數(shù)字電路EDA設(shè)計(jì)與應(yīng)用

前言

近年來(lái)，EDA技術(shù)發(fā)展非常迅速，已經(jīng)成為推動(dòng)電子工業(yè)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。EDA技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用、對(duì)高校電子技術(shù)課程教學(xué)思想、教學(xué)方法和教學(xué)目標(biāo)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。許多高校相繼將EDA技術(shù)作為電子技術(shù)教學(xué)改革的主要方向，在電子、通信、信息、電氣等相關(guān)專業(yè)開(kāi)設(shè)EDA課程、介紹EDA技術(shù)。特別是在數(shù)字邏輯電路、大規(guī)?？删幊唐骷⒂布枋稣Z(yǔ)言等課程中都加入了EDA設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。因此，數(shù)字電路的研究和實(shí)現(xiàn)方法隨之發(fā)生變化，從而促使數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)手段也不斷更新、完善和開(kāi)拓。借助。EDA軟件來(lái)進(jìn)行數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)、模擬和調(diào)試，這種實(shí)驗(yàn)方法可以減少實(shí)驗(yàn)器材的重復(fù)投入，避免對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的實(shí)際損耗，降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)效率。它適合于數(shù)字電路課程初學(xué)者做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，更適合于數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)者，充分發(fā)揮自主性，自行設(shè)計(jì)邏輯電路。這有助于學(xué)生更快更好地掌握課堂上講述的基本概念、原理，有利于增強(qiáng)學(xué)生的知識(shí)創(chuàng)新能力。本書(shū)是編者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)編寫(xiě)而成。在編寫(xiě)過(guò)程中，著重以培養(yǎng)能力為目標(biāo)，實(shí)例選排上注重循序漸進(jìn)，由淺入深。全書(shū)分為三部分，共7章，知識(shí)結(jié)構(gòu)安排如下。第一部分是基礎(chǔ)篇。第1章主要介紹EDA技術(shù)的內(nèi)涵、發(fā)展及其設(shè)計(jì)流程。第2章詳細(xì)講解硬件描述語(yǔ)言VHDL程序設(shè)計(jì)，包括VHDL語(yǔ)法、基本結(jié)構(gòu)以及常用語(yǔ)句，使讀者對(duì)VHDL程序的編寫(xiě)有深入的認(rèn)識(shí)。

內(nèi)容概要

本書(shū)以數(shù)字電路的EDA設(shè)計(jì)為主線，結(jié)合豐富的實(shí)例，按照由淺入深的學(xué)習(xí)規(guī)律，逐步引入EDA技術(shù)和工具，圖文并茂，重點(diǎn)突出。全書(shū)分為三部分。第一部分是基礎(chǔ)篇，介紹EDA技術(shù)和硬件描述語(yǔ)言。第二部分是軟件操作篇，主要介紹MAX+plus II和Quartus II軟件工具的使用。第三部分是設(shè)計(jì)應(yīng)用篇，通過(guò)大量典型的應(yīng)用實(shí)例，使讀者掌握數(shù)字系統(tǒng)EDA設(shè)計(jì)的方法和技巧。每章后面附有習(xí)題，為方便教師教學(xué)，本書(shū)配有多媒體電子教案?！　”緯?shū)可作為電子信息、電氣、通信、自動(dòng)控制、自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)類(lèi)專業(yè)的EDA技術(shù)教材，也可作為上述學(xué)科或相關(guān)學(xué)科工程技術(shù)人員的參考書(shū)，還可作為電子產(chǎn)品制作、科技創(chuàng)新實(shí)踐、EDA課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐活動(dòng)的指導(dǎo)書(shū)。

