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| 內容簡介： |
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本书涵盖VHDL设计描述语言和FPGA设计及应用两门课程的主要内容，内容紧凑、重点突出、条理清晰、针对性强、注重实践，精心选取了大量通用、贴近工程实践的设计实例。
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| 關於作者： |
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刘树林：博士，西安科技大学教授、博士生导师，四川大学半导体物理专业本科毕业，航天部西安微电子研究所硕士、博士毕业。先后在西安电力电子研究所、中兴通讯股份有限公司、西安科技大学从事科研和教学工作。现任西安科技大学电气与控制工程学院副院长、电力电子电路与系统科研创新团队负责人、矿山机电工程博士点学科带头人、微电子学与固体电子学学科带头人等。
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| 目錄：
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目录
第1章绪论1
1.1电路系统1
1.1.1电路系统的分类1
1.1.2模拟电路系统及其特点1
1.1.3数字电路系统及其特点2
1.2VHDL语言的产生背景、功能及特点2
1.2.1EDA概念2
1.2.2EDA技术发展阶段2
1.2.3EDA技术的研究内容4
1.2.4HDL语言的概念及分类5
1.2.5VHDL语言的发展及特点6
1.3PLD与FPGA7
1.3.1简单低密度器件（SPLD）8
1.3.2CPLD9
1.3.3FPGA12
1.3.4器件供应商及第三方软件介绍13
习题16
第2章VHDL程序框架及组成17
2.1概述17
2.2语法规则及命名17
2.2.1书写规定17
2.2.2标识符18
2.2.3扩展标识符18
2.2.4保留字及专用字19
2.3VHDL基本架构19
2.3.1设计库20
2.3.2包集合22
2.3.3实体24
2.3.4构造体26
2.3.5配置28
3．配置的格式28
2.4小结31
习题31
第3章VHDL语言数据类型32
3.1数据类型概述32
3.2标准预定义数据类型32
3.2.1可综合数据类型33
3.2.1不可综合数据类型36
3.3用户自定义数据类型38
3.3.1枚举类型39
3.3.2数组类型39
3.3.3记录类型40
3.3.4寻址类型41
3.3.5文件类型41
3.4数据类型的转换42
3.5小结44
习题44
第4章VHDL语言数据对象及运算操作符45
4.1数据对象及其分类45
4.1.1常量45
4.1.2信号46
4.1.3变量47
4.1.4文件49
4.2运算操作符51
4.2.1逻辑运算符51
4.2.2算术运算符52
4.2.3关系运算符52
4.2.4移位操作符53
4.2.5并置运算符54
4.3小结55
习题55
第5章VHDL语言主要描述语句57
5.1概述57
5.2并发描述语句57
5.2.1进程语句58
5.2.2信号代入语句59
5.2.3元件例化语句64
5.2.4过程调用语句69
5.2.5类属语句71
5.2.6生成语句72
5.2.7并行仿真语句75
5.2.8块语句77
5.3顺序描述语句78
5.3.1进程语句79
5.3.2赋值语句79
5.3.3条件判断语句81
5.3.4CASE语句83
5.3.5调用语句87
5.3.6循环语句90
5.3.7仿真描述语句94
5.3.8空语句98
5.4小结99
习题99
第6章VHDL语言属性100
6.1概述100
6.2数值类属性100
6.2.1常规数据类型的数值属性101
6.2.2数组类型的数值属性101
6.2.3块的数值属性102
6.3函数类属性103
6.3.1函数数据类型属性103
6.3.2函数数组属性105
6.3.3函数信号属性106
6.3.4信号类属性110
6.4数据类型属性113
6.5数据区间类属性113
6.6用户自定义属性114
6.7小结115
习题115
第7章VHDL语言构造体的描述方式117
7.1概述117
7.2行为描述方式117
7.2.1行为描述方式的概念和特点117
7.2.2行为描述方式举例117
7.3结构化描述方式119
7.3.1结构化描述方式的概念和特点119
7.3.2结构化描述举例119
7.4数据流描述方式123
7.4.1数据流描述方式的概念和特点123
7.4.2数据流描述方式举例124
7.5混合描述方式125
7.5.1混合描述方式的概念和特点125
7.5.2混合描述方式举例126
7.6数据流描述中应注意的问题126
7.6.1非法状态传递问题126
7.6.2进程中时钟沿的使用问题128
7.6.3综合电路问题128
7.7小结132
习题132
第8章数字逻辑电路设计133
8.1概述133
8.2组合逻辑电路设计133
