具體描述
《基於VHDL的CPLD/FPGA開發與應用》以Xinlinx公司和Alter公司的CPLD/FPGA開發環境為基礎，對VHDL硬件描述語言、CPLD/FPGA開發應用及相關知識做瞭係統和完整的介紹，使讀者掌握CPLD/FPGA在電路設計中的基本方法及實用技術。全書共分8章。第1章介紹EDA基本概念和CPLD/FPGA開發的基本設計方法；第2章介紹幾種PLD器件的典型結構和原理；第3章、第4‘章介紹VHDL語言的基本概念、框架和語法知識；第5章介紹典型的數字電路的VHDL參考設計；第6章介紹可編程器件的開發環境；第7章介紹片上可編程係統SOPC的設計入門；第8章以數據采集係統中控製器的設計為例，詳述瞭VHDL語言在實際工程設計中的應用。《基於VHDL的CPLD/FPGA開發與應用》可作為高等學校電氣信息類、電子信息類及其他相近專業本科生和研究生教材，也可作為有關工程技術人員的參考書。同時，也希望對於從事數據采集技術研究的技術人員能有一定的幫助。
探索數字邏輯設計的無限可能：從基礎原理到創新應用 在當今電子信息技術飛速發展的時代，數字邏輯設計作為其核心基石，扮演著至關重要的角色。從智能手機、高性能計算機到復雜的航空航天係統，無一不閃爍著數字邏輯設計的智慧之光。本書旨在帶領讀者深入淺齣地探索數字邏輯設計的世界，揭示其精妙的原理，並展示其在現代科技中的廣泛應用。我們不局限於單一的硬件平颱，而是將目光投嚮更廣闊的領域，涵蓋瞭數字係統設計的通用方法論和核心技術。 第一部分：數字邏輯設計的基礎原理 本部分將奠定堅實的理論基礎，帶領讀者循序漸進地理解數字邏輯設計的精髓。 數字信號與邏輯門： 我們將首先從最基礎的數字信號概念入手，理解二值邏輯（0和1）如何構成數字世界。隨後，我們將詳細介紹構成一切數字電路的基石——邏輯門（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR等）。通過清晰的圖示和直觀的解釋，讀者將深刻理解每個邏輯門的輸入輸齣關係，以及它們如何組閤實現基本邏輯功能。我們將通過實際的邏輯電路示例，展示這些基本門如何組閤成更復雜的邏輯單元。 布爾代數與邏輯化簡： 為瞭有效地分析和設計邏輯電路，布爾代數是不可或缺的工具。我們將係統地介紹布爾代數的基本定理和公理，例如交換律、結閤律、分配律、德摩根定理等。在此基礎上，我們將學習如何運用這些工具對復雜的邏輯錶達式進行化簡，從而優化電路的結構，減少元件數量，提高性能。我們將介紹卡諾圖（Karnaugh Map）這一強大的可視化化簡工具，並演示其在不同變量數量下的使用方法。 組閤邏輯電路設計： 組閤邏輯電路的特點是其輸齣僅取決於當前的輸入狀態，與過去的輸入無關。本部分將詳細講解如何設計和分析各類組閤邏輯電路，包括： 編碼器與譯碼器： 學習如何設計將一種編碼轉換為另一種編碼的電路，如二進製到BCD碼的轉換，以及如何根據特定編碼選擇相應的輸齣。 多路選擇器（Multiplexer）與多路分配器（Demultiplexer）： 理解多路選擇器如何根據選擇信號從多個輸入中選擇一個輸齣，以及多路分配器如何將一個輸入信號路由到多個輸齣中的一個。我們將通過實際應用場景，如信號路由和數據選擇，來闡述它們的重要性。 加法器與減法器： 深入研究半加器、全加器等基本加法單元，以及如何構建能夠執行多位二進製加法和減法的算術邏輯單元（ALU）。我們將探討不同類型的加法器，如行波進位加法器和超前進位加法器，以及它們在速度和復雜度上的權衡。 比較器： 學習如何設計比較兩個二進製數是否相等、大小的電路。 時序邏輯電路設計： 與組閤邏輯電路不同，時序邏輯電路的輸齣不僅取決於當前輸入，還與之前的輸入狀態有關，這通常通過觸發器（Flip-Flop）和寄存器（Register）來實現。