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  • EDA技术与Verilog HDL设计

    作者:黄 勇

    随着信息技术的快速发展,电子产品、电子系统的设计正在发生着深刻的变化。这些变化包括:数字化,性能和复杂度大幅提高,更新换代快,等等。作为电子系统产品的核心,大规模集成电路(VLSI)的发展十分迅速,制造工艺正朝着深亚微米工艺发展,通过IP(Intelligence Property)核的复用实现了在单芯片上完成一个复杂系统的设计。同时,电子系统设计的复杂度也大大提高,对电子设计的自动化(EDA,Electronic Design Automation)的技术要求也越来越高。可以说,EDA技术是现代电子系统设计的必备技术。在现代复杂电子系统的设计中,若没有EDA工具的辅助,要完成超大规模集成电路设计、数模混合设计、软硬件协同设计等工作将是难以想象的。
    目前,EDA技术已经成为电子信息类专业的学生必须掌握的基本技能。各大院校也早已将其当作一门重要的专业基础课。但随着该技术的发展和教学要求的提高,特别是随着教学的改革和学时的缩减,该课程所涉及的教学内容必须进行优化和更新。基于此,我们编写了这本建议学时为32~40学时的教材。其内容编排的思路是:首先重点介绍EDA技术的基础知识,然后在此基础上通过设计实例深化理解,最后通过实验强化学生对基本内容的掌握,并逐步培养其实践能力。
    本书共分为8章,各章的主要内容如下:
    第1章  EDA技术概述,介绍了电子系统设计技术及其发展历程、EDA技术及其设计流程、EDA技术的发展趋势、本书的主要内容及学习重点。
    第2章  FPGA/CPLD器件结构及其应用,包括PLD器件概述、低密度PLD器件的工作原理与基本结构、常用CPLD器件的工作原理与结构、常用FPGA器件的工作原理与结构、可编程逻辑器件的边界扫描测试技术简介、常用FPGA/CPLD器件的编程与配置、常用FPGA/CPLD器件概述、常用FPGA/CPLD器件标识及选择,以及FPGA/CPLD的发展趋势等。
    第3章  QuartusⅡ集成开发工具及其应用,包括QuartusⅡ设计流程概述、QuartusⅡ开发环境主界面初步认识、QuartusⅡ的基本操作——原理图输入法、QuartusⅡ的基本操作——文本输入法、基于宏功能模块与IP的设计、设计优化与嵌入式测试功能的应用。
    第4章  Verilog HDL结构与要素,包括Verilog HDL的基本结构与描述风格、Verilog HDL语法与要素等。
    第5章  Verilog HDL基本语句,包括过程语句、块语句、赋值语句、条件语句、循环语句、任务与函数、系统函数与编译指示语句等。
    第6章  EDA设计实例,包括常用组合逻辑电路设计、常用时序逻辑电路设计、存储器设计、有限状态机设计、Verilog HDL综合设计及优化。
    第7章  EDA技术实验,包括EDA技术实验基本要求,QuartusⅡ软件使用与简单组合电路设计,8位移位寄存器的设计,带清零、使能的4位加法计数器设计,基于LPM函数的加法电路设计,深度为4的8位RAM设计,计数器及其LED显示设计,任意8位序列检测器设计,数控脉冲宽度调制信号发生器设计。
    第8章  常见EDA实验开发系统简介,包括常见EDA试验开发系统概述、Altera DE2开发板简介等。
    本书由西华大学电气信息学院黄勇教授担任主编并编写第1、4、5、6、7、8章。成都理工大学的任家富教授担任本书副主编并编写了第2、3章。其中,第7章参考了西华大学电气信息学院的EDA实验指导书。全书的统稿工作由黄勇教授完成。在编写过程中,我们努力实现以下目标:注重实用性,突出实践环节及其特点,把学生引入实际工作环境,强化学生实践能力;体现“问题驱动”的教学思想,融入操作性强、贴近实践的教学实例,遵循“提出问题—分析问题—解决问题”这一认知规律,用“问题”驱动教学,以便于教师授课和启发学生思考。
    本书是针对普通高等院校应用型人才培养而编写的教材,同时可作为相关专业技术人员的参考用书。虽然我们的出发点是为广大师生提供一本实用、简明、精练的教材,但限于编写水平,书中肯定存在许多不足之处。我们真诚地希望读者能对书中的不足提出批评,我们将认真听取意见并努力做得更好。

  • 电工电路实验与仿真

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    全书涵盖了电路实验和电工学实验的内容,主要包括:电工电路实验基础知识,基础性实验,综合性实验,设计性实验及实训,Multisim仿真软件使用及在电工电路分析设计中的应用实例。

