内容简介

本书根据电子类课程的教学和实验要求，以提高学生的实践动手能力和工程设计能力为目的，对EDA技术、VHDL硬件描述语言、CPLD/FPGA开发应用及相关知识进行了系统和完整的介绍。读者通过学习本书，可以了解EDA的基本知识并初步掌握CPLD/FPGA的开发应用能力。 全书共分7章，主要内容包括：绪论、CPLD/FPGA结构原理、Altera可编程逻辑系列器件、VHDL硬件描述语言、VHDL设计应用实例、Quartus Ⅱ软件及其应用以及EDA技术综合设计应用。本书内容新颖，技术先进，由浅入深，既有关于EDA技术、大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA及VHDL硬件描述语言的系统介绍，又有丰富的设计应用实例。1

前言

《可编程逻辑器件与EDA技术》是上海工程技术大学电子信息工程系在近年的教学改革的要求下，针对加强工程实践教育，提高教育质量，培养具有实践能力和创新能力的卓越工程师而编写的一本教材。　　“可编程器件应用”课程是上海工程技术大学电子信息工程及广电通信与网络工程专业的一门特色选修课程。可编程逻辑器件是近几年发展起来的一种新型集成电路，是当前数字系统设计的主要硬件基础，是硬件编程语言HDL的物理实现工具。可编程逻辑器件对数字系统设计自动化起着很大的推动作用，可以说，没有可编程逻辑器件就没有当前的数字电路自动化。目前，由于这种以可编程逻辑器件为原材料，从“制造自主芯片”开始的EDA设计模式已成为当前数字系统设计的主流，因此要学习世界先进的数字系统设计方法，就要认识并使用可编程逻辑器件。EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方法设计电子系统的一门新技术。　　随着EDA技术的发展和应用领域的扩大，EDA技术在电子信息、通信、自动控制及计算机应用等领域的重要性日益突出。同时，随着技术市场与人才市场对EDA技术需求的不断提高，产品的市场效率和技术要求也必然会反映到教学和科研领域中来。因此国内外许多著名院校都开设EDA技术的教学与实践课程，这是科技发展和市场需求双重影响的结果。为了适应这一需求，突出可编程逻辑器件和EDA技术在高新技术行业的实用性，面向工程实训的特点，以及培养学生的自主创新能力，编写一本既适应本专业学生特点又适应卓越工程师培养目标要求的教材显得十分必要。本书力求将可编程逻辑器件和EDA技术的最新发展成果、现代电子设计最前沿的理论和技术、国际业界普遍接受和认可的EDA软硬件开发平台的实用方法，通过合理的综合和萃取，奉献给读者。　　本书从工程的角度全面介绍了可编程逻辑器件的基本概念、结构、特点、技术原理及其在数字系统设计中的典型应用，并从初学者的角度入手，以清晰的知识结构为读者提供了大量的工程应用实例，使读者快速上手, 具有较高的参考价值。本书的主要内容包括EDA技术的概念及其发展历程、CPLD/FPGA结构原理、Altera可编程逻辑器件、VHDL硬件描述语言、VHDL设计应用实例、Quartus Ⅱ软件及其应用以及EDA技术综合设计应用。本书在综合国内外同类教材特点的基础上，在满足课程教学基本要求的前提下，对教学内容精心选择，既注重基础知识，又体现其先进性，并突出可编程逻辑器件在数字系统设计中的具体应用。本书的特点主要体现在以下几个方面：　　（1） 注重基本概念： 本书主要从数字系统设计者和使用者的角度讲述可编程逻辑器件与EDA技术的应用和深入研究所必备的基本概念和方法。　　(2） 突出实践应用： 本书内容在编排上力求尽可能把可编程逻辑器件与EDA技术发展的新成果吸收进来，把可编程逻辑器件在数字系统中的实际应用以综合设计实例的形式呈现在读者面前。书中介绍了数字系统的设计思想及硬、软件实现方案，便于读者边学习边实践，加快掌握可编程逻辑器件与EDA技术应用的进程。　　（3） 合理编排内容： 本书注重概念的系统性，由浅入深，循序渐进，使读者便于从概念层次、技术层次和应用层次上对可编程逻辑器件与EDA技术的设计和实现有一个真正的了解。　　本书由上海工程技术大学电子电气工程学院组织编写，方易圆编著。邓琛教授对本书的编写工作给了大量指导，并主审，在此表示衷心的感谢。作者在编写本书的过程中，参阅了大量的国内外参考文献，总结了多年的教学与实践经验，并得到了电子电气工程学院各位领导及电子信息工程系各位老师的大力支持和帮助，同时也得到了家人和朋友的鼎力相助，在此表示衷心的感谢。　　限于作者的水平，错误之处在所难免，恳请读者批评指正。