本部分將深入講解： 觸發器（Flip-Flops）： 詳細介紹SR觸發器、D觸發器、JK觸發器、T觸發器等基本觸發器的工作原理，以及它們的時鍾同步和時序特性。我們將重點講解邊沿觸發和電平觸發的區彆，以及時鍾信號在時序邏輯中的作用。 寄存器（Registers）與移位寄存器（Shift Registers）： 學習如何將觸發器組閤起來形成寄存器，用於存儲一組數據。我們將深入探討不同類型的移位寄存器，如SISO, SIPO, PISO, PIPO，以及它們在數據傳輸和處理中的應用。 計數器（Counters）： 介紹同步計數器和異步計數器的設計原理，包括加計數器、減計數器、任意模計數器等。我們將通過設計一個數字鍾或一個頻率分頻器等實例，來展示計數器的強大功能。 有限狀態機（Finite State Machines - FSM）： 這是時序邏輯設計的核心。我們將詳細介紹Mealy模型和Moore模型，學習如何通過狀態圖和狀態錶來描述和設計復雜的狀態控製邏輯。我們將通過實際的例子，如交通燈控製器或簡單的序列檢測器，來闡述FSM的設計流程。 第二部分：現代數字係統設計的工具與流程 在理論基礎之上，本部分將介紹現代數字係統設計所依賴的工具和規範化的流程。 硬件描述語言（HDL）： 現代數字設計離不開硬件描述語言。我們將重點介紹兩種最主要的HDL： Verilog HDL： 作為一種功能強大且應用廣泛的HDL，我們將從基本語法、數據類型、運算符、行為級建模、數據流建模、結構級建模等方麵進行詳細講解。我們將通過編寫Verilog代碼來描述組閤邏輯和時序邏輯電路，並展示如何進行仿真驗證。 VHDL： 另一種同樣重要的HDL，我們將介紹其獨特的語法結構、實體（entity）、架構（architecture）、端口（port）、信號（signal）、變量（variable）等概念，並展示如何使用VHDL進行電路描述和仿真。雖然本書側重於設計原理，但瞭解不同HDL的優勢和適用場景對於工程師來說至關重要。 設計流程與工具鏈： 瞭解HDL代碼的編寫隻是數字設計的第一步。我們將概述一個典型的數字集成電路（IC）或可編程邏輯器件（PLD）設計流程： 需求分析與規範： 如何從項目需求齣發，製定詳細的技術規範。 HDL代碼編寫： 基於規範，使用Verilog或VHDL進行電路描述。 仿真驗證： 使用仿真工具（如ModelSim, QuestaSim等）對HDL代碼進行功能仿真，確保設計的正確性。我們將講解測試平颱（Testbench）的編寫，以及如何設置仿真波形和查找錯誤。 綜閤（Synthesis）： 將HDL代碼轉換為門級網錶（Netlist），即一係列邏輯門和觸發器的連接關係。我們將介紹綜閤工具（如Synopsys Design Compiler, Cadence Genus等）的工作原理和常用選項。 布局布綫（Place and Route）： 將門級網錶映射到目標硬件（如FPGA芯片或ASIC工藝）的具體物理實現。我們將介紹布局布綫工具（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime等）的功能，以及如何優化布局布綫以滿足時序和麵積要求。 時序分析（Timing Analysis）： 驗證設計在目標頻率下的時序是否滿足要求，包括建立時間（Setup Time）和保持時間（Hold Time）等關鍵參數。 物理驗證（Physical Verification）： 對於ASIC設計，還需要進行DRC（Design Rule Check）和LVS（Layout Versus Schematic）等物理驗證，確保芯片製造的閤法性。 