内容简介
《EDA技术及实例开发教程(VHDL&VERILOG版)》具有如下3个特点:
1.注重实践与实用。在各章中都安排了适量习题。绝大部分章节都安排了针对性较强的实验,使学生对每一章的课堂的教学效果能及时通过实验得以强化。各章设置的大部分实验除给出详细的实验目的、实验原理、实验思考题和实验报告要求外,还包含2至4个实验项目(层次),即:di一实验项目(层次)是与该章内容相关的验证性实验,课本提供了详细的并被验证的设计程序和实验方法,学生只需将提供的设计程序输入计算机,并按要求进行编译仿真,在实验系统上实现即可;第二实验项目(层次)是在上一实验基础上作进一步的发挥;第三、四实验项目(层次)属于自主设计或创新性质的实验。教师可以根据实验学时数和教学实验的要求布置不同层次的实验项目。
2.注重速成。一般认为EDA技术难点和学习费时的根源在于VHDL和VerilogHDL语言。对此,全书作了有针对性的安排:根据电子类专业的特点,放弃流行的计算机语言的教学模式,打破目前VHDL&Verilog;教材通用的编排形式,以电子线路设计为基点,从实例的介绍中引出VHDL语句语法内容。在典型示例的说明方面,《EDA技术及实例开发教程(VHDL&VERILOG版)》也颇具独到之处:示例说明中,除给出完整并被验证过的VHDL&Verilog;描述外,还给出其综合后的RTL电路图,以及表现该电路系统功能的时序波形图;对于容易出现的设计错误或理解歧义的示例,将给出正误示例的比较和详细说明。通过一些简单、直观、典型的实例,将VHDL&Verilog;中*核心、*基本的内容解释清楚,使读者在很短的时间内就能有效地把握VHDL&Verilog;的主干内容,而不必花费大量的时间去系统地学习语法。
3.注重系统性、完整性与独立性相结合。全书力争在不增加课时的情况下保持内容的系统性和完整性,使读者通过《EDA技术及实例开发教程(VHDL&VERILOG版)》的学习和推荐的实验,初步掌握EDA技术*基本的内容。
内页插图
目录
第1章 绪论
1.1 EDA技术的概念及应用范畴
1.2 EDA技术的发展史
1.3 EDA设计流程
1.4 EDA技术的主要内容及主要的EDA厂商
1.4.1 EDA技术的主要内容
1.4.2 主要的EDA厂商
1.5 常用的EDA工具
1.6 EDA技术的发展趋势
1.6.1 可编程器件的发展趋势
1.6.2 软件开发工具的发展趋势
1.6.3 输入方式的发展趋势
1.7 EDA技术的应用
1.7.1 EDA技术的应用形式
1.7.2 EDA技术的应用场合
本章小结
习题
第2章 VHDL硬件描述语言
2.1 VHDL概述
2.1.1 常用硬件描述语言简介
2.1.2 VHDL及其优点
2.1.3 VHDL程序设计约定
2.2 VHDL简单程序设计举例
2.3 VHDL程序基本结构
2.3.1 实体
2.3.2 结构体
2.3.3 库
2.3.4 程序包
2.3.5 配置
2.4 VHDL语言要素
2.4.1 文字规则
2.4.2 数据对象
2.4.3 数据类型
2.4.4 运算操作符
2.4.5 描述风格
2.5 VHDL顺序语句
2.5.1 赋值语句
2.5.2 转向控制语句
2.5.3 等待语句
2.5.4 子程序及其调用
2.5.5 返回语句
2.5.6 空操作语句
2.5.7 其他语句
2.6 VHDL并行语句
2.6.1 进程语句
2.6.2 块语句
2.6.3 并行信号赋值语句
2.6.4 并行过程调用语句
2.6.5 元件例化语句
2.6.6 生成语句
2.6.7 类属映射语句
本章小结
习题
第3章 Verilog硬件描述语言
3.1 VerilogHDL简介
