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基本信息

书名：VHDL数字电路设计教程

定价：35.00元

作者：Volnei A. Pedroni(沃尔尼 A. 佩德罗尼)

出版社：电子工业出版社

出版日期：2013-01-01

ISBN：9787121186721

字数：441000

页码：300

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.241kg

编辑推荐

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内容提要

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自从VHDL在1987年成为IEEE标准之后，就因其在电路模型建立、仿真、综合等方面的强大功能而被广泛用于复杂数字逻辑电路的设计中。本书共分为三个基本组成部分，首先详细介绍VHDL语言的背景知识、基本语法结构和VHDL代码的编写方法；然后介绍VHDL电路单元库的结构和使用方法，以及如何将新的设计加入到现有的或自己新建立的单元库中，以便于进行代码的分割、共享和重用；后介绍CPLD和FPGA的发展历史、主流厂商提供的开发环境使用方法。本书在结构组织上有独特之处，例如将并发描述语句、顺序描述语句、数据类型与运算操作符和属性等独立成章，使读者更容易清晰准确地掌握这些重要内容。本书注重设计实践，给出了大量完整设计实例的电路图、相关基本概念、电路工作原理以及仿真结果，从而将VHDL语法学习和如何采用它进行电路设计有机地结合在一起。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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VHDL数字电路设计：从入门到精通 探寻数字世界的设计奥秘，掌握高效硬件实现的关键技艺。 本书是一本全面、深入探讨 VHDL 语言及其在数字电路设计中应用的权威著作。无论您是初次接触数字电路设计的新手，还是希望精进 VHDL 技能的资深工程师，本书都将为您提供一条清晰的学习路径，助您掌握从概念到实际硬件实现的完整流程。我们不仅仅是介绍 VHDL 语法，更侧重于培养您的设计思维和工程实践能力。 第一部分：VHDL 语言基础与核心概念 本部分将带领您从零开始，系统性地学习 VHDL 语言的核心要素。我们将循序渐进，确保您对每个概念都有扎实的理解，为后续更复杂的数字电路设计打下坚实基础。 数字电路设计概述： 在深入 VHDL 之前，我们会简要回顾数字电路设计的基本原理，包括数字信号、逻辑门、时序逻辑与组合逻辑等概念，帮助您建立对数字世界的基本认知。 VHDL 语言概览： 介绍 VHDL 的历史、发展及其在现代数字设计中的重要地位。我们将解释 VHDL 的主要特点，如其支持行为级、寄存器传输级和结构级描述，以及其在可综合性方面的优势。 VHDL 程序结构： 详细解析 VHDL 程序的构成，包括库 (`library`)、包 (`package`)、实体 (`entity`)、架构 (`architecture`) 等关键组成部分。您将学习如何正确组织您的 VHDL 代码，使其易于理解和维护。 数据类型与运算符： 深入探讨 VHDL 中丰富的数据类型，包括标准逻辑类型 (`std_logic`, `std_logic_vector`)、数值类型 (`integer`, `real`, `boolean`)、枚举类型 (`enumeration`) 等。您将学习如何使用各种逻辑运算符、算术运算符和关系运算符来处理和转换数据。 信号、变量与常量： 区分信号 (`signal`)、变量 (`variable`) 和常量 (`constant`) 的作用域、生命周期和赋值方式，并理解它们在不同设计场景下的应用。 并发语句与顺序语句： 掌握 VHDL 的并发性，理解进程 (`process`)、并发断言 (`concurrent assertion`)、缓冲器 (`buffer`) 等并发语句的工作机制。同时，学习顺序语句，如赋值语句、条件语句 (`if-then-else`, `case`) 和循环语句 (`for`, `while`)，如何在进程内部实现时序逻辑。 组件实例化与端口映射： 学习如何使用组件 (`component`) 来模块化您的设计，并通过端口映射 (`port map`) 将组件连接起来，构建复杂的数字系统。 属性与约束： 介绍 VHDL 的属性 (`attribute`)，如 `length`、`left`、`right` 等，它们能够提供关于信号和类型的额外信息。学习如何使用约束 (`constraint`) 来定义数据类型的范围，提高代码的健壮性。 生成语句 (`generate`)： 掌握 `generate` 语句，用于根据条件或参数生成重复的代码块，极大地简化了具有规律性结构的数字电路的设计。 第二部分：数字电路设计模式与 VHDL 实现 在掌握了 VHDL 的基本语法之后，本部分将重点关注常见的数字电路设计模式，并展示如何使用 VHDL 来高效地实现这些模式。通过大量的实例和详细的解释，您将能够将 VHDL 的理论知识转化为实际可用的设计。 