書(shū)籍目錄

第一部分　基礎(chǔ)篇 　第1章　EDA技術(shù)概述　 　　1.1　EDA技術(shù)及其發(fā)展　 　　　1.1.1　EDA技術(shù)的涵義　 　　　1.1.2　EDA技術(shù)的發(fā)展史　 　　1.2　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與EDA方法的區(qū)別　 　　1.3　EDA工程的設(shè)計(jì)流程　 　　　1.3.1　設(shè)計(jì)輸入　 　　　1.3.2　邏輯綜合和優(yōu)化　 　　　1.3.3　適配　 　　　1.3.4　仿真　 　　　1.3.5　目標(biāo)器件的編程/下載　 　　習(xí)題　 　第2章　硬件描述語(yǔ)言　 　　2.1　VHDL簡(jiǎn)介　 　　2.2　VHDL語(yǔ)法基礎(chǔ)　 　　　2.2.1　文法規(guī)則　 　　　2.2.2　數(shù)據(jù)對(duì)象　 　　　2.2.3　數(shù)據(jù)類(lèi)型　 　　　2.2.4　運(yùn)算操作符　 　　2.3　VHDL程序的基本結(jié)構(gòu)　 　　　2.3.1　實(shí)體　 　　　2.3.2　結(jié)構(gòu)體　 　　　2.3.3　進(jìn)程語(yǔ)句　 　　　2.3.4　子程序　 　　　2.3.5　庫(kù)和程序包　 　　2.4　VHDL順序語(yǔ)句　 　　　2.4.1　進(jìn)程中的賦值語(yǔ)句　 　　　2.4.2　IF語(yǔ)句　 　　　2.4.3　CASE 語(yǔ)句　 　　　2.4.4　LOOP語(yǔ)句　 　　　2.4.5　NEXT語(yǔ)句　 　　　2.4.6　EXIT語(yǔ)句　 　　　2.4.7　RETURN語(yǔ)句　 　　　2.4.8　NULL語(yǔ)句　 　　2.5　VHDL并行語(yǔ)句　 　　　2.5.1　并行信號(hào)賦值語(yǔ)句　 　　　2.5.2　條件信號(hào)賦值語(yǔ)句　 　　　2.5.3　選擇信號(hào)賦值語(yǔ)句　 　　　2.5.4　ASSERT語(yǔ)句　 　　　2.5.5　COMPONENT語(yǔ)句　 　　　2.5.6　元件例化語(yǔ)句　 　　　2.5.7　GENERATE語(yǔ)句　 　　習(xí)題　 第二部分　軟件操作篇 　第3章　MAX + plus II使用指南　 　　3.1　MAX + plus II的基本操作　 　　　3.1.1　MAX + plus II簡(jiǎn)介　 　　　3.1.2　MAX + plus II的安裝　 　　　3.1.3　MAX + plus II的常用菜單　 　　　3.1.4　MAX + plus II幫助文檔　 　　3.2　MAX + plus II的設(shè)計(jì)輸入　 　　　3.2.1　原理圖設(shè)計(jì)輸入　 　　　3.2.2　文本設(shè)計(jì)輸入　 　　　3.2.3　波形設(shè)計(jì)輸入　 　　　3.2.4　層次化設(shè)計(jì)輸入　 　　3.3　項(xiàng)目的編譯　 　　　3.3.1　編譯前的設(shè)置　 　　　3.3.2　運(yùn)行編譯器　 　　　3.3.3　程序編譯中的常見(jiàn)錯(cuò)誤　 　　3.4　仿真和定時(shí)分析　 　　　3.4.1　仿真　 　　　3.4.2　定時(shí)分析　 　　3.5　管腳的重新分配　 　　　3.5.1　方法一　 　　　3.5.2　方法二　 　　3.6　器件的編程下載　 　　　3.6.1　編程器的設(shè)置　 　　　3.6.2　編程硬件驅(qū)動(dòng)程序安裝　 　　習(xí)題　 　第4章　Quartus II使用指南　 　　4.1　Quartus II軟件簡(jiǎn)介　 　　　4.1.1　Quartus II概述　 　　　4.1.2　Quartus II用戶界面　 　　4.2　建立工程　 　　　4.2.1　創(chuàng)建工程　 　　　4.2.2　工程管理　 　　　4.2.3　轉(zhuǎn)換MAX+plusⅡ工程　 　　4.3　設(shè)計(jì)輸入　 　　　4.3.1　使用文本編輯器輸入　 　　　·4.3.2　使用模塊編輯器輸入　 　　　4.3.3　使用宏功能模塊輸入　 　　　4.3.4　使用自定義符號(hào)輸入　 　　4.4　器件與引腳分配　 　　　4.4.1　設(shè)置目標(biāo)器件　 　　　4.4.2　引腳分配　 　　4.5　項(xiàng)目編譯　 　　　4.5.1　全編譯與分步編譯　 　　　4.5.2　查看適配結(jié)果　 　　4.6　使用Quartus II仿真器　 　　　4.6.1　創(chuàng)建仿真波形文件　 　　　4.6.2　仿真器參數(shù)設(shè)置　 　　　4.6.3　啟動(dòng)仿真　 　　4.7　器件編程　 　　習(xí)題　 第三部分　設(shè)計(jì)應(yīng)用篇 　第5章　常用數(shù)字電路的設(shè)計(jì)　 　　5.1　組合邏輯電路設(shè)計(jì)　 　　　5.1.1　運(yùn)算電路設(shè)計(jì)　 　　　5.1.2　編碼器設(shè)計(jì)　 　　　5.1.3　譯碼器設(shè)計(jì)　 　　　5.1.4　數(shù)據(jù)選擇器設(shè)計(jì)　 　　5.2　時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)　 　　　5.2.1　時(shí)鐘的描述　 　　　5.2.2　復(fù)位的描述　 　　　5.2.3　觸發(fā)器設(shè)計(jì)　 　　　5.2.4　鎖存器設(shè)計(jì)　 　　　5.2.5　移位寄存器設(shè)計(jì)　 　　　5.2.6　計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)　 　　　5.2.7　分頻器設(shè)計(jì)　 　　5.3　存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)　 　　　5.3.1　只讀存儲(chǔ)器　 　　　5.3.2　隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器　 　　　5.3.3　先進(jìn)先出存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)　 　　