1、 全国高等院校仪器仪表及自动化类“十三五”规划教材 可编程逻辑器件与 VHDL 设计 主 编 主 编 靳 鸿 主 编 主 编 郭华玲 沈大伟 副主编 赵正杰 孟令军 崔建峰 参 编 郭文凤 王 燕 刘 喆 参 编 参 编 内 容 简 介 本书以存储测试系统的控制模块为设计对象，在介绍 VHDL 相关基础知识的前提下，详细讲解了如何采用VHDL 进行控制模块关键子模块的设计方法。在对 VHDL 语言的数据对象、类型、数据结构及基本语句进行描述的基础上，着重将以上基础内容与实际的控制模块设计实现相结合，在不断强化基础的同时给出了 VHDL 在工程中的应用实例，对如何根据功能要求进行设计也有相关论述
2、。本书内容丰富，实践性强，章节之间注重知识整体性，对应用 VHDL 进行系统设计有较强的指导和参考作用。全书共 11 章，第 14 章是关于测试系统控制模块设计的基础理论，第 57 章是 VHDL 语言的基础理论，第 811 章是各控制模块的 VHDL 设计与实现方法及数字电路中常见的设计方法。本书可作为高等院校测控技术与仪器、机械工程及自动化等专业的本科生和研究生教材，也可以供从事电子仪器设计和调试工作的相关工程技术人员自学和参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 可编程逻辑器件与VHDL 设计/靳鸿主编.北京：电子工业出
3、版社，2017.3 全国高等院校仪器仪表及自动化类“十三五”规划教材 ISBN 978-7-121-30775-1.可 .靳 .可编程序逻辑阵列高等学校教材硬件描述语言程序设计高等学校教材 .TP332.1TP312 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2016)第 322894 号 策划编辑：郭穗娟 责任编辑：郭穗娟 特约编辑：顾慧芳 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：11.5 字数：294 千字 版 次：2017 年 3 月第 1 版 印 次：2017 年 3 月第 1 次印刷 定 价：4
4、5.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询方式：(010)88254502，。北京市李史山胶印厂 随着计算机和大规模集成电路制造技术的迅猛发展，现代复杂数字逻辑系统正向小型化、低功耗和高集成度方向发展。具有可重复使用、可移植性好、系统设计效率高等优点的可编程逻辑器逐渐成为电子系统设计的主流。硬件描述语言 VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Descripti
5、on Language）具有很强的行为描述能力，是进行可编程逻辑器件设计的主要工具，随着系统复杂性和智能化的不断提高，VHDL 已成为不可替代的语言工具，将在通信、工业、航空、航天等领域担负重任。本书从系统对 VHDL 的需求入手，在明确 VHDL 设计目的的基础上，结合此语言的相关基础知识，建立 VHDL 的设计思路。进行程序设计时，强调思路是设计的灵魂，先有思路才能很好地构思整个程序的结构，优化其算法。本书以控制模块的功能需求为背景，在明确了需要什么的基础上，提出如何满足需要的问题。这样，采用 VHDL 进行程序设计时，可以先对程序建立总体的认识，再对如何构建程序进行思考，以功能为牵引，分
6、析不同风格和语句实现的区别，掌握最优的 VHDL 设计方案。书中以信息获取系统控制模块设计为主线，除了扩展各具体模块的应用特点外，还考虑了各模块间的相互关系，一方面加强对语言的认识，另一方面将理论与实践进行结合，充分考虑工程实际的应用背景，建立理论学习与实际使用的衔接。本书是作者从事十多年教学经验的积累和科研结果的体现，实践性强；知识点与实际科研项目相结合；采用先建立知识框架再进行内容填充的介绍方式，便于读者的学习和理解。希望本书，能够使读者了解 VHDL，建立 VHDL 程序设计的思路，掌握其设计的步骤和基本方法，对实践起到一定的指导作用。本书共 11 章。第 1 章是绪论；第 24 章是对
7、测试系统控制模块的相关描述，包括系统组成及控制模块的主要功能，控制模块的设计方法，基于 VHDL 的控制模块设计流程等；第 57 章着重介绍 VHDL 语言的基础理论及常用的语句；第 810 章是各控制模块的 VHDL 设计与实现方法；第 11 章介绍了数字电路常用器件以及数字电路开发常用的设计方法。本书第 1、9 章由中北大学靳鸿编写；第 2 章由中北大学孟令军编写；第 3 章由中北大学王燕编写；第 4 章由沈阳理工大学装备工程学院郭文凤编写；第 5 章由中北大学郭华玲编写；第 6 章由中北大学赵正杰编写；第 7、8 章由中北大学沈大伟编写；第 10 章由中北大学崔建峰编写；第 11 章由太
8、原理工大学刘喆编写。靳鸿、郭华玲、沈大伟负责统稿。全体编者在此书的编写过程中都尽心尽力，但因水平有限，书中难免存在不足或疏漏之处，恳请广大读者批评指正，不胜感激。编 者 2017 年 1 月 第 1 章 绪论.1 1.1 集成技术与可编程逻辑器件.1 1.1.1 可编程逻辑器件.1 1.1.2 CPLD 和 FPGA.2 1.2 电子系统设计与 VHDL.3 1.2.1 传统系统的设计方法.3 1.2.2 VHDL 与“自顶向下”的设计方法.4 1.3 EDA、VHDL 及其应用.5 1.3.1 EDA.5 1.3.2 VHDL 特点.6 1.3.3 VHDL 设计流程及应用.7 第 2 章
