的流程。 硬件描述语言（HDL）： 现代数字设计离不开硬件描述语言。我们将重点介绍两种最主要的HDL： Verilog HDL： 作为一种功能强大且应用广泛的HDL，我们将从基本语法、数据类型、运算符、行为级建模、数据流建模、结构级建模等方面进行详细讲解。我们将通过编写Verilog代码来描述组合逻辑和时序逻辑电路，并展示如何进行仿真验证。 VHDL： 另一种同样重要的HDL，我们将介绍其独特的语法结构、实体（entity）、架构（architecture）、端口（port）、信号（signal）、变量（variable）等概念，并展示如何使用VHDL进行电路描述和仿真。虽然本书侧重于设计原理，但了解不同HDL的优势和适用场景对于工程师来说至关重要。 设计流程与工具链： 了解HDL代码的编写只是数字设计的第一步。我们将概述一个典型的数字集成电路（IC）或可编程逻辑器件（PLD）设计流程： 需求分析与规范： 如何从项目需求出发，制定详细的技术规范。 HDL代码编写： 基于规范，使用Verilog或VHDL进行电路描述。 仿真验证： 使用仿真工具（如ModelSim, QuestaSim等）对HDL代码进行功能仿真，确保设计的正确性。我们将讲解测试平台（Testbench）的编写，以及如何设置仿真波形和查找错误。 综合（Synthesis）： 将HDL代码转换为门级网表（Netlist），即一系列逻辑门和触发器的连接关系。我们将介绍综合工具（如Synopsys Design Compiler, Cadence Genus等）的工作原理和常用选项。 布局布线（Place and Route）： 将门级网表映射到目标硬件（如FPGA芯片或ASIC工艺）的具体物理实现。我们将介绍布局布线工具（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime等）的功能，以及如何优化布局布线以满足时序和面积要求。 时序分析（Timing Analysis）： 验证设计在目标频率下的时序是否满足要求，包括建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）等关键参数。 物理验证（Physical Verification）： 对于ASIC设计，还需要进行DRC（Design Rule Check）和LVS（Layout Versus Schematic）等物理验证，确保芯片制造的合法性。 EDA工具的使用与实践： 我们将介绍一些常用的EDA（Electronic Design Automation）工具，并提供简化的使用示例，帮助读者将理论知识付诸实践。例如，我们将演示如何在FPGA开发套件上实现一个简单的计数器或状态机。 第三部分：数字逻辑设计的进阶主题与应用 在掌握了基础和工具后，本部分将探讨一些更高级的设计概念，以及数字逻辑设计在各个领域的实际应用。 亚稳态（Metastability）及其避免： 在多时钟域系统设计中，亚稳态是一个必须解决的关键问题。我们将深入剖析亚稳态产生的原因，并介绍同步器（Synchronizer）等常用的避免亚稳态的电路结构和设计技巧。 异步电路设计基础： 虽然大部分数字设计是同步的，但异步电路在某些特殊应用中具有优势。我们将介绍异步电路的基本概念，以及其在降低功耗和提高速度方面的潜力，同时也会提及异步设计的挑战。 低功耗设计技术： 随着电子设备对续航能力的要求越来越高，低功耗设计成为数字系统设计的重点。我们将介绍一些常见的低功耗设计技术，如时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）、动态电压频率调整（DVFS）等。 可靠性与可测试性设计（DFT）： 如何确保数字电路的可靠运行，以及如何方便地对电路进行测试，是设计中不可忽视的环节。我们将介绍扫描链（Scan Chain）等DFT技术，以及它们在提高测试覆盖率方面的作用。 特定应用领域的数字逻辑设计： 数字信号处理（DSP）在FPGA上的实现： 介绍如何利用FPGA强大的并行处理能力来实现各种DSP算法，如滤波器、FFT（快速傅里叶变换）等，并探讨其在通信、音频视频处理等领域的应用。 嵌入式系统中的数字逻辑设计： 探讨数字逻辑在微控制器、SoC（System on Chip）等嵌入式系统中的作用，例如控制单元、数据通路的设计等。 通信系统中的数字逻辑： 讲解数字逻辑在调制解调、信道编码、协议处理等通信环节中的应用，例如在网络接口、基带处理器中的设计。 图像与视频处理中的数字逻辑： 介绍如何利用数字逻辑设计实现图像增强、特征提取、视频编解码等功能。 本书特色： 理论与实践相结合： 本书不仅讲解理论知识，还提供了大量的实例和代码示例，帮助读者理解抽象概念。 循序渐进的学习路径： 从基础的逻辑门到复杂的系统设计，本书的章节安排由浅入深，适合不同阶段的学习者。 清晰易懂的讲解风格： 采用直观的图示和生动的语言，力求使复杂的数字逻辑概念变得易于理解。 面向未来的视野： 关注行业发展趋势，介绍先进的设计技术和应用方向，为读者未来的学习和工作打下基础。 本书适用于高等院校电子工程、计算机科学、自动化等相关专业的本科生、研究生，以及从事相关领域研发工作的工程师。无论您是初学者，还是希望深入了解数字逻辑设计原理和应用的专业人士，本书都将是您宝贵的参考资料。通过本书的学习，您将能够自信地驾驭数字逻辑设计的强大力量，为创造更智能、更高效的电子产品贡献力量。