3.1.1 什么是VerilogHDL
3.1.2 VerilogHDL历史发展
3.1.3 VerilogHDL主要功能
3.2 VerilogHDL指南
3.2.1 模块
3.2.2 时延
3.2.3 数据流描述方式
3.2.4 行为描述方式
3.2.5 结构化描述形式
3.2.6 混合设计描述方式
3.2.7 设计模拟
3.3 VerilogHDL语言要素
3.3.1 标识符
3.3.2 注释
……
第4章 CPLD与FPGA结构及应用
第5章 EDA工具软件的使用及设计流程
第6章 基本电路的VHDL实现
第7章 EDA实验开发系统
第8章 EDA技术实验
第9章 基于VHDL课程设计实例
第10章 经典实例开发举例
参考文献
前言/序言
EDA技术在电子信息、通信、自控及计算机应用等领域的重要性日益突出,技术市场与人才市场对EDA的需求在不断提高,产品的市场效率和技术要求也必然会反映到教学和科研领域中来。专用集成电路(ASIC)的规模不断扩大,EDA技术日臻完善。信息电子类高新技术项目的开发更加依赖于EDA技术,该技术使产品的开发周期大为缩短、性能价格比大幅提高。各类可编程逻辑器件(如目前广泛采用的CPLD/FPGA器件)应运而生,为电子系统的设计带来极大的灵活性,从而将复杂的硬件设计过程转化为在特定的软件平台上通过软件设计来完成。在此软件平台上不仅完成了逻辑综合,还能进行优化、仿真和测试。这一切极大地改变了传统的电子系统设计方法与设计过程,乃至设计理念。即使在ASIC器件设计过程中,利用EDA技术完成软件仿真之后,在批量生产之前,也经常利用FPGA进行“硬件仿真”。
本书由软件篇、硬件篇和应用篇三篇组成。硬件篇结合世界上主流公司Altera公司、Xil-inx公司、Lattice公司的PLD产品,介绍可编程器件的基本概念、基本原理和结构,同时阐述了新近推出的逻辑器件。软件篇按Altera公司MAX+plusⅡ和QuanusⅡ的主要功能,对编程操作方法及其使用由浅入深地进行讲解。本书的重点是应用篇,运用前面介绍的软硬件基本知识来剖析各类数字系统的设计与实现方法和技巧。因此,本书可帮助学生自主地进行实验,对高校EDA课程的更新有一定的参考价值。
基于以上认识,编者对本书各章节作了相应的安排。EDA技术的硬件资源篇由第1章和第4章组成:第1章介绍EDA技术的发展、基本设计工具和设计流程,第4章介绍可编程逻辑器件的基本概念和基本原理,可编程逻辑器件的结构组成、工作原理,使读者在了解可编程逻辑器件基本原理的基础上,可以进一步学习实际可编程逻辑器件(如世界上相关主流公司Altera公司、Xilinx公司、Lattice公司的可编程逻辑器件)的结构组成、特点及其性能指标,同时对新近推出的可编程逻辑器件进行阐述。EDA技术的软件操作篇由第2、3、5章组成。书中重点介绍了FPGA/CPLD的开发流程及工具中各功能模块的功能,使读者更容易掌握学习工具的使用方法。开发操作环境主要介绍Altera公司QuartusⅡ5.0的主要功能,对操作编程方法及其应用由浅入深地进行讲解。由于硬件描述语言越来越受到从事硬件设计,特别是从事数字系统设计人员的关注,书中详细介绍了国际标准化硬件描述语言-VHDL&VerilogHDL;及其应用实例,作者对每个应用实例都作了仿真和综合,确保程序的准确无误。本书具有如下3个特点:
