EDA技术与SoC设计应用/EDA工程技术丛书

随着电子工程与计算机科学的迅猛发展，数字电路系统的发展十分迅速。电子元件在*近几十年经历了从小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)到超大规模集成电路(VLSI)的发展历程。从简单可编程元件到高密度可编程元件，设计方法也从根本上发生了转变： 由原来的手工设计发展到现在的电子设计自动化(EDA)设计。为了提高系统的可靠性与通用性，可编程逻辑元件(PLD)尤其是现场可编程逻辑元件(FPGA)被大量应用，在PLD的开发过程中，EDA技术的出现带来了电子系统设计的革命性变化。
本书以EDA工程技术和片上系统（SoC）设计技术为主线，对传统的教学内容和课程体系进行重组和整合，教材在编写时突破传统课程体系的制约，对课程体系等进行综合改革，融入本领域*的科研与教学改革成果，确保课程的系统性与先进性，使之能更好地适应21世纪人才培养的需要。教材的主要特点如下：
(1) 创新性。本教材突破传统的硬件描述语言教学模式和流程，将普遍认为较难学习的硬件描述语言VHDL和Verilog用全新的实例教学理念和编排方式给出，并与EDA工程技术有机结合，达到良好的教学效果。教材以数字电路设计为基点，从实例的介绍中引出硬件描述语言语句语法内容，通过一些简单、直观、典型的实例，将硬件描述语言中*核心、*基本的内容解释清楚，使读者在很短的时间内就能有效地掌握硬件描述语言的主干内容，并用于设计实践。
(2) 系统性。本书内容全面，注重基础，理论联系实际，不仅全面介绍EDA技术基础知识，如两种硬件描述语言VHDL和Verilog、CPLD/FPGA软件开发，而且在此基础上全面介绍FPGA开发的高阶设计内容，如可编程片上系统SOPC的应用开发，真正具备了从底层数字电路开发到高层集成电路应用开发的系统性知识。另外本书使用大量图表说明问题，文字简练、针对性强，设计实例都通过编译，设计文件和参数选择都经过验证，便于读者对内容的理解和掌握。
(3) 实用性。本书注重实用、讲述清楚、由浅入深，书中的实例具有很高的参考价值和实用价值，能够使读者掌握较多的实战技能和经验。它既可作为高等院校电气、自动化、计算机、通信、电子类专业的研究生、本科生的教材或参考书，也可供广大ASIC设计人员和电子电路设计人员阅读参考。
本书分为11章。
第1章是EDA技术的概述，介绍EDA技术的发展、EDA设计流程及EDA技术设计的领域。
第2章主要介绍CPLD/FPGA元件，包括可编程逻辑元件的发展、分类及原理，重点介绍Altera公司不同型号FPGA的结构及特点。
第3章主要介绍Altera公司的早期设计工具MAX plus Ⅱ。它支持原理图、VHDL和Verilog语言文本文件，以及波形与EDIF等格式的文件作为设计输入，并支持这些文件的任意混合设计。MAX plus Ⅱ具有门级仿真器，可以进行功能仿真和时序仿真，能够产生精确的仿真结果。
第4章主要介绍当前主流的FPGA设计工具Quartus Ⅱ。Quartus Ⅱ集成环境包括可编程逻辑元件设计、综合、布局、布线、验证和仿真。Quartus Ⅱ设计工具提供了一个完整的多平台开发环境，它包含整个FPGA和CPLD设计阶段的解决方案。此外，Quartus Ⅱ 设计工具提供全流程的可视化图形用户界面。
第5章主要介绍Quartus Ⅱ 软件与第三方仿真工具ModelSim的使用，ModelSim具有强大的模拟仿真功能，在设计、编译、仿真、调试开发过程中，有一整套工具可供使用，而且操作起来非常灵活，支持多款操作系统，它能很好地与操作系统环境协调工作。
第6章和第7章分别介绍VHDL和Verilog HDL两种常用硬件描述语言的基础知识。VHDL和Verilog HDL作为IEEE标准的硬件描述语言，经历了20多年的发展、应用和完善，以其强大的系统描述能力、规范的程序设计结构、灵活的语言表达风格和多层次的仿真测试手段，在电子设计领域获得了普遍的认同和广泛的接受，成为现代EDA领域的*硬件描述语言。
第8章主要介绍EDA设计中一些重要的概念，对建立/保持时间、竞争冒险现象、时钟种类、信号延时、流水线设计技术和有限状态机等做了介绍。
第9章主要介绍Nios Ⅱ嵌入式处理器。 Nios Ⅱ嵌入式处理器独特的优势能够为应用选择合适的系统，包括处理器性能、混合外设以及系统配置等。而且，开发平台还可以帮助迅速发布产品，随时增加新特性，可以满足新兴标准和多变的客户需求。
第10章主要介绍Altera公司重要的嵌入式设计工具SOPC Builder，SOPC Builder包含在Quartus Ⅱ软件中，它为建立SOPC系统提供图形化环境。SOPC Builder中已经包含了Nios Ⅱ处理器以及一些常用的外设IP模块，用户也可以设计自己的外设IP。
第11章主要介绍设计工具DSP Builder，DSP Builder是Altera公司推出的一个数字信号处理（DSP）开发工具，它在Quartus Ⅱ FPGA设计环境中集成了MathWorks的Matlab和Simulink DSP开发软件。Altera公司的DSP系统体系解决方案是一项具有开创性的解决方案，它将FPGA的应用领域从多通道高性能信号处理扩展到很广泛的基于主流DSP的应用，是Altera公司*款基于C代码的可编程逻辑设计流程。
为方便教学，本书电路符号采用了常用形式，未采用国标符号。
本书由李鸿强教授组织编写。李鸿强教授策划了全书的主要内容，李鸿强、段晓杰、张诚、陈力颖、高铁成、张艳丽、谢睿参加了编写。其中第1、2章由李鸿强编写，第3章由李鸿强、谢睿编写，第4、5章由张艳丽、李鸿强编写，第6章由段晓杰编写，第7章由陈力颖编写，第8、9（部分）章由李鸿强、谢睿编写，第10章由张诚编写，第9（部分）、11章由高铁成编写。全书由李鸿强和谢睿参与统稿。十分感谢各位老师及研究生对本书编写提供的帮助。
由于电子技术的高速发展，应用领域繁杂，并且编者水平和掌握的资料有限，加之时间仓促，书中难免存在不妥之处，恳请各位读者批评指正。
编者
2020年5月

基于FPGA的电子系统设计技术是21世纪电子应用工程师的基本技能之一，而基于FPGA的EDA和SOPC设计技术是当前电子系统设计领域*前沿的技术。本书从Altera公司的FPGA EDA软件 硬件描述语言VHDL Verilog SOPC Builder的设计方法出发，使读者在掌握了VHDL和Vetrilog HDL后，学习Quartus II、SOPC Builder以及Nios II IDE。