基于VHDL語(yǔ)言的微機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

前言

以集成電路為基礎(chǔ)，以傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)是實(shí)施國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要的《高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》中優(yōu)先發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。它已經(jīng)超過(guò)了以汽車、石油、鋼鐵為代表的傳統(tǒng)工業(yè)成為第一大產(chǎn)業(yè)，并為改造和拉動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)以及農(nóng)業(yè)高新技術(shù)的推廣應(yīng)用、邁向數(shù)字時(shí)代提供了強(qiáng)大的推力和堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，國(guó)家需要大批信息技術(shù)（Information Technology，IT）方面的人才，而國(guó)內(nèi)目前的IT教育主要是高等學(xué)校的計(jì)算機(jī)、電子、電信、信息技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的學(xué)歷教育，每年培養(yǎng)的大學(xué)畢業(yè)生在數(shù)量和質(zhì)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的需要。在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的電子系統(tǒng)正朝著片上系統(tǒng)（System onChip，SOC）發(fā)展，現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步，掌握硬件描述語(yǔ)言Verilog或VHDI。（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）和計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Amomation，EDA）來(lái)設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)是電子信息類大學(xué)生應(yīng)具備的基本技能。但是目前計(jì)算機(jī)專業(yè)的傳統(tǒng)教學(xué)模式普遍存在“重軟件、輕硬件”、課程設(shè)置陳舊、教學(xué)內(nèi)容滯后、理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)等問(wèn)題，使得學(xué)生畢業(yè)后需要的崗位專業(yè)應(yīng)用技術(shù)嚴(yán)重不足，需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)才能勝任工作。例如“微機(jī)接口技術(shù)”課作為高等院校計(jì)算機(jī)專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，教學(xué)中的普遍情況是：使用的教材陳舊，對(duì)芯片的應(yīng)用現(xiàn)狀和新技術(shù)發(fā)展很少涉及。課堂上單純理論分析，再加上大量匯編語(yǔ)言編寫的初始化程序和應(yīng)用程序，使學(xué)生感覺(jué)枯燥乏味；而實(shí)驗(yàn)課教學(xué)又普遍采用Intel80x86系列接口芯片的功能驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在內(nèi)容和形式上基本是固定的，缺乏學(xué)生自主的創(chuàng)新環(huán)節(jié)，并且不能與當(dāng)前的最新技術(shù)同步。為了適應(yīng)21世紀(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)需要更新，教學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段也要有比較大的改觀。我們從1995年開始在研究生的“微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口技術(shù)”課引入Lattice公司的在系統(tǒng)編程（In-System Programmability，ISP）器件ispLS11024實(shí)現(xiàn)了軟磁盤接口電路的EDA教學(xué)實(shí)驗(yàn)，并從2002年開始采用Altera公司的復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）芯片EPM7128和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）芯片ACEXEPlK為本科生的“微計(jì)算機(jī)技術(shù)”課、“微機(jī)接口設(shè)計(jì)與vHDL語(yǔ)言”課和大學(xué)三年級(jí)的“專業(yè)實(shí)踐”課提供了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)。根據(jù)多年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為vHDL語(yǔ)言是面向硬件描述對(duì)象的語(yǔ)言，在學(xué)習(xí)方式上應(yīng)該與其他的高級(jí)語(yǔ)言有所不同，只有結(jié)合硬件設(shè)計(jì)對(duì)象來(lái)學(xué)習(xí)才能更好地理解和掌握它。編寫本書的主要目的是希望將VHDL語(yǔ)言和微機(jī)接口電路原理的學(xué)習(xí)緊密地結(jié)合起來(lái)，學(xué)生通過(guò)從分析系統(tǒng)需求、程序設(shè)計(jì)、仿真模擬、目標(biāo)電路代碼裝載到可編程芯片中，直到連接微機(jī)總線并且編寫接口程序進(jìn)行調(diào)試這樣一個(gè)綜合多方面知識(shí)的融會(huì)貫通的全過(guò)程訓(xùn)練，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)硬件的興趣和信心。

