EDA技術與Verilog HDL

前言

　　隨著EDA技術的發(fā)展，其在電子信息、通信、自動控制及計算機應用等領域的重要性日益突出。與此同時，隨著技術市場與人才市場對EDA技術需求的不斷提高，產品的市場效率和技術要求也必然會反映到教學和科研領域中來。以最近10屆的全國大學生電子設計競賽為例，涉及EDA技術的賽題從未缺少過。對諸如斯坦福大學、麻省理工學院等美國一些著名院校的電子與計算機實驗室建設情況的調研表明，其EDA技術的教學與實踐得到了高度的關注與重視，內容安排緊湊、科學。在其本科和研究生教學中有兩個明顯的特點：其一，各專業(yè)中EDA教學實驗課程的普及率和滲透率極高；其二，幾乎所有實驗項目都部分或全部融入了EDA技術，其中包括數字電路、計算機組成與設計、計算機接口技術、數字通信技術、嵌入式系統、DSP等實驗內容，并且更多地注重創(chuàng)新性實驗。這顯然是科技發(fā)展和市場需求雙重影響下自然的結果?！　榱诉m應EDA技術在就業(yè)中的需求和高校教學的要求，突出EDA技術的實用性，以及面向工程實際的特點和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，作者力圖將EDA技術最新的發(fā)展成果、現代電子設計最前沿的理論和技術、國際業(yè)界普遍接受和認可的EDA公司新近推出的EDA軟/硬件開發(fā)平臺的使用方法通過本書合理地綜合和萃取，奉獻給各位讀者。本書所有的理論闡述和實踐精解，包括示例和實驗所基于的EDA軟/硬件平臺分別是Quartus II 9.x、Synplify、ModelSim、SOPC Builder等和Cyclone III系列FPGA；硬件描述語言是Verilog HDL。其中的SystemVerilog和VHDL僅是為了比較而介紹?！　≡跇I(yè)界，目前似乎有3個關鍵詞與大學生的就業(yè)和發(fā)展關系密切，即數字技術、創(chuàng)新精神和實踐能力。為了闡明本書的宗旨，在此不妨討論一番?！　〗陙?，我國大學生特別是本科生就業(yè)形勢一直難有起色，其中自有諸多因素，但有一點值得關注，即高職專科類和研究生畢業(yè)生的就業(yè)情況都好于本科。其中原因十分明顯也值得深究：社會就業(yè)市場更青睞有實踐能力的人才。高職專科雖只有3年，但專業(yè)設置定位明確，完全根據就業(yè)市場設計教學與實踐，大比例課時數放在既定專業(yè)的實踐訓練和技能培訓上，許多學校在第一年就完成了諸如高數、數字電路、EDA技術類基礎和專業(yè)基礎類課程，此后兩年時間幾乎都用于工程實踐訓練。至于研究生，除了學歷高外，在實踐訓練的環(huán)境條件、時間、內容、強度、層次以及與工程實際的結合度上都明顯優(yōu)于本科生。相比之下，本科生的就業(yè)劣勢便顯得十分明顯了，因為他們大部分時間都在應付不斷增加的各類課程的課堂學習上，實踐安排少之又少。要論動手能力和實踐經驗，本科生自然屈居第三，就業(yè)形勢必然嚴峻，所以就業(yè)的大軍仍然是本科生！如何來破解這一難題呢？所謂“以管窺豹，只見一斑”，這里僅以本科數字電路課程教學為例，來窺視分析本科就業(yè)問題之一斑?！　≡诒究齐娮?、計算機、通信等專業(yè)的課程中，實質上的專業(yè)基礎課大都是實踐性強且須通過大量實踐活動的反饋才能真正學好的課程，其中數字電路及其后續(xù)的EDA技術課程的教學和實踐安排具有一定的典型性和代表性。統計表明，目前多數高校的數字電路課程授課課時數是64，實驗課時數是16，實踐課與理論課的比例是1：3；課程安排多為二年級下或三年級上。不難看出這里就存在兩個問題：　　·重理論講授輕實踐訓練（許多其他同類課都存在相同問題）。這個1：3的比例最終導致多數學生只會并只注重書面應試?！　　ふn程安排的時間太晚。在現代數字技術高速發(fā)展的今天，本科電子、計算機、通信等專業(yè)的大量重要課程都是以數字電路為基礎課。也就是說，諸如EDA技術、硬件描述語言、單片機技術、DSP技術、嵌入式系統應用技術、計算機組成與設計技術、計算機接口技術、數字通信技術等公共專業(yè)基礎課，以及與具體專業(yè)直接相關的課程，如工業(yè)自動化、網絡安全、軟件無線電、藍牙技術、儀器儀表、生物信息工程、數字電子對抗、神經網絡系統、數字電磁兼容技術等，統統都必須放在數字電路課之后。然而目前的現狀令人無法樂觀，待數字電路課學完（還談不上已學好），已經是三年級了，而四年級后半段基本屬于四面出擊求職求人的一年，多數學生已無心向學已是不爭的事實?！　∶绹固垢４髮WNigel P.Cook教授在其Practical Digital Electronics一書中指出：第二次世界大戰(zhàn)以來，電子學對世界的發(fā)展所做的貢獻超過了其他所有學科，電子工業(yè)已超越汽車和石油工業(yè)成為世界上最大的工業(yè)，而且這個巨型工業(yè)的一個重要的發(fā)展趨勢便是從模擬技術向數字技術的轉化，數字技術將曾經毫不相干的領域融為一體，導致90%以上電子產品采用了數字技術，數字電子技術還將繼續(xù)整合整個工業(yè)體系，促進人類在各個不同領域的進步。這個90%說明什么？這不就是告訴我們，即在業(yè)界，與數字技術相關的就業(yè)領域的口徑占整個就業(yè)領域的90%之寬！然而我們想問，以上的那些與數字技術相關的、極其重要且與未來的深造、發(fā)展、創(chuàng)業(yè)、就業(yè)甚至再就業(yè)（考慮下崗）關系重大的課程能在一年甚至不到的時間內學完嗎？如果可能，那也只能停留在課堂上聽聽課而已，至于實踐機會恐已成了奢望，更不用提什么融會貫通、培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力了。