5.4　常用接口電路設(shè)計(jì)　 　　　5.4.1　發(fā)光二極管顯示電路　 　　　5.4.2　LED數(shù)碼管顯示電路　 　　　5.4.3　蜂鳴器電路　 　　習(xí)題　 　第6章　數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)　 　　6.1　花樣彩燈控制器的設(shè)計(jì)　 　　　6.1.1　設(shè)計(jì)要求　 　　　6.1.2　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.1.3　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　　6.1.4　仿真分析　 　　6.2　交通燈控制器的設(shè)計(jì)　 　　　6.2.1　設(shè)計(jì)要求　 　　　6.2.2　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.2.3　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　6.3　序列檢測(cè)器的設(shè)計(jì)　 　　　6.3.1　設(shè)計(jì)原理　 　　　6.3.2　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.3.3　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　　6.3.4　仿真分析　 　　6.4　花樣計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)　 　　　6.4.1　設(shè)計(jì)要求　 　　　6.4.2　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.4.3　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　　6.4.4　仿真分析　 　　6.5　電子搶答器的設(shè)計(jì)　 　　　6.5.1　設(shè)計(jì)要求　 　　　6.5.2　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.5.3　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　　6.5.4　仿真分析　 　　6.6　數(shù)字秒表的設(shè)計(jì)　 　　　6.6.1　設(shè)計(jì)要求　 　　　6.6.2　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.6.3　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　　6.6.4　仿真分析　　　6.7　汽車(chē)尾燈控制器的設(shè)計(jì)　　　　6.7.1　設(shè)計(jì)原理　　　　6.7.2　設(shè)計(jì)要求　 　　　6.7.3　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.7.4　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　　6.7.5　仿真分析　 　　6.8　電子密碼鎖的設(shè)計(jì)　 　　　6.8.1　設(shè)計(jì)要求　 　　　6.8.2　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.8.3　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　　6.8.4　仿真分析　 　　6.9　音樂(lè)電子琴的設(shè)計(jì)　 　　　6.9.1　設(shè)計(jì)要求　 　　　6.9.2　設(shè)計(jì)原理　 　　　6.9.3　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.9.4　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　6.10　數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)　 　　　6.10.1　設(shè)計(jì)要求　 　　　6.10.2　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.10.3　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　6.11　數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)　 　　　6.11.1　設(shè)計(jì)要求　 　　　6.11.2　設(shè)計(jì)原理　 　　　6.11.3　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.11.4　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　　6.11.5　仿真分析　 　　6.12　出租車(chē)計(jì)費(fèi)器的設(shè)計(jì)　 　　　6.12.1　設(shè)計(jì)要求　 　　　6.12.2　設(shè)計(jì)模塊　 　　　6.12.3　程序?qū)崿F(xiàn)　 　　　6.12.4　仿真分析　 　　習(xí)題　 　第7章　如虎添翼——DSP Builder設(shè)計(jì)　 　　7.1　DSP Builder簡(jiǎn)介　 　　7.2　DSP Builder安裝　 　　　7.2.1　軟件要求　 　　　7.2.2　DSP Builder軟件安裝　 　　　7.2.3　授權(quán)文件的安裝　 　　7.3　DSP Builder設(shè)計(jì)流程　 　　7.4　幅度調(diào)制器設(shè)計(jì)　 　　　7.4.1　建立Simulink設(shè)計(jì)模型　 　　　7.4.2　Simulink模型仿真　 　　　7.4.3　Simulink模型編譯　 　　習(xí)題　 參考文獻(xiàn)　

