高职高专电子信息"十二五"规划教材:EDA技术与实践.pdf

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书籍描述

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本书从EDA技术的应用与实践角度出发,将课程内容进行模块化组合,设置EDA技术基础知识、VHDL硬件描述语言、Quartus II软件的应用、常用电路的VHDL设计实例和EDA设计综合训练5个学习模块,共包含8个任务进行驱动,每个任务又分解为若干个子任务,使读者能够理论与实践相融合、课内学习和课外训练相结合,由简单到复杂逐步掌握EDA技术的设计方法。

作者简介
焦素敏,河南工业大学信息学院,系主任、教授。曾获河南省信息技术教育工作著作类二等奖,主编出版本专科EDA技术和电子技术方面教材近十本,多本入选教育部“十一五”、“十二五”规划教材。

目录
模块一EDA技术基础知识
任务1了解EDA技术
1.1EDA技术的概念
1.1.1案例引入
1.1.2EDA技术说明
1.1.3EDA技术的重要性
1.2EDA技术的知识体系
1.2.1可编程逻辑器件
1.2.2硬件描述语言
1.2.3EDA工具软件
1.3EDA技术的特点和发展趋势
1.3.1EDA技术的主要特点
1.3.2EDA技术的发展趋势
1.4总结与思考
1.4.1小结
1.4.2思考题
任务2了解可编程逻辑器件
2.1可编程逻辑器件概述
2.1.1可编程逻辑器件的发展历程
2.1.2可编程逻辑器件的分类
2.1.3基本结构和编程原理
2.1.4PLD逻辑符号的画法和约定
2.2简单PLD
2.2.1PAL
2.2.2GAL
2.3CPLD和FPGA
2.3.1CPLD的基本结构
2.3.2FPGA的基本结构
2.3.3Altera公司器件介绍
2.3.4FPGA和CPLD的选用
2.4ispGDS介绍
2.4.1ispGDS的原理与结构
2.4.2ispGDS的使用
2.5CPLD和FPGA的编程与配置方法
2.5.1CPLD的ISP方式编程
2.5.2使用PC并行口配置FPGA
2.5.3使用专用配置器件配置FPGA
2.5.4使用单片机配置FPGA
2.6总结与思考
2.6.1小结
2.6.2思考题
任务3初探EDA技术
3.1知识准备1——EDA设计流程
3.1.1设计输入
3.1.2设计实现
3.1.3设计仿真
3.1.4编程或配置
3.2知识准备2——QuartusⅡ的图形界面
3.2.1工程导航区
3.2.2状态区
3.2.3信息区
3.2.4工作区
3.2.5快捷命令工具栏
3.3实例引导——1位全加器的原理图输入设计
3.3.1任务引入与分析
3.3.2创建工程设计项目
3.3.3编辑设计原理图
3.3.4设计编译与仿真
3.3.5引脚锁定与编程下载
3.4总结、思考与实训
3.4.1归纳总结
3.4.2思考题
3.4.3引导训练——用层次化方法设计1位全加器
3.4.4技能实训1——用原理图输入法设计4位全加器
模块二VHDL硬件描述语言
任务4了解VHDL程序结构及语言要素
4.1VHDL程序结构
4.1.1VHDL程序结构及实例说明
4.1.2实体(ENTITY)部分说明
4.1.3结构体(ARCHITECTURE)部分说明
4.1.4库(LIBRARY)部分说明
4.1.5程序包(PACKAGE) 部分说明
4.1.6配置(CONFIGURATION)部分说明
4.2VHDL语言要素
4.2.1文字规则
4.2.2数据对象
4.2.3数据类型
4.2.4类型转换
4.2.5操作符
4.3总结与思考
4.3.1小结
4.3.2思考题与习题
任务5学习掌握VHDL语句
5.1VHDL顺序语句
5.1.1IF语句
5.1.2CASE语句
5.1.3LOOP语句
5.1.4NEXT语句
5.1.5EXIT语句
5.1.6WAIT语句
5.1.7RETURN语句
5.1.8NULL语句
5.2VHDL并行语句
5.2.1PROCESS语句
5.2.2并行信号赋值语句
5.2.3BLOCK语句
5.2.4元件例化语句
5.2.5GENERATE语句
5.3其他语句
5.3.1子程序及子程序调用语句
5.3.2ASSERT语句
5.3.3REPORT语句
5.3.4属性语句
5.4总结、思考与训练
5.4.1小结
5.4.2程序阅读和编写技能训练
模块三QuartusⅡ软件的应用
任务6掌握QuartusⅡ的多种应用
6.1文本编辑输入法设计向导——计数器设计
6.1.1编辑设计文件
6.1.2创建工程
6.1.3编译
6.1.4时序仿真
6.1.5引脚锁定与下载
6.2应用宏功能的原理图设计
6.2.1计数器设计
6.2.2频率计主体电路设计
6.2.3时序控制电路的设计
6.2.4顶层电路设计
6.2.5引脚锁定和下载
6.3层次电路设计
6.3.1顶层文件设计
6.3.2创建各模块的下层设计文件
6.3.3设计项目的编译仿真
6.3.4层次显示
6.4技能实训
6.4.1技能实训2——计数译码器的文本输入层次化设计
6.4.2技能实训3——2位十进制计数译码器的宏函数调用设计
6.4.3技能实训4——2位十进制频率计的宏函数调用与层次设计综合实训
模块四常用电路的VHDL设计实例
任务7常用电路的VHDL描述方法
7.1组合逻辑电路设计
7.1.1任务引入与分析
7.1.2任务实施
7.1.3拓展与训练
7.2时序逻辑电路设计
7.2.1任务引入与分析
7.2.2任务实施
7.2.3拓展与训练
7.3状态机设计
7.3.1任务引入与分析
7.3.2任务实施
7.3.3拓展与训练
7.4存储器设计
7.4.1任务引入与分析
7.4.2任务实施
7.4.3拓展与训练
7.5特色实用电路设计
7.5.1任务引入与分析
7.5.2任务实施
7.5.3拓展与训练
7.6总结、思考与实训
7.6.1小结
7.6.2VHDL编程训练题
7.6.3技能实训5——计数器的设计
7.6.4技能实训6——简易彩灯控制器设计
模块五EDA设计综合训练
任务8EDA技能综合提高
8.1数字钟的设计
8.1.1任务引入与分析——数字钟的设计要求
8.1.2任务实施方案
8.1.3数字钟各模块的VHDL源程序设计
8.2智力竞赛抢答器
8.2.1任务引入与分析——抢答器的设计要求
8.2.2任务实施方案
8.2.3抢答器的VHDL源程序设计
8.3交通灯的控制器设计
8.3.1任务引入与分析——交通灯控制器的设计要求
8.3.2任务实施方案
8.3.3交通灯控制器VHDL源程序设计
8.3.4调试仿真与验证
8.48路彩灯控制器设计
8.4.1任务引入与分析——8路彩灯控制器的设计要求
8.4.2任务实施方案
8.4.3各模块的VHDL源程序设计
8.4.4仿真与调试
8.5简易数字频率计设计
8.5.1任务引入与分析——频率计的设计要求
8.5.2任务实施方案
8.5.3各模块的VHDL源程序设计
8.6“梁祝”乐曲演奏电路设计
8.6.1任务引入与分析
8.6.2任务实施方案
8.6.3各模块的VHDL源程序设计
8.6.4调试与实现
8.7综合训练题
附录GW48系列EDA实验开发系统使用说明
参考文献

