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本书提供了参考授课计划及自学建议，方便教师授课和学生自学。全书整体分为基础篇、实战篇两部分，两者相辅相成、有机融合。本书主要介绍FPGA/CPLD的结构与工作原理、配置与编程，QuartusⅡ设计流程，硬件描述语言VHDL的语法概要并给出了常用单元电路的设计。书中结合大量的实例进行讲解，使读者可以很容易从模仿中快速学会用VHDL设计电路，并应用EDA技术解决中、小规模的系统设计问题。本书可作为高职院校电子类、通信类及计算机类等相关专业二年级及以上学生的教材，也可作为电子技术工程技术人员的参考用书。

第1篇　EDA技术基础

第1章　概述 / 2

  1.1　EDA技术的含义2

　1.2　EDA技术典型应用3

　1.3　EDA技术的主要内容4

　1.4　EDA技术的特点及发展趋势5

　1.5　如何学习EDA技术6

第2章　可编程逻辑器件 / 8

　2.1　概述8

　　　2.1.1　可编程逻辑器件的发展历程8

　　　2.1.2　简单可编程逻辑器件的基本结构12

　　　2.1.3　可编程逻辑器件的主要分类12

　2.2　大规模可编程逻辑器件13

　　　2.2.1　FPGA的结构与工作原理13

　　　2.2.2　CPLD的结构与工作原理17

　　　2.2.3　其他类型的FPGA和CPLD19

　　　2.2.4　Altera成熟器件及命名规则19

　　　2.2.5　FPGA和CPLD器件选择22

　　　2.2.6　Altera配置芯片简介23

　2.3　Altera新型系列器件简介23

　　　2.3.1　Stratix系列高端FPGA简介23

　　　2.3.2　Arria系列中端FPGA简介24

　　　2.3.3　Cyclone系列低端FPGA简介24

　　　2.3.4　MAXⅡ系列低成本CPLD简介25

　　　2.3.5　HardCopy ASIC系列简介25

　2.4　FPGA/CPLD器件的配置与编程26

　　　2.4.1　下载电缆26

　　　2.4.2　配置与编程模式28

　　　2.4.3　配置方式30

第3章　QuartusⅡ设计基础 / 33

　3.1　概述33

　3.2　QuartusⅡ的安装与授权34

　　　3.2.1　系统要求34

　　　3.2.2　QuartusⅡ的安装34

　　　3.2.3　QuartusⅡ的授权36

　3.3　QuartusⅡ设计流程39

　　　3.3.1　设计输入40

　　　3.3.2　设计实现41

　　　3.3.3　编程下载42

　　　3.3.4　设计验证42

　3.4　QuartusⅡ设计实例43

　　　3.4.1　输入设计与编译43

　　　3.4.2　仿真及时序分析48

　　　3.4.3　下载实现及硬件测试53

　　　3.4.4　可参数化宏模块的调用60

　　　3.4.5　Dsp Builder的应用66

　　　3.4.6　设计一个简单的CPU系统75

第4章　硬件描述语言VHDL语法概要 / 84

　4.1　概述84

　　　4.1.1　VHDL的特点84

　　　4.1.2　学习VHDL的注意事项86

　4.2　VHDL程序基本结构87

　　　4.2.1　库87

　　　4.2.2　实体89

　　　4.2.3　结构体90

　4.3　VHDL语言要素91

　　　4.3.1　文字规则91

　　　4.3.2　数据对象92

　　　4.3.3　数据类型93

　　　4.3.4　类型转换95

　　　4.3.5　运算操作符95

　　　4.3.6　属性97

　4.4　VHDL的基本描述语句98

　　　4.4.1　顺序语句98

　　　4.4.2　并行语句100

　　　4.4.3　其他语句103

　4.5　子程序、程序包和配置104

　　　4.5.1　子程序104

　　　4.5.2　程序包106

　　　4.5.3　配置107

第5章　常用模块电路的VHDL设计 / 108

　5.1　常用组合逻辑电路的设计108

　　　5.1.1　七段译码器108

　　　5.1.2　优先编码器110

　　　5.1.3　多路选择器111

　　　5.1.4　求补器111

　　　5.1.5　三态门及总线缓冲器113

　5.2　时序逻辑电路的设计115

　　　5.2.1　触发器的设计115

　　　5.2.2　移位寄存器的设计117

　　　5.2.3　计数器的设计123

　5.3　状态机的设计129

　　　5.3.1　摩尔状态机的设计129

　　　5.3.2　米里状态机的设计132

　5.4　存储器的设计134

　　　5.4.1　只读存储器的设计134

　　　5.4.2　随机存储器的设计138

　　　5.4.3　堆栈的设计140

第2篇　实战训练

第6章　基础训练 / 144

　6.1　一位全加器原理图输入设计144

　6.2　译码显示电路的设计145

　6.3　含异步清零和同步时钟使能的4位十进制加法计数器的设计145

　6.4　数控分频器的设计146

　6.5　用状态机实现序列检测器的设计149

　6.6　简易正弦信号发送器的设计152

第7章　综合训练 / 157

　7.1　键盘输入电路的设计157

　7.2　动态输出4位十进制频率计的设计165

　7.3　数字钟的设计171

　7.4　DDS信号源的设计178

　7.5　基于Dsp Builder使用IP Core的FIR滤波器的设计182

　7.6　基于NIOSⅡ的SD卡音乐播放器的实现189

第8章　实战实例 / 197

　8.1　交通灯197

　8.2　函数信号发生器202

　8.3　出租车计费器205

　8.4　4位频率计212

　8.5　万年历213

附录 / 221

　附录A　DE2基本资料221

　附录B　基于MAXⅡEPM240芯片的WZ型小系统实验板基本资料228

参考文献 / 230

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前言

电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）是现代电子信息工程领域的一门新技术，它是在先进的计算机工作平台上开发出来的一整套电子系统设计的软硬件工具，并提供了先进的电子系统设计方法。EDA技术是电子设计技术和电子制造技术的核心，其发展和推广应用极大地推动了电子信息行业的发展。

