EDA技术及数字系统的应用/21世纪全国国本科院校电气信息类创新型应用人才培养规划教材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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　　结合作者多年一线教学经验
　　突出EDA技术的特点和优势
　　坚持面向实际开发应用原则

内容简介

　　《EDA技术及数字系统的应用/21世纪全国国本科院校电气信息类创新型应用人才培养规划教材》结合EDA技术和可编程逻辑器件的最新发展，全面介绍了EDA技术的特征、IP核与SOC设计的知识、Altera公司的FPGA器件特点和配置方式、FPGA开发工具软件QuartusII和常用IP模块的使用。书中还系统地介绍三种硬件描述语言，即AHDL、VHDL和VerilogHDL的基本语法、常用语句和应用例子，以大量的设计实例说明数字系统的硬件设计方法。特别是最后一章FPGA综合设计实践，给出了基于FPGA数字系统设计的应用实例和功能模块（VGA、PS/2、UART、单总线（l-Wire）、SPI、I2C等），为课程设计和毕业设计及电子产品开发提供帮助。
　　《EDA技术及数字系统的应用/21世纪全国国本科院校电气信息类创新型应用人才培养规划教材》内容全面，实例丰富，由浅入深，可作为高等院校电气信息类专业课程的教材，也可供从事硬件设计和IC设计的工程师学习使用。

内页插图

目录

第1章 概述
1.1 EDA技术
1.1.1 EDA技术的发展史
1.1.2 EDA与电子系统设计
1.1.3 EDA软件平台
1.2 EDA技术的基本特征及工具
1.2.1 EDA技术的研究范畴
1.2.2 EDA技术的基本特征
1.2.3 EDA的基本工具
1.3 硬件描述语言简介
1.4 可编程ASIC及发展趋势
1.4.1 专用集成电路ASIC简介
1.4.2 集成电路的设计流程
1.4.3 可编程ASIC的特点
1.4.4 可编程ASIC发展趋势
1.5 IP核与SOC设计
1.5.1 IP核
1.5.2 IP核的复用技术
1.5.3 SOC设计技术
1.5.4 软／硬件协同设计
1.6 EDA技术的发展趋势
本章小结
习题

第2章 可编程逻辑器件
2.1 可编程逻辑器件的分类
2.2 可编程逻辑器件的编程元件
2.2.1 熔丝型开关
2.2.2 反熔丝型开关
2.2.3 浮栅编程元件
2.2.4 基于SRAM的编程元件
2.3 边界扫描测试技术
2.4 CPLD/FPGA的基本结构及特点
2.4.1 CPLD的基本结构与特点
2.4.2 FPGA的基本结构与特点
2.4.3 CPLD与FPGA的比较
2.5 CPLD/FPGA主流器件介绍
2.5.1 Altera的CPLD系列
2.5.2 Xilinx的CPLD系列
2.5.3 Altera的FPGA系列
2.5.4 Xilinx的FPGA系列
2.6 编程与配置
2.6.1 JTAG方式的CPLD编程
2.6.2 PC并行口的FPGA配置
2.6.3 FPGA专用配置器件
本章小结
习题

第3章 CPLD/FPGA开发工具——QuartusⅡ
3.1 QuartusⅡ概述
3.1.1 QuartusⅡ的特性
3.1.2 QuartusⅡ设计流程
3.1.3 QuartusⅡ的主界面
3.2 新建一个设计工程
3.2.1 转换MAX+PLUSII设计
3.2.2 使用“New Project Wizard命令新建工程
3.2.3 设计输入
3.3 编译与仿真工具
3.3.1 编译工具
3.3.2 仿真工具
3.3.3 时序分析工具
3.4 编程下载
3.4.1 指定器件和分配引脚
3.4.2 配置器件
3.5 设计优化及其他设置
3.5.1 面积与速度的优化
3.5.2 时序约束及设置
3.5.3 适配设置
3.5.4 功率分析
3.6 器件库和参数化宏功能模块
3.6.1 元件库和宏单元库
3.6.2 自定制宏功能模块
3.6.3 嵌入式存储器和锁相环模块
3.6.4 滤波器FIR
3.7 嵌入式逻辑分析仪的硬件测试
3.8 嵌入式系统设计
3.8.1 用SOPC Builder创建SOPC设计
3.8.2 用DSP Builder创建DSP设计
本章小结
习题