內(nèi)容概要

本書將微機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)硬件描述語(yǔ)言緊密地結(jié)合，通過(guò)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)指導(dǎo)學(xué)習(xí)VHDL語(yǔ)言和掌握微機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)方法。    全書內(nèi)容分為7章：第1章概述了接口電路的基本知識(shí)與可編程器件的應(yīng)用；第2、3兩章介紹了VHDL語(yǔ)言的程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型、基本語(yǔ)句等內(nèi)容；第4、5兩章詳細(xì)講述用VHDL語(yǔ)言描述常用的經(jīng)典微機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)實(shí)例；第6章介紹了綜合多個(gè)接口的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法；第7章以Altera公司的Quartus Ⅱ?yàn)槔敿?xì)地介紹了軟件設(shè)計(jì)工具的使用，以及基于軟核處理器Nios Ⅱ的硬/軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和調(diào)試方法，為初學(xué)者選用更高版本的或者其他公司的EDA軟件以及進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)起到了示范作用。最后，本書的附錄是實(shí)驗(yàn)中參考的一些技術(shù)資料。    本書可以作為電子信息、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生、研究生的課程教材，以及作為各類電子技術(shù)人員的學(xué)習(xí)參考書使用。

書籍目錄

第1章 基本概念  1.1 計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展    1.1.1 PC的外設(shè)接口    1.1.2 PC的系統(tǒng)總線    1.1.3 PC的主板芯片組  1.2 集成電路技術(shù)的發(fā)展    1.2.1 硅基微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)    1.2.2 可編程邏輯器件的發(fā)展    1.2.3 CPLD和FPGA的結(jié)構(gòu)  1.3 電子電路的設(shè)計(jì)與仿真    1.3.1 EDA工具軟件    1.3.2 PLD的設(shè)計(jì)工具    1.3.3 層次化設(shè)計(jì)與VHDL的應(yīng)用  1.4 PLD與微機(jī)接口電路的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)    1.4.1 FPGA的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)    1.4.2 基于PLD的微機(jī)接口實(shí)驗(yàn)平臺(tái)  習(xí)題與思考題第2章 VHDL語(yǔ)言與程序結(jié)構(gòu)  2.1 硬件的描述    2.1.1 電路的結(jié)構(gòu)與行為    2.1.2 信號(hào)及其延遲  2.2 VHDL語(yǔ)言特點(diǎn)與設(shè)計(jì)流程    2.2.1 VHDL語(yǔ)言的特點(diǎn)    2.2.2 VHDL的設(shè)計(jì)流程  2.3 VHDL程序基本結(jié)構(gòu)    2.3.1 實(shí)體    2.3.2 結(jié)構(gòu)體    2.3.3 配置    2.3.4 包集合    2.3.5 庫(kù)  習(xí)題與思考題第3章 VHDL語(yǔ)言基礎(chǔ)  3.1 詞法表示    3.1.1 數(shù)字表示法    3.1.2 字符與字符串表示法    3.1.3 位串表示法    3.1.4 命名規(guī)則及注釋  3.2 標(biāo)識(shí)符    3.2.1 短標(biāo)識(shí)符    3.2.2 擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符  3.3 運(yùn)算操作符與表達(dá)式    3.3.1 邏輯運(yùn)算符(Logical)    3.3.2 算術(shù)運(yùn)算符(Arithmetic)    3.3.3 關(guān)系運(yùn)算符(Relational)    3.3.4 并置運(yùn)算符(Concatenation)    3.3.5 運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)  3.4 數(shù)據(jù)類型    3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型    3.4.2 用戶自定義的數(shù)據(jù)類型  3.5 數(shù)據(jù)對(duì)象    3.5.1 常量(Constant)    3.5.2 變量(Variable)    3.5.3 信號(hào)(Signal)    3.5.4 文件(Files)  3.6 基本語(yǔ)句    3.6.1 并行語(yǔ)句    3.6.2 順序語(yǔ)句  3.7 VHDL設(shè)計(jì)舉例    3.7.1 8位移位寄存器的設(shè)計(jì)    3.7.2 4位微處理器的設(shè)計(jì)  習(xí)題與思考題第4章 接口電路設(shè)計(jì)(一)  4.1 I/O地址譯碼    4.1.1 微機(jī)總線的基礎(chǔ)知識(shí)    4.1.2 I/O地址譯碼片選信號(hào)的產(chǎn)生  4.2 并行接口電路的設(shè)計(jì)    4.2.1 8255的功能和結(jié)構(gòu)    4.2.2 8255的工作方式與設(shè)置    4.2.3 并行接口的VHDL設(shè)計(jì)方案    4.2.4 設(shè)計(jì)實(shí)例  4.3 串行接口電路的設(shè)計(jì)    4.3.1 串行通信的基本概念    4.3.2 8251的功能和結(jié)構(gòu)    4.3.3 8251的工作方式與設(shè)置    4.3.4 設(shè)計(jì)實(shí)例  4.4 