EDA技术及应用教程

第1章 绪 论3 1.1 EDA概述3 1.1.1 EDA技术的发展历程3 1.1.2 EDA技术的基本特征3 1.1.3 EDA技术实现目标4 1.1.4 硬件描述语言(HDL)5 1.1.5 EDA技术的基本工具7 1.1.6 EDA技术的基本设计思路10 1.1.7 EDA系统级设计开发流程11 1.1.8 EDA技术的发展趋势15 1.2 数字系统硬件设计概述17 1.2.1 自底向上的设计18 1.2.2 自顶向下的设计18 1.2.3 自顶向下技术的设计流程及关键技术19 1.2.4 设计描述风格22 习 题22 第2章 VHDL语言程序的基本要素及基本结构24 2.1 VHDL语言的命名规则24 2.1.1 数字型文字24 2.1.2 字符串型文字25 2.1.3 标识符26 2.1.4 下标名26 2.1.5 段 名27 2.1.6 注 释27 2.2 VHDL语言的数据类型及运算操作符28 2.2.1 VHDL语言的客体及其分类28 2.2.2 VHDL语言的数据类型32 2.2.3 VHDL语言的运算操作符42 2.3 VHDL语言设计的基本单元及其构成48 2.3.1 实体说明49 2.3.2 构造体52 2.4 VHDL构造体描述的几种方法53 2.4.1 行为描述53 2.4.2 数据流描述54 2.4.3 结构描述55 2.5 包集合、 库及配置56 2.5.1 库57 2.5.2 包集合59 2.5.3 配置(CONFIGURATION)62 2.6 VHDL子程序（SUBPROGRAM）64 习 题69 第3章 VHDL 语言的主要描述语句72 3.1 顺序处理语句72 3.1.1 WAIT语句72 3.1.2 断言（ASSERT）语句77 3.1.3 信号赋值语句77 3.1.4 变量赋值语句78 3.1.5 IF语句79 3.1.6 CASE语句82 3.1.7 LOOP语句87 3.1.8 NEXT语句89 3.1.9 EXIT语句90 3.1.10 过程调用语句91 3.2 并发处理语句92 3.2.1 进程（PROCESS）语句92 3.2.2 并发信号赋值（Concurrent Signal Assignment）语句93 3.2.3 条件信号赋值（Conditional Signal Assignment）语句94 3.2.4 选择信号赋值（Selective Signal Assignment）语句95 3.2.5 并发过程调用（Concurrent Procedure Call）语句97 3.2.6 块（BLOCK）语句97 3.2.7 元件例化语句100 3.2.8 生成语句104 3.3 其他语句和说明106 3.3.1 属性（ATTRIBUTE）描述与定义语句106 3.3.2 文本文件操作111 习 题113 第4章 VHDL语言描述的典型电路设计115 4.1 组合逻辑电路设计115 4.1.1 编码器、译码器与选择器115 4.1.2 加法器、求补器121 4.1.3 三态门及总线缓冲器124 4.2 时序电路设计127 4.2.1 时钟信号和复位信号127 4.2.2 触发器130 4.2.3 寄存器135 4.2.4 计数器140 4.3 存储器150 4.3.1 存储器描述中的一些共性问题151 4.3.2 ROM（只读存储器）151 4.3.3 RAM（随机存储器）153 4.3.4 FIFO（先进先出堆栈）154 4.4 有限状态机（FSM）设计158 4.4.1 一般状态机的设计158 4.4.2 状态值编码方式168 4.4.3 剩余状态与容错技术169 4.5 常用接口电路设计169 4.5.1 常用显示接口电路设计169 4.5.2 常用键盘接口电路设计173 4.5.3 常用AD转换接口电路设计176 4.5.4 MCS-51单片机与FPGA/CPLD总线接口逻辑设计178 习 题182 第5章 系统设计185 5.1 系统层次化设计185 5.1.1 系统层次化设计思路简介185 5.1.2 利用VHDL语言实现系统层次化设计186 5.1.3 利用图形输入法和VHDL语言混合输入实现系统层次化设计193 5.1.4 系统层次化设计应用举例197 5.2 应用系统设计举例205 5.2.1 多功能数字钟设计205 5.2.2 数据采集系统设计216 5.3 SOPC技术简介222 5.3.1 SOPC简介222 5.3.2 IP 模 块 224 习 题227 第6章 仿真与实现228 6.1 仿 真228 6.1.1 仿真方法229 6.1.2 测试（平台）程序的设计方法229 6.1.3 仿真输入信息的产生233 6.1.4 仿真结果的处理236 6.2 逻辑综合238 6.2.1 约束条件239 6.2.2 工艺库240 6.2.3 逻辑综合的基本步骤241 6.3 设计实现243 6.3.1 设计实现载体243 6.3.2 设计实现过程250 6.3.3 设计实现与逻辑综合的关系251 6.4 优化设计252 6.4.1 算法优化252 6.4.2 代码优化255 6.4.3 综合过程中的优化 256 6.4.4 其他设计技巧257 习 题262 第二篇 实 践 篇 第7章 Xilinx软件基本操作265 7.1 Xilinx软件流程265 7.1.1 Xilinx软件介绍265 7.1.2 软件流程266 7.1.3 原理图输入方式278 7.2 IP核的应用282 7.3 时序约束与时序分析初步288 7.3.1 时序分析289 7.3.2 时序约束291 7.3.3 时序约束的实施293 7.3.4 时序分析报告294 第8章 VHDL设计实验298 8.1 Xilinx ISE14.1软件的基本应用实验298 8.1.1 ISE软件的基本应用298 8.1.2 实验要求309 8.2 基础实验309 8.2.1 编码器309 8.2.2 七段数码管显示译码311 8.2.3 移位寄存器312 8.2.4 计数器314 8.2.5 售货机315 8.2.6 交通灯控制器316 8.3 综合实验318 8.3.1 多功能数字钟实验318 8.3.2 乘法器实验319 8.4 设计型实验320 8.4.1 智力竞赛抢答器设计320 8.4.2 电子琴设计321 8.4.3 电子乒乓球游戏系统321 8.4.4 数字密码锁设计323 8.4.5 数据采集与检测系统324 8.4.6 任意波形发生器设计324 8.4.7 量程自动转换的数字式频率计325 8.4.8 电梯自动控制器326 8.4.9 8×8点阵汉字显示综合实验327 8.4.10 FIR滤波器的设计328 第9章 FPGA硬件电路设计331 9.1 FPGA硬件系统组成331 9.1.1 FPGA硬件系统331 9.1.2 FPGA引脚331 9.2 电源电路333 9.2.1 FPGA电源指标要求333 9.2.2 电源解决方案 334 9.2.3 FPGA系统板电源设计实例 335 9.3 FPGA 配置电路337 9.3.1 Xilinx FPGA配置概述 338 9.3.2 FPGA的常用配置电路339 9.4 存储器接口电路设计342 9.4.1 高速SDRAM存储器342 9.4.2 异步SRAM（ASRAM）存储器342 9.4.3 Flash存储器343 9.4.4 DDR2存储器343 9.5 人机界面电路设计345 9.5.1 PS2键盘/鼠标接口345 9.5.2 按键与开关348 9.5.3 显示接口348 9.6 处理器的接口设计351 9.6.1 串行接口351 9.6.2 并行接口353 9.7 时钟和复位电路353 9.7.1 时钟电路353 9.7.2 复位电路354 附录A Quartus Ⅱ 9.0 简明教程356 附录B 基础实验程序365 参考文献369