本书全面系统地介绍了电子设计自动化（EDA）的相关技术理论?VHDL 语言及语法?开发环境Altera Quartus Ⅱ操作流程?电子设计与优化方法等。本书遵循循序渐进的学习规律，突出实用性，以数字电路和系统设计为主线，与数字电路和系统的实践教学环节及科研实际相结合，提供丰富的SOPC 设计实例。全书共9 章，内容包括EDA 工具软件Quartus Prime 18.0 、VHDL 语言要素、VHDL 基本结构、VHDL 顺序语句、VHDL 并行语句、数字电路设计实例、EDA 技术的综合应用、Verilog HDL 、SOPC 技术。本书基于Intel FPGA 产品及开发环境，参考了官方提供的设计资料，提供了丰富的设计案例，从理论与实践两个方面解决了与后续课程的衔接，具有系统性强、内容新颖、适用性广等特点。
本书可作为普通高等院校电子信息专业?通信专业及计算机专业的教材，也可作为工程技术人员的参考用书。本书配有电子课件和源代码，欢迎选用本书作为教材的老师登录www.cmpedu.com 注册下载，或发邮件至jinacmp@163.com 索取。

电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA ）是以微电子技术为物理层面，以现代电子设计为灵魂，以计算机软件技术为手段，终形成集成电子系统或专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC ）的一门新兴技术。现代电子设计技术的核心是EDA 技术。EDA 技术就是依靠功能强大的计算机，在EDA 工具软件平台上，对用硬件描述语言（如VHDL）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化和仿真，直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA 或专用集成电路ASIC 芯片中，实现既定的电子电路设计功能。
EDA 技术的出现不仅更好地保证了电子工程设计各级别的仿真、调试和纠错，为其发展带来了强有力的技术支持，并且在电子、通信、化工、航空航天、生物等各个领域占有越来越重要的地位，很大程度上减轻了相关从业者的工作强度。
基于在工程领域中EDA 技术的实用价值，以及对EDA 教学中实践能力和创新意识培养的重视，本书在编写中体现了如下3 个特色。
1．注重实践能力和创新能力的培养
本书的大部分章节安排了针对性较强的实验与设计项目。针对大多数学生而言，理论的学习很枯燥，本书力图让大家先进门再修行，尽量简化理论学习，在基础部分安排了大量的实例和设计性的项目，在SOPC 技术部分引入了基础实验和综合性实验。
全书包含数十个实验及其相关的设计项目，这些项目涉及的EDA 工具软件类型较多、技术领域也较宽、知识涉猎密集、针对性强，而且自主创新意识的启示性好。与书中的示例相同，所有的实验项目都通过了EDA 工具的仿真测试及FPGA 平台的硬件验证。每一个实验项目除给出详细的实验目的、实验原理和实验内容外，还有2～5 个子项目或子任务。
2．注重实用，避免大而全
一般认为EDA 技术难学和学习费时的根源在于VHDL 语言。对此，本书做了有针对性的安排：根据电子类专业的特点，放弃计算机语言的通常教学模式，打破目前VHDL 教材通用的编排形式，以电子线路设计为基础，从实例的介绍中引出VHDL 语句语法内容，通过少数几个简单、直观、典型的实例，将VHDL 中核心和基本的内容解释清楚，读者在很短的时间内就能有效地掌握VHDL 的主干内容，而不必花费大量的时间去“系统地”学习语法。本书从第2 章开始简单介绍语法，第3～5 章以大家熟悉的基本电路设计实例穿插介绍常用的语法，集中体现了这一教学思想和教学方法，一般读者可直接进入这些章节的学习，迅速掌握要点，并能顺利地进行相关习题的解答和实验，为进一步的学习与实践奠定一个良好的基础。
3．注重教学选材的灵活性和完整性相结合本书的结构特点决定了授课学时数比较灵活，根据具体的专业特点、课程定位及学习者的前期教育程度等因素，大致在30～54 学时。
本书第6 章介绍基本的电路设计，第7 章介绍综合性较强的设计案例。这样第1 章介绍软件平台，第2～5 章介绍VHDL 语法，结合第6、7 章构成一个整体。考虑到工业上的应用，本书第8 章介绍Verilog HDL 语法，学生结合前7 章的学习可快速地掌握Verilog HDL 。第9 章介绍SOPC 技术，这部分主要以实验为主，希望在完成实验基础上初步掌握SOPC 技术。
考虑到EDA 技术课程的特质和本书的特色，具体教学可以是翻转型的，其中多数内容，特别是实践项目，都可放手让学生更多地自己去查阅资料、提出问题、解决问题，乃至创新与创造；而授课教师只需做一个启蒙者、引导者、鼓励者和学生成果的检验者与评判者。多数授课过程只需点到为止，不必拘泥细节、面面俱到。但有一个原则，即安排的实验学时数多多益善。
掌握EDA 技术是走向社会的基本技能。开展“EDA 技术与应用”教学，适应了电子系统日趋数字化、复杂化和大规模集成化发展的需要，满足了社会对高技能人才日益增长的需求，为创新型人才的培养打下良好基础。
EDA 技术涉及面广、内容丰富，从教学和实用的角度看，主要应掌握如下4 个方面的内容：①大规模可编程逻辑器件；②硬件描述语言；③软件开发工具；④实验开发系统。其中，大规模可编程逻辑器件是利用EDA 技术进行电子系统设计的载体，硬件描述语言是利用EDA 技术进行电子系统设计的主要表达手段，软件开发工具是利用EDA 技术进行电子系统设计智能化的设计工具，实验开发系统则是利用EDA 技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。
本书各章编写分工为：第1 章由杨沛编写，第2～6 章由方洁编写，第7 章由陈玮编写，第8 章由刘佳榆编写，第9 章由刘江海编写。刘江海负责全书的统稿。
由于编者水平有限，书中难免有不足之处，敬请读者批评指正。
编者