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    本书系统讲解了传感器技术的基本理论,详细阐述了各类传感器的工作原理、基本结构和测量电路,并给出了具体应用实例。

图书分类

Book classification
  1. 本教材从应用角度出发,在保持数字电路教材经典内容的基础上增加VHDL语言程序设计。主要内容有:逻辑代数基础与信息表示、半导体集成门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲波形的产生与整形、D/A与A/D转换、半导体存储器与可编程逻辑器件、硬件描述语言VHDL等。本教材以独特的视角,采用“提出问题、逻辑抽象、推导演绎”的方法展开讲述,以区别其它教材的讲述方法。特别是在各章节中插入的“说明”具有概括和提...查看更多
  2. 前  言
    现代数字信息化时代,数字电子技术被广泛地应用于计算机、电子与通信、工业控制与检测、家用电器、物联网等诸多领域。数字电路成为高等院校计算机、电子通信、自动控制等电类专业的重要基础课程。要提高我国IC(Integrated Circuit)技术的国际竞争能力,需要大批的微电子工程师。
    如何将数字逻辑设计的基本思想和方法有机地融入传统的数字电路课程之中,又避免篇幅冗长课时不足,是作者长期教学中积极实践探索的目标。本书力求回避“以给定电路进行分析”的模式来介绍常用的逻辑电路,而是采用“提出问题、逻辑抽象、推导演绎”的方法展开讲述。即在不缺失传统数字电路课程主体理论的基础上,突出数字逻辑设计方法论的融入。本书的另一特点是借鉴电影文学的旁白手法,在一些章节中恰当地插入“说明”,这对讲述的内容具有概括和提升作用。增加的“阅读材料”具有拓展视野和加深理解的作用。考虑到数字电路的后续课程有单片机技术,所以有些理论结合单片机原理进行分析,为后续学习单片机技术做一定的铺垫。
    数字电路课程的实验环节非常重要。多年来作者在实验教学中,摒弃了传统的数字电路实验箱与实验指导书,采用“电源+面包板+芯片+元器件”与实验视频相结合,精选二十多个实验提供给学生课内课外完成,其中不乏实用电路的实验。这样做的好处主要有三点:其一,鼓励学生上网搜索芯片特性及元器件参数;其二,实验从每个元件每条线入手,利于培养学生一丝不苟的工匠精神;其三,相对实验箱增强了实验的灵活性,利于激发学生的探索与创新精神。
    实验可分为验证性实验和设计性实验。验证性实验比较简单,一般是对常见的组合逻辑电路和时序逻辑电路的功能进行检验,故建议实验教学的重点放在设计性实验上。教材提供的许多例题和习题均可作为设计性实验,与教材配套的还有实验视频。教材中加“*”的为选学或自学内容。
    本教材为广州工商学院“十三五”质量工程资助项目,即在广州工商学院“十三五”课程与教材建设立项的资助下出版发行。教材的出版承蒙广州工商学院各级领导大力支持,承蒙电子信息工程系全体参编教师辛勤付出,承蒙电子信息工程系邹芳红教授对书稿精心审阅,在此深情鸣谢!
    书中疏漏之处在所难免,恳切读者批评指正。