其結果一定是常從畢業(yè)學生口中聽到的那句讓人愕然又無奈的話：老師，我感到什么都學了，但卻什么都不會。因為他們在求職的道路上，除了一張似是而非的成績單，對招聘者的盤問基本沒有底氣去接招?！　『沃^學術？就是學有所長，術有專攻。僅僅是聽聽講課，動動筆頭，敲敲鍵盤，無論是理論還是實踐都是蜻蜓點水、淺嘗輒止，致使學不深、業(yè)不精，就業(yè)自然困難?！　★@然，這一現象從根本上的改變必須抓住核心課程，解決3個問題，即什么時候學、學什么以及如何學。核心課程是數字電路課及其后續(xù)課——EDA、DSP等?！　τ诘?個問題，較好的解決方案便是數字電路課程的教學改革。作為我校EDA技術國家級精品課程的延伸內容之一，我們充分認識到將此課程提前上的重要性，通過數年的試點教學實踐和經驗總結，現已成功地將部分本科學生的數字電路課授課時間從原來的第四學期逐步提前到了第一學期，其他相關課程，如EDA、單片機、計算機接口等也相應提前，使學生到二年級時就有了培養(yǎng)自主開發(fā)能力的條件了?！　〉?個問題涉及教學內容。數字電路課程的大幅提前必定要以改革教學內容為前提，否則一味提前，教學效果也將歸于失敗。首先是推出適應新需求的教材，對于目前長期作為數字技術教學重點的且已過時的、基于純手工數字技術的內容僅作現代數字技術教學的階梯和過渡內容，強化基于現代數字技術的教學和實踐訓練，并適當引入低層次的EDA技術，如基于原理圖的輸入設計方法，不涉及HDL，使教學和實踐訓練的內容更有效地面向后續(xù)課程。而傳統數字電路的內容是純手工技術，根本無法適應如今高速變化的各實際工程專業(yè)相關課程的需求。　　第3個問題最重要，如何學包括如何教，這既是個方法問題，更是個認識問題。以我校的數字電子技術和EDA技術的授課情況為例，對于前者不僅僅是提前課程設置，更重要的是瞄準人才市場的需求和電子科技發(fā)展的現狀，強化實踐訓練，強調工程實際與基礎理論相結合，重點鼓勵學生的自主設計意識和首創(chuàng)精神。我們將授課學時數縮減到40，而實驗學時數相應增加為80，其中包括與之相關的課內實驗（16）、獨立實驗（32）和課程設計實驗（32）。具體內容包括驗證性實驗、基礎實驗、自主設計性實驗和綜合創(chuàng)新性實驗，最后一類實驗要求學生必須給出可硬件驗收的設計項目和論文，然后參加答辯?！　∽鳛楹罄m(xù)課程的EDA技術課總學時數是48，實驗與授課學時數之比是1：1。同時為了有效倍增學生的實踐和自主設計的時間，每一個上EDA課的學生都可借出一套EDA實驗開發(fā)板，使他們能利用自己的計算機在課余時間完成自主設計項目，強化學習效果。實踐表明，這種安排使得實驗與授課的等效學時數之比達到3：1，成效自然明顯?；谕瑯又匾晫嵺`能力和創(chuàng)新意識培養(yǎng)的理念，單片機教學實驗和授課學時數之比已近x：0，即不單獨安排授課學時數，第一課就在實驗室中進行，邊講授、邊學習、邊實踐?！　』谝陨系挠懻摵驼J識，我們對本書各章節(jié)做了相應的安排。其特點有三：　　1. 注重實踐、實用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)　　除在各章中安排了許多習題外，絕大部分章節(jié)都安排了針對性較強的實驗與設計項目，使學生對每一章的課堂教學內容和教學效果能及時通過實驗得以消化和強化，并盡可能地從學習一開始就有機會將理論知識與實踐和自主設計緊密聯系起來。　　全書共給出了60多個實驗與設計項目，這些項目涉及的技術領域寬、知識涉獵廣、針對性強，而且自主創(chuàng)新意識的啟示性好。與本書的示例一樣，所有的實驗項目都通過了EDA工具的仿真測試并通過FPGA平臺的硬件驗證。每一個實驗項目除給出詳細的實驗目的、實驗原理和實驗報告要求外，都含2～5個子項目或子任務。它們通常分為：第一層次的實驗任務是與該章某重點闡述內容相關的驗證性實驗，并通常提供詳細的并被驗證的設計程序和實驗方法，學生只需將提供的設計程序輸入計算機，并按要求進行編譯仿真，在實驗系統上實現即可，目的是使學生有一個初步的感性認識，提高實驗的效率；第二層次的實驗任務是要求在上一實驗的基礎上進行一些改進和發(fā)揮；第三層次的實驗通常是提出自主設計的要求和任務；第四、五層次的實驗則在僅給出一些提示的情況下提出自主創(chuàng)新性設計的要求。教師可以根據學時數、教學實驗的要求以及不同的學生對象，布置不同層次、含不同任務的實驗項目?！　?. 注重速成和學習效率　　一般認為EDA技術的難點和學習費時的根源在于硬件描述語言，對此本書做了有針對性的安排。我們根據相關專業(yè)的特點，放棄了流行的計算機語言的教學模式，打破了目前HDL教材通行的編排形式，而以電子線路設計為基點，從實例的介紹中引出Verilog語法內容。同時為了盡快進入EDA技術的實踐階段，熟悉EDA開發(fā)工具及其相關軟硬件的使用方法；盡早進入數字系統工程設計經驗的積累和能力提高階段，并能通過這些面向實際的實踐和實驗活動，快速深化對硬件描述語言的理解和把握對應的設計技巧，本書通過數則簡單而典型的Verilog設計示例（電路情景）和電路模型，從具體電路和實用背景下引出相關的可綜合的Verilog語言現象和語法規(guī)則，并加以深入淺出的說明，使讀者僅通過1～2章的學習便能迅速了解并掌握Verilog HDL與邏輯電路間的基本關系和描述方法，從而極大地降低Verilog的學習難度，大幅提高學習效率，快速實現學以致用的目的。過去多年的實踐證明這是一種高效學習硬件描述語言和EDA技術的好方法。這種學習流程也是目前國外比較流行的基于情景和工作過程的教學和學習模式，是一種自頂向下的、高效的學習模型。