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)    4.4.1 8253/8254的功能與結(jié)構(gòu)    4.4.2 8253/8254的工作方式與設(shè)置    4.4.3 設(shè)計(jì)實(shí)例  習(xí)題與思考題第5章 接口電路設(shè)計(jì)(二)  5.1 A/D與D/A接口電路    5.1.1 A/D接口電路    5.1.2 A/D接口設(shè)計(jì)實(shí)例    5.1.3 D/A接口電路    5.1.4 D/A接口設(shè)計(jì)實(shí)例  5.2 VGA顯示接口電路    5.2.1 VGA顯示的原理    5.2.2 VGA接口電路    5.2.3 設(shè)計(jì)實(shí)例  5.3 ATA/ATAPI接口電路    5.3.1 IDE硬盤與ATA協(xié)議    5.3.2 IDE接口的設(shè)計(jì)    5.3.3 CD-ROM與ATAPI協(xié)議    5.3.4 CD-ROM接口的設(shè)計(jì)  5.4 PS/2接口電路    5.4.1 PS/2接口的功能與通信協(xié)議    5.4.2 PS/2鍵盤接口的設(shè)計(jì)    5.4.3 PS/2鼠標(biāo)接口的設(shè)計(jì)  習(xí)題與思考題第6章 綜合創(chuàng)新型接口實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)  6.1 USB接口電路    6.1.1 USB接口的特點(diǎn)與協(xié)議    6.1.2 USB接口芯片    6.1.3 USB接口電路與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)  6.2 網(wǎng)絡(luò)接口電路    6.2.1 以太網(wǎng)接口簡(jiǎn)介    6.2.2 網(wǎng)絡(luò)接口芯片    6.2.3 以太網(wǎng)接口電路的設(shè)計(jì)  6.3 綜合接口實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)    6.3.1 綜合實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)思想    6.3.2 綜合實(shí)驗(yàn)方案的解析一    6.3.3 綜合實(shí)驗(yàn)方案的解析二  習(xí)題與思考題第7章 Quartus Ⅱ軟件和TPC庫(kù)函數(shù)的使用  7.1 Quartus Ⅱ 5.1 軟件使用說(shuō)明    7.1.1 建立Quartus Ⅱ工程文件    7.1.2 源程序的編寫與編譯    7.1.3 仿真與功能模擬    7.1.4 將目標(biāo)代碼裝載到芯片中    7.1.5 圖形編輯器的使用    7.1.6 時(shí)間分析器的使用    7.1.7 Quartus Ⅱ工程中的文件后綴說(shuō)明  7.2 TPC接口卡庫(kù)函數(shù)的使用    7.2.1 在Windows XP/2000下的編程    7.2.2 TPC接口卡的庫(kù)函數(shù)使用    7.2.3 關(guān)于DMA方式的編程    7.2.4 TPC接口卡在Windows 98下的使用    7.2.5 Linux操作系統(tǒng)下的接口實(shí)驗(yàn)  7.3 Altera的Nios Ⅱ使用說(shuō)明    7.3.1 基于Nios Ⅱ的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)    7.3.2 基于Nios Ⅱ的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試附錄A 第二套掃描碼集附錄B 第三套掃描碼集附錄C Windows中的Virtual-Key Codes附錄D PS/2鍵盤命令集附錄E PS/2鼠標(biāo)命令集附錄F ASCII碼表附錄G 常用DOS功能調(diào)用命令參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電路是典型的結(jié)構(gòu)描述，它是元件（component）的集合。元件的端口之間用信號(hào)線連接，連接的信號(hào)線形成一個(gè)信號(hào)（signal）。元件通常是一個(gè)具備一定功能或者結(jié)構(gòu)的模塊（module），模塊內(nèi)還可以嵌套規(guī)模較小的子模塊（sub-module）。各模塊之間用信號(hào)相關(guān)聯(lián)。模塊的功能（即模型）可以用硬件描述語(yǔ)言來(lái)描述。基本邏輯元件的行為就是它的邏輯功能，可以用布爾表達(dá)式或者真值表等描述。而對(duì)于一般模塊的行為就可以用算法來(lái)描述它的功能，或者用算法來(lái)描述它的工作步驟。例如，一個(gè)加法器的功能就是兩個(gè)加數(shù)相加并輸出和數(shù)。其行為描述可以是某種實(shí)現(xiàn)方法，如超前進(jìn)位加法、并行進(jìn)位加法等。2.1.2信號(hào)及其延遲信號(hào)作為硬件連線的一種抽象的描述，它既能保存變化的數(shù)據(jù)，又可以連接各個(gè)子元件。因此，我們可以將信號(hào)視為兩個(gè)元件之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃盘?hào)在端口處將元件連接起來(lái)。每個(gè)信號(hào)在通過(guò)元件時(shí)都需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，信號(hào)從元件的輸入端到輸出端所需要的時(shí)間稱為延遲（delay）。延遲時(shí)間是電路描述中的一個(gè)重要概念。通過(guò)計(jì)算信號(hào)波形的延遲時(shí)間，可以更精確地反映實(shí)際電路的工作情況，從而檢查時(shí)序配合是否滿足電路設(shè)計(jì)要求，以及能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的操作。對(duì)于一般的功能元件，往往不同的輸入端到不同的輸出端有不同的延遲時(shí)間，因此需要具體指定端到端之間的延遲。在集成電路中，大多數(shù)元件對(duì)寬度太窄的輸入信號(hào)可能會(huì)在輸出端得不到響應(yīng)，這樣一種延遲特性被稱為慣性延遲（inertial delay）。而寬度大于慣性延遲時(shí)間的脈沖波形都能傳播到輸出端的延遲特性被稱為傳輸延遲（transport delay），信號(hào)通過(guò)延遲線時(shí)就呈現(xiàn)傳輸延遲特性。

