VHDL for Engineers

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出版者:Prentice Hall
作者:Kenneth L. Short
出品人:
页数:720
译者:
出版时间:2008-04-19
价格:USD 126.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780131424784
丛书系列:
图书标签:
  • VHDL
  • 数字电路设计
  • FPGA
  • Verilog
  • 硬件描述语言
  • 电子工程
  • 可编程逻辑器件
  • EDA
  • 模拟电路
  • 数字系统设计
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具体描述

Suitable for use in a one- or two-semester course for computer and electrical engineering majors. VHDL for Engineers teaches readers how to design and simulate digital systems using the hardware description language, VHDL. These systems are designed for implementation using programmable logic devices (PLDs) such as complex programmable logic devices (CPLDs) and field programmable gate arrays (FPGAs). The book focuses on writing VHDL design descriptions and VHDL testbenches. The steps in VHDL/PLD design methodology are also a key focus. Short presents the complex VHDL language in a logical manner, introducing concepts in an order that allows the readers to begin producing synthesizable designs as soon as possible.

《数字电路设计导论》 本书旨在为初学者构建坚实的数字电路设计理论基础,深入浅出地剖析了数字逻辑设计的核心概念和方法。从最基础的布尔代数和逻辑门出发,逐步引导读者理解组合逻辑电路和时序逻辑电路的原理。 第一部分:数字逻辑基础 布尔代数与逻辑运算: 详细阐述了布尔代数的基本定律、定理以及逻辑门(AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR)的功能和真值表。通过大量实例,展示如何使用布尔代数进行逻辑表达式的简化,以及卡诺图(Karnaugh Map)等图形化方法在简化复杂逻辑函数中的应用。 逻辑门电路实现: 介绍了如何使用基本逻辑门构建更复杂的逻辑单元,如多路选择器(Multiplexer)、译码器(Decoder)、编码器(Encoder)和加法器(Adder)等。重点分析这些电路的功能、设计步骤和实际应用场景。 组合逻辑电路设计: 深入探讨组合逻辑电路的设计流程,包括需求分析、逻辑功能描述、真值表构建、逻辑表达式推导、卡诺图化简以及电路实现。涵盖了常见的组合逻辑模块,如比较器、数据分配器等。 第二部分:时序逻辑电路 触发器(Flip-Flop)与寄存器(Register): 详细介绍不同类型的触发器,包括SR触发器、D触发器、JK触发器和T触发器,以及它们的激励表、状态图和时序波形。重点讲解触发器的工作原理,以及如何利用它们构建能够存储状态的电路元件。在此基础上,介绍寄存器的构成、功能和应用,如并行输入并行输出(PIPO)、串行输入并行输出(SIPO)等。 时钟(Clock)与同步设计: 阐述了时钟信号在数字系统中的关键作用,以及同步时序逻辑设计的概念。分析了时钟周期、时钟占空比、时钟抖动等参数对电路性能的影响,并介绍了如何设计避免亚稳态(Metastability)的电路。 计数器(Counter): 涵盖了异步计数器(Ripple Counter)和同步计数器(Synchronous Counter)的设计与分析。包括二进制计数器、十进制计数器(BCD Counter)以及可预置(Preset)和可清零(Clear)功能的计数器。通过实例展示计数器在频率分频、定时等方面的应用。 状态机(State Machine)设计: 详细讲解有限状态机(Finite State Machine, FSM)的概念,包括摩尔(Moore)型和米利(Mealy)型状态机的区别与联系。重点介绍状态机的设计流程,包括状态转移图、状态表、状态编码以及逻辑电路实现。通过分析实际的控制系统,如交通信号灯控制器、串行通信控制器等,展示状态机在复杂控制逻辑设计中的强大能力。 第三部分:存储器与接口 随机存取存储器(RAM)与只读存储器(ROM): 介绍不同类型的RAM(SRAM, DRAM)和ROM(PROM, EPROM, EEPROM)的基本结构、工作原理以及读写操作。虽然本书不涉及具体硬件实现细节,但会解释存储器在数字系统中的作用和寻址机制。 数字系统中的接口: 简要介绍数字系统与外部世界的接口问题,例如并行接口和串行接口的基本概念,以及数据传输的常见方式。 第四部分:实用设计概念 逻辑综合(Logic Synthesis)导论: 介绍逻辑综合的基本思想,即从高层次的逻辑描述自动生成优化的门级网表。解释综合工具如何优化面积、速度和功耗。 时序分析(Timing Analysis)基础: 阐述时序分析的重要性,包括建立时间(Setup Time)和保持时间(Hold Time)的概念,以及如何分析和解决时序违规问题。 测试与验证(Testing and Verification)简介: 概述数字电路测试的基本原则和方法,以及验证在确保电路正确性方面的重要作用。 本书强调理论与实践相结合,通过丰富的插图、清晰的图示和大量的例题,帮助读者理解抽象的数字逻辑概念,并逐步掌握数字电路的设计方法。阅读本书将为读者进一步学习更高级的数字系统设计技术,如硬件描述语言(HDL)和 FPGA/ASIC 设计打下坚实的基础。无论您是电子工程专业的学生,还是希望进入数字设计领域的工程师,本书都将是您的理想入门读物。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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这本书的阅读体验非常流畅,但绝不是轻松愉快的“小白文”。作者的叙事节奏把握得非常好,他总能在你感觉快要迷失在细节的时候,及时地抛出一个高层次的架构图或者一个对比表格来帮你理清思路。我发现自己不是在被动地接受信息,而是在主动地与书中的案例进行“对话”。举个例子,在讲解IP核(Intellectual Property Core)的集成与验证时,书中深入探讨了如何针对特定的总线协议(如AXI/APB)编写驱动和测试平台,这对于需要进行系统级集成的我来说,价值无可估量。它没有停留在简单的组合逻辑或时序逻辑的描述上,而是直接将VHDL作为系统集成语言的角色展现了出来。书中关于版本控制和代码复用性的讨论,也充满了现代软件工程的影子,这对于希望将硬件设计流程规范化的团队来说,是一个非常及时的提醒。总之,它成功地架起了“理论概念”与“实际产品部署”之间的鸿沟,填补了我的知识空白。

