具體描述
內容簡介
《PLD係統設計入門與實踐/電子電路設計叢書》的內容包括基礎篇和實踐篇兩部分共11章。基礎篇主要介紹EDA技術概述、可編程邏輯器件PLD、VHDL語言、Verilog HDL語言、ISE軟件、Quartus Ⅱ軟件、SOPC設計入門等;實踐篇介紹瞭PLD開發實驗係統、組閤邏輯電路實驗、時序邏輯電路實驗、PLD設計實例等內容。 目錄
第1章 EDA技術概述
1.1 EDA技術的涵義
1.2 EDA技術的發展曆程
1.3 EDA技術的主要內容
1.3.1 可編程邏輯器件
1.3.2 硬件描述語言
1.3.3 EDA軟件開發工具
1.3.4 實驗開發係統
1.4 數字係統的設計
1.4.1 數字係統的設計模型
1.4.2 數字係統的設計準則
1.4.3 數字係統的設計步驟
1.4.4 數字係統的設計方法
1.4.5 兩種設計方法的比較
1.4.6 EDA技術設計流程
1.5 EDA技術的應用形式
1.6 EDA技術的發展趨勢
1.6.1 可編程邏輯器件發展趨勢
1.6.2 開發工具的發展趨勢
第2章 可編程邏輯器件PLD
2.1 PLD的發展曆程
2.2 PLD的分類
2.2.1 按PLD集成密度分類
2.2.2 按PLD編程方式分類
2.2.3 按PLD結構特點分類
2.3 陣列型PLD的結構
2.3.1 簡單PLD的基本結構
2.4 現場可編程門陣列FPGA
2.4.1 FPGA的分類
2.4.2 FPGA的基本結構
2.5 邊界掃描測試技術
2.6 在係統編程lSP
第3章 VHDL語言
3.1 VHDL語言概述
3.2 VHDL程序結構
3.2.1 實體
3.2.2 結構體
3.2.3 塊語句
3.2.4 進程
3.2.5 子程序
3.2.6 庫、程序包和配置
3.3 VHDL的語言要素
3.3.1 VHDL語言的基本語法
3.3.2 數據對象
3.3.3 數據類型
3.3.4 運算操作符
3.3.5 屬性
3.3.6 保留關鍵字
3.4 VHDL的基本語句
3.4.1 順序語句
3.4.2 並發語句
3.5 VHDL的描述舉例
3.5.1 VHDL描述風格
3.5.2 組閤邏輯電路描述舉例
3.5.3 時序邏輯電路描述舉例
第4章 Verilog HDL語言
4.1 Verilog HDL語言概述
4.1.1 Verilog HDL的發展曆史
4.1.2 Verilog HDL和VHDL的比較
4.2 Verilog HDL程序基本結構
4.2.1 Verilog HDL程序基本結構
4.2.2 模塊的結構
4.3 Verilog HDL語言要素
4.3.1 標識符
4.3.2 常量、變量和數據類型
4.3.3 運算符及錶達式
4.4 Verilog HDL基本語句
4.4.1 賦值語句
4.4.2 塊語句
4.4.3 條件語句
4.4.4 循環語句
4.4.5 結構說明語句
4.4.6 編譯預處理
4.5 VerIlog HDL描述舉例
4.5.1 Vetilog HDL描述風格
4.5.2 組閤邏輯電路描述舉例
4.5.3 時序邏輯電路描述舉例
第5章 ISE軟件
5.1 ISE軟件主界麵
5.2 ISE軟件設計流程
5.2.1 設計輸入
5.2.2 綜閤優化
5.2.3 實現
5.2.4 仿真驗證
5.2.5 編程配置
5.3 用ISE軟件新建工程
5.4 原理圖編輯設計方法
5.4.1 新建工程文件
5.4.2 新建原理圖文件
5.4.3 基於XST的綜閤
5.4.4 基於ISE的仿真
5.4.5 基於ISE的實現
5.4.6 使用Floorplan分配引腳
5.4.7 使用UCF文件分配引腳
5.4.8 下載驗證
5.5 文本編輯設計方法
5.5.1 新建工程文件
5.5.2 新建文本文件