編輯推薦

《基于VHDL語(yǔ)言的微機(jī)接口電路設(shè)計(jì)》內(nèi)容分為三部分：（1）微機(jī)接口技術(shù)及可編程器件應(yīng)用；（2）基于VHDL語(yǔ)言的經(jīng)典微機(jī)接口電路設(shè)計(jì)實(shí)例；（3）設(shè)計(jì)工具的使用及實(shí)驗(yàn)參考技術(shù)資料?！痘赩HDL語(yǔ)言的微機(jī)接口電路設(shè)計(jì)》將VHDL語(yǔ)言和微機(jī)電路原理的學(xué)習(xí)緊密地結(jié)合起來(lái)，突出其面向硬件描述對(duì)象的特點(diǎn)，結(jié)合硬件設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行講解?！痘赩HDL語(yǔ)言的微機(jī)接口電路設(shè)計(jì)》的實(shí)驗(yàn)使學(xué)生從分析系統(tǒng)需求開始，經(jīng)過(guò)程序設(shè)計(jì)、仿真模擬、燒制芯片、連接微機(jī)總線直到編寫接口程序并進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)這種綜合了多方面知識(shí)的全程訓(xùn)練，提高學(xué)生對(duì)硬件設(shè)計(jì)的理解和興趣。在實(shí)驗(yàn)難度上，針對(duì)不同的教學(xué)要求提供了不同層次的基本實(shí)驗(yàn)和綜合創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。這套教材已伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展茁壯成長(zhǎng)了二十余年，獲得了國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、國(guó)家級(jí)優(yōu)秀教材特等獎(jiǎng)等29項(xiàng)部級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)，被幾百所高校選作教材，教學(xué)效果非常好。現(xiàn)經(jīng)修訂和增加新品種、新內(nèi)容，基本涵蓋了本科生和碩士研究生的主要課程。這套系列教材體系完整、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、理論結(jié)合實(shí)際、注重素質(zhì)培養(yǎng)。

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