目錄

基礎篇
第1章EDA技術簡介
1.1為什麼需要學習EDA技術
1.2應用EDA技術的3個要素
1.2.1可編程邏輯器件
1.2.2硬件描述語言
1.2.3EDA軟件
1.3EDA技術的應用領域
1.4電子繫統設計方法
1.5網絡學習資源
本章小結
思考與練習
第2章Verilog HDL基礎
2.1模塊的基本結構
2.2Verilo素
2.2.1取值集合
2.2.2常量
2.2.3標識符與關鍵詞
2.3數據類型
2.3.1線網
2.3.2變量
2.3.3存儲器
2.3.4標量與矢量
2.4運算符與操作符
2.4.1算術運算符
2.4.2邏輯運算符
2.4.3位操作符
2.4.4關繫運算符
2.4.5等式運算符
2.4.6條件操作符
2.4.7移位操作符
2.4.8縮位運算符
2.4.9拼接操作符
2.5模塊功能的描述方法
2.5.1行為描述
2.5.2數據流描述
2.5.3結構描述
2.5.4混合描述方法
2.6層次化電路設計
2.6.1模塊例化方法
2.6.2生成語句
2.7函數與任務
2.7.1函數
2.7.2任務
2.8編譯預處理指令
2.8.1宏定義指令
2.8.2條件編譯指令
2.8.3文件包含指令
2.8.4時間尺度指令
2.9測試平臺文件
2.9.1顯示任務
2.9.2仿真時間函數
2.9.3仿真控制任務
2.9.4數據讀取任務
2.9.5文件任務與函數
2.9.6應用示例
2.10Verilog可綜合語法
2.10.1可綜合原則
2.10.2組合邏輯電路的可綜合描述
2.10.3時序邏輯電路的可綜合描述
本章小結
思考與練習

第3章Quartus Prime的應用
3.1基本設計流程
3.1.1建立工程
3.1.2設計輸入
3.1.3編譯、綜合與適配
3.1.4引腳鎖定
3.1.5編程與配置
3.2原理圖設計方法
3.3仿真分析
3.3.1基於向量波形的仿真方法
3.3.2基於testbench的仿真方法
3.4邏輯分析儀的應用
3.5數字頻率計的設計——基於原理圖方法
本章小結
思考與練習
應用篇
第4章常用數字器件的描述
4.1組合邏輯器件的描述
4.1.1基本邏輯門
4.1.2編碼器
4.1.3譯碼器
4.1.4數據選擇器
4.1.5數值比較器
4.1.6三態緩衝器
4.1.7奇偶校驗器
4.2常用時序邏輯器件的描述
4.2.1觸發器
4.2.2寄存器
4.2.3計數器
4.3分頻器的設計及應用
4.3.1偶分頻器設計
4.3.2奇分頻器設計
4.3.3半整數分頻器設計
4.3.4分頻器的應用
4.4存儲器及其應用
4.4.1ROM
4.4.2RAM
4.4.3FIFO
4.5數字頻率計的設計——基於HDL方法
4.6偽隨機序列發生器的設計
本章小結
設計與實踐
第5章IP的應用
5.1基本功能IP
5.2IP的定制方法
5.3DDS信號源的設計
5.3.1相位累加器的設計
5.3.2正弦ROM的定制
5.3.3輸出數據的校正
5.3.4頂層電路設計
5.3.5D/A轉換及濾波電路
5.3.6功能擴展及應用
5.4等精度頻率計的設計
5.4.1主控電路設計
5.4.2頻率測量與計算電路設計
5.4.3數值轉換與顯示譯碼電路設計
5.4.4頂層電路設計
5.4.5功能擴展及應用
本章小結
設計與實踐
第6章狀態機的設計及應用
6.1狀態機的概念與分類
6.2狀態機的描述方法
6.3交通燈控制器的設計
6.4周期法頻率計的設計
6.5狀態機設計實踐
6.5.1鍵盤電子琴的設計
6.5.2VGA時序控制器的設計
6.5.3A/D轉換控制器的設計
本章小結
設計與實踐
提高篇
第7章EDA技術深入應用
7.1代碼編寫規範
7.1.1標識符規範
7.1.2代碼書寫規範
7.1.3文檔管理規範
7.2綜合與優化設計
7.2.1軟件優化設置
7.2.2描述方法對綜合的影響
7.2.3優化設計方法
7.3時序分析基礎
7.3.1觸發器的動態參數
7.3.2同步時序電路分析
7.3.3Timing Analyzer的應用
7.3.4異步時序與亞穩態問題
7.4Verilog HDL數值運算
7.4.1有符號數的加法運算
7.4.2有符號數的乘法運算
7.4.3FIR濾波器的設計
7.5串口通信收發機的設計
本章小結
思考與練習
參考文獻
附錄AVerilog HDL常用關鍵詞表