现在的大规模FPGA器件已经相当普及，电路规模发展到现在的百万门级，半导体蚀刻技术已经可以达到14nm，FPGA内部也已经集成CPU软核或硬核，同时提供复杂DSP的专用IP，使得SOPC技术成为一个发展的方向。EDA技术及其应用水平已成为一个国家电子信息工业现代化的重要标志之一。

EDA已经成为电子设计的主要手段，使工程师们在高效设计的同时，可以进行精确的硬件抽象和仿真，保证产品开发的短周期和高质量，作为一个电子技术工程技术人员不懂VHDL语言和FPGA/CPLD器件设计，就像在计算机时代不会使用计算机一样可怕。EDA技术是电子技术类课程教学改革的重要方向，是培养出适应21世纪发展需要的高素质的全面人才的必不可少的课程。

EDA技术课程主要内容包括三个部分：①大规模可编程器件，它是利用EDA技术进行电子系统设计的载体；②硬件描述语言，它是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段；③软件开发工具，它是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具。“EDA技术”课程主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理，掌握HDL编写规范，掌握逻辑综合的理论和方法，使用EDA工具软件进行相关的实践并从事简单系统的设计，提高工程实践能力；学会应用EDA技术解决一些简单的电子设计问题。该课程立足于电子硬件设计，但同时以计算机软件作为设计的工具和辅助手段。

2006年国家电工电子项目在武汉职业技术学院建立“EDA实训基地”。Altera公司于2008年9月捐赠武汉职业技术学院价值53万多美元Altera产品，隆重举行了武汉职业技术学院-Altera EDA/SOPC联合实验室揭牌暨捐赠仪式，成为Altera在中国的个高职院校的联合实验室（截至到现在有包括清华大学在内的等百余个联合实验室）。武汉职业技术学院参与发起并成为“中南地区EDA/SOPC技术研究会”常务理事单位之一。

武汉职业技术学院于2000年开设“EDA技术”课程，根据高职学生培养实用型、技术应用型人才的目标，以实用、够用为原则，编写了“EDA技术”讲义，试用5年来效果较好，于2006年出版了《EDA技术实用教程》，2009年出版了《EDA技术与实践教程》。在使用中发现仍存在很多问题：一是部分代码有误；二是以MAX plusⅡ为蓝本，不符合时代进步的要求；三是内容过于庞杂，难以符合实用、够用的原则。

还有一个问题很纠结。各大公司的设计套件平均每半年更新一次，软件的更新意味着硬件的落后，也要随之更新，这在各个院校都很难实现。要不要追求新版本也是一个问题。本课程EDA技术，应该说是所有电子大类及相关专业应该掌握的技术，一种入门级普及教育；Altera于2015年被Intel收购，作为英特尔的新业务部门运营，称为可编程解决方案事业部(PSG)，其开发工具QuartusⅡ更名为Quartus Prime，主要在性能、效率、可用性上有所提升。思虑再三，暂不更新教学软件的版本。

本书采用结合传统与现代高职院校推崇的“基于行动导向”之间的方法编写，并提供参考授课计划及自学方法，整体分为基础篇、实战篇两部分，两者相辅相成、有机融合。根据高职学生培养实用型、技术应用型人才的目标，以实用、够用为原则，理论知识尽量简明，重视实践环节。书中给出了大量的实例，通过这些实例，读者可以很容易从模仿中快速学会用VHDL设计电路，并应用EDA技术解决一些中、小规模的系统设计问题。

本书在正文前提供了参考授课计划及自学建议，方便教师授课和学生自学。第1章概述了EDA技术的主要内容、特点及发展趋势；第2章简要介绍了FPGA/CPLD的发展历程、结构与工作原理及特点，Altera的成熟器件、新型器件和配置芯片，FPGA/CPLD器件的配置与编程；第3章介绍了QuartusⅡ设计流程，分步骤通过6个设计实例介绍了输入设计与编译、仿真及时序分析、下载实现及硬件测试、可参数化宏模块的调用及SOPC技术入门，涵盖了QuartusⅡ设计的主要内容，方便读者快速掌握EDA开发工具的使用方法；第4章介绍了硬件描述语言VHDL语法概要，为突出重点、节省篇幅，例题均标注在第5章的实例中；第5章用VHDL给出了常用单元电路的设计，让学生从模仿中快速用VHDL设计电路；第6章由浅入深，精选了6个基础训练项目，建议教学活动由此展开；第7章精选了6个综合训练项目，前4个训练项目让读者充分体会由电子积木（模块）构建数字系统设计，后2个训练项目让读者体会到高起点开发应用之快乐，可供小型课程设计之用。第8章选取了本学期几个完成了硬件实验的学生作品，以期作抛砖引玉之用。

本书采用Altera大学计划全球推广DE2开发板为蓝本，描述实践环节。本教材提供的所有VHDL代码均在QuartusⅡ9.0 SP1上综合通过，部分例题给出了仿真结果。

本书由武汉职业技术学院宋烈武编著，参加编写的有武汉职业技术学院王碧芳、杨慧、虞沧、曹艳，仙桃职业技术学院胡进德，湖北众有科技有限公司的刘忠成参与了部分编写，还有第8章收录了通信17304班的刘泽林、刘永万、苏昌镐，电信17202班的夏天等同学的作品，在此表示衷心的感谢。

由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。编者E-mail:dzgcslw@163.com。

谢谢关爱本教材的朋友！

编者

2018年12月