编者　　上海工程技术大学　　2013年10月

目录

第1章绪论1　　1.1EDA技术简介1　　1.2可编程逻辑器件的发展概况4　　1.3数字系统EDA设计语言6　　1.4EDA与传统电子设计方法9　　1.4.1传统的电子设计方法9　　1.4.2自顶向下的电子设计方法10　　1.4.3EDA与传统电子设计方法的比较12　　1.5深亚微米14　　1.6IP核14　　1.7本章小结14　　思考与练习15　　第2章CPLD/FPGA结构原理16　　2.1可编程逻辑器件入门16　　2.1.1逻辑器件含义16　　2.1.2可编程逻辑器件PLD20　　2.1.3可编程逻辑器件的优点21　　2.1.4可编程逻辑器件的发展趋势22　　2.1.5几大PLD生产厂家24　　2.2PLD的分类24　　2.2.1按集成度区分24　　2.2.2按结构特点区分24　　2.2.3按编程工艺区分25　　2.3简单PLD结构原理26　　2.3.1逻辑符号表示方法26　　2.3.2PROM结构原理272.3.3PLA结构原理28　　2.3.4PAL结构原理30　　2.3.5GAL结构原理32　　2.4CPLD的结构及其工作原理35　　2.5FPGA的结构及其工作原理40　　2.5.1查找表型FPGA逻辑结构41　　2.5.2Cyclone Ⅲ系列器件的结构与工作原理44　　2.5.3FLEX/ACEX系列FPGA芯片内部结构49　　2.5.4SpartanⅡ系列FPGA内部结构50　　2.5.5基于乘积项的可编程逻辑器件52　　2.5.6其他结构的可编程逻辑器件54　　2.5.7FPGA与CPLD的区别54　　2.6本章小结55　　思考与练习56　　第3章Altera可编程逻辑系列器件57　　3.1概述57　　3.1.1Altera器件性能特点57　　3.1.2Altera器件系列59　　3.2MAX7000系列器件62　　3.2.1MAX7000器件性能特点62　　3.2.2MAX7000S/E器件结构63　　3.2.3MAX7000器件特性设定68　　3.2.4MAX7000器件编程测试69　　3.3FLEX10K系列器件70　　3.3.1FLEX10K器件性能特点70　　3.3.2FLEX10K器件结构71　　3.3.3FLEX10K器件特性设定82　　3.3.4FLEX10K器件配置与测试84　　3.4APEX20K系列器件85　　3.4.1APEX20K器件性能特点85　　3.4.2APEX20K器件结构87　　3.4.3APEX20K系列器件的嵌入式系统块92　　3.4.4APEX20K器件I/O结构96　　3.4.5APEX20K器件的配置与测试100　　3.5Cyclone系列器件架构及简介101　　3.5.1Cyclone器件简介101　　3.5.2Cyclone Ⅱ器件简介110　　3.6Stratix系列器件117　　3.6.1Stratix器件简介117　　3.6.2Stratix Ⅱ器件简介126　　3.7Stratix GX系列器件138　　3.8本章小结143　　思考与练习143　　第4章VHDL硬件描述语言144　　4.1VHDL概述144　　4.2VHDL基本结构与要素145　　4.2.1实体（ENTITY）147　　4.2.2结构体（ARCHITECTURE）148　　4.2.3程序包（PACKAGE）与库（LIBRARY）150　　4.3VHDL数据类型和数据对象151　　4.3.1VHDL标记151　　4.3.2VHDL数据类型153　　4.3.3VHDL运算符159　　4.3.4VHDL数据对象161　　4.4VHDL基本语句165　　4.4.1并行信号赋值语句165　　