EDA工具的使用與實踐： 我們將介紹一些常用的EDA（Electronic Design Automation）工具，並提供簡化的使用示例，幫助讀者將理論知識付諸實踐。例如，我們將演示如何在FPGA開發套件上實現一個簡單的計數器或狀態機。 第三部分：數字邏輯設計的進階主題與應用 在掌握瞭基礎和工具後，本部分將探討一些更高級的設計概念，以及數字邏輯設計在各個領域的實際應用。 亞穩態（Metastability）及其避免： 在多時鍾域係統設計中，亞穩態是一個必須解決的關鍵問題。我們將深入剖析亞穩態産生的原因，並介紹同步器（Synchronizer）等常用的避免亞穩態的電路結構和設計技巧。 異步電路設計基礎： 雖然大部分數字設計是同步的，但異步電路在某些特殊應用中具有優勢。我們將介紹異步電路的基本概念，以及其在降低功耗和提高速度方麵的潛力，同時也會提及異步設計的挑戰。 低功耗設計技術： 隨著電子設備對續航能力的要求越來越高，低功耗設計成為數字係統設計的重點。我們將介紹一些常見的低功耗設計技術，如時鍾門控（Clock Gating）、電源門控（Power Gating）、動態電壓頻率調整（DVFS）等。 可靠性與可測試性設計（DFT）： 如何確保數字電路的可靠運行，以及如何方便地對電路進行測試，是設計中不可忽視的環節。我們將介紹掃描鏈（Scan Chain）等DFT技術，以及它們在提高測試覆蓋率方麵的作用。 特定應用領域的數字邏輯設計： 數字信號處理（DSP）在FPGA上的實現： 介紹如何利用FPGA強大的並行處理能力來實現各種DSP算法，如濾波器、FFT（快速傅裏葉變換）等，並探討其在通信、音頻視頻處理等領域的應用。 嵌入式係統中的數字邏輯設計： 探討數字邏輯在微控製器、SoC（System on Chip）等嵌入式係統中的作用，例如控製單元、數據通路的設計等。 通信係統中的數字邏輯： 講解數字邏輯在調製解調、信道編碼、協議處理等通信環節中的應用，例如在網絡接口、基帶處理器中的設計。 圖像與視頻處理中的數字邏輯： 介紹如何利用數字邏輯設計實現圖像增強、特徵提取、視頻編解碼等功能。 本書特色： 理論與實踐相結閤： 本書不僅講解理論知識，還提供瞭大量的實例和代碼示例，幫助讀者理解抽象概念。 循序漸進的學習路徑： 從基礎的邏輯門到復雜的係統設計，本書的章節安排由淺入深，適閤不同階段的學習者。 清晰易懂的講解風格： 采用直觀的圖示和生動的語言，力求使復雜的數字邏輯概念變得易於理解。 麵嚮未來的視野： 關注行業發展趨勢，介紹先進的設計技術和應用方嚮，為讀者未來的學習和工作打下基礎。 本書適用於高等院校電子工程、計算機科學、自動化等相關專業的本科生、研究生，以及從事相關領域研發工作的工程師。無論您是初學者，還是希望深入瞭解數字邏輯設計原理和應用的專業人士，本書都將是您寶貴的參考資料。通過本書的學習，您將能夠自信地駕馭數字邏輯設計的強大力量，為創造更智能、更高效的電子産品貢獻力量。
作者簡介
目錄資訊
第1章 概述 1.1 EDA技術的發展概況 1.2 EDA技術的基本內容 1.3 可編程邏輯器件 1.4 軟件開發工具 1.5 硬件描述語言概述 1.6 基於EDA軟件的CPLD/FPGA設計流程 1.7 IP核第2章 可編程邏輯器件 2.1 概述 2.2 簡單可編程器件 2.2.1 PLD的基本結構 2.2.2 PLD的錶示方法 2.2.3 PROM 2.2.4 PLA 2.2.5 PAL 2.2.6 GAL 2.3 CPLD 2.3.1 CPLD的基本結構與工作原理 2.3.2 常用的CPLD器件 2.4 FPGA 2.4.1 查找錶 2.4.2 FPGA的基本結構和工作原理 2.4.3 常用的FPGA器件 2.5 CPLD與FPGA的比較第3章 硬件描述語言VHDL的基本框架介紹 3.1 概述 3.1.1 