数字逻辑与VHDL设计
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- 作者： （美）Stephen Brown,Zvonko Vranesic [作译者介绍]
- 译者： 边计年 薛宏熙 吴强
- 丛书名： VHDL与集成电路设计丛书
- 出版社：清华大学出版社
- ISBN：7302079382
- 上架时间：2005-2-18
- 出版日期：2005 年1月
- 开本：185×260
- 页码：622
- 版次：1-1
- 所属分类：
计算机 > 计算机辅助设计与工程计算 > VHDL
内容简介回到顶部↑
本书把数字逻辑设计、VHDL描述以及使用CAD工具三者相结合，不仅帮助读者掌握数字逻辑的设计原理，还帮助读者掌握先进的设计工具，从而能高效地完成一个设计。
本书附有一张光盘，其中包含Altera公司的CAD工具MAX+plus II(学生版)。该软件工具可以把一个用VHDL描述的设计自动映射到可编程器件，即大容量可编程器件(CPLD)或现场可编程门阵列(FPGA)。学生们可以亲手使用MAX+plus II对本书中VHDL实例以及家庭作业做实验。MAX+plus II是一个功能强大的商业化工具，已经在工业界赢得良好声誉。它提供一个成熟的、对用户友好的程序包，工程师们用它进行设计、模拟、测试并最终实现逻辑电路。
VHDL是一种复杂的语言，本书没有对其做全面介绍，而采用循序渐进的方法引导学习。为了便于学生学习MAX+plus II，本书附有3个不同程度的使用指南。
本书适合作计算机和电子工程等专业本科生及研究生的教材，也可作集成电路设计人员的参考书。
本书兼顾经典的现代的数字电路设计方法。使用简单的逻辑电路介绍基本概念，对这些简单的逻辑电路分别用手工方法和基本于现代CAD技术进行设计。在有了基本概念之后，又用CAD工具设计更加复杂而实用的电路。
本书的主要特点是：
·大量的详细实例，从仅含少量基本的逻辑电路到像简单处理器那样的数字系统。
·深入介绍现代数字电路技术，包括CMOS电路和可编程逻辑器件(CPLD和FPGA)。
·以IEEE标准硬件描述语言完整地叙述设计技术。对该语言的介绍方法尽量使初学设计者容易理解。
·本书带有Altera公司的CAD设计系统Max-pluss II(CD-ROM光盘)，还附有一系列包括详细设计步骤的使用指南。在CD-ROM光盘中包含书中出现的所有例子。
·本书的联机学习中心通过因特网提供本书演示文件形式(PowerPoint格式)的图、更多的习题、本书的章节样本、习题指导可供访问，网址为www．mhhe．com／brownvranesic。
本书附有一张光盘，其中包含Altera公司的CAD工具MAX+plus II(学生版)。该软件工具可以把一个用VHDL描述的设计自动映射到可编程器件，即大容量可编程器件(CPLD)或现场可编程门阵列(FPGA)。学生们可以亲手使用MAX+plus II对本书中VHDL实例以及家庭作业做实验。MAX+plus II是一个功能强大的商业化工具，已经在工业界赢得良好声誉。它提供一个成熟的、对用户友好的程序包，工程师们用它进行设计、模拟、测试并最终实现逻辑电路。
VHDL是一种复杂的语言，本书没有对其做全面介绍，而采用循序渐进的方法引导学习。为了便于学生学习MAX+plus II，本书附有3个不同程度的使用指南。
本书适合作计算机和电子工程等专业本科生及研究生的教材，也可作集成电路设计人员的参考书。
本书兼顾经典的现代的数字电路设计方法。使用简单的逻辑电路介绍基本概念，对这些简单的逻辑电路分别用手工方法和基本于现代CAD技术进行设计。在有了基本概念之后，又用CAD工具设计更加复杂而实用的电路。
本书的主要特点是：
·大量的详细实例，从仅含少量基本的逻辑电路到像简单处理器那样的数字系统。
·深入介绍现代数字电路技术，包括CMOS电路和可编程逻辑器件(CPLD和FPGA)。