序言
EDA技术是近年迅速发展起来的计算机软件、硬件和微电子交叉的现代电子设计学科,是现代电子工程领域的一门新技术。它是以可编程逻辑器件CPLD/FPGA为物质基础,以计算机为工作平台,以EDA工具软件为开发环境,以硬件描述语言HDL作为电子系统功能描述的主要方式,以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。
在当今这个以数字化和网络化为特征的信息技术革命大潮中,电子技术获得了飞速发展,现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域。现代电子产品的性能也在进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。不仅如此,现代电子产品还正在以前所未有的革新速度,向着功能多样化、体积小型化、功耗最低化的方向迅速发展。所有这些,都离不开EDA技术的有力支持,难怪有专家指出,现代电子设计技术的发展,主要体现在EDA工程领域。EDA是电子产品开发研制的动力源和加速器,是现代电子设计的核心。因此,在大中专院校的电子、通信、控制、计算机等各类学科的教学中引入EDA技术的内容,以适应现代电子技术的飞速发展是很有必要的。
于是,编者在从事多年EDA教学的基础上,以满足教学需求为目标,以跟踪新技术、强化能力、重在应用为指导思想,使教材满足高职院校对高级技能人才的培养需求,适应区域、行业经济和社会发展。本版教材的特点如下:
(1)突破传统的教材体系结构,围绕能力本位教育理念和基于任务驱动的课程开发思想,采用模块化和任务驱动式教学方法构建教学内容,体现“教、学、做”一体化特点,以解决实践问题为纽带,实现理论、实践,知识、技能以及职业素养的有机整合,满足培养高技能应用型人才的需求。
(2)教材注重实践,提倡“做中学,学中做”,以任务驱动教学。首先从学生感兴趣的任务引入开始,要求学生对任务分析、语言或图形描述、设计输入、编译仿真和硬件验证5个方面开放学习,引导学生掌握相应知识点和操作技能。
(3)教材内容编排时由浅入深,由易到难,简明扼要,图文并用,实例丰富。每个模块或任务均对职业岗位所需知识和能力目标进行恰当设计,以典型项目导入,包括任务引入、知识准备、任务实施、拓展训练等。变被动学习为主动学习,把职业能力的培养融汇于教材之中。
(4)教材以可编程逻辑器件基本知识、EDA工具软件和实验开发系统的使用及VHDL语言知识及编程能力等基本知识、基本技能为重点,使理论指导实践,通过实践再加强理论,最终突出技能训练。教材内容紧紧围绕EDA技术入门级知识—EDA软件的使用方法—VHDL语言要素及语句—VHDL程序分析技能实训—简单设计技能实训—综合实训—现场实训7个教学环节进行组织。
本书由河南工业大学焦素敏担任主编,并完成模块二、三、四中任务4~任务8的编写工作,杨志晓担任副主编并编写模块一中的任务1和任务2,李智慧参加了模块一中任务3和附录的编写工作。编写过程中还参考了许多学者和专家的著作及研究成果,在此谨向他们表示诚挚谢意。
由于作者水平有限,书中难免存在不足之处,敬请读者批评指正。