隨著集成電路制造工藝水平的不斷提高，可編程邏輯器件的密度越來越大，基於可編程邏輯器件的數字繫統設計方法能夠有效地減小產品的體積，降低繫統的功耗，提高繫統的工作速度和可靠性。目前，可編程邏輯器件已經廣泛應用於數字通信、集成電路設計和嵌入式繫統應用等領域。隨著智能硬件時代的到來，可編程邏輯器件必將在人工智能、大數據和高速信息處理等方面發揮更大的作用。
編者從事電子技術基礎課程和電子信息類專業課程教學20多年，同時組織並指導大學生電子設計競賽近20年，深切地體會到EDA技術的應用為電子信息領域所帶來的變革。為突出EDA技術的應用性和實踐性，以及在新工科背景下，以學生為中心，以產出為導向，持續改進的教育理念，編者在EDA課程的教學過程中一直試圖編寫一本立足應用、突出實踐性、注重工程應用能力培養的EDA課程教材。
本書分為3篇，共7章。
第1~3章為基礎篇。第1章介紹EDA技術的基本概念和應用要素； 第2章講述Verilog HDL的基本結構、語法要點和應用； 第3章講述Quartus Prime開發環境的基本應用，包括數字繫統設計的基本流程、原理圖設計方法、仿真分析和在線測試方法。
第4~6章為應用篇。第4章首先對常用數字邏輯器件進行描述，以便能夠與數字電路課程有效銜接，然後重點講述分頻器和ROM的描述及其應用。第5章和第6章分別講述IP的應用以及經典的狀態機設計方法，並通過DDS信號源、頻率計、電子琴和VGA時序控制器等典型應用電路和繫統的設計，突出EDA技術的應用性，培養讀者學以致用的能力。
第7章為提高篇，首先講述Verilog HDL代碼的書寫規範和數字繫統的設計原則，然後簡要介紹綜合與優化方法，後重點講述時序分析和異步時序問題以及Verilog HDL中的數值運算方法。
本書的編寫力求突出以下3個特點。
(1) 注重基礎。以掌握數字電路為起點，通過對電子設計競賽真題解析闡述學習EDA技術的必要性，然後結合數據選擇器、譯碼器、鎖存器、觸發器以及計數器等基本功能電路的描述詳細講述Verilog HDL的語法要點。通過4選1數據選擇器的設計與描述、仿真分析與在線測試講述Quartus Prime開發環境的基本應用。
(2) 緊貼應用。通過對各類數字器件進行功能描述，以便與數字電路課程有效銜接，使讀者迅速熟悉EDA技術的基本應用，然後重點講述DDS信號源、數字頻率計、VGA時序控制器和電子琴等典型電路與繫統的設計和應用。讀者通過學習和重現這些應用實例，能夠掌握EDA技術的應用精華。同時，在章節和習題中融入了歷屆電子設計競賽EDA應用題，讀者通過設計和實現這些競賽題，提高EDA技術的應用能力。
(3) 突出繫統性。全書以數字頻率計的3種設計方案為主線，以擴展頻率測量範圍和提高頻率測量精度為目標，講述在不同的資源背景下不同的實現方法，舉一反三，循序漸進，培養讀者的繫統設計能力。
本書在成稿過程中，許多章節內容和應用項目在編者的課程教學和實踐過程中試用並逐步完善。
全書由張俊濤編寫，陳曉莉老師在本書的規劃和編寫過程中提出了許多指導性的建議，幫助繪制了書中的許多插圖，並協助進行了多次審核和校對。
需要說明的是，為了方便教學，同時也為了節約篇幅，書中許多例程采用直觀形像的原理圖設計頂層電路，使讀者能夠明悉繫統的結構，並且應用簡單易用的向量波形法進行仿真。在復雜的數字繫統設計中，編者推薦應用HDL通過模塊例化方法描述頂層電路，應用testbench進行仿真分析。
在多年的電子技術基礎課程教學、電子信息類專業課程教學以及電子設計競賽指導的過程中，編者參閱了國內外許多相關書籍、Altera/Intel官網資料和友晶公司的培訓資料，無法一一盡述，在此向相關作者表示感謝。
由於編者水平有限，書中難免有疏漏之處，懇請讀者提出意見和改進建議。

張俊濤2022年10月