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目录信息
第1章 概述 1.1 EDA技术的发展概况 1.2 EDA技术的基本内容 1.3 可编程逻辑器件 1.4 软件开发工具 1.5 硬件描述语言概述 1.6 基于EDA软件的CPLD/FPGA设计流程 1.7 IP核第2章 可编程逻辑器件 2.1 概述 2.2 简单可编程器件 2.2.1 PLD的基本结构 2.2.2 PLD的表示方法 2.2.3 PROM 2.2.4 PLA 2.2.5 PAL 2.2.6 GAL 2.3 CPLD 2.3.1 CPLD的基本结构与工作原理 2.3.2 常用的CPLD器件 2.4 FPGA 2.4.1 查找表 2.4.2 FPGA的基本结构和工作原理 2.4.3 常用的FPGA器件 2.5 CPLD与FPGA的比较第3章 硬件描述语言VHDL的基本框架介绍 3.1 概述 3.1.1 硬件描述语言的简介 3.1.2 VHDL与高级语言的联系与区别 3.2 VHDL的基本结构 3.2.1 实体说明 3.2.2 结构体(构造体) 3.2.3 库、程序包及配置 3.3 VHDL语言要素 3.3.1 数据对象 3.3.2 数据类型 3.3.3 基本运算符 3.3.4 属性 3.4 VHDL语言的结构体描述方式 3.4.1 行为描述方式 3.4.2 数据流描述方式 3.4.3 结构化描述方式第4章 VI-IDL典型语句 4.1 VHDL顺序语句 4.1.1 赋值语句 4.1.2 条件控制语句 4.1.3 循环语句 4.1.4 其他顺序语句 4.2 VHDL并行语句 4.2.1 进程语句 4.2.2 并行信号赋值语句 4.2.3 元件说明与元件例化语句 4.2.4 生成语句 4.2.5 块语句 4.3 子程序 4.3.1 函数 4.3.2 过程 4.4 程序包、配置 4.4.1 程序包 4.4.2 配置第5章 常用数字逻辑电路与VI-IDL描述方法 5.1 组合逻辑电路的设计 5.1.1 加法器 5.1.2 编码器、译码器 5.1.3 多路选择器、多路分配器 5.1.4 三态门及数据缓冲器 5.2 时序逻辑电路 5.2.1 时钟信号与进程 5.2.2 触发器的描述与置位、复位方式 5.2.3 寄存器 5.2.4 计数器 5.3 有限状态机的设计 5.3.1 状态转换图与有限状态机 5.3.2 Moore型的有限状态机设计 5.3.3 Mealy型的有限状态机设计 5.4 存储器的设计 5.4.1 只读存储器 5.4.2 随机存储器 5.4.3 FIFO(先进先出堆栈) 5.5 仿真方法 5.5.1 测试平台的概念 5.5.2 测试平台的编写 5.6 毛刺及其消除 5.6.1 毛刺及其产生的原因 5.6.2 毛刺的消除 5.7 CAN总线控制器 5.7.1 CAN总线协议 5.7.2 CAN通信控制器的基本框架 5.7.3 CAN通信控制器的具体实现第6章 可编程器件的开发环境 6.1 QuartusⅡ使用入门 6.1.1 QuartusⅡ软件的用户界面 6.1.2 QuartusⅡ软件的开发流程 6.2 XilinxISE使用入门 6.2.1 XilinxISE软件的用户界面 6.2.2 XilinxISE软件的开发流程第7章 SOPC设计入门 7.1 SOPC的基本概念 7.1.1 SOPC及其技术 7.1.2 NiosⅡ软核SOPC系统及组件 7.2 SOPC的硬件开发环境及硬件开发 7.2.1 SOPCBuilder简介 7.2.2 SOPC的硬件开发 7.3 SOPC的软件开发环境及软件开发 7.3.1 NiosⅡIDE软件开发环境 7.3.2 NiosⅡ外设及其编程实例 7.4 自定义外设的开发 7.4.1 自定义外设的VHDL描述 7.4.2 封装为SOPCBuilder组件 7.4.3 在Nios系统中添加组件 7.4.4 自定义外设的应用第8章 数据采集中的控制器设计 8.1 数据采集的基础知识 8.1.1 采集速度与电路结构的关系 8.1.2 A/D分辨率和数据输出格式 8.1.3 信号采样周期 8.1.4 信号处理方式 8.1.5 多通道数据采集 8.1.6 触发方式 8.1.7 负延迟触发 8.1.8 常见的数据采集系统的组织结构 8.2 典型数据采集系统中的控制电路设计 8.2.1 低速多路数据采集系统中控制电路设计 8.2.2 带FIFO缓冲存储的多通道数据采集控制电路设计 8.2.3 流式信号实时处理算法的寄存器组与A/D转换控制电路设计 8.2.4 存储式数据采集系统中负延迟触发的控制电路设计参考文献
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