    作 者
    2019年1月于广州工商学院
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  1. 本教材精炼实用、深入浅出,插图规范美观,章节布局合理,系统完善,可作为电子类、电气类、计算机类等专业的本科教材。
  1. 目  录
    第1章  逻辑代数基础与信息表示 1
    1.1  概  述 1
    1.1.1  模拟信号与数字信号 1
    1.1.2  进制转换 2
    1.1.3  数字系统中信息的表示 4
    1.2  逻辑代数中的基本运算及公式 6
    1.2.1  逻辑函数 6
    1.2.2  基本运算及公式 6
    1.2.3  常用公式及定理 8
    1.2.4  逻辑真值表转换为逻辑函数 9
    1.3  逻辑函数的标准式及化简 10
    1.3.1  逻辑函数的标准式 10
    1.3.2  逻辑函数的卡诺图表示 11
    1.3.3  逻辑函数的公式化简 12
    1.3.4  逻辑函数的卡诺图化简 13
    1.3.5  多输出逻辑函数的化简 16
    习  题 17
    第2章  半导体集成门电路 19
    2.1  半导体开关元件 19
    2.1.1  晶体二极管 19
    2.1.2  晶体三极管 19
    2.1.3  MOS管 20
    2.2  TTL集成门电路 21
    2.2.1  TTL非门 22
    2.2.2  常见TTL门电路 23
    2.3  CMOS集成门电路 29
    2.3.1  CMOS非门 29
    2.3.2  常见CMOS门电路 30
    2.4  集成门电路的连接* 33
    2.4.1  TTL门电路的带负载能力 33
    2.4.2  TTL电路与CMOS电路的连接和比较 35
    习  题 37
    第3章  组合逻辑电路 39
    3.1  组合逻辑电路的分析与设计 39
    3.1.1  组合逻辑电路的分析 39
    3.1.2  组合逻辑电路的设计 40
    3.2  常用组合逻辑电路 42
    3.2.1  优先编码器 42
    3.2.2  译码器 45
    3.2.3  数据选择器 48
    3.2.4  数据比较器* 49
    3.2.5  加法器 52
    3.2.6  函数发生器 55
    3.2.7  奇偶校验电路 55
    3.3  用MSI芯片设计组合逻辑电路 56
    3.3.1  用译码器设计组合逻辑电路 56
    3.3.2  用数据选择器设计组合逻辑电路 57
    3.4  组合逻辑电路中的竞争与险象* 58
    3.4.1  竞争与险象的成因 58
    3.4.2  消除竞争与险象的方法 59
    习  题 60
    第4章  时序逻辑电路 62
    4.1  存储元件——触发器 62
    4.1.1  RS触发器及时钟电平控制的触发器 62
    4.1.2  时钟边沿控制的触发器 66
    4.1.3  各类触发器的替换 68
    4.2  同步时序逻辑电路 70
    4.2.1  同步时序逻辑电路的分析 70
    4.2.2  寄存器 73
    4.2.3  计数器 77
    4.2.4  节拍发生器 85
    4.3  异步时序逻辑电路 86
    4.3.1  异步时序电路的分析 86
    4.3.2  异步计数器 87
    4.4  时序逻辑电路的设计 88
    4.4.1  基于触发器级的时序逻辑电路设计 88
    4.4.2  基于芯片级的时序逻辑电路设计 91
    习  题 93
    第5章  脉冲波形的产生与整形 98
    5.1  555时基电路 98
    5.1.1  矩形脉冲的特性参数 98
    5.1.2  555时基电路的结构及功能 98
    5.2  脉冲波形的产生 99
    5.2.1  环形振荡器 99
    5.2.2  石英晶体振荡器 102
    5.2.3  555时基电路组成的多谐振荡器 102
    5.3  脉冲波形的整形 104
    5.3.1  施密特触发器 104
    5.3.2  单稳态触发器 107
    习  题 109
    第6章  D/A与A/D转换 112
    6.1  集成运算放大器 112
    6.1.1  集成运算放大器介绍 112
    6.1.2  运算电路 113
    6.2  D/A与A/D转换的基本原理 114
    6.2.1  D/A与A/D转换原理 114
    6.2.2  DAC主要技术指标 114
    6.2.3  倒T形电阻网络DAC的转换原理 115
    6.2.4  DAC芯片及连接 116
    6.3  A/D转换器 118
    6.3.1  采样与保持 118
    6.3.2  A/D转换 119
    习  题 124
    第7章  半导体存储器与可编程逻辑器件 125
    7.1  半导体随机存储器 125
    7.1.1  半导体随机存储器介绍 125
    7.1.2  存储器的扩展 129
    7.1.3  相联存储器* 130
    7.2  半导体只读存储器 132
    7.2.1  固定ROM与PROM 133
    7.2.2  可擦除可编程的只读存储器* 134
    7.3  可编程逻辑器件 136
    7.3.1  简单可编程逻辑器件 136
    7.3.2  大规模可编程逻辑器件* 140
    习  题 144
    第8章  硬件描述语言VHDL 146
    8.1  VHDL程序结构 146
    8.1.1  实体与结构体 146
    8.1.2  库、程序包、配置 148
    8.2  VHDL的数据对象、数据类型及操作符 149
    8.2.1  VHDL文字 149
    8.2.2  VHDL数据对象 150
    8.2.3  VHDL数据类型 150
    8.2.4  VHDL操作符 151
    8.3  VHDL基本语句 153
    8.3.1  顺序语句 153
    8.3.2  并行语句 158
    8.3.3  子程序 164
    8.3.4  属性描述 165
    习  题 169
    附  录 170
    附录1  教材实验使用的主要芯片引脚图 170
    附录2  部分设计性实验的解 171
    参考文献 175
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  2. 蒋万君, 广州工商学院副教授 。长期从事数字电路、单片机技术等教学与研究。发表相关学术论文近20篇,获国家新型实用专利3项,2001年获重庆市政府颁发的教学成果二等奖。

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