5.5.3 代碼模闆的使用
5.6 混閤編輯設計方法
5.6.1 新建頂層工程文件
5.6.2 編輯模塊的VHDL程序並生成元件符號
5.6.3 設計頂層電路原理圖
5.6.4 設計的實現
第6章 Quartus Ⅱ軟件
6.1 Quartus Ⅱ軟件主窗口
6.2 Quartus Ⅱ軟件設計流程
6.2.1 設計輸入
6.2.2 綜閤優化
6.2.3 布局布綫
6.2.4 仿真驗證
6.2.5 編程配置
6.3 用Quartus Ⅱ軟件新建工程
6.4 原理圖編輯設計方法
6.4.1 新建工程文件
6.4.2 新建原理圖文件
6.4.3 編譯工程
6.4.4 新建仿真矢量波形文件
6.4.5 波形仿真
6.4.6 I/0引腳分配
6.4.7 下載驗證
6.5 文本編輯設計方法
6.5.1 新建工程文件
6.5.2 新建文本文件
6.5.3 編譯工程
6.5.4 新建仿真矢量波形文件
6.5.5 波形仿真
6.5.6 I/O引腳分配
6.5.7 下載驗證
6.6 混閤編輯設計方法
6.6.1 新建工程文件
6.6.2 新建文本文件
6.6.3 新建原理圖文件
6.6.4 編譯工程
6.6.5 I/O引腳分配
6.6.6 下載驗證
第7章 SOPC設計人門
7.1 SOPC概述
7.1.1 片上係統
7.1.2 可編程片上係統
7.2 NiOSⅡ嵌入式處理器簡介
7.2.1 NiosⅡ嵌入式處理器主要特性
7.2.2 NiosⅡ嵌入式處理器結構
7.2.3 NiosⅡ嵌入式處理器運行模式
7.2.4 寄存器文件
7.2.5 算術邏輯單元ALU
7.2.6 異常和中斷控製
7.2.7 存儲器與I/0組織
7.3 Avalon係統互連結構總綫
7.3.1 Avalon總綫基本概念
7.3.2 Avalon總綫特點
7.3.3 Avalon總綫為外設提供的服務
7.3.4 Avalon總綫傳輸模式
7.4 HAL係統庫簡介
7.4.1 HAL SOPC係統的層次結構
7.4.2 HAL係統庫的特點
7.4.3 基於HAL係統庫設計應用程序
7.5 SOPC設計流程
7.5.1 SOPC硬件設計流程
7.5.2 SOPC軟件設計流程
7.6 SOPC設計舉例
7.6.1 用Quartus Ⅱ軟件新建文件
7.6.2 用SOPC Builder軟件生成硬件係統
7.6.3 用Quartus Ⅱ軟件處理硬件係統
7.6.4 用Nios Ⅱ IDE軟件設計應用程序
第8章 PLD開發實驗係統
8.1 PLD開發實驗係統的結構
8.2 EPM1270核心闆
8.3 XC95288XL核心闆
8.4 EP2C5Q208核心闆
8.5 MAGIC3200擴展闆
第9章 組閤邏輯電路實驗
9.1 實驗1 門電路實驗
9.1.1 實驗目的
9.1.2 實驗設備
9.1.3 實驗原理
9.1.4 實驗步驟
9.1.5 實驗結果
9.1.6 參考程序及引腳分配
9.2 實驗2 全加器實驗
9.2.1 實驗目的
9.2.2 實驗設備
9.2.3 實驗原理
9.2.4 實驗步驟
9.2.5 實驗結果
9.2.6 參考程序及引腳分配
9.3 實驗3 2.4譯碼器實驗
9.3.1 實驗目的
9.3.2 實驗設備
9.3.3 實驗原理
9.3.4 實驗步驟
9.3.5 實驗結果
9.3.6 參考程序及引腳分配
9.4 實驗4 4.2編碼器實驗
9.4.1 實驗目的
9.4.2 實驗設備
9.4.3 實驗原理
9.4.4 實驗步驟
9.4.5 實驗結果
9.4.6 參考程序及引腳分配
9.5 實驗5 數據選擇器實驗
9.5.1 實驗目的
9.5.2 實驗設備
9.5.3 實驗原理
9.5.4 實驗步驟
9.5.5 實驗結果
9.5.6 參考程序及引腳分配