编者
2013年8月

文摘
版权页:



插图:



程序包STD_LOGIC_ARITH、STD_LOGIC_UNSIGNED和STD_LOGIC_SIGNED虽然未成为IEEE标准,但已经成为事实上的工业标准,绝大多数VHDL综合器和VHDL仿真器都支持它们。
④STANDARD和TEXTIO程序包:STANDARD和TEXTIO程序包都是STD库中的预编译程序包。STANDARD程序包中定义了许多基本的数据类型、子类型和函数。由于STANDARD程序包是VHDL标准程序包,实际应用中已隐性地打开了,所以不必再用USE语句另作声明。TEXTIO程序包定义了支持文本文件操作的许多类型和子程序。在使用本程序包之前,需加语句USE STD.TEXTIO.ALL。
TEXTIO程序包主要供仿真器使用。可以用文本编辑器建立一个数据文件,文件中包含仿真时需要的数据,仿真时用TEXTIO程序包中的子程序存取这些数据。在VHDL综合器中,此程序包被忽略。
4.1.6配置(CONFIGURATION)部分说明
(1)配置的作用
前面对8位比较器进行了不同方式的描述,到底哪种方式效果最好?这是设计者经常碰到的问题。为了对多个设计方案进行对比和选择,可在设计文件中添加配置部分。利用配置,从多个结构体中每次为设计实体指定一个结构体,通过比较每次仿真的结果,选出性能最佳的结构体。另外,在元件例化过程中,也存在类似情况。当某元件实体被其他设计实体引用时,如果元件实体有多个结构体,设计实体在元件例化时可以根据需要选择其中某一个结构体。以上工作可以通过配置语句来完成。
综上所述,配置主要是为顶层设计实体指定结构体,或为参与例化的元件实体指定所希望的结构体,以层次方式来对元件例化作结构配置。如前所述,每个实体可以拥有多个不同的结构体,而每个结构体的地位是相同的,在这种情况下,可以利用配置说明为这个实体指定一个结构体。因此,配置就是把一个确定的结构体关联到(指定给)相应的实体,正如“配置”一词本身的含义一样。

内容简介
本书从EDA技术的应用与实践角度出发,将课程内容进行模块化组合,设置EDA技术基础知识、VHDL硬件描述语言、Quartus II软件的应用、常用电路的VHDL设计实例和EDA设计综合训练5个学习模块,共包含8个任务进行驱动,每个任务又分解为若干个子任务。教学设计以技术项目入手,设计EDA技术入门级知识、EDA软件的使用方法、VHDL语言描述逻辑系统功能的方法、VHDL程序分析和简单设计技能实训、综合设计实训5个教学环节,使读者能够理论与实践相融合、课内学习和课外训练相结合,由简单到复杂逐步掌握EDA技术的设计方法。

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