硬件描述語言的簡介 3.1.2 VHDL與高級語言的聯係與區彆 3.2 VHDL的基本結構 3.2.1 實體說明 3.2.2 結構體(構造體) 3.2.3 庫、程序包及配置 3.3 VHDL語言要素 3.3.1 數據對象 3.3.2 數據類型 3.3.3 基本運算符 3.3.4 屬性 3.4 VHDL語言的結構體描述方式 3.4.1 行為描述方式 3.4.2 數據流描述方式 3.4.3 結構化描述方式第4章 VI-IDL典型語句 4.1 VHDL順序語句 4.1.1 賦值語句 4.1.2 條件控製語句 4.1.3 循環語句 4.1.4 其他順序語句 4.2 VHDL並行語句 4.2.1 進程語句 4.2.2 並行信號賦值語句 4.2.3 元件說明與元件例化語句 4.2.4 生成語句 4.2.5 塊語句 4.3 子程序 4.3.1 函數 4.3.2 過程 4.4 程序包、配置 4.4.1 程序包 4.4.2 配置第5章 常用數字邏輯電路與VI-IDL描述方法 5.1 組閤邏輯電路的設計 5.1.1 加法器 5.1.2 編碼器、譯碼器 5.1.3 多路選擇器、多路分配器 5.1.4 三態門及數據緩衝器 5.2 時序邏輯電路 5.2.1 時鍾信號與進程 5.2.2 觸發器的描述與置位、復位方式 5.2.3 寄存器 5.2.4 計數器 5.3 有限狀態機的設計 5.3.1 狀態轉換圖與有限狀態機 5.3.2 Moore型的有限狀態機設計 5.3.3 Mealy型的有限狀態機設計 5.4 存儲器的設計 5.4.1 隻讀存儲器 5.4.2 隨機存儲器 5.4.3 FIFO(先進先齣堆棧) 5.5 仿真方法 5.5.1 測試平颱的概念 5.5.2 測試平颱的編寫 5.6 毛刺及其消除 5.6.1 毛刺及其産生的原因 5.6.2 毛刺的消除 5.7 CAN總綫控製器 5.7.1 CAN總綫協議 5.7.2 CAN通信控製器的基本框架 5.7.3 CAN通信控製器的具體實現第6章 可編程器件的開發環境 6.1 QuartusⅡ使用入門 6.1.1 QuartusⅡ軟件的用戶界麵 6.1.2 QuartusⅡ軟件的開發流程 6.2 XilinxISE使用入門 6.2.1 XilinxISE軟件的用戶界麵 6.2.2 XilinxISE軟件的開發流程第7章 SOPC設計入門 7.1 SOPC的基本概念 7.1.1 SOPC及其技術 7.1.2 NiosⅡ軟核SOPC係統及組件 7.2 SOPC的硬件開發環境及硬件開發 7.2.1 SOPCBuilder簡介 7.2.2 SOPC的硬件開發 7.3 SOPC的軟件開發環境及軟件開發 7.3.1 NiosⅡIDE軟件開發環境 7.3.2 NiosⅡ外設及其編程實例 7.4 自定義外設的開發 7.4.1 自定義外設的VHDL描述 7.4.2 封裝為SOPCBuilder組件 7.4.3 在Nios係統中添加組件 7.4.4 自定義外設的應用第8章 數據采集中的控製器設計 8.1 數據采集的基礎知識 8.1.1 采集速度與電路結構的關係 8.1.2 A/D分辨率和數據輸齣格式 8.1.3 信號采樣周期 8.1.4 信號處理方式 8.1.5 多通道數據采集 8.1.6 觸發方式 8.1.7 負延遲觸發 8.1.8 常見的數據采集係統的組織結構 8.2 典型數據采集係統中的控製電路設計 8.2.1 低速多路數據采集係統中控製電路設計 8.2.2 帶FIFO緩衝存儲的多通道數據采集控製電路設計 8.2.3 流式信號實時處理算法的寄存器組與A/D轉換控製電路設計 8.2.4 存儲式數據采集係統中負延遲觸發的控製電路設計參考文獻
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