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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。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1～4章是关于测试系统控制模块设计的基础理论，第5～7章是VHDL语言的基础理论，第8～11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。

目录
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  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	33
3.2.1  状态图及其组成	33
3.2.2  控制模块状态图设计	34
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  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  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
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	89
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	111
8.3  并行A/D	111
8.3.1  典型并行A/D——AD7492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  典型的串行A/D—AD7274概述	116
8.4.2  串行A/D控制命令	117
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基本结构	125
9.2.2  SRAM基本操作与VHDL设计	127
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	148
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置位清除方法	163
11.2.1  触发器及锁存器	163
11.2.2  信号置位清除方法	165
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
习题	171
参考文献	172

前言

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 Description 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2～4章是对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5～7章着重介绍VHDL语言的基础理论及常用的语句；第8～10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

科技

靳鸿，教授，博士，中北大学教师。主要研究方向为恶劣环境的动态参数测试，微型弹载测试仪和智能仪器等；近年来主持承担省级项目、武器装备预研基金、国防预研重大项目等国家重点项目6项，横向科研项目十余项，获得山西省科学技术二等奖1项、一等奖1项；发明专利8项；山西省教学成果奖2项；出版教材5部；“全国电子信息类优秀教材”三等奖及第五届兵工高校优秀教材二等奖各一项。

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可编程逻辑器件与VHDL设计