基于VHDL的FPGA开发快速入门·技巧·实例(EDA技术实用丛书)
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品牌: 罗力凡
基本信息·出版社：人民邮电出版社
·页码：300 页
·出版日期：2009年
·ISBN：7115196850/9787115196859
·条形码：9787115196859
·包装版本：1版
·装帧：平装
·开本：16
·正文语种：中文
·丛书名：EDA技术实用丛书
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内容简介《基于VHDL的FPGA开发快速入门·技巧·实例》是一本专门介绍如何快速掌握使用VHDL语言开发FPGA的方法与技巧的图书。《基于VHDL的FPGA开发快速入门·技巧·实例》从最基本的VHDL硬件描述语言讲起，先是通过对VHDL概念、语法、基本电路编程方法的讲解，让读者掌握FPGA的开发语言；接着通过对FPGA开发工具、开发思想、开发技巧的详细阐述，让读者从根本上理解FPGA开发的深层内涵；最后通过大量的工程实例，将FPGA开发语言、开发工具、开发思想和实际工程实现完美的结合。《基于VHDL的FPGA开发快速入门·技巧·实例》把读者的实际需求作为内容的切入点，在讲述抽象理论时注重引用实例将理论形象化，在讲述实例时又注重将优秀的设计理念巧妙融合进来。全书讲述清楚，内容由浅入深，书中的大量实例凝结了作者多年的实际开发经验，具有较高的参考意义和实用价值。《基于VHDL的FPGA开发快速入门·技巧·实例》既可作为广大数字电路设计人员的设计指南，也可以作为高等院校电子、通信、计算机类专业的教材和参考书。
编辑推荐《基于VHDL的FPGA开发快速入门·技巧·实例》作者从事数字电路设计工作已有多年，深感基于VHDL硬件描述语言的FPGA技术在电子信息工程领域的重要性。VHDL作为当今非常流行的硬件描述语言，已经随着可编程逻辑器件在国内的迅猛发展，深深地吸引了广大电子硬件工程师。
目录
第1章 VHDL语言概述及基本结构 1
1.1 VHDL语言概述 1
1.1.1 VHDL语言的产生历史 1
1.1.2 用VHDL语言进行硬件设计的主要优势 2
1.1.3 用VHDL语言设计的基本流程 3
1.1.4 VHDL语言与Verilog HDL语言的比较 4
1.2 VHDL语言程序的基本模型结构 5
1.2.1 VHDL语言程序的基本结构单元 5
1.2.2 VHDL语言结构体的3种描述方法 9
1.2.3 VHDL语言结构体的子结构描述 13
第2章 VHDL的语法要素 21
2.1 VHDL语言的数据操作要素 21
2.1.1 VHDL语言的数据对象 21
2.1.2 VHDL语言的数据类型 23
2.2 VHDL语言的运算操作符 28
2.2.1 逻辑运算符 28
2.2.2 算术运算符 29
2.2.3 关系运算符 30
2.2.4 并置运算符 31
2.2.5 运算符的优先级 31
2.3 VHDL语言的词法规定 32
2.3.1 字符 32
2.3.2 分界符 33
2.3.3 标识符 33
2.3.4 注释 34
2.4 VHDL语言中的库 35
2.4.1 库的概念 35
2.4.2 常见的库 36
2.5 VHDL语言中的程序包 37
2.5.1 程序包的基本概念 37
2.5.2 常见的程序包 38
第3章 VHDL语言的描述语句 40
3.1 顺序描述语句 40
3.1.1 WAIT语句 40
3.1.2 顺序赋值语句 42
3.1.3 IF语句 44
3.1.4 CASE语句 47
3.1.5 LOOP语句 49
3.1.6 NEXT语句与EXIT语句 50
3.1.7 ASSERT语句 52
3.1.8 RETURN语句 53
3.2 并行描述语句 53
3.2.1 并行信号赋值语句 53
3.2.2 并行子结构语句 56
3.2.3 参数传递与元件语句 56
3.2.4 生成语句 59
3.3 VHDL语言中的属性描述语句 63
3.3.1 数值属性 63
3.3.2 函数属性 64
3.3.3 信号类属性 66
第4章 基于VHDL的基础逻辑电路的设计 67
4.1 基础组合逻辑电路的VHDL程序设计 67
4.1.1 组合逻辑电路的分析方法 67
4.1.2 基本门电路 68
4.1.3 基本编码译码器电路 71
4.1.4 基本选择器电路 74
4.1.5 基本比较器电路 75