內容概要

本書根據課堂教學和實驗操作的要求，以提高實際工程設計能力為目的，深入淺出地對EDA技術、Verilog HDL硬件描述語言、FPGA開發(fā)應用及相關知識做了系統和完整的介紹，使讀者通過本書的學習并完成推薦的實驗，能初步了解和掌握EDA的基本內容及實用技術?！　∪珪?部分：第一部分介紹EDA的基本知識、常用EDA工具的使用方法和目標器件的結構原理；第二部分以向導的形式和實例為主的方法介紹多種不同的設計輸入方法；第三部分介紹Verilog的設計優(yōu)化；第四部分詳述基于EDA技術的典型設計項目。各章都安排了習題和針對性較強的實驗與設計。書中列舉的大部分Verilog設計實例和實驗示例實現的EDA工具平臺是Quartus II 9.x，硬件平臺是Cyclone III系列FPGA，并在EDA實驗系統上通過了硬件測試。　　本書對于EDA技術和硬件描述語言的介紹具有系統性、完整性和相對獨立性，故其定位既是EDA課程的課本，也是面向對應專業(yè)就業(yè)和深造而必需的EDA技術速成教程?！　”緯勺鳛楦叩仍盒ｋ娮庸こ?、通信、工業(yè)自動化、計算機應用技術、電子對抗、儀器儀表、數字信號或圖像處理等專業(yè)的本科生或研究生的電子設計、EDA技術課程和Verilog硬件描述語言的教材及實驗指導書，同時也可作為相關專業(yè)技術人員的自學參考書?！　”緯峁┫嚓P的重要資料，包括授課課件、實驗指導課件、實驗示例源文件和設計，讀者可以通過清華大學出版社網站（www.tup.com.cn）下載或作者的網站（www.kx-soc.com）索取。