1.注重实践与实用。在各章中都安排了适量习题。绝大部分章节都安排了针对性较强的实验,使学生对每一章的课堂的教学效果能及时通过实验得以强化。各章设置的大部分实验除给出详细的实验目的、实验原理、实验思考题和实验报告要求外,还包含2至4个实验项目(层次),即:第一实验项目(层次)是与该章内容相关的验证性实验,课本提供了详细的并被验证的设计程序和实验方法,学生只需将提供的设计程序输入计算机,并按要求进行编译仿真,在实验系统上实现即可;第二实验项目(层次)是在上一实验基础上作进一步的发挥;第三、四实验项目(层次)属于自主设计或创新性质的实验。教师可以根据实验学时数和教学实验的要求布置不同层次的实验项目。
2.注重速成。一般认为EDA技术难点和学习费时的根源在于VHDL和VerilogHDL语言。对此,全书作了有针对性的安排:根据电子类专业的特点,放弃流行的计算机语言的教学模式,打破目前VHDL&Verilog;教材通用的编排形式,以电子线路设计为基点,从实例的介绍中引出VHDL语句语法内容。在典型示例的说明方面,本书也颇具独到之处:示例说明中,除给出完整并被验证过的VHDL&Verilog;描述外,还给出其综合后的RTL电路图,以及表现该电路系统功能的时序波形图;对于容易出现的设计错误或理解歧义的示例,将给出正误示例的比较和详细说明。通过一些简单、直观、典型的实例,将VHDL&Verilog;中最核心、最基本的内容解释清楚,使读者在很短的时间内就能有效地把握VHDL&Verilog;的主干内容,而不必花费大量的时间去系统地学习语法。
3.注重系统性、完整性与独立性相结合。全书力争在不增加课时的情况下保持内容的系统性和完整性,使读者通过本书的学习和推荐的实验,初步掌握EDA技术最基本的内容。
本书由陈炳权、曾庆立任主编,杨永东、彭琛、贺科学任副主编。本书在编写过程中,湖南大学刘宏立教授给予了大力支持,在此表示衷心的感谢!
现代电子设计技术是发展的,相应的教学内容和教学方法也应不断改进,其中一定有许多问题值得深入探讨,也包括以上提出的有关EDA教学的一家之言。编者真诚地欢迎读者对书中的错误与有失偏颇之处给予批评指正。
《现代数字系统设计:从理论到实践》 内容简介: 本书旨在为读者提供一套全面而深入的现代数字系统设计方法论,覆盖从基础理论到实际应用的全过程。我们关注的是如何构建高效、可靠且满足复杂需求的数字电路,而不仅仅是语法层面的语言介绍。本书将带领您系统地学习数字逻辑设计、硬件描述语言(HDL)的先进应用以及实际工程开发中的关键技术和最佳实践。 第一部分:数字系统设计基础与理论 在数字系统设计的世界里,扎实的基础是构建复杂系统的基石。本部分将从最基本的数字逻辑门开始,逐步深入到组合逻辑和时序逻辑的设计原理。我们将详细阐述逻辑函数的化简方法,包括卡诺图和奎因-麦克拉斯基方法,以及它们在最小化硬件资源方面的作用。 时序逻辑是数字系统设计的核心,它涉及到状态的存储和随时间的变化。我们将深入探讨触发器(D触发器、JK触发器、T触发器)的工作原理,以及如何利用它们构建寄存器、计数器、移位寄存器等基本时序电路模块。这些模块是构建更复杂数字系统的基本单元。 除了基本逻辑,本书还将介绍有限状态机(FSM)的设计。我们将详细讲解Mealy型和Moore型FSM的区别,以及如何通过状态图、状态表和逻辑方程来描述和实现FSM。FSM在控制单元、序列发生器、通信协议等领域有着广泛的应用。 更重要的是,我们将讨论同步设计的重要性,包括时钟域、时钟周期、时钟抖动、时钟偏斜等概念,以及如何设计一个健壮的时钟分配网络。同步设计是保证数字系统可靠运行的关键,能够避免出现竞争冒险和状态丢失等问题。 此外,我们还将探讨异步逻辑设计的原理和挑战,虽然同步设计在大多数现代FPGA和ASIC设计中是主流,但理解异步设计的概念有助于我们更深入地理解数字电路的工作机制,并在特定场景下进行优化。 第二部分:硬件描述语言(HDL)的高级应用与实践 硬件描述语言是现代数字系统设计的核心工具,它允许工程师以抽象的方式描述硬件结构和行为。