4.2 基础时序逻辑电路的VHDL程序设计 76
4.2.1 时序逻辑电路的分析方法 76
4.2.2 基本触发器电路 77
4.2.3 基本寄存器电路 81
4.2.4 基本计数器电路 84
第5章 基于VHDL的小型数字电路的设计 86
5.1 7段数码显示器 86
5.1.1 7段数码显示器的原理 86
5.1.2 7段数码显示器的VHDL设计 87
5.2 分频器 89
5.2.1 4分频电路 90
5.2.2 任意偶数分频电路 92
5.2.3 3分频电路 93
5.3 键盘扫描电路 96
5.3.1 键盘扫描电路原理 96
5.3.2 键盘扫描电路的VHDL设计 97
5.4 状态机 102
5.4.1 状态机的原理和分类 102
5.4.2 状态机的VHDL设计 103
第6章 FPGA原理及当前发展现状 108
6.1 可编程逻辑器件FPGA/CPLD的概念与区别 108
6.1.1 CPLD和FPGA的概念和产生历史 108
6.1.2 CPLD和FPGA的区别 109
6.2 FPGA的原理及内部结构 110
6.2.1 查找表的原理 110
6.2.2 基于查找表的FPGA结构 111
6.3 FPGA主要厂商及其主要产品介绍 114
6.3.1 Xilinx公司FPGA产品介绍 114
6.3.2 Altera公司FPGA产品介绍 117
6.3.3 Lattice公司FPGA产品介绍 118
第7章 用ISE 9.1i开发FPGA 121
7.1 设计开始 121
7.1.1 ISE 9.1i及Modelsim 6.0SE的安装 121
7.1.2 ISE 9.1i的运行及Modelsim 6.0SE的配置 121
7.2 工程及源文件创建 122
7.3 设计仿真 127
7.3.1 创建Testbench波形源文件 127
7.3.2 调用Modelsim 6.0进行行为仿真 129
7.3.3 调用Modelsim 6.0进行转换后仿真 130
7.3.4 调用Modelsim 6.0进行映射后仿真 132
7.3.5 调用Modelsim 6.0进行布线后仿真 133
7.4 时序约束 134
7.5 管脚分配 136
7.6 程序下载 138
第8章 FPGA常用设计思想与技巧 142
8.1 FPGA设计中的几个基本概念 142
8.1.1 建立时间和保持时间 142
8.1.2 FPGA中的竞争和冒险现象 143
8.1.3 正确处理清零和置位信号 145
8.1.4 正确认识和使用触发器和锁存器 146
8.2 FPGA设计的原则与常用思想 147
8.2.1 面积和速度的平衡互换原则 147
8.2.2 基于硬件的原则 148
8.2.3 基于系统的原则 149
8.2.4 同步设计的原则 149
8.2.5 基于乒乓操作的设计思想 150
8.2.6 串并转换的设计方法 151
8.2.7 流水线操作的设计思想 152
8.2.8 数据接口同步的方法 152
8.3 FPGA各种设计技巧详解 154
8.3.1 利用IF语句和CASE语句的特点实现速度与面积的平衡 154
8.3.2 灵活利用IF语句对设计进行局部调整 156
8.3.3 利用资源共享提高资源利用率 157
8.3.4 正确选择和使用加法电路 160
8.3.5 在状态机设计中实现组合逻辑和时序逻辑的分离 161
8.3.6 减少关键路径的逻辑级数 164
8.3.7 合理采用流水线操作 165
8.3.8 复制电路减少扇出提高设计速度 166
8.3.9 利用电路的等价性巧妙地分配延时 167
8.3.10 高效利用IOB资源 167
8.3.11 合理使用RAM资源 169
8.4 有关FPGA可靠性设计的一些注意事项总结 170
8.5 有关FPGA管脚分配技巧的说明 172
第9章 基于FPGA的大中型实例设计 175
9.1 通用串行异步收发接口的FPGA设计 175
9.1.1 UART简介 175
9.1.2 UART的设计与实现 176
9.2 I2C总线接口的FPGA实现 188
9.2.1 I2C总线的特点及原理 188
9.2.2 用FPGA设计I2C总线的思路分析 189
9.2.3 I2C总线的FPGA实现 190
9.3 PS/2接口的FPGA设计 205
9.3.1 PS/2接口的基础知识介绍 205
9.3.2 PS/2接口的FPGA设计 207
9.4 FIFO的FPGA设计 222