書籍目錄

第1章 概述  　1.1 EDA技術及其發(fā)展　1.2 EDA技術實現的目標  　1.3 硬件描述語言Verilog HDL  　1.4 其他常用硬件描述語言  　1.5 HDL綜合  　1.6 基于HDL的自頂向下設計方法  　1.7 EDA技術的優(yōu)勢  　1.8 EDA的發(fā)展趨勢  　習題  第2章 EDA設計流程及其工具  　2.1 FPGA/CPLD開發(fā)流程  　　2.1.1 設計輸入（原理圖/HDL文本編輯）  　　2.1.2 綜合  　　2.1.3 適配  　　2.1.4 時序仿真與功能仿真  　　2.1.5 編程下載  　　2.1.6 硬件測試  　2.2 ASIC及其設計流程  　　2.2.1 ASIC設計方法簡介  　　2.2.2 一般ASIC設計的流程  　2.3 常用EDA工具  　　2.3.1 設計輸入編輯器  　　2.3.2 HDL綜合器  　　2.3.3 仿真器  　　2.3.4 適配器  　　2.3.5 下載器  　2.4 Quartus II簡介  　2.5 IP核簡介  　習題  第3章 FPGA/CPLD結構與應用  　3.1 概述  　　3.1.1 可編程邏輯器件的發(fā)展歷程  　　3.1.2 可編程邏輯器件的分類  　3.2 簡單PLD原理  　　3.2.1 電路符號表示  　　3.2.2 PROM  　　3.2.3 PLA  　　3.2.4 PAL  　　3.2.5 GAL  　3.3 CPLD的結構與工作原理  　3.4 FPGA結構與工作原理  　　3.4.1 查找表邏輯結構  　　3.4.2 Cyclone III系列器件的結構與原理  　3.5 硬件測試技術  　　3.5.1 內部邏輯測試  　　3.5.2 JTAG邊界掃描測試  　　3.5.3 嵌入式邏輯分析儀  　3.6 FPGA/CPLD產品概述  　　3.6.1 Lattice公司的CPLD器件系列  　　3.6.2 Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列  　　3.6.3 Altera公司的FPGA和CPLD器件系列  　　3.6.4 Actel公司的FPGA器件  　　3.6.5 Altera公司的FPGA配置方式與配置器件  　3.7 編程與配置  　　3.7.1 使用JTAG的CPLD在系統編程  　　3.7.2 使用JTAG在線配置FPGA  　　3.7.3 FPGA專用配置器件  　　3.7.4 使用單片機配置FPGA  　　3.7.5 使用CPLD配置FPGA  　習題  第4章 Verilog HDL設計初步  　4.1 組合電路的Verilog HDL描述  　　4.1.1 選1多路選擇器及其Verilog HDL描述1  　　4.1.2 選1多路選擇器及其Verilog HDL描述2  　　4.1.3 選1多路選擇器及其Verilog HDL描述3  　　4.1.4 選1多路選擇器及其Verilog HDL描述4  　　4.1.5 簡單加法器及其Verilog HDL描述  　4.2 時序電路的Verilog HDL描述  　　4.2.1 邊沿觸發(fā)型D觸發(fā)器及其Verilog描述  　　4.2.2 電平觸發(fā)型鎖存器及其Verilog描述  　　4.2.3 含異步清0和時鐘使能結構的D觸發(fā)器及其Verilog描述  　　4.2.4 含同步清0結構的D觸發(fā)器及其Verilog描述  　　4.2.5 含異步清0的鎖存器及其Verilog描述  　　4.2.6 Verilog的時鐘過程描述注意要點  　　4.2.7 異步時序電路  　4.3 計數器的Verilog HDL設計  　　4.3.1 位二進制加法計數器及其Verilog描述  　　4.3.2 功能更全面的計數器設計  　習題  第5章 Quartus II應用初步  第6章 Verilog HDL設計進階  第7章 宏功能模塊與IP應用  第8章 Verilog有限狀態(tài)機設計  第9章 Verilog HDL基本要素與語句  第10章 系統優(yōu)化、時序分析和Synplify應用  第11章 Verilog仿真驗證  第12章 SOPC技術  附錄A EDA開發(fā)系統相關軟硬件簡介  參考文獻