8.2.1选择器和分配器133
8.2.2编码器和译码器138
8.2.3数字比较器144
8.2.4加法器146
8.2.5三态门及总线缓冲器148
8.2.6奇偶校验器152
8.3时序逻辑电路设计153
8.3.1触发器153
8.3.2寄存器的设计159
8.3.3计数器162
8.4小结168
习题168
第9章状态机设计169
9.1概述169
9.2状态机的特点170
9.3状态机的组成170
9.4状态机的描述风格174
9.5状态机的状态编码175
9.5.1直接输出型编码175
9.5.2顺序编码176
9.5.3格雷码编码176
9.5.4独热码编码177
9.6状态机剩余状态处理178
9.7有限状态机的复位179
9.8小结183
习题183
第10章MODELSIM仿真与测试平台的搭建184
10.1引言184
10.2ModelSim仿真软件184
10.2.1ModelSim简介184
10.2.2ModelSim软件的安装及破解184
10.2.3软件仿真步骤188
10.3测试及验证平台192
10.3.1仿真软件编辑输入193
10.3.2仿真输入波形的产生193
10.3.3测试平台的搭建198
10.4小结201
习题201
第11章QUARTUS II集成开发环境202
11.1概述202
11.2Quartus II软件开发流程203
11.2.1新建工程设计流程204
11.2.2设计输入流程207
11.2.3编译及综合流程217
11.2.4仿真验证220
11.2.5硬件下载与验证224
11.3Quartus II软件其他常用功能应用227
11.3.1嵌入式逻辑分析仪227
11.3.2信号探针230
11.3.3功耗分析工具231
11.3.4存储器内容编辑233
11.3.5逻辑分析仪接口编辑器235
11.4小结236
习题236
第12章FPGA器件及其开发平台237
12.1FPGA工作原理237
12.2Altera FPGA芯片237
12.2.1Altera PLD芯片的分类237
12.2.2Altera PLD的命名237
12.2.3Cylone系列FPGA的功能和结构238
12.3FPGA与CPLD的比较245
12.3.1FPGA与CPLD的相同点245
12.3.2CPLD和FPGA的区别245
12.4FPGA开发流程246
12.5FPGA开发平台：最小系统设计247
12.5.1FPGA芯片有关引脚247
12.5.2PROM芯片型号及电路连接248
12.5.3全局时钟发生电路249
12.5.4JTAG下载电路250
12.5.5电源电路设计250
12.5.6其他IO接口电路251
12.6小结252
习题252
第13章FPGA典型应用设计253
13.1IP知识产权模块253
13.1.1IP模块的概念253
13.1.2IP模块的分类253
13.1.3IP模块的复用254
13.2分频器的设计验证255
13.2.1奇偶数分频器通用IP核的设计255
13.2.2占空比可调的分频器的设计258
13.3交通灯控制器的设计260
13.3.1设计要求260
13.3.2设计原理260
13.3.3VHDL语句描述261
13.3.4元件符号及端口说明262
13.3.5仿真验证263
13.4串口异步收发控制器的设计263
13.4.1UART数据帧格式264
13.4.2UART的实现264
13.5I2C总线通信控制器的设计274
13.5.1I2C总线简介274
13.5.2I2C总线帧格式274
13.5.3I2C总线顶层模块设计275
13.5.4I2C时钟模块的设计275
13.5.5 I2C写数据模块设计276
13.6并行ADC0809控制模块设计279
13.6.1设计原理279
13.6.2状态机设计279
13.6.3VHDL语言描述280
13.6.4测试平台的设计281
13.6.5仿真结果282
13.7串行DAC TLC5615控制模块设计282
13.7.1设计原理283
13.7.2设计状态图283
13.7.3VHDL源程序283
13.7.4元件符号及端口说明285
13.7.5仿真验证285
13.8正弦信号发生器的设计285
13.8.1正弦信号发生器工作原理285
13.8.2定制初始化数据文件286
13.8.3定制LPM_ROM元件286
13.9小结289
习题289
主要参考文献291
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| 內容試閱：
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前 言