9.4.1 FIFO的基本知识介绍 222
9.4.2 同步FIFO的FPGA设计 222
9.4.3 异步FIFO的FPGA设计 228
9.5 话音通信实例 238
9.5.1 CMX649芯片功能简介 238
9.5.2 CMX649寄存器配置时序要求 239
9.5.3 S通信协议简介 240
9.5.4 话音通信的FPGA实现 240
9.6 HDLC协议的FPGA设计 262
9.6.1 HDLC协议的基础内容 262
9.6.2 HDLC协议的顶层模块设计 263
9.6.3 HDLC存储器的设计 270
9.6.4 HDLC数据发送模块设计 278
9.6.5 HDLC协议接收模块的设计 288
参考文献 300
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序言本书作者从事数字电路设计工作已有多年，深感基于VHDL硬件描述语言的FPGA技术在电子信息工程领域的重要性。VHDL作为当今非常流行的硬件描述语言，已经随着可编程逻辑器件在国内的迅猛发展，深深地吸引了广大电子硬件工程师。用VHDL编程实现传统的电路功能已经成为广大电子硬件工程师进行电路设计的首选。用。硬件描述语言做电路设计具有开发周期短、设计易于修改、电路简单、成本低廉等优点，对那些外形结构要求小巧的微电子系统，可以直接利用FPGA器件的可编程特性来大大减少芯片的使用量，从而提高外形结构设计灵活性及系统可靠性。目前，全球最大的可编程逻辑器件制造商、FPGA的发明者Xilinx公司已经成功推出了ISE 10．1，这将引导FPGA的设计进入一个更快速、更成熟、更具时代前瞻性的崭新阶段。
与此同时，各大公司和高校也纷纷设立了可编程逻辑器件（主要指FPGA和CPLD）设计研究机构，已经有相当一部分电子硬件开发人员和学者在从事与之相关的工作和研究。尤其是在各大高校，可编程逻辑课题组如雨后春笋已经在全国蔓延开来。正是有了这样的现实背景，渴望有一本通俗易懂，有大量实际开发经验的入门指导性书籍已经成为许多在校大学生和在职工程技术人员的迫切愿望。纵观现有书店里的FPGA设计指导类书籍，大多注重对设计理论的阐述而对实际的开发经验谈之较少，这对那些需要在短时间内快速掌握FPGA开发方法、能尽快上手做设计的初学者来说，无疑是很难在选择参考书上做出果断、准确的选择。
基于FPGA的电子设计是一个灵活性、实践性非常强的工作，需要有相当丰富的经验才能设计出具有高可靠性的产品，因此缺乏理论与实践结合的学习不仅会对工程的开发有相当大的负面影响，而且随着学习的深入还容易陷入“死胡同”。正是基于这些宝贵的经验教训，本书的作者特别希望摆脱传统的写作方式对学习者思路的束缚，因而将本书的基调定位为“用理论指导实践，用实践验证发展理论”。
文摘插图：
硬件描述语言HDL是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。利用这种语言，设计人员可以在数字电路系统的设计中从上层到下层逐层描述自己的设计思想。在设计过程中，设计人员首先用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统，然后，利用电子设计自动化（EDA）工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表，最后，用专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体电路布线结构。通过这种高层次设计（high-level-design）的方法，设计思想也一步一步从抽象走向了具体。
目前，这种逻辑性强、易于洞察设计每个细节的新方法已被广泛采用。据统计，目前在美国硅谷约有85％以上的ASIC和FPGA采用硬件描述语言进行设计。
硬件描述语言HDL的发展至今已有20多年的历史，并成功地应用于设计的各个阶段：建模、仿真、验证和综合等。到20世纪80年代，已出现了上百种硬件描述语言，对设计自动化曾起到了极大的促进和推动作用。但是，这些语言一般各自面向特定的设计领域和层次，而且众多的语言使用户无所适从。因此，急需一种面向设计的多领域、多层次并得到普遍认同的标准硬件描述语言。20世纪80年代后期，VHDL和Verilog HDL语言适应了这种趋势的要求，先后成为IEEE标准，并得到了广泛的应用。本书将以VHDL语言为基础，在详细讨论VHDL。语言用法的基础上，结合实例探索利用FPGA进行电子系统设计的方法。
