數(shù)字電路與系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)教程

前言

　　自1985年問世以來，經(jīng)過25年的歷程，F(xiàn)PGA在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色，越來越多的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不得不對它刮目相看。這是因?yàn)樗拇_具有很多不可替代的優(yōu)點(diǎn)?！　?）FPGA的可編程性是與生俱來的，它推動了可重配置的電子設(shè)計(jì)，使硬件設(shè)計(jì)編程化，導(dǎo)致了電子設(shè)計(jì)的軟、硬件協(xié)調(diào)和并行，極大地提高了設(shè)計(jì)效率并減少了資源占用。　　2）和ASIC相比，F(xiàn)PGA在開發(fā)成本、工具成本和開發(fā)效率方面具有絕對的優(yōu)勢，其開發(fā)時間比ASIC平均少55％，所以近三年用ASCI設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)下降了50％。從只用于原型設(shè)計(jì)，到代替定制芯片，F(xiàn)PGA市場更多轉(zhuǎn)向ASIC的傳統(tǒng)市場（消費(fèi)電子、汽車電子、數(shù)據(jù)處理和工業(yè)產(chǎn)品）。很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)都以FPGA為中心來進(jìn)行，F(xiàn)PGA已經(jīng)從配角成為了主角?！　?）從1990到2010年，F(xiàn)PGA的價(jià)格下降為原先的0.04％，集成度提高了1000倍，功耗降低為原先的0.4％，速度提高了200倍?！　≡谌蚴袌觯珹ltera公司和Xilinx公司的FPGA出貨量占了總出貨量的80％。而在歐洲、亞洲尤其是中國市場，Altera的.FPGA占了主導(dǎo)地位。從2000年Altera在中國加速推進(jìn)“大學(xué)計(jì)劃”以來，Altera在高校成立了近100所聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，促成了Altera的FPGA和相關(guān)開發(fā)工具的普及。這種形勢下，為了幫助更多的大學(xué)生、研究生和工程技術(shù)人員更普遍地使用Altera的FGPA和相關(guān)工具做電子設(shè)計(jì)，我們開發(fā)了一款寬帶無線多媒體教學(xué)平臺?！　拵o線多媒體教學(xué)平臺是針對大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)推出的用于教學(xué)與科研的FPGA開發(fā)平臺。靈活、可靠的外圍接口為用戶提供豐富、方便的外設(shè)連接，幫助用戶迅速地理解和掌握數(shù)字電路及SoC設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識。高速數(shù)字、模擬接口和觸摸彩屏的輸出，為無線寬帶多媒體通信系統(tǒng)的驗(yàn)證和手機(jī)與數(shù)字電視的研發(fā)人員提供了一個基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)平臺。

內(nèi)容概要

本書介紹了EDA和FPGA的相關(guān)基礎(chǔ)知識，重點(diǎn)介紹了在寬帶無線多媒體教學(xué)平臺上如何用Altera的工具做電路與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。全書提供了近20個教學(xué)實(shí)驗(yàn)的例子，引領(lǐng)讀者一步一步、由淺入深地使用FPGA實(shí)現(xiàn)電路與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了方便教學(xué)，隨教學(xué)平臺提供配套光盤。    本書可以作為通信、信息、計(jì)算機(jī)、人工智能、光機(jī)電一體化、圖像和工業(yè)自動化類專業(yè)專、本科生及研究生數(shù)字電路與系統(tǒng)、信號處理、計(jì)算機(jī)接口和編程設(shè)計(jì)語言、多媒體、通信及IC設(shè)計(jì)等課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)用書，還可以作為電子技能大賽的指導(dǎo)用書。