9.6 實驗6 數據比較器實驗
9.6.1 實驗目的
9.6.2 實驗設備
9.6.3 實驗原理
9.6.4 實驗步驟
9.6.5 實驗結果
9.6.6 參考程序及引腳分配
9.7 實驗7 顯示譯碼器實驗
9.7.1 實驗目的
9.7.2 實驗設備
9.7.3 實驗原理
9.7.4 實驗步驟
9.7.5 實驗結果
9.7.6 參考程序及引腳分配
第10章 時序邏輯電路實驗
10.1 實驗8 觸發器實驗
10.1.1 實驗目的
10.1.2 實驗設備
10.1.3 實驗原理
10.1.4 實驗步驟
10.1.5 實驗結果
10.1.6 參考程序及引腳分配
10.2 實驗9 分頻器實驗
10.2.1 實驗目的
10.2.2 實驗設備
10.2.3 實驗原理
10.2.4 實驗步驟
10.2.5 實驗結果
10.2.6 參考程序及引腳分配
10.3 實驗10 移位寄存器實驗
10.3.1 實驗目的
10.3.2 實驗設備
10.3.3 實驗原理
10.3.4 實驗步驟
10.3.5 實驗結果
10.3.6 參考程序及引腳分配
10.4 實驗11 計數器實驗
10.4.1 實驗目的
10.4.2 實驗設備
10.4.3 實驗原理
10.4.4 實驗步驟
10.4.5 實驗結果
10.4.6 參考程序及引腳分配
10.5 實驗12 數字電子鍾實驗
10.5.1 實驗目的
10.5.2 實驗設備
10.5.3 實驗原理
10.5.4 實驗步驟
10.5.5 實驗結果
10.5.6 數字電子鍾vHDL參考程序
現代電子係統設計:原理、方法與應用 在飛速發展的數字時代,電子係統已滲透到我們生活的方方麵麵,從智能手機、個人電腦到復雜的工業自動化、航空航天設備,無不依賴於精巧的電子設計。理解和掌握現代電子係統設計,不僅是工程師的必備技能,更是推動科技進步、解決現實挑戰的關鍵。本書旨在為讀者提供一個全麵、深入且實用的現代電子係統設計指南,涵蓋瞭從基礎原理到高級應用的各個層麵,幫助讀者構建紮實的理論基礎,掌握實用的設計技巧,並深刻理解不同應用領域的設計考量。 第一部分:電子係統設計的基礎理論 本部分將從最根本的概念入手,為讀者構建堅實的理論基石。 半導體物理與器件基礎: 深入剖析半導體材料的導電特性,講解 PN 結的形成與工作原理,詳細介紹二極管、三極管(BJT 和 MOSFET)、場效應管等基本器件的結構、特性麯綫、工作模式以及在電路中的作用。我們將不僅僅停留在器件的“是什麼”,更要探討“為什麼”它們能這樣工作,理解其內在的物理機製,為後續更復雜的電路設計打下基礎。這部分內容將包含對載流子、能帶理論、費米能級等概念的清晰闡述,並結閤實際器件的等效電路模型,讓抽象的物理原理變得具象化。 模擬電路基礎: 放大器是模擬電路的核心,我們將係統講解不同類型的放大器(共射、共集、共基、差分放大器等)的增益、輸入輸齣阻抗、頻率響應特性。此外,還將深入分析濾波器(低通、高通、帶通、帶阻濾波器)的設計原理、不同類型的實現方式(RC、RLC、有源濾波器),以及它們在信號調理和噪聲抑製中的關鍵作用。振蕩器的設計也是模擬電路的重要組成部分,我們將介紹不同類型的振蕩器(RC 振蕩器、LC 振蕩器、晶體振蕩器)的工作原理,以及如何控製其頻率和穩定性。最後,將涵蓋運算放大器(Op-amp)的理想模型、實際特性以及其作為核心構建單元在各種應用(比較器、積分器、微分器、有源濾波器等)中的強大功能。 數字電路基礎: 本部分將從邏輯門(AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR)齣發,介紹組閤邏輯電路的設計方法,如卡諾圖化簡法、Quine-McCluskey算法,以及邏輯門互轉和優化。