第4章 硬件描述语言AHDL
4.1 AHDL的基本元素
4.2 基本的AHDL设计结构
4.2.1 子设计段
4.2.2 逻辑段
4.2.3 变量段
4.2.4 AHDL模板
4.3 函数模块及其引用
4.4 AHDL的描述语句
4.4.1 文本编辑语句
4.4.2 逻辑设计语句
4.5 数字单元电路的设计实例
4.5.1 组合逻辑电路
4.5.2 寄存器和计数器
4.5.3 有限状态机设计
4.5.4 综合逻辑电路
本章小结
习题

第5章 硬件描述语言VHDL
5.1 VHDL基本结构
5.1.1 多路选择器的VHDL描述
5.1.2 实体
5.1.3 结构体
5.1.4 库、程序包及配置
5.2 VHDL语法规则
5.2.1 文字规则
5.2.2 数据对象
5.2.3 数据类型
5.2.4 VHDL操作符
5.2.5 VHDL属性描述
5.3 VHDL中的顺序语句
5.3.1 赋值语句
5.3.2 流程控制语句
5.3.3 WAIT语句
5.3.4 断言语句
5.4 VHDL中的并行语句
5.4.1 进程语句
5.4.2 并行信号赋值语句
5.4.3 块语句
5.4.4 元件例化语句
5.4.5 生成语句
5.5 子程序
5.5.1 函数
5.5.2 过程
5.5.3 子程序重载
5.6 状态机的VHDL设计
5.6.1 状态机的基本结构
5.6.2 状态转移图
5.6.3 状态机的VHDL描述
5.6.4 状态机的图形编辑设计
5.6.5 状态编码与状态分配
5.6.6 剩余状态与容错技术
5.7 数字电路设计
5.7.1 VHDL的描述风格
……
第6章 硬件描述语言Verilog HDL
第7章 数字系统设计及实例
第8章 FPGA综合设计实践