4.4.2条件赋值语句，WHENELSE166　　4.4.3选择信号赋值语句，WITHSELECT167　　4.4.4块（BLOCK）语句167　　4.4.5IFELSE语句169　　4.4.6CASEWHEN语句171　　4.4.7FORLOOP语句172　　4.4.8NEXT语句173　　4.4.9EXIT语句173　　4.5VHDL高级语句174　　4.5.1进程（PROCESS）语句174　　4.5.2元件（COMPONENT）定义语句和元件例化（PORT MAP）　　语句175　　4.5.3生成(GENERATE)语句177　　4.5.4子程序（SUBPROGRAM）180　　4.6本章小结182　　思考与练习182　　第5章VHDL设计应用实例185　　5.1组合逻辑电路的分析与设计185　　5.1.1门电路185　　5.1.2编码器187　　5.1.3译码器188　　5.1.4多路选择器190　　5.1.5数值比较器193　　5.1.6加法器195　　5.2时序逻辑电路设计196　　5.2.1时钟信号和复位信号196　　5.2.2触发器197　　5.2.3寄存器和移位寄存器203　　5.2.4计数器208　　5.3存储器设计212　　5.3.1RAM随机存储器213　　5.3.2ROM只读存储器214　　5.3.3堆栈215　　5.3.4FIFO存储器218　　5.4状态机设计219　　5.4.1摩尔型状态机220　　5.4.2米里型状态机221　　5.5本章小结224　　思考与练习224　　第6章Quartus Ⅱ软件及其应用228　　6.1Quartus Ⅱ功能简介228　　6.2原理图编辑输入法231　　6.2.1建立Quartus Ⅱ工程文件233　　6.2.2建立图形设计文件235　　6.2.3对设计文件进行编译237　　6.2.4引脚分配238　　6.2.5设计仿真243　　6.2.6目标器件加载246　　6.2.7实验现象与结果247　　6.3文本编辑输入法248　　6.3.1编辑设计文件248　　6.3.2创建工程249　　6.3.3编译250　　6.3.4仿真252　　6.3.5引脚锁定和下载254　　6.4层次电路设计254　　6.4.1顶层文件设计255　　6.4.2创建各模块的下层设计文件257　　6.4.3设计项目的编译仿真258　　6.4.4层次显示258　　6.5LPM参数化宏功能模块及应用260　　6.5.1IP的概念及Altera的IP260　　6.5.2Alter宏功能模块应用实例262　　6.6本章小结265　　思考与练习265　　第7章EDA技术综合设计应用267　　7.1数字钟设计267　　7.1.1设计方案的选择267　　7.1.2数字钟的工作原理268　　7.1.3系统设计方案268　　7.1.4具体设计流程268　　7.1.5模块设计与分析270　　7.1.6顶层文件的设计277　　7.1.7实验结果277　　7.1.8设计总结278　　7.2直接数字频率合成器(DDS)的设计279　　7.2.1DDS的工作原理279　　7.2.2DDS的VHDL实现280　　7.2.3DDS的Quartus Ⅱ仿真283　　7.3通用异步收发器UART的设计284　　7.3.1UART的基本工作原理284　　7.3.2UART的实现285　　7.3.3各模块的仿真287　　7.3.4UART的顶层RTL电路288　　7.4等精度频率计的设计289　　7.4.1等精度测频原理289　　7.4.2等精度测频的实现方案290　　7.4.3系统总体设计方案与功能仿真291　　7.4.4测量结果及误差分析296　　7.5本章小结296　　参考文献297

参考资料