書籍目錄

基礎(chǔ)篇第1章  EDA技術(shù)及其發(fā)展  1.1  集成電路產(chǎn)業(yè)基本規(guī)律  1.2  EDA產(chǎn)業(yè)的歷史    1.2.1  計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)階段    1.2.2  計(jì)算機(jī)輔助工程階段    1.2.3  電子設(shè)計(jì)自動化階段  1.3  EDA工具的分類    1.3.1  電路設(shè)計(jì)與仿真工具    1.3.2  PCB設(shè)計(jì)軟件    1.3.3  IC設(shè)計(jì)軟件    1.3.4  FPGA設(shè)計(jì)工具  1.4  主要硬件描述語言    1.4.1  VHDL    1.4.2  Verilog HDL    1.4.3  System Veilog    1.4.4  SystemC    1.4.5  VHDL和Verilog HDL的比較    1.4.6  SystemC和System Verilog的比較  1.5  集成電路設(shè)計(jì)方法學(xué)    1.5.1  片上系統(tǒng)的概念    1.5.2  可編程片上系統(tǒng)的概念    1.5.3  片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)的概念    1.5.4  軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法    1.5.5  基于虛擬原型的設(shè)計(jì)方法    1.5.6  IP核及IP復(fù)用    小結(jié)第2章  可編程邏輯器件的發(fā)展及原理  2.1  可編程邏輯器件結(jié)構(gòu)剖析    2.1.1  簡單PLD的“與”陣列、“或”陣列平面結(jié)構(gòu)    2.1.2  帶宏單元的復(fù)雜可編程邏輯器件    2.1.3  FPGA  2.2  可編程邏輯器件的編程原理    2.2.1  熔絲型編程    2.2.2  反熔絲型編程    2.2.3  SRAM編程    2.2.4  EPROM編程    2.2.5  E2pROM編程    2.2.6  FPGA的發(fā)展趨勢  2.3  Altera Cyclone Ⅱ簡介    2.3.1  Altera公司的可編輯邏輯器件    2.3.2  Cyclone Ⅱ的總體結(jié)構(gòu)    2.3.3  LE結(jié)構(gòu)    2.3.4  LAB結(jié)構(gòu)    2.3.5  全局時鐘網(wǎng)絡(luò)    2.3.6  DSP結(jié)構(gòu)    小結(jié)第3章  綜合工具Quartus Ⅱ的使用  3.1  工程建立  3.2  建立設(shè)計(jì)  3.3  分析與綜合  3.4  引腳分配  3.5  程序下載  3.6  SignalTap Ⅱ的使用    小結(jié)第4章  仿真工具M(jìn)odelSim的使用  4.1  ModelSim仿真過程  4.2  加入Altera器件的仿真庫    小結(jié)第5章  TE3無線多媒體教學(xué)平臺簡介  5.1  概述  5.2  核心板    5.2.1  主要特性    5.2.2  核心板的主要器件    5.2.3  應(yīng)用領(lǐng)域  5.3  擴(kuò)展板    5.3.1  主要特性    5.3.2  主要器件及接口    5.3.3  應(yīng)用領(lǐng)域    ……實(shí)驗(yàn)篇第6章  LED實(shí)驗(yàn)第7章  脈沖發(fā)生器實(shí)驗(yàn)第8章  脈寬調(diào)制(PWM)實(shí)驗(yàn)第9章  波形發(fā)生器實(shí)驗(yàn)第10章  鍵盤掃描及數(shù)碼管顯示實(shí)驗(yàn)第11章  計(jì)算器實(shí)驗(yàn)第12章  數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)第13章  SRAM接口實(shí)驗(yàn)第14章  串行接口實(shí)驗(yàn)第15章  I2C接口實(shí)驗(yàn)第16章  BCH編碼實(shí)驗(yàn)第17章  音頻接口實(shí)驗(yàn)第18章  VGA接口實(shí)驗(yàn)第19章  視頻接口實(shí)驗(yàn)第20章  液晶屏和觸摸屏實(shí)驗(yàn)第22章  μClinux實(shí)驗(yàn)附錄  TE3無線多媒體教學(xué)平臺使用簡介

章節(jié)摘錄

　　電路設(shè)計(jì)與仿真工具就是用來設(shè)計(jì)模擬和數(shù)字電路，并進(jìn)行電路仿真的軟件。這類軟件常用的有SPICE和Multisim。　?。?）SPICE（Simulation ProgramwithIntegrated Circuit Emphasis）是由美國加州大學(xué)推出的電路分析仿真軟件，是20世紀(jì)80年代世界上應(yīng)用最廣的電路設(shè)計(jì)軟件，1998年被定為美國國家標(biāo)準(zhǔn)。1984年，美國MicroSim公司推出了基于SPICE的微機(jī)版PSPICE（Personal.SPICE）?，F(xiàn)在用得較多的是PSPICE 6.2，可以說在同類產(chǎn)品中，它是功能最為強(qiáng)大的模擬和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件，在國內(nèi)普遍使用。最新推出了PSPICE 9.1版本，它可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出，并在同一窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。無論對哪種器件哪些電路進(jìn)行仿真，都可以得到精確的仿真結(jié)果，并可以自行建立元器件及元器件庫?！　。?）Multisim軟件是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive。Image Technoligics，簡稱IIT公司，原Electrical WorkBench公司）推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬／數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路行為進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計(jì)流程。相對于其他EDA軟件，它具有更加形象直觀的人機(jī)交互界面，特別是其儀器儀表庫中的各儀器儀表與操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際儀器儀表完全沒有兩樣，但它對模數(shù)電路的混合仿真功能卻毫不遜色，幾乎能夠100％地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果，并且它在儀器儀表庫中還提供了萬用表、信號發(fā)生器、瓦特表、雙蹤示波器、波特儀（相當(dāng)于實(shí)際中的掃頻儀）、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和電壓表及電流表等儀器儀表。該軟件還提供了我們常見的各種建模精確的元器件，比如電阻、電容、電感、晶體管、二極管、繼電器、晶閘管、數(shù)碼管、各種運(yùn)算放大器和其他常用集成電路，而且還支持自制元器件。

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