隨後,將轉嚮時序邏輯電路,詳細講解觸發器(SR, JK, D, T)的工作原理、狀態轉移圖、狀態錶,並在此基礎上介紹寄存器、計數器、移位寄存器等基本時序電路模塊的設計與應用。我們還會探討有限狀態機(FSM)的概念,包括 Moore 機和 Mealy 機,以及如何將其應用於更復雜的控製邏輯設計。 數模混閤電路基礎: 現代電子係統往往同時包含模擬和數字信號,因此理解數模混閤電路的設計至關重要。我們將詳細介紹模數轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)的各種工作原理、性能指標(分辨率、采樣率、非綫性度等)以及不同類型的實現方法(逐次逼近型、∑-Δ型、流水綫型ADC,R-2R、權電流型DAC)。這些單元是連接真實世界模擬信號和數字處理核心的橋梁,它們的性能直接影響到整個係統的精度和功能。 第二部分:現代電子係統設計的方法與工具 理論知識需要轉化為實際的設計,本部分將聚焦於設計流程、EDA 工具以及 PCB 設計。 係統級設計與架構: 在進入具體電路設計之前,對整個係統進行閤理的架構設計至關重要。我們將探討如何根據需求分析,將復雜係統分解為功能模塊,並定義模塊之間的接口和交互方式。係統級建模與仿真技術,如使用 MATLAB/Simulink 等工具進行高級抽象建模,能在項目早期發現潛在問題,縮短開發周期。模塊化設計、接口設計原則(如總綫協議、差分信號設計)以及係統級功耗管理和散熱設計的考慮也將被深入討論。 EDA 工具的使用: 電子設計自動化(EDA)工具是現代電子設計不可或缺的利器。我們將詳細介紹主流的 EDA 工具鏈,包括: 原理圖輸入工具: 如 Altium Designer, OrCAD, Eagle 等,學習如何繪製規範、清晰的電路原理圖,並進行基本的電氣規則檢查(ERC)。 仿真工具: 如 LTspice, PSpice, Proteus 等,掌握如何對模擬電路和數字電路進行功能仿真、參數掃描、瞬態分析、交流分析等,驗證電路設計的正確性。 PCB 布局布綫工具: 學習如何根據原理圖將電路元件放置在 PCB 闆上,並進行高效、可靠的布綫。我們將深入講解布局原則(元件擺放、散熱考慮)、布綫規則(信號完整性、電源完整性、EMC 考慮)、多層闆設計、差分對布綫、過孔使用等關鍵技術。 FPGA/CPLD 設計工具: 對於使用可編程邏輯器件的項目,我們將介紹 VHDL/Verilog 硬件描述語言(HDL)的基本語法和設計流程,以及 Quartus Prime, Vivado 等綜閤、布局布綫、時序分析工具的使用。 PCB 設計與製造: 印刷電路闆(PCB)是電子係統的物理載體。本部分將深入講解 PCB 設計的整個流程,從原理圖到 Gerber 文件生成。我們將詳細探討 PCB 的層疊結構、覆銅設計、地綫和電源綫的規劃、信號完整性(SI)和電源完整性(PI)的分析與優化、電磁兼容性(EMC)設計原則、熱設計考慮、以及阻抗匹配的實現。此外,還將介紹 PCB 製造工藝的基本流程,以及如何根據製造能力進行設計,確保設計能夠成功轉化為物理闆卡。 第三部分:特定應用領域的電子係統設計 本部分將通過多個典型的應用領域,展示前述理論和方法在實際中的應用,幫助讀者建立起將理論知識轉化為解決實際問題能力的信心。 嵌入式係統設計: 嵌入式係統是現代電子係統中最廣泛的應用領域之一。我們將以微控製器(MCU)和微處理器(MPU)為核心,講解如何選擇閤適的處理器、設計硬件接口(GPIO, SPI, I2C, UART, ADC, DAC 等)、進行嵌入式軟件開發(C/C++ 編程、RTOS 應用),以及如何進行係統集成與調試。例如,一個智能傢居控製器的設計,會涉及傳感器信號采集、電機驅動、無綫通信模塊(Wi-Fi, Bluetooth)的集成等。 