·以IEEE标准硬件描述语言完整地叙述设计技术。对该语言的介绍方法尽量使初学设计者容易理解。
·本书带有Altera公司的CAD设计系统Max-pluss II(CD-ROM光盘)，还附有一系列包括详细设计步骤的使用指南。在CD-ROM光盘中包含书中出现的所有例子。
·本书的联机学习中心通过因特网提供本书演示文件形式(PowerPoint格式)的图、更多的习题、本书的章节样本、习题指导可供访问，网址为www．mhhe．com／brownvranesic。
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本书提供作译者介绍
Stephen Brown在加拿大的New Brunswick大学获得电气工程的学士学位，在多伦多大学获得电气工程硕士和博士学位。1992年起在多伦多大学任教，现在是电气与计算机工程系的副教授。1999-2000年任美国加州圣荷塞的Altera公司的高级技术成员，从事高级CAD算法和可编程逻辑器件的体系结构方面的工作。
研究领域包括现场可编程VLSI技术、CAD算法、以及计算机体系结构。1992年在加拿大获得加拿大自然科学与工程研究理事会的最佳博士论文奖。
他还获得电气工程、计算机工程和计算机科.. << 查看详细
研究领域包括现场可编程VLSI技术、CAD算法、以及计算机体系结构。1992年在加拿大获得加拿大自然科学与工程研究理事会的最佳博士论文奖。
他还获得电气工程、计算机工程和计算机科.. << 查看详细
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第1章设计概念
1.1数字硬件
1.1.1标准芯片
1.1.2可编程逻辑器件
1.1.3全定制设计芯片
1.2设计过程
1.3数字硬件的设计
1.3.1基本设计周期
1.3.2数字硬件单元的设计
1.4本书的逻辑电路设计
1.5理论与实际
参考文献
第2章逻辑电路导论
2.1变量与函数
2.2反相
2.3真值表
2.4逻辑门与网络
2.4.1逻辑网络的分析
2.5布尔代数
2.5.1文氏图
1.1数字硬件
1.1.1标准芯片
1.1.2可编程逻辑器件
1.1.3全定制设计芯片
1.2设计过程
1.3数字硬件的设计
1.3.1基本设计周期
1.3.2数字硬件单元的设计
1.4本书的逻辑电路设计
1.5理论与实际
参考文献
第2章逻辑电路导论
2.1变量与函数
2.2反相
2.3真值表
2.4逻辑门与网络
2.4.1逻辑网络的分析
2.5布尔代数
2.5.1文氏图
译者序回到顶部↑
随着半导体工艺技术不断迅速发展，集成电路的规模不断扩大，用计算机辅助设计CAD工具进行逻辑电路设计已经逐渐替代人工设计。尤其由于可编程器件CPLD或FPGA的出现，设计者可以很容易地借助CAD工具实现自己所设计的电路。为了帮助读者学会利用CAD工具设计逻辑电路，我们翻译了这本书。
本书最大的特点是将介绍逻辑设计的原理与介绍CAD工具的使用相结合，特别适合于初学设计者。逻辑设计原理的叙述是深刻理解CAD工具的功能和使用方法的坚固基础。本书以大量的篇幅介绍了各类电路的设计方法，包括组合电路和时序电路，以及简单的处理器。通过阅读本书，读者可以很快学会设计具体的逻辑电路。这一点是一般CAD工具书所不能替代的。
VHDL语言是大多数CAD系统所使用的标准硬件描述语言，是用CAD工具设计逻辑电路的基础。但VHDL是复杂的语言，即使对该语言很了解，也不能说能够正确地描述具体电路。为了解决这个问题，本书不但介绍各种电路的VHDL描述方法，而且提供了CD-ROM光盘。该光盘包含有Altera公司的MAX+plus II教学软件，以及许多实例与练习。本书还在附录中详细地介绍了设计电路常用到的VHDL语法和用MAX+plus II软件设计电路的使用指南。为读者自学和实验提供了方便。
本书由边计年翻译第1，2，8，10，11章，薛宏熙翻译第3～7章，吴强翻译第9章和附录。全书由边计年定稿。