随着微电子技术和电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）的快速发展，现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）正朝着全新一代片上可编程FPGA器件（System on Chip FPGA，SoC FPGA）的方向发展。和传统的FPGA相比，SoC FPGA不仅继承了传统FPGA器件的功能，而且在性能和容量上有了很大的提升，在器件功能方面也取得了很大的扩展。SoC FPGA已经从最初的单一逻辑运算角色演变为面向不同应用领域的可优化高速处理平台，即将核心硬件和各类软件平台融合在一起，提供了一种单芯片系统解决方案。硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）作为一种形式化的描述语言，在FPGA的发展过程中起到了举足轻重的作用。从诞生到现在，硬件描述语言已经从早期的只能完成单一数字电路描述功能的角色演变为具有大规模、复杂系统行为的描述能力，并可以借助EDA软件平台，自上而下地逐层完成相应电路的描述、仿真、优化和综合，直到生成器件。VHDL语言作为最早出现的硬件描述语言，与其他硬件描述语言相比，具有层次化的设计结构，更强的行为描述能力，丰富的仿真语句和库函数。VHDL语言的行为描述能力和程序结构决定了VHDL语言更适合一些大型复杂系统的早期验证功能的可行性，具备对系统进行仿真模拟的可能性，符合市场化的设计系统高效的特点。VHDL语言现已成为国际标准语言，也被绝大多数的EDA软件和半导体器件厂商所接受，掌握VHDL语言正日益成为我国高校大学生和工程技术人员的必备技能。目前，在很多高校的电子相关专业开设了FPGA和硬件描述语言两方面的课程，内容和侧重点有所相同。
本书以淡化理论，够用为度的原则，在理论学习方面，注重基本概念、基本方法及常用设计方法的学习，淡化语法结构复杂、使用频次少的语句。本书力求通俗易懂，精练实用。在设计验证方面，本书精心选取了大量通用性广、工程实践性强的设计实例，通过仿真验证，强化设计理论和设计方法。为了巩固读者的学习效果，每章都配有一定数量的习题。
本书是编著者依据多年的教学和科研经验，参考大量的国内外优秀教材编写而成的，书中配有丰富的设计实例，并且全部经过仿真验证。全书共13章，除绪论外可分为两大部分：第2～7章为第一部分，详细介绍VHDL硬件描述语言；第8～13章为第二部分，详细介绍基于VHDL的数字电路设计及验证方法。
第1章是绪论，内容包括电路系统的概念、分类及特点，VHDL语言产生的背景、功能及特点，可编程器件的基本概念及特点。
第2章是VHDL语言的程序框架及组成，介绍VHDL语言的语法规则和命名，以及程序框架和组成。
第3章是VHDL语言的数据类型，介绍标准的预定义数据类型、用户自定义数据类型和数据类型转换函数。
第4章是VHDL语言数据对象及运算操作符，介绍数据对象的概念、分类和特点，以及运算操作符的分类。
第5章是VHDL语言的主要描述语句，介绍并发描述语句和顺序描述语句。
第6章是VHDL语言的属性，介绍VHDL语言预定义的数值类属性、函数类属性、数据类型类属性、数据区间属性和用户自定义属性。
第7章是VHDL语言构造体的描述方式，介绍行为描述方式、结构化描述方式、数据流描述方式和混合描述方式。
第8章是数字逻辑电路设计，介绍简单组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计。
第9章是状态机设计，介绍状态机的组成、描述风格、状态编码、状态机剩余状态处理方法及状态机的复位方法。
第10章是ModelSim仿真与测试平台的搭建，介绍ModelSim软件的使用方法，测试激励文件的产生方法和测试平台的搭建步骤。
第11章是Quartus II集成开发环境，介绍Quartus II 集成开发软件的主要功能、开发流程和一些辅助功能。
第12章是FPGA器件及开发平台，介绍Altera公司FPGA芯片的分类、命名和结构特点，以及FPGA最小系统和各部分的电路组成。
第13章是FPGA典型应用设计，介绍IP核的概念，若干典型应用实例的设计及验证方法。
VHDL及数字电路验证是微电子科学与工程专业的必修课，是通信工程、测控技术、电子工程等相关电子类专业的选修课，属于一门理论和实践并重的课程。该课程旨在培养学生在集成电路设计方面的前端设计验证能力，是非常注重工程实践的一门课程。
本课程的先修课程是数字电子技术基础和数字逻辑电路设计。本课程的参考课时为64～72学时，实践训练为10～20学时，使用者可根据实际情况对内容进行取舍。
本书第1章由刘树林编写，第6、7、8、10、11、13章由刘宁庄编写，第2、3、4章由王媛媛编写，第5章由杨波编写，第9章由高瑜编写，第12章由伍凤娟编写。本书电子教学课件（PPT文档）可从华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）注册后免费下载，或者通过与本书责任编辑（zhangls@phei.com.cn）联系获取。
本书由西安邮电大学电子工程学院副院长杜慧敏教授负责审定。在本书编写过程中，西安邮电学院刘有耀副教授和江南大学物联网工程学院的柴志雷博士提出了宝贵的意见，在此表示衷心的感谢。
在本书的编写过程中，参考了大量的国内外教材和论文，在此向这些文献的作者表示衷心的感谢。
由于编著者水平有限，加之时间仓促，书中难免存在不当之处，敬请广大读者和同行批评指正。
编著者
2016年10月
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