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我购买这本书的初衷是为了提高我在高频信号处理项目中的开发效率。此前,我们团队在用VHDL实现FFT模块时,遇到了严重的资源竞争和时钟域对齐问题,调试过程异常痛苦。在研读了《VHDL for Engineers》中关于并行计算单元实现和分布式RAM优化的章节后,我们立刻调整了算法的硬件映射策略。书中的例子展示了如何利用管道化(Pipelining)技术将一个原本需要多个时钟周期才能完成的运算,分解成可以在每个时钟周期都产生新结果的结构。这种对延迟和吞吐量之间权衡的深入剖析,让我明白了为什么有些代码在仿真中看起来完美,但在实际硬件上却性能低下——根本原因在于对硬件资源的隐式分配认知不足。这本书的价值就在于,它教会你如何“像硬件一样思考”,而不是仅仅“像软件一样编程”。这种底层思维的转变,是任何单纯的语法手册都无法给予的。

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对于已经有一定VHDL基础,但感觉自己的设计停留在初级阶段的工程师而言,这本书的价值体现得尤为明显。它不像初级教材那样一遍遍地重复“这是信号,这是进程”,而是直接进入到高级话题,比如如何使用生成语句(Generate Statements)来构建高度参数化的设计,以及如何用VHDL语言有效地建模异步事件和异常情况。我特别喜欢书中关于仿真和调试策略的部分,它不像其他书籍只是简单介绍Testbench的编写,而是深入讨论了如何利用高级仿真特性(如波形数据库和脚本自动化)来验证复杂并发系统的正确性。这使得设计迭代的周期大大缩短。总的来说,这本书提供了一个完整的、自顶向下(Top-Down)的硬件设计方法论,它不仅仅是关于VHDL的,更是关于如何成为一个更高效、更专业的数字系统工程师的指南。它真正做到了“授人以渔”,让我对未来处理更复杂的ASIC或SoC项目充满了信心。

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这本《VHDL for Engineers》绝对是为我们这些需要快速上手、实实在在将VHDL应用于工程实践的工程师们量身打造的宝典。我记得我刚开始接触FPGA设计时,面对一堆晦涩的语法和抽象的概念简直是寸步难行,市面上那些教材要么过于学术化,要么就是只停留在基础的“Hello World”层面,根本无法指导我完成实际项目中的复杂逻辑。然而,这本书的视角非常独特,它没有将重点放在纯粹的语言理论的推敲上,而是像一位经验丰富的前辈,直接带着你跳入真实的芯片架构和时序约束的战场。书中对于如何构建可综合的代码结构,如何有效地利用不同类型的FPGA资源(比如查找表、触发器、块RAM等)来优化性能和面积,都有着详尽的、带有强烈工程指导性的论述。特别是它对状态机的设计与优化那几章,清晰地展示了同步复位、异步复位以及如何避免亚稳态问题的最佳实践,这直接解决了我在多时钟域交互设计时遇到的最大痛点。读完后,我感觉自己不再是仅仅会写VHDL代码的“编码员”,而是真正理解了如何用这种硬件描述语言去“雕刻”出高效能的硬件电路。

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说实话,我原本对“工程师”这个词在书名里持保留态度的,因为很多自称是给工程师看的书,最后还是落入了教科书的俗套。但《VHDL for Engineers》彻底颠覆了我的看法。它的深度和广度恰到好处,既没有过度简化到让人觉得空泛,也没有陷入深奥的计算机体系结构理论中无法自拔。我尤其欣赏作者在书中穿插的那些“陷阱”和“捷径”分享。比如,在处理数据通路和控制通路分离的章节,作者用一个实际的流水线处理器设计案例,非常直观地展示了并行化带来的性能飞跃,同时也非常诚恳地指出了并行化带来的同步和仲裁复杂性。书中关于如何阅读和理解FPGA厂商提供的约束文件(Timing Constraints)的讲解,简直是醍醐灌顶,这部分内容在很多入门教材里是被完全忽略的。懂得如何写出可综合的代码是一回事,懂得如何让综合工具和布局布线工具按照你的意图去工作,是另一回事,这本书显然更侧重于后者,这才是工程实践的核心壁垒。它提供的是一种解决问题的思维框架,而不是一堆孤立的语法知识点。

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