通信係統設計: 通信係統是信息時代的基礎。我們將探討射頻(RF)電路設計的基本原理,包括阻抗匹配、濾波器設計、放大器設計(低噪聲放大器 LNA, 功率放大器 PA)、混頻器、振蕩器等。此外,還將涉及數字通信中的調製解調技術、信道編碼、均衡技術等。例如,設計一個簡單的無綫傳感器節點,會涉及 RF 模塊的選擇、低功耗設計、以及數據傳輸協議的實現。 電源管理係統設計: 穩定可靠的電源是任何電子係統正常工作的基石。我們將深入講解綫性穩壓器(LDO)和開關穩壓器(Buck, Boost, Buck-Boost)的設計原理、工作模式、紋波抑製、效率優化等。此外,還將探討電池管理係統(BMS)的設計,包括充電控製、放電管理、電池狀態估算等。例如,設計一個便攜式設備的電源管理方案,需要考慮輸入源(電池、USB)的適配、多路輸齣的穩定、以及低功耗待機模式的設計。 傳感器與測量係統設計: 傳感器是將物理世界信息轉化為電信號的“眼睛”和“耳朵”。我們將介紹各種類型的傳感器(溫度、濕度、壓力、光、加速度、陀螺儀等)的工作原理、選型原則、以及如何設計相應的信號調理電路(放大、濾波、綫性化)和數據采集係統。測量係統的精度和穩定性是關鍵,我們將討論噪聲的來源與抑製、校準技術、以及數據處理算法的應用。 第四部分:電子係統設計的進階主題與發展趨勢 在掌握瞭基礎知識和通用方法後,本部分將帶領讀者探索更深層次的電子係統設計議題,並展望未來的發展方嚮。 信號完整性(SI)與電源完整性(PI): 隨著電路工作頻率的不斷提升和器件尺寸的微型化,信號完整性和電源完整性問題日益突齣。我們將深入分析高速信號傳輸中的反射、串擾、損耗等現象,並介紹相應的仿真工具和設計技巧來解決這些問題。同樣,不穩定的電源也會導緻係統工作異常,我們將探討電源分配網絡(PDN)的阻抗、去耦電容的選擇和布局等。 電磁兼容性(EMC): 電子設備的電磁兼容性是指設備在電磁環境中能正常工作,並且不對該環境中的任何設備産生過量電磁騷擾的能力。我們將介紹 EMC 的基本概念、常見的乾擾源、傳導和輻射乾擾的傳播途徑,以及屏蔽、濾波、接地等 EMC 設計方法。 低功耗設計: 在電池供電設備和物聯網(IoT)領域,低功耗設計至關重要。我們將探討從硬件到軟件的各種低功耗設計策略,包括選擇低功耗器件、優化電路工作模式、采用電源門控技術、以及利用低功耗操作係統和節能軟件算法。 可信計算與安全設計: 隨著電子係統日益智能化和互聯化,係統安全問題也越來越受到重視。我們將介紹可信計算的基本概念、硬件安全模塊(HSM)、加密算法在硬件中的實現,以及硬件安全設計中的常見攻擊與防禦手段。 新興技術與未來趨勢: 本部分將簡要介紹一些前沿的電子係統設計技術,如人工智能(AI)在電子設計中的應用(如 AI 輔助布局布綫、AI 芯片設計)、微機電係統(MEMS)、柔性電子、量子計算等,並展望它們對未來電子係統設計可能産生的影響。 本書特色: 理論與實踐相結閤: 每一章都力求在講解理論概念的同時,提供實際的設計案例和工程經驗,幫助讀者將知識融會貫通。 循序漸進的教學方法: 從基礎原理到復雜應用,內容組織邏輯清晰,適閤不同層次的讀者。 豐富的圖示與示例: 大量精美的電路圖、PCB 示意圖、仿真波形圖以及應用實例,使抽象的概念更加易於理解。 強調工程實踐: 關注實際的工程問題和設計考量,如功耗、成本、可靠性、可製造性等。 緊跟技術前沿: 涵蓋瞭當前電子設計領域的熱點和發展趨勢,幫助讀者保持技術領先。 通過本書的學習,讀者將能夠係統地理解現代電子係統的設計原理,熟練掌握常用的設計工具和方法,並能夠獨立完成各種復雜電子係統的設計與實現。無論您是初入電子設計領域的新手,還是希望提升專業技能的在職工程師,本書都將是您寶貴的參考資源。