9、测试系统构成及控制模块主要功能.13 2.1 测试系统的基本组成.13 2.1.1 系统模型.13 2.1.2 系统基本组成.13 2.2 控制模块的实现形式.14 2.2.1 基于可编程逻辑器件的设计与实现.14 2.2.2 基于单片机的设计与实现.17 2.3 控制模块主要控制功能.19 2.3.1 ADC 控制.19 2.3.2 存储器的控制.21 2.3.3 接口的控制.24 习题.25 第 3 章 控制模块设计方法.26 3.1 数字逻辑电路设计方法概述.26 3.1.1 通用逻辑器件设计方法.26 3.1.2 ASIC 及可编程逻辑器件设计方法.29 3.2 控制模块的状态设计.3
10、3 3.2.1 状态图及其组成.33 3.2.2 控制模块状态图设计.34 可编程逻辑器件与 VHDL 设计 VI 3.3 系统功能模块划分与接口.37 3.3.1 模块划分原则.37 3.3.2 功能模块划分.38 3.3.3 常用接口与总线.38 习题.42 第 4 章 基于 VHDL 的控制模块设计流程.43 4.1 VHDL 设计一般流程.43 4.1.1 VHDL 实际流程.43 4.1.2 仿真软件.44 4.2 设计输入与功能仿真.45 4.2.1 指定设计项目名称.45 4.2.2 创建新的设计文件.45 4.2.3 VHDL 程序设计.46 4.2.4 功能仿真.46 4.3
11、 项目编译与时序仿真.49 4.3.1 编译过程.49 4.3.2 编译器组成及说明.49 4.3.3 编译相关参数选取与设置.50 4.3.4 编译文件.52 4.3.5 时序仿真.52 4.4 器件下载编程和配置.53 习题.54 第 5 章 VHDL 基础.55 5.1 硬件描述语言概述.55 5.2 VHDL 的数据对象.55 5.2.1 常量.56 5.2.2 变量.57 5.2.3 信号.58 5.3 VHDL 的数据类型.59 5.3.1 标准的数据类型.60 5.3.2 标准逻辑位数据类型.62 5.3.3 用户自定义数据类型.63 5.4 VHDL 的运算符.69 5.4.1
12、 逻辑运算符.69 5.4.2 关系运算符.70 5.4.3 算术运算符.70 5.4.4 并置运算符.71 5.5 VHDL 的程序结构.72 5.5.1 库及程序包.73 目 录 VII 5.5.2 实体.74 5.5.3 结构体.75 5.5.4 配置.76 习题.76 第 6 章 VHDL 语句.78 6.1 VHDL 程序结构.78 6.1.1 VHDL 的特点.78 6.1.2 VHDL 程序结构.79 6.2 顺序语句.82 6.2.1 赋值语句.82 6.2.2 IF 语句.83 6.2.3 CASE 语句.85 6.2.4 LOOP 语句.87 6.2.5 WAIT 语句.8
13、9 6.3 并行语句.90 6.3.1 进程语句.91 6.3.2 块语句.92 6.3.3 并行赋值语句.94 6.3.4 元件例化语句.97 习题.99 第 7 章 基于 VHDL 的状态机设计.101 7.1 状态机设计基础.101 7.1.1 状态机的分类.101 7.1.2 状态机的描述方法.102 7.1.3 状态机的设计步骤.102 7.2 NAND Flash 块擦除模块状态机设计.103 习题.107 第 8 章 A/D 控制模块的 VHDL 设计与实现.108 8.1 A/D 概述.108 8.2 采样定理.110 8.2.1 时域采样定理.110 8.2.2 频域采样定理
14、.111 8.3 并行 A/D.111 8.3.1 典型并行 A/DAD7492 概述.111 8.3.2 并行 A/D 控制命令.113 8.4 串行 A/D.116 8.4.1 典型串行 A/DAD7274 概述.116 8.4.2 串行 A/D 控制命令.117 可编程逻辑器件与 VHDL 设计 VIII 习题.122 第 9 章 存储器控制模块的 VHDL 设计与实现.124 9.1 存储器分类及使用特点.124 9.1.1 SRAM 存储器.124 9.1.2 Flash 存储器.125 9.1.3 铁电存储器.125 9.2 SRAM 存储器及其控制.125 9.2.1 SRAM
15、基本结构.125 9.2.2 SRAM 基本操作与 VHDL 设计.126 9.3 Flash 存储器概述.130 9.3.1 Flash 的基本结构.130 9.3.2 NAND Flash 访问方法.132 9.4 Flash 存储器控制.133 9.4.1 Flash 擦除.133 9.4.2 Flash 无效块检测.136 9.4.3 Flash 页编程.139 9.4.4 Flash 读操作.142 习题.146 第 10 章 异步串行通信（UART）模块设计.147 10.1 UART 协议简介.147 10.1.1 UART 接口标准.147 10.1.2 UART 通信协议.1
16、48 10.2 UART 协议控制器 FPGA 实现.148 10.2.1 UART 接口实现原理与方案.149 10.2.2 波特率时钟生成模块设计.150 10.2.3 数据接收/发送逻辑模块设计.150 10.2.4 数据奇偶校验模块设计.156 10.2.5 串并转换模块设计.157 10.2.6 数据接收/发送 FIFO 模块设计.158 10.3 测试仿真与设计调试注意事项.159 10.3.1 测试仿真.159 10.3.2 设计调试注意事项.160 习题.161 第 11 章 数字电路开发常用设计方法.162 11.1 毛刺现象及消除方法.162 11.2 几种逻辑器件及信号清零方法.163 11.2.1 触发器及锁存器.163 11.2.2 信号清零方法.164 目 录 IX 11.3 数字电路中的同步设计.165 11.4 数字电路时延电路产生及用法.167 11.5 数字电路中的时钟设计.167 11.5.1 全局时钟.168 11.5.2 门控制时钟.168 11.5.3 多级逻辑时钟.168 11.5.4 行波时钟.168 11.5.5 多时钟系统.169 习