本书将超越基础的语法教学,重点在于如何运用HDL来高效、清晰地建模复杂的数字逻辑,并指导读者掌握HDL在实际设计中的高级技巧。 我们将在一个统一的框架下,深入探讨两种主流的HDL。本书不会将重点放在这两种语言的语法差异上,而是关注它们在功能建模、时序约束、综合优化以及仿真验证方面的通用原则和最佳实践。 建模与抽象: 我们将详细介绍如何使用HDL来描述组合逻辑(如加法器、多路选择器、译码器)和时序逻辑(如寄存器、计数器、FSM)。重点在于如何选择合适的抽象层次,从行为级(behavioral)、寄存器传输级(RTL)到结构级(structural),以适应不同的设计阶段和目标。我们将强调代码的可读性、可维护性和可重用性,教授如何编写模块化、参数化的HDL代码,方便复用和修改。 综合优化: 理解HDL代码如何被综合工具转化为门级网表是至关重要的。我们将探讨哪些HDL结构更利于综合,哪些可能导致综合困难或产生低效电路。本书将提供实用的指导,帮助读者编写易于综合的代码,并理解综合工具的工作原理,例如如何处理逻辑冗余、如何进行逻辑优化(如逻辑门合并、布尔代数化简)以及如何根据目标技术库(如FPGA的LUT、DSP块,或ASIC的标准单元)进行映射。 时序约束与分析: 在数字设计中,性能是关键。我们将详细介绍如何在HDL代码或外部约束文件中定义时序约束,例如时钟周期、输入输出延迟、建立时间和保持时间要求。读者将学会如何利用仿真工具和静态时序分析(STA)工具来验证设计是否满足时序要求,并掌握分析时序报告、定位时序瓶颈以及进行时序优化的技巧,包括修改RTL代码、调整综合选项或进行布局布线层面的优化。 高级建模技巧: 除了基本的逻辑建模,本书还将介绍一些高级的HDL建模技术,例如: 参数化设计: 如何使用参数化来创建可配置的通用模块,如可变位宽的加法器、可配置的FIFO等。 流水线技术: 如何在HDL中实现流水线来提高吞吐量,以及如何处理流水线中的气泡和控制信号。 接口协议建模: 如何使用HDL来描述和实现常见的通信接口协议,例如AXI、AHB等,以及如何进行端口映射和总线握手。 生成式HDL: 介绍如何使用宏、模板等技术来自动生成重复的代码,提高开发效率。 低功耗设计技术: 探讨在HDL层面实现低功耗设计的策略,例如时钟门控、电源门控等。 第三部分:实际工程开发流程与工具链 理论知识和语言技能的掌握是第一步,但将设计转化为实际可运行的硬件则需要一套完整的工程流程和强大的工具链支持。本部分将带领读者深入了解现代数字系统设计的整个生命周期,并介绍贯穿其中的关键工具和技术。 设计流程概览: 我们将详细介绍一个典型的数字系统设计流程,从需求分析、规格定义、架构设计,到HDL编码、仿真验证、综合、实现(布局布线),最后到下载到目标硬件进行硬件验证。我们将强调每个阶段的重要性以及它们之间的相互依赖关系。 仿真验证策略: 仿真验证是保证设计正确性的生命线。本书将重点介绍不同的仿真方法: 行为级仿真: 快速验证算法逻辑和功能。 RTL仿真: 验证逻辑实现是否与行为级描述一致。 门级仿真: 验证综合后的网表是否正确,特别是在考虑时序之后。 我们将深入探讨测试平台的构建,包括如何编写有效的测试向量、如何使用激励生成器、如何实现自动化测试和回归测试。读者将学习如何进行代码覆盖率分析,以确保测试的全面性。 综合工具的应用: 我们将介绍主流的综合工具及其工作流程。读者将学习如何配置综合选项,以优化设计性能、面积和功耗。我们将解释逻辑优化、技术映射以及门级网表生成的过程。 实现(布局布线)过程: 对于FPGA设计,实现阶段是指将综合后的网表映射到目标FPGA器件的资源上。