目 录

前言第1 章 EDA 工具软件Quartus Prime 18.0 1
1.1 安装Quartus Prime 18.0 软件 1
1.2 Quartus Prime 18.0 软件使用向导 7
1.3 原理图输入设计方法 18 习题 21
第2 章VHDL 语言要素 22
2.1 VHDL 简介 22
2.2 VHDL 语法基础 24
2.2.1 文法规则 24
2.2.2 数据对象 25
2.2.3 数据类型 28
2.2.4 运算操作符 33 习题 36
第3 章VHDL 基本结构 37
3.1 VHDL 概述 37
3.1.1 VHDL 程序设计举例 37
3.1.2 VHDL 程序的基本结构 39
3.2 设计实体 39
3.3 结构体 42
3.4 VHDL 结构体的子结构 44
3.4.1 块语句结构 45
3.4.2 进程语句结构 46
3.5 库和程序包 49
3.5.1 库 49
3.5.2 程序包 50
3.6 配置 52 习题 53
第4 章VHDL 顺序语句 54
4.1 赋值语句 54
4.1.1 变量赋值语句 54
4.1.2 信号赋值语句 55
4.2 流程控制语句 56
4.2.1 IF 语句 56
4.2.2
CASE 语句 60

4.2.3
LOOP 语句 65

4.2.4
NEXT 语句 68

4.2.5
EXIT 语句 68

4.3
WAIT 语句 69

4.4
ASSERT 语句 71

4.5
RETURN 语句 72

4.6
NULL 语句 72

习题 73
第5 章VHDL 并行语句 76
5.1
进程语句 76

5.2
块语句 80

5.3
并行信号赋值语句 82

5.3.1
简单信号赋值语句 82

5.3.2
条件信号赋值语句 83

5.3.3
选择信号赋值语句 83

5.4
并行过程调用语句 84

5.4.1
过程调用语句 84

5.4.2
函数调用语句 87

5.5
元件例化语句 88

5.6
生成语句 92


习题 96
第6 章数字电路设计实例 98
6.1
触发器 98

6.1.1
D 触发器的设计 98

6.1.2
T 触发器的设计 102

6.1.3
RS 触发器的设计 103

6.2
寄存器 105

6.2.1
串入-串出寄存器 105

6.2.2
串入-并出寄存器 107



6.3
计数器 109

6.3.1
三进制计数器 109

6.3.2
同步计数器 110

6.4
有限状态机 112

6.5
有限状态机的基本描述 117

6.6
Moore 型状态机 118

6.7
Mealy 型状态机 121

6.8
Mealy 型和Moore 型状态机的变种 123

6.9
异步状态机 129

目录VII
习题 131
第7 章EDA 技术的综合应用 134
7.1
显示电路设计 134

7.1.1
二输入或门输出显示 134

7.1.2
三进制计数器 135

7.1.3
二十四进制计数器 137

7.2
多路彩灯控制器的设计 143

7.2.1
多路彩灯控制器的设计要求 143

7.2.2
多路彩灯控制器的设计方案 143

7.2.3
多路彩灯控制器各模块的设计与实现 143

7.3
智力抢答器的设计 147

7.3.1
抢答器的设计要求 147

7.3.2
抢答器的设计方案 147

7.3.3
抢答器各模块的设计与实现 147



7.4
量程自动转换数字式频率计的设计 154

7.4.1
频率计的设计要求 154

7.4.2
频率计的设计方案 155

7.4.3
频率计各模块的设计与实现 155




习题 163
第8 章Verilog HDL 164
8.1
Verilog HDL 程序模块结构 164

8.2
Verilog HDL 的词法 166

8.2.1
空白符和注释 166

8.2.2
常数 166

8.2.3
字符串 166

8.2.4
标识符 166

8.2.5
关键字 167

8.2.6
操作符 167

8.2.7
Verilog HDL 数据对象 168

8.3
Verilog HDL 的语句 170

8.3.1
赋值语句 170

8.3.2
条件语句 171

8.3.3
循环语句 173

8.3.4
结构声明语句 174

8.4
不同抽象级别的Verilog HDL 模型 177

8.4.1
Verilog HDL 门级描述 177

8.4.2
Verilog HDL 的行为描述 178

8.4.3
用结构描述实现电路系统设计 179 习题 181


第9 章SOPC 技术 182
9.1
SOPC Builder/Nios II IDE 软件使用方法 182

9.2
SOPC 系统基本实验 191

9.2.1
Hello-Led 流水灯实验 191

9.2.2
数码管显示实验 198

9.2.3
按键输入中断实验 201

9.2.4
定时计数器实验 205

9.2.5
串行接口通信实验 208

9.2.6
存储器配置实验 210

9.2.7
4 乘4 键盘实验 216

9.3
SOPC 系统综合实验 218

9.3.1
高速DAC 实验 218

9.3.2
DDS 实验 224

9.3.3
高速ADC 实验 229

9.3.4
静态数码管显示实验 231

9.3.5
VGA 彩条显示实验 233

9.3.6
PS2 键盘实验 238

9.3.7
USB 数据读写实验 242

9.3.8
TFT 真彩屏实验 243

9.3.9
SD 卡实验 246

9.3.10
UC\OS-II 操作系统移植实验 250

9.3.11
PS2 鼠标控制实验 256

9.3.12
音频接口实验 258

9.3.13
百兆以太网实验 265

9.3.14 四相步进电动机实验 272 参考文献 275