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EDA原理及Verilog HDL实现——从晶体管、门电路到Xilinx Vivado的数字系统设计

EDA原理及Verilog HDL实现
-从晶体管、门电路到Xilinx Vivado的数字系统设计EDA原理及Verilog HDL实现 -从晶体管、门电路到Xilinx Vivado的数字系统设计

 

内容简介

 

         本书是为高等学校电子信息类和其它相关专业编写的数字系统设计教材。本书共分为11章,主要内容包括:数字逻辑基础、可编程逻辑器件工艺和结构、Vivado集成开发环境IP设计流程、Vivado集成开发环境Verilog HDL设计流程、Verilog HDL语言规范、基本数字单元Verilog HDL描述、Verilog HDL数字系统设计和实现、创建和封装用户IP设计和实现、Vivado调试工具原理及实现、数字系统高级设计方法、数模混合系统设计。
        本书以Xilinx Artix-7系列FPGA器件和Xilinx最新一代的Vivado 2015.4集成开发环境为设计平台,根据数字系统设计课程的教学要求以及作者多年的教学经验,将本科传统的数字电子技术(数字逻辑)课程与复杂数字系统设计课程相融合,遵循循序渐进,由浅入深的原则,内容涵盖了晶体管、门电路、数字逻辑理论、组合逻辑和时序逻辑、可编程逻辑器件结构、Vivado集成开发环境设计流程、Verilog HDL语言、Verilog HDL复杂数字系统设计、IP封装与调用、在线逻辑分析仪工具以及数模混合系统设计等方面。
        为了方便教师的教学和学生的自学,书中给出了大量的设计实例,并配套了教学资源(详见书中学习说明)。本书可作为本科生和研究生学习数字系统设计相关课程的教材,也可作为从事Xilinx FPGA设计的工程技术人员的参考用书,同时也可作为Xilinx大学计划培训的授课教材。

前 言


        随着半导体技术的不断演进和发展,基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的数字系统设计朝着系统化和集成化的方向发展。特别是,作为全球最大的可编程逻辑器件厂商美国赛灵思(Xilinx)公司不断推出新器件、新设计工具和新设计方法,这些都将进一步的扩展FPGA在通信、人工智能、机器学习等复杂数据处理方面的应用,也将成为电子信息类专业学生必须掌握的一项专业技能。
        目前,国内电子信息类专业学生所学的传统数字逻辑理论和设计方法远远不能应对这种挑战。为了应对这种挑战,国内很多高校的电子信息类专业在开设传统数字逻辑课程的基础上,又单独开设了基于硬件描述语言(Hardware Description Language,HDL)的数字系统设计课程。这种授课方式不但不利于知识点之间的有机衔接,同时也加重了学生的学习负担。
        因此,国内越来越多高校的电子信息类专业授课教师希望将传统数字逻辑课程和基于HDL的数字系统设计课程进行系统化融合。在这种需求背景下,作者根据多年的授课经验和学生实训成果,将传统的数字逻辑课程和基于HDL的数字系统设计课程进行系统化深度融合,编写了该教材。在编写教材的过程中,本着由浅入深,由易到难的原则,在参考国外已经出版的数字设计教材和作者已经出版的《Xilinx FPGA数字设计-从门级到行为级双重HDL描述》(清华大学出版社,2014.11)教材基础上,对复杂数字系统设计所需要的知识点进行系统化融合。本书内容涵盖晶体管、门电路、布尔逻辑、组合逻辑和时序逻辑、可编程逻辑器件结构、IP核封装和调用、Vivado集成开发工具设计流程、Verilog HDL语言规范、Verilog HDL复杂数字系统设计以及在线逻辑分析仪工具等,其目的是打通数字设计相关课程的知识通道,使学生能系统、全面、扎实的掌握数字设计相关的理论知识和设计方法,为高等学校电子信息类数字设计相关课程的教学改革和课程整合提供教学素材。
与作者已经出版的《Xilinx FPGA数字设计-从门级到行为级双重HDL描述》一书相比,本书做了以下重要的改动:
(1)采用Xilinx 28nm工艺的Aritex 7系列FPGA和Xilinx最新的Vivado 2015.4集成开发环境为设计平台。
(2)突出以IP核为中心的设计思想,增加了IP核封装和IP核调用的内容。
(3)增加在线逻辑分析仪工具内容的讲解,使得读者更熟练的使用该工具对复杂数字系统进行调试。
(4)删除原书最后一章软核处理器PicoBlaze原理及应用的内容(注:该部分内容将使用ARM公司Cortex-M0 MCU代替,并作为单独教材进行更进一步的系统讲解)。
(5)将原书中的VHDL和Verilog HDL语言语法和设计案例,以两个不同版本教材的形式分开介绍,这样更具有针对性。
(6)在介绍数模混合系统一章内容时,使用Xilinx Artix 7系列FPGA器件内集成的XADC模块,使得读者能更深刻的体会半导体技术发展,对未来电子系统设计方法的影响以及SoC器件的概念。
        通过对原书内容的更新和调整,可以说本教材已经涵盖了数字系统设计所必需的知识点,同时也反映了复杂数字系统设计的最新发展动态。
在讲授和学习本书内容时,教师和学生可以根据教学时数和内容的侧重点不同,适当将相关章节的内容进行调整和删减。为了让读者更好地掌握相关内容,本书还给出了大量设计示例程序和习题。本书不仅可以作为大学信息类专业讲授数字电子线路、数字逻辑和复杂数字系统设计相关课程的教学用书,也可以作为从事相关课程教学和科研工作者的参考用书。
        为了方便老师的教学和学生的自学,提供了该教材的教学课件和所有设计实例的完整设计文件,这些设计资源可以在本书学习说明给出的网站上下载。
在本书的编写过程中引用和参考了许多著名学者和专家的研究成果,同时也参考了Xilinx公司的技术文档和手册。在本书的编写过程中,Xilinx的多位技术专家解答了作者设计中所遇到的各种问题,在此特别向他们表示衷心的感谢。在本书的出版过程中,得到了Xilinx公司大学合作计划和TI大学合作计划的大力支持和帮助。在本书编写的过程中,作者的学生李宝隆、张艳辉,汤宗美、王中正负责第1章~第11章部分内容的编写和设计实例的验证工作,在此一并向他们表示感谢。在本书出版的过程中也得到了清华大学出版社各位编辑的帮助和指导,在此也表示深深的谢意。
由于编者水平有限,编写时间仓促,书中难免有疏漏之处,敬请读者批评指正。


                                                              作者
2016年4月于北京

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