前言/序言

《深入探索数字世界的基石：EDA技术及其在现代电子系统设计中的核心作用》 在当今信息爆炸、技术飞速发展的时代，电子系统已渗透到我们生活的方方面面，从掌上智能设备到庞大的工业自动化系统，无一不依赖于精密的数字逻辑设计。而要构建这些复杂的数字世界，强大的设计工具和高效的设计流程至关重要。本书旨在为读者提供一个全面、深入的视角，揭示电子设计自动化（EDA）技术的核心原理、发展脉络及其在构建现代数字系统中的不可替代的作用。我们不局限于单一课程的教学大纲，而是从更宏观、更前沿的视角，引导读者理解EDA的真正价值与无限可能。 第一章：数字逻辑设计的基石——从理论到实践的飞跃 在深入EDA之前，理解数字逻辑设计的本质是不可或缺的。本章将带领读者回顾数字逻辑设计的基本概念，包括布尔代数、逻辑门、组合逻辑和序逻辑电路。我们将从最基础的触发器、寄存器、计数器等概念出发，逐步构建起复杂的时序逻辑系统。然而，本书不会止步于理论推导，而是着重强调这些基本模块如何被抽象和模块化，为后续的EDA工具应用打下坚实基础。我们将探讨如何将复杂的逻辑功能分解为可管理的单元，以及如何使用硬件描述语言（HDL）来精确地描述这些逻辑单元的功能。通过生动的实例，我们将展示如何从高层次的功能需求出发，逐步细化设计，最终转化为可实现的基本逻辑电路。这一过程不仅是对理论知识的巩固，更是为理解EDA工具如何将设计意图转化为实际硬件的逻辑桥梁。 第二章：EDA技术概览——驱动现代电子设计的强大引擎 电子设计自动化（EDA）究竟是什么？它为何如此重要？本章将为读者全面解析EDA技术的概念、历史和发展趋势。我们将从EDA工具的发展演变入手，追溯其从最初的电子表格和手工绘图工具，到如今高度集成化、智能化的设计套件的历程。重点将阐述EDA技术的核心组成部分，包括： 逻辑综合（Logic Synthesis）： 如何将用HDL描述的逻辑功能，自动转化为门级网表（Netlist），即一系列基本逻辑门及其连接关系。我们将探讨不同综合算法的原理和优劣，以及如何通过约束（Constraints）来指导综合过程，以满足时序、面积和功耗等设计目标。 布局布线（Place and Route）： 在获得门级网表后，如何将这些逻辑门放置在物理芯片上，并规划它们之间的连线。本节将深入讲解物理实现过程中的挑战，如信号延迟、串扰、功耗分布等，并介绍先进的布局布线算法如何有效地解决这些问题，最终生成可用于芯片制造的光罩文件。 验证（Verification）： 软件仿真是EDA流程中至关重要的一环。本章将详述不同级别的验证方法，包括功能仿真、时序仿真、形式验证（Formal Verification）等，以及如何构建高效的测试平台（Testbench）来确保设计的正确性。我们将强调验证的重要性，以及它如何大大降低芯片设计的风险和成本。 物理验证（Physical Verification）： 在完成布局布线后，还需要进行一系列的物理验证，以确保设计的物理实现符合工艺规则（Design Rule Checking, DRC）和设计意图（Layout Versus Schematic, LVS）。本节将解释这些验证步骤的目的和重要性。 通过对EDA技术各个环节的细致剖析，读者将对整个电子设计流程有一个清晰的认识，并理解EDA工具如何自动化和优化这一复杂的过程。 第三章：硬件描述语言（HDL）——电子设计的通用语言 硬件描述语言（HDL）是连接设计者思维与EDA工具之间的桥梁。本章将聚焦于现代电子设计中最常用的HDL，即Verilog和VHDL。我们不会仅仅停留在语法层面，而是深入探讨HDL在描述硬件结构、行为和时序方面的强大能力。 Verilog / VHDL 基础： 从数据类型、运算符、过程语句、并发语句等基本元素开始，构建读者的HDL编程基础。 结构化建模： 如何使用模块（Module）和端口（Port）来描述模块化的硬件结构，以及如何实例化（Instantiate）其他模块来构建层次化设计。 行为建模： 如何使用`always`块（Verilog）或进程（Process, VHDL）来描述电路的行为，以及如何通过赋值语句（阻塞和非阻塞）来精确控制信号的变化。 数据流建模： 如何使用`assign`语句（Verilog）或并发赋值（VHDL）来描述组合逻辑电路。 时序控制： 理解如何使用时钟（Clock）和复位（Reset）信号来控制时序电路的行为，以及如何使用延迟（Delay）来模拟实际硬件的传播延迟。 高级特性： 介绍参数化（Parameterization）、生成语句（Generate Statement）、任务（Task）和函数（Function）等高级特性，它们能极大地提高代码的可重用性和设计效率。 