在翻译的过程中，得到原书作者的支持与帮助，提供了各章插图的电子版本，在此表示感谢。
由于翻译水平所限，本书一定存在不足之处，衷心欢迎读者批评指正。
译 者
本书最大的特点是将介绍逻辑设计的原理与介绍CAD工具的使用相结合，特别适合于初学设计者。逻辑设计原理的叙述是深刻理解CAD工具的功能和使用方法的坚固基础。本书以大量的篇幅介绍了各类电路的设计方法，包括组合电路和时序电路，以及简单的处理器。通过阅读本书，读者可以很快学会设计具体的逻辑电路。这一点是一般CAD工具书所不能替代的。
VHDL语言是大多数CAD系统所使用的标准硬件描述语言，是用CAD工具设计逻辑电路的基础。但VHDL是复杂的语言，即使对该语言很了解，也不能说能够正确地描述具体电路。为了解决这个问题，本书不但介绍各种电路的VHDL描述方法，而且提供了CD-ROM光盘。该光盘包含有Altera公司的MAX+plus II教学软件，以及许多实例与练习。本书还在附录中详细地介绍了设计电路常用到的VHDL语法和用MAX+plus II软件设计电路的使用指南。为读者自学和实验提供了方便。
本书由边计年翻译第1，2，8，10，11章，薛宏熙翻译第3～7章，吴强翻译第9章和附录。全书由边计年定稿。
在翻译的过程中，得到原书作者的支持与帮助，提供了各章插图的电子版本，在此表示感谢。
由于翻译水平所限，本书一定存在不足之处，衷心欢迎读者批评指正。
译 者
序言回到顶部↑
数字逻辑设计是大多数电子和计算机工程专业的一门基础课程，本书为入门教程。要想成功设计数字逻辑电路，设计者首先必须深入理解其基本概念，并能够灵活掌握计算机辅助设计(CAD)工具。本书正是兼顾基本概念与CAD工具的实际应用两个方面。为了提高学习效果，本书带有一张必要的CAD软件CD盘。
许多关于数字逻辑设计的书籍普遍存在的一个严重缺点是所包含的材料往往过多。一本书包含大量的话题是难以在课堂上使用的，尤其当这些话题讲得不够深入时更是如此。另一些作者则试图提供大量的实践指导，而学生往往还在钻研基本概念，跟不上教材。我们力图避免这两个问题。
本书的特点为：(1)先用典型的数字电路手工设计方法教给学生基本概念；(2)用CAD工具清楚地阐明当今设计数字电路的方法。尽管目前除了少数情况外，已经不再用手工的方法设计，我们还是想把这些技术教给学生，使学生对如何设计数字电路有感性认识。另外，手工方法对CAD工具实现的功能提供了很好的解释，使学生能够体会自动设计的优点。本书始终以简单电路设计例子引出基本概念，这些例子都同时用手工方法和现代CAD方法设计。在掌握基本概念之后，再提供一些用CAD工具的复杂例子。我们的重点仍放在现代设计方法上，阐明当今数字电路是如何设计的。
1．实现技术和所提供的CAD工具
本书讨论当前数字电路的实现技术。简单讨论小规模集成电路(SSI)及半定制、全定制技术，但其重点是可编程逻辑器件(PLD)。PLD技术最适合于教科书，主要有两个原因：第一，PLD在实践中广泛应用，而且适合于几乎全部数字电路设计类型。事实上，学生在实际工作中往往更愿意接纳基于PLD的设计。第二，PLD电路可由终端用户所实现，因而在实验室内就可为学生提供一个在实际芯片上实现书中设计例子的机会。学生也可以在自己的计算机上模拟自己设计的电路。我们采用两种最常用的PLD类型作为设计对象：复合可编程逻辑器件(complex programmable logic devices，CPLD)和现场可编程门阵列(field-programmable gate arrays，FPGA)。
我们介绍的CAD设计方法是以Altera公司的MAX+plus II软件为基础的。该数字电路设计软件已经赢得工业界的赞誉，它是一个便于使用的成熟的实用软件包。MAX+plus II提供了将设计自动匹配到Altera CPLD和FPGA的功能，已经在工业界获得广泛应用。MAX+plus II最吸引入的地方有下列几点：