章節(jié)摘錄

　　在計算機技術的推動下，電子技術在20世紀末獲得了飛速的發(fā)展，現代電子產品幾乎滲透于社會的各個領域，有力地推動了社會生產力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時又促使現代電子產品性能的進一步提高，產品更新換代的節(jié)奏也越來越快?！　‰娮蛹夹g發(fā)展的根基是微電子技術的進步，它表現在大規(guī)模集成電路加工技術，即半導體工藝技術的發(fā)展上。表征半導體工藝水平的線寬已經達到45nm以下，并還在不斷地縮??；在硅片單位面積上集成了更多的晶體管；集成電路設計在不斷地向超大規(guī)模、極低功耗和超高速的方向發(fā)展；同時，這些專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）的設計成本還在不斷降低，而在功能和結構上，現代的集成電路已能實現單片電子系統（System on a Chip，SoC）?！　∽鳛楝F代電子設計技術的核心，EDA（Electronic DesignAutomation）技術依賴功能強大的計算機，在EDA工具軟件平臺上，對以硬件描述語言（Hardware Description Language，HDL）為系統邏輯描述手段完成的設計文件，自動地完成邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合、結構綜合（布局布線）以及邏輯優(yōu)化和仿真測試等功能，直至實現既定性能的電子線路系統。EDA技術使得設計者的工作僅限于利用軟件的方式，即利用硬件描述語言和。EDA軟件來完成對系統硬件功能的實現?！　≡诂F代高新電子產品的設計和生產中，微電子技術和現代電子設計技術是相互促進、相互推動又相互制約的兩個技術環(huán)節(jié)。前者代表了物理層在廣度和深度上硬件電路實現的發(fā)展，后者則反映了現代先進的電子理論、電子技術、仿真技術、設計工藝和設計技術與最新的計算機軟件技術有機的融合和升華。因此嚴格地說，EDA技術應該是這兩者的結合，是這兩個技術領域共同孕育的奇葩?！　≡谟布崿F方面，EDA技術融合了大規(guī)模集成電路制造技術、IC版圖設計技術、ASIC測試和封裝技術、FPGA（Field Programmable Gate Array）和CPLD（Complex ProgrammableLogic Device）編程下載技術、自動測試技術等；在計算機輔助工程方面，EDA融合了計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）、計算機輔助工程（CAE）技術以及多種計算機語言的設計概念；在現代電子學方面，EDA容納了更多的內容，如電子線路設計理論、數字信號處理技術、嵌入式系統和計算機設計技術、數字系統建模和優(yōu)化技術及微波技術等。因此，EDA技術為現代電子理論和設計的表達與實現提供了可能性。在現代技術的所有領域中，許多得以飛速發(fā)展的科學技術多屬計算機輔助設計，而非自動化設計。顯然，最早進入設計自動化的技術領域是電子技術，這就是為什么電子技術始終處于所有科學技術發(fā)展最前列的原因之一。

編輯推薦

　　《EDA技術與Verilog HDL》特色：注重實踐、實用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。給出了約60個實驗與設計項目，這些項目涉及的技術領域寬，知識涉獵密集，針對性強，而且自主創(chuàng)新意識的啟示性好?！　∽⒅厮俪珊蛯W習效率　　通過簡單而典型的Verl 10g設計示例(電路情景)和電路模型，從具體電路和實用背景下引出相關的可綜合的VerolOg語言現象和語句規(guī)則，并加以深入淺出地說明，有助于讀者迅速了解并掌握Verl]Og HDL與邏輯電路間的基本關系和描述方法?！　∽⒅叵鄬Κ毩⑿院拖到y性、完整性的有機結合　　《EDA技術與Verilog HDL》之于印A技術構建了一個不容割裂和裁剪的有機整體，保證了EDA技術與HDL知識構架內在的系統性和完整性，同時各章節(jié)的理論講述安排和實驗配置，既具有很好的內在聯系性，也具有相對獨立性，教師可根據學時設置情況、專業(yè)特點和具體的教學要求選擇講授。　　配套服務：提供相關的重要資料，包括授課課件、實驗指導課件、實驗示例源文件和設計，讀者可以通過清華大學出版社網站下載或作者的網站索取。

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