我们将通过大量的实例，展示如何使用HDL来描述各种常见的数字电路，如加法器、减法器、多路选择器、译码器、寄存器文件、有限状态机（FSM）等。更重要的是，我们将强调如何编写可综合（Synthesizable）的HDL代码，即能够被EDA工具转换为实际硬件电路的代码，这对于实现设计目标至关重要。 第四章：FPGA与CPLD——可编程逻辑器件在EDA应用中的实践 可编程逻辑器件（PLD）是EDA技术最直观的应用载体之一。本章将深入探讨现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）的内部结构、工作原理以及它们在现代电子系统设计中的广泛应用。 FPGA/CPLD 架构剖析： 详细介绍查找表（LUT）、触发器（Flip-flop）、可配置逻辑块（CLB）、输入/输出块（IOB）、内部互连线等核心组成部分。我们将解释这些组成单元如何协同工作，以实现用户设计的逻辑功能。 设计流程详解： 从HDL代码编写，到综合、实现（映射、布局、布线）、生成比特流（Bitstream）以及最终的配置下载，全面解析使用FPGA/CPLD的设计流程。我们将介绍各阶段的关键工具和技术，以及如何根据目标器件的特性优化设计。 应用领域探索： 详细列举FPGA/CPLD在通信、消费电子、工业控制、医疗设备、航空航天等领域的典型应用案例。例如，如何利用FPGA实现高性能的网络接口、数字信号处理器（DSP）加速器、视频处理单元等。 与ASIC设计的对比： 简要介绍专用集成电路（ASIC）的设计理念，并对比FPGA/CPLD与ASIC在成本、性能、功耗、灵活性和开发周期等方面的优劣，帮助读者理解何时选择哪种方案。 通过对FPGA/CPLD的深入理解，读者将能够将所学的EDA理论知识付诸实践，体验从设计到硬件实现的完整过程，并掌握利用这些强大的可编程器件来快速验证和实现复杂数字系统的方法。 第五章：EDA在特定数字系统中的应用 在掌握了EDA技术和HDL语言的基础后，本章将带领读者将目光投向EDA技术在更广泛、更复杂的数字系统设计中的具体应用。我们并非仅限于教材中可能出现的特定实例，而是从通用性和前沿性出发，展现EDA技术的强大生命力。 数字信号处理（DSP）系统设计： 详细探讨如何利用HDL和EDA工具设计高性能的DSP算法，例如滤波器、FFT（快速傅立叶变换）、编码器/解码器等。我们将分析如何优化硬件结构以实现更高的计算效率和更低的功耗，并讨论在FPGA上实现DSP加速器的优势。 嵌入式系统中的硬件加速： 探讨如何利用FPGA/CPLD为嵌入式处理器提供定制化的硬件加速功能。例如，设计专门的图像/视频处理模块，或者加速特定计算任务，以提升整个系统的性能。我们将关注接口设计、数据传输协议以及如何有效地将软件和硬件设计相结合。 通信系统设计： 分析EDA技术在现代通信系统中的核心作用，如基带信号处理、调制/解调、信道编码/解码、协议栈实现等。我们将介绍一些关键的通信算法，并说明如何在FPGA上高效地实现它们。 高性能计算（HPC）中的硬件协同设计： 探讨EDA技术在加速科学计算、大数据分析、人工智能（AI）等领域中的应用。我们将介绍如何设计定制化的计算单元，以及如何利用FPGA等硬件平台来构建高性能的计算加速器，以应对日益增长的计算挑战。 低功耗设计策略： 随着移动设备和物联网设备的普及，低功耗设计变得尤为重要。本章将介绍EDA工具提供的各种低功耗设计技术，包括时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）、低功耗工艺库的使用以及设计者在HDL层面可以采取的低功耗优化措施。 高级时序分析与优化： 深入探讨静态时序分析（STA）的原理和应用，以及如何利用EDA工具进行时序收敛（Timing Closure）。我们将讲解影响时序的关键因素，如路径延迟、时钟偏移、建立/保持时间等，并介绍各种优化时序的方法。 通过对这些具体应用领域的深入探讨，读者将能够深刻理解EDA技术如何成为现代电子系统设计的核心驱动力，以及如何运用EDA工具解决实际工程问题。本书的目标是激发读者对EDA技术更广泛的兴趣，鼓励他们在更广阔的领域进行探索和创新。 结语：拥抱未来，探索无限可能 EDA技术和数字系统设计的进步日新月异，本书旨在为读者提供一个坚实的基础，使其能够跟上技术发展的步伐，并具备解决未来挑战的能力。我们鼓励读者在掌握基本原理后，积极动手实践，深入研究各种EDA工具，并关注行业最新的技术动态。数字世界的大门正向您敞开，期待您用所学知识，创造出更多令人惊叹的数字奇迹。