·MAX+plus II是技术上成熟的商业化产品。本书所用的版本支持该系统的所有主要部分，学生将能够很容易地学会用CAD系统设计，在所选择的器件上实现自己的设计，并可以随时改变所选的器件，可以在不同器件上实现设计。
·MAX+plus II提供了用硬件描述语言(hardware description language，HDL)和原理图编辑两种把设计输入到计算机的手段。本书提供了用原理图编辑的实例，但着重介绍基于硬件描述语言的设计方法，因为这是实际使用的最有效的设计方法。详细介绍了IEEE的标准VHDL语言，并用于许多例子中。本书用的CAD系统包含一个VHDL编译器，它将学生设计的VHDL代码自动生成电路描述，并在实际芯片上实现这个电路。
·MAX+plus II可以自动用各种不同的器件实现一个设计。我们将说明选择不同的器件如何影响所设计的电路。
·MAX+plus II可以在绝大多数类型的通用计算机上运行。我们希望大多数学生使用在(可运行微软Windows的任意版本)IBM兼容机上可运行的软件版本，本书就提供了这样的版本。然而Altera公司也提供了可用于其他计算机的教学软件，如SUN和HP工作站。
每本书都带有一张MAX+plus II的光盘。软件的使用贯穿本书，学生有能力首先运行所有的设计例子。为了使学生学会如何使用这些软件，本书提供了3个循序渐进的实用指南。
2．本书内容
第1章为数字系统设计过程概述，讨论了设计过程的关键步骤，说明了如何用CAD工具自动实现所要求的任务。
第2章介绍逻辑电路的基本知识，介绍用来表示逻辑电路的布尔代数。向读者第1次展现VHDL，一个可用来描述逻辑电路的硬件描述语言的例子。
第3章介绍数字电路在电子方面的知识，告诉读者如何用晶体管构造基本门，并展示影响电路性能的各种可变因素。其重点放在最近的工艺技术，尤其是CMOS工艺和可编程逻辑。
第4章为组合电路的综合技术，覆盖综合过程的所有方面，从初始设计开始，经过优化步骤，得到所期望的最终电路。其中介绍了如何用CAD工具实现这些目标。
第5章集中讨论实现算术运算的电路，首先讨论在数字系统中如何表示数，然后说明这样的数如何在数字电路中使用。本章阐明如何用VHDL描述所期望的功能，CAD工具提供哪些机制用来开发所期望的电路。我们还在本章介绍数的表示，而不是在全书的开头介绍，以便使得对数的讨论更有意义也更有趣，这是因为我们在这里就可以提供在实际电路中如何处理数值的例子。
第6章介绍用作组成模块的组合电路，包括编码器、译码器和多路器。这些电路非常便于阐明许多VHDL构造的应用，给读者提供一个机会去发现更多的VHDL高级特性。
第7章介绍存储元件，讨论如何用触发器实现规则结构，如移位寄存器和计数器，并给出这些电路的VHDL描述。本章末尾给出一个较大的设计例子。
第8章给出同步时序电路(有限自动机)的详细表述，阐明了这些电路的行为，并介绍用手工和自动两种方法开发实际设计的技术。
许多关于数字逻辑设计的书籍普遍存在的一个严重缺点是所包含的材料往往过多。一本书包含大量的话题是难以在课堂上使用的，尤其当这些话题讲得不够深入时更是如此。另一些作者则试图提供大量的实践指导，而学生往往还在钻研基本概念，跟不上教材。我们力图避免这两个问题。
本书的特点为：(1)先用典型的数字电路手工设计方法教给学生基本概念；(2)用CAD工具清楚地阐明当今设计数字电路的方法。尽管目前除了少数情况外，已经不再用手工的方法设计，我们还是想把这些技术教给学生，使学生对如何设计数字电路有感性认识。另外，手工方法对CAD工具实现的功能提供了很好的解释，使学生能够体会自动设计的优点。本书始终以简单电路设计例子引出基本概念，这些例子都同时用手工方法和现代CAD方法设计。在掌握基本概念之后，再提供一些用CAD工具的复杂例子。我们的重点仍放在现代设计方法上，阐明当今数字电路是如何设计的。
1．实现技术和所提供的CAD工具