章節(jié)摘錄

插圖：1.20世紀(jì)70年代的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)階段20世紀(jì)70年代為EDA技術(shù)發(fā)展初期。早期的電子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用的是分立元件，隨著集成電路的出現(xiàn)和應(yīng)用，硬件設(shè)計(jì)進(jìn)入到發(fā)展的初級(jí)階段。初級(jí)階段的硬件設(shè)計(jì)大量選用中小規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)集成電路，人們將這些器件焊接在電路板上，做成初級(jí)電子系統(tǒng)，對(duì)電子系統(tǒng)的調(diào)試是在組裝好的PCB（Printed Circuit Board）板上進(jìn)行的。由于設(shè)計(jì)師對(duì)圖形符號(hào)使用數(shù)量有限，傳統(tǒng)的手工布圖方法無(wú)法滿足產(chǎn)品復(fù)雜性的要求，更不能滿足工作效率的要求?？删幊踢壿嫾夹g(shù)及其器件問(wèn)世，計(jì)算機(jī)作為一種工具在科研領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而在后期，CAD的概念已見(jiàn)雛形，這一階段人們開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)、二維圖形編輯與分析的CAD工具，完成布圖布線等高度重復(fù)性的繁雜工作。2.20世紀(jì)80年代的計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)階段20世紀(jì)80年代，集成電路進(jìn)入了CMOS（互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)管）時(shí)代，復(fù)雜可編程邏輯器件進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，相應(yīng)的輔助設(shè)計(jì)軟件投入使用。而在20世紀(jì)80年代末，出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）；CAE和CAD技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛，它們?cè)赑CB設(shè)計(jì)方面的原理圖輸入、自動(dòng)布局布線及PCB分析，以及邏輯設(shè)計(jì)、仿真、綜合和簡(jiǎn)化等方面擔(dān)任了重要的角色。特別是各種硬件描述語(yǔ)言的出現(xiàn)、應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化方面的重大進(jìn)步，為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化必須解決的電路建模、標(biāo)準(zhǔn)文檔及仿真測(cè)試奠定了基礎(chǔ)。3.20世紀(jì)90年代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化階段為了滿足千差萬(wàn)別的系統(tǒng)用戶提出的設(shè)計(jì)要求，最好的辦法是由用戶自己設(shè)計(jì)芯片，讓他們把想設(shè)計(jì)的電路直接設(shè)計(jì)在自己的專用芯片上。微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是可編程邏輯器件的發(fā)展，使得微電子廠家可以為用戶提供各種規(guī)模的可編程邏輯器件，使設(shè)計(jì)者通過(guò)設(shè)計(jì)芯片實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)功能。.EDA工具的發(fā)展，又為設(shè)計(jì)師提供了全線EDA工具。這個(gè)階段發(fā)展起來(lái)的EDA工具，目的是在設(shè)計(jì)前期將設(shè)計(jì)師從事的許多高層次設(shè)計(jì)由工具來(lái)完成，如可以將用戶要求轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范，有效地處理可用的設(shè)計(jì)資源與理想的設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的矛盾，按具體的硬件、軟件和算法分解設(shè)計(jì)等。由于電子技術(shù)和EDA工具的發(fā)展，設(shè)計(jì)師可以在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)使用：EDA工具，通過(guò)一些簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)過(guò)程，利用微電子廠家提供的設(shè)計(jì)庫(kù)來(lái)完成數(shù)萬(wàn)門(mén)專用集成電路（ASIC）和集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

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