我们将解释布局(placement)和布线(routing)的概念,以及它们对设计性能的影响。读者将学习如何解释布局布线报告,识别潜在的拥塞和时序问题,并了解如何通过约束(如时序约束、物理约束)来指导实现工具。 静态时序分析(STA): STA是验证数字电路在给定时钟和输入条件下是否满足时序要求的最关键技术之一。我们将详细介绍STA的基本原理,包括时序路径、时序检查(建立时间、保持时间)、时钟约束以及各种时序报告的解读。读者将学会如何使用STA工具来识别设计中的时序违例,并针对性地进行优化。 硬件验证与调试: 将设计下载到目标硬件后,硬件验证是最终的确认环节。我们将介绍如何使用逻辑分析仪、示波器等调试工具来观察信号,识别和解决硬件问题。本书还将介绍嵌入式逻辑分析仪(如ILA)等片上调试技术,以及如何通过JTAG接口进行调试。 设计重用与IP集成: 在现代复杂的系统中,几乎不可能从零开始构建所有模块。我们将介绍IP(Intellectual Property)的概念,如何查找、评估和集成第三方IP核,以及如何构建自己的可重用IP模块。这将极大地提高开发效率和设计质量。 版本控制与团队协作: 对于任何规模的设计项目,版本控制系统(如Git)都是必不可少的。我们将介绍如何使用版本控制来管理代码、跟踪变更、支持团队协作,以及如何进行代码审查。 第四部分:复杂数字系统案例分析与进阶主题 在掌握了基础理论、HDL应用和工程流程之后,本部分将通过具体的案例分析,展示如何将所学知识融会贯通,构建复杂的数字系统。同时,也将引入一些进阶主题,为读者未来的深入学习和研究打下基础。 案例分析: 我们将选取几个具有代表性的复杂数字系统作为案例,例如: 高性能数据处理器: 讲解指令流水线设计、缓存一致性、分支预测等核心技术。 通信接口控制器: 如USB、PCIe等,分析其协议栈实现、数据传输机制和握手信号。 数字信号处理(DSP)单元: 如FFT、FIR滤波器等,探讨如何利用HDL高效实现算法,并进行硬件优化。 嵌入式系统中的硬件加速器: 讲解如何设计专门的硬件模块来加速特定计算任务,以提高系统整体性能。 在每个案例中,我们将详细拆解设计过程,从需求分析到最终的硬件实现,重点讲解在设计过程中遇到的挑战、采用的解决方案以及关键的 HDL 代码实现细节。我们将强调如何在实际项目中权衡设计复杂度、性能、功耗和面积。 进阶主题: 片上系统(SoC)设计: 介绍SoC的基本概念,如何将CPU、内存控制器、外设接口等集成到一个芯片上,以及常用的互连总线技术(如AXI)。 低功耗设计策略: 深入探讨各种低功耗设计技术,包括动态电压频率调整(DVFS)、时钟门控、电源门控、多电压域设计等,以及如何在HDL和物理设计层面实现这些技术。 可重构计算与FPGA应用: 介绍FPGA在通用计算、加速计算等领域的应用,以及如何利用FPGA的灵活性实现动态重配置。 形式验证(Formal Verification): 介绍形式验证技术,它是一种数学方法,用于证明设计的正确性,而不是依赖于仿真测试用例。 先进的HDL技术: 简要介绍SystemVerilog等更高级的HDL特性,如面向对象编程、约束随机激励等,以及它们在验证和复杂设计中的优势。 ASIC与FPGA设计的对比与选择: 分析ASIC和FPGA各自的优缺点,以及在不同应用场景下的适用性。 总结: 本书的目标是培养读者成为能够独立设计、实现和验证复杂数字系统的工程师。通过理论与实践相结合,以及丰富的案例分析,读者不仅能掌握现代数字系统设计的核心技术,更能培养解决实际工程问题的能力。我们相信,通过本书的学习,读者将能够自信地应对当前和未来数字技术领域中的各种挑战。