本书讨论当前数字电路的实现技术。简单讨论小规模集成电路(SSI)及半定制、全定制技术，但其重点是可编程逻辑器件(PLD)。PLD技术最适合于教科书，主要有两个原因：第一，PLD在实践中广泛应用，而且适合于几乎全部数字电路设计类型。事实上，学生在实际工作中往往更愿意接纳基于PLD的设计。第二，PLD电路可由终端用户所实现，因而在实验室内就可为学生提供一个在实际芯片上实现书中设计例子的机会。学生也可以在自己的计算机上模拟自己设计的电路。我们采用两种最常用的PLD类型作为设计对象：复合可编程逻辑器件(complex programmable logic devices，CPLD)和现场可编程门阵列(field-programmable gate arrays，FPGA)。
我们介绍的CAD设计方法是以Altera公司的MAX+plus II软件为基础的。该数字电路设计软件已经赢得工业界的赞誉，它是一个便于使用的成熟的实用软件包。MAX+plus II提供了将设计自动匹配到Altera CPLD和FPGA的功能，已经在工业界获得广泛应用。MAX+plus II最吸引入的地方有下列几点：
·MAX+plus II是技术上成熟的商业化产品。本书所用的版本支持该系统的所有主要部分，学生将能够很容易地学会用CAD系统设计，在所选择的器件上实现自己的设计，并可以随时改变所选的器件，可以在不同器件上实现设计。
·MAX+plus II提供了用硬件描述语言(hardware description language，HDL)和原理图编辑两种把设计输入到计算机的手段。本书提供了用原理图编辑的实例，但着重介绍基于硬件描述语言的设计方法，因为这是实际使用的最有效的设计方法。详细介绍了IEEE的标准VHDL语言，并用于许多例子中。本书用的CAD系统包含一个VHDL编译器，它将学生设计的VHDL代码自动生成电路描述，并在实际芯片上实现这个电路。
·MAX+plus II可以自动用各种不同的器件实现一个设计。我们将说明选择不同的器件如何影响所设计的电路。
·MAX+plus II可以在绝大多数类型的通用计算机上运行。我们希望大多数学生使用在(可运行微软Windows的任意版本)IBM兼容机上可运行的软件版本，本书就提供了这样的版本。然而Altera公司也提供了可用于其他计算机的教学软件，如SUN和HP工作站。
每本书都带有一张MAX+plus II的光盘。软件的使用贯穿本书，学生有能力首先运行所有的设计例子。为了使学生学会如何使用这些软件，本书提供了3个循序渐进的实用指南。
2．本书内容
第1章为数字系统设计过程概述，讨论了设计过程的关键步骤，说明了如何用CAD工具自动实现所要求的任务。
第2章介绍逻辑电路的基本知识，介绍用来表示逻辑电路的布尔代数。向读者第1次展现VHDL，一个可用来描述逻辑电路的硬件描述语言的例子。
第3章介绍数字电路在电子方面的知识，告诉读者如何用晶体管构造基本门，并展示影响电路性能的各种可变因素。其重点放在最近的工艺技术，尤其是CMOS工艺和可编程逻辑。
第4章为组合电路的综合技术，覆盖综合过程的所有方面，从初始设计开始，经过优化步骤，得到所期望的最终电路。其中介绍了如何用CAD工具实现这些目标。
第5章集中讨论实现算术运算的电路，首先讨论在数字系统中如何表示数，然后说明这样的数如何在数字电路中使用。本章阐明如何用VHDL描述所期望的功能，CAD工具提供哪些机制用来开发所期望的电路。我们还在本章介绍数的表示，而不是在全书的开头介绍，以便使得对数的讨论更有意义也更有趣，这是因为我们在这里就可以提供在实际电路中如何处理数值的例子。
第6章介绍用作组成模块的组合电路，包括编码器、译码器和多路器。这些电路非常便于阐明许多VHDL构造的应用，给读者提供一个机会去发现更多的VHDL高级特性。
第7章介绍存储元件，讨论如何用触发器实现规则结构，如移位寄存器和计数器，并给出这些电路的VHDL描述。本章末尾给出一个较大的设计例子。
第8章给出同步时序电路(有限自动机)的详细表述，阐明了这些电路的行为，并介绍用手工和自动两种方法开发实际设计的技术。
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