组合逻辑电路设计： 基本逻辑门： 从最基本的 `AND`、`OR`、`NOT`、`XOR` 等逻辑门开始，展示如何用 VHDL 描述它们。 多路选择器 (`Multiplexer`)： 设计和实现各种位宽的选择器，以及如何使用 `with-select` 语句或 `case` 语句来简化其描述。 译码器 (`Decoder`) 和编码器 (`Encoder`)： 学习如何设计通用的译码器和编码器，并理解它们在地址解码、状态机控制等方面的应用。 加法器 (`Adder`)、减法器 (`Subtractor`) 和比较器 (`Comparator`)： 实现不同位宽的算术单元，包括全加器、半加器、进位预测加法器等，并学习如何设计高效的比较器。 逻辑函数实现： 学习如何将复杂的布尔表达式转化为 VHDL 代码，并利用卡诺图、Quine-McCluskey 等简化方法来优化逻辑。 时序逻辑电路设计： 触发器 (`Flip-flop`)： 详细讲解 D 触发器、JK 触发器、T 触发器等基本存储单元的设计，包括同步和异步复位、置位等控制信号的处理。 寄存器 (`Register`)： 设计和实现各种类型的寄存器，如移位寄存器、并行加载寄存器等。 计数器 (`Counter`)： 分步讲解同步计数器、异步计数器、可预置计数器、模 N 计数器等的设计，并讨论状态机在计数器设计中的应用。 状态机 (`Finite State Machine`, FSM)： 摩尔型 (`Moore`) 和米利型 (`Mealy`) 状态机： 深入理解两种状态机的区别和联系，并学习它们的 VHDL 实现方法。 状态编码： 探讨不同的状态编码方式（如独热码、二进制码）对电路性能和资源占用的影响。 状态机设计流程： 从状态转换图到 VHDL 代码的完整设计流程。 状态机优化与综合： 学习如何优化状态机以获得更优化的硬件实现。 同步设计原则： 强调同步时钟域的重要性，讲解时钟、复位信号的设计，以及如何避免亚稳态等问题。 异步电路设计简介： 简要介绍异步电路的基本概念和设计挑战，以及在特定场景下的应用。 第三部分：高级 VHDL 设计技术与工程实践 本部分将超越基础，引导您掌握更高级的 VHDL 设计技巧，并结合实际工程经验，帮助您构建更复杂、更可靠、更高效的数字系统。 IP 核的使用与接口设计： 学习如何调用和集成预先设计的 IP 核（如 FIFO、RAM、ROM、PLL 等），并理解常用的总线接口协议，如 AXI、AHB 等，以及如何在 VHDL 中进行接口匹配。 测试平台 (`Testbench`) 设计： 掌握 VHDL 测试平台的设计方法，学习如何编写有效的激励信号、监视输出信号，以及进行仿真调试，确保设计的正确性。 时序约束 (`Timing Constraints`) 与时序分析： 理解时序约束在 FPGA/ASIC 设计流程中的重要性，学习如何定义时钟周期、输入/输出延迟等约束，并了解如何使用综合与布局布线工具进行时序分析。 代码优化与综合技巧： 可综合性 VHDL： 学习哪些 VHDL 结构可被综合器正确翻译成硬件，哪些需要避免。 逻辑优化： 探讨通过 VHDL 代码结构调整来优化逻辑门数量、功耗和速度的方法。 寄存器传输级 (RTL) 优化： 学习如何编写高效的 RTL 代码，以获得更优化的硬件映射。 时钟域交叉 (`Clock Domain Crossing`, CDC) 处理： 深入分析时钟域交叉带来的问题（如亚稳态），并学习常用的同步电路（如双触发器同步器、握手协议）来安全地处理不同时钟域之间的数据传输。 低功耗设计技术： 介绍在 VHDL 设计层面可以采取的低功耗设计策略，如门控时钟 (`clock gating`)、选择性上电等。 硬件描述语言（HDL）设计流程： 结合实际的 FPGA/ASIC 设计流程，从需求分析、规格定义、HDL 编码、仿真、综合、布局布线到板级验证的完整流程。 版本控制与协作： 强调在团队项目中使用版本控制系统（如 Git）的重要性，以及如何进行有效的代码协作。 常见的 VHDL 设计陷阱与避免： 总结和分析在 VHDL 设计中常见的错误和误区，帮助读者避免重复犯错。 本书的特点： 理论与实践紧密结合： 每一项 VHDL 语法或设计概念，都配以清晰的代码示例和详细的解释，并引导读者思考其在实际硬件中的映射。 循序渐进的教学体系： 从最基础的概念讲起，逐步深入到复杂的数字系统设计，适合不同层次的学习者。 丰富的工程实例： 包含大量来自实际项目的设计案例，涵盖通信、控制、嵌入式系统等多个领域。 注重设计思维培养： 不仅仅教授 VHDL 语法，更强调如何培养良好的数字电路设计习惯和工程思维。 覆盖主流设计工具： 提及与主流 FPGA/ASIC 设计工具（如 Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime, Synopsys VCS/ModelSim 等）相关的设计流程和概念。 通过本书的学习，您将能够自信地使用 VHDL 语言进行复杂的数字电路设计，从 FPGA 原型验证到 ASIC 芯片实现，都能游刃有余。您将不再仅仅是 VHDL 语法的使用者，而是能够成为一名真正懂得如何运用 VHDL 来创造高性能、高可靠性数字系统的工程师。准备好踏上这场激动人心的数字设计之旅吧！