VHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第二版）

　　本書是為本科生和研究生撰寫的教材，主要講述了VHDL的全部特征，也包含了有關(guān)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識(shí)。全書共分為13章，內(nèi)容包括電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的使用、CMOS和可編程邏輯工藝，布爾代數(shù)和組合邏輯設(shè)計(jì)的基本原則，各種建模的技術(shù)，有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，以及三個(gè)重要的可測試性設(shè)計(jì)：掃描路徑、內(nèi)置自檢和邊界掃描等。最后介紹了VHDL-AMS和混合信號(hào)建模。本書與前一版相比的不同之處是在相關(guān)章節(jié)中包含了寫測試基準(zhǔn)的小節(jié)，同時(shí)增加了有關(guān)VHDL-AMS和混合信號(hào)建模的一章。本書可用做大學(xué)電子、電氣和計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生、碩士生的教材，也可用做相關(guān)工程技術(shù)人員的參考書。前言關(guān)于本書當(dāng)本書第一版出版時(shí)，寫一本結(jié)合VHDL和數(shù)字設(shè)計(jì)的書似乎是新穎的想法。就在這時(shí)，幾本相近主題的書出版了。本書現(xiàn)在已被幾所大學(xué)用做教材。此外，本書第一版已被翻譯為波蘭語并在中華人民共和國出版了英文影印本。這些使我確信寫一本結(jié)合VHDL和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的書的想法是很好的，但是我不能確定第一版是否完美。本版（也就是第二版）修改了一些到目前為止所發(fā)現(xiàn)的前一版中的錯(cuò)誤并增加了兩個(gè)重要的主題（這些將在后面說明）。本書是作為本科生和研究生所用的教材編寫的。大多數(shù)講述VHDL的圖書以工程師作為對(duì)象，因此，并不講述VHDL的全部特征。同樣，本書所包含的有關(guān)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容在其他典型的VHDL書中也不會(huì)涉及。在不同的國家、大學(xué)或者學(xué)院，電氣、電子和計(jì)算機(jī)工程學(xué)位的教學(xué)大綱有很大的不同。本書的內(nèi)容是通過數(shù)屆二年級(jí)、三年級(jí)本科生和研究生的教學(xué)和使用發(fā)展而來的。我們假設(shè)學(xué)生對(duì)布爾代數(shù)和組合邏輯設(shè)計(jì)的原則非常熟悉。在南安普敦大學(xué)，一年級(jí)本科生的教學(xué)大綱也包括了同步時(shí)序設(shè)計(jì)和可編程邏輯的介紹。因此本書是建立在這些基礎(chǔ)上的。過去我們經(jīng)常認(rèn)為像VHDL這樣的專題對(duì)于二年級(jí)的教學(xué)來說太專業(yè)化，最好能在本科最后一年講述或者作為研究生課程。有幾個(gè)很好的原因使得我們應(yīng)該在課程計(jì)劃中更早地介紹VHDL。隨著集成電路復(fù)雜度的增加，工業(yè)的發(fā)展要求畢業(yè)生具有VHDL以及相關(guān)設(shè)計(jì)工具的知識(shí)。如果將上述課程放在本科生的最后一年，學(xué)生只有很少、甚至沒有時(shí)間來將知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工作中去。第二，從與其他國家同行的交流中可知，現(xiàn)在的學(xué)生在電氣或電子工程以及計(jì)算機(jī)科學(xué)或計(jì)算機(jī)工程的選擇上，都更傾向于后者。VHDL在硬件設(shè)計(jì)方面給計(jì)算機(jī)方向的學(xué)生提供了一個(gè)很好的方法。最后，仿真和綜合工具目前比較成熟，在教學(xué)中使用PC機(jī)構(gòu)建的工作平臺(tái)也相對(duì)比較便宜和容易獲得。第二版中的變化現(xiàn)在看來，前一版的錯(cuò)誤是在大多數(shù)的例子中用std_ulogic代替了std_logic。從純教學(xué)的觀點(diǎn)來看，這個(gè)決定是正確的，因?yàn)檫@樣的用法會(huì)清楚地在仿真中指出什么時(shí)候塊的輸出被不經(jīng)意地連在一起。從實(shí)用的觀點(diǎn)來看，這樣的用法與大多數(shù)業(yè)界的實(shí)際使用不一致，并可能在EDA（electronicdesignautomation）工具中導(dǎo)致一些問題。所有的例題已經(jīng)修正為使用std_logic，好幾個(gè)例題也被簡化了（例如，通過使用直接實(shí)例化來簡化）。在第一版出版時(shí)，有一些EDA工具只支持VHDL1987標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在這種情況有了大的改變，因此筆者在第二版中傾向于優(yōu)先使用新的1993標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然也有一個(gè)22的修訂版。雖然在本書寫作時(shí)幾乎沒有工具支持新的標(biāo)準(zhǔn)，但標(biāo)準(zhǔn)的變化很小并且只在附錄C中討論了重大的變化（共享變量的形式）。雖然筆者也反對(duì)堅(jiān)持使用IEEEnumeric_std包（與std_logic_arith對(duì)立的包）的傾向，但是業(yè)已證明筆者選擇的正確性。所增加的兩個(gè)主要內(nèi)容有兩種形式。第一，有幾個(gè)章節(jié)現(xiàn)在包括了寫測試基準(zhǔn)的小節(jié)。通過仿真驗(yàn)證VHDL模型對(duì)于生產(chǎn)正確的硬件是不可缺少的。據(jù)可靠估計(jì)，至少一半的VHDL是為了驗(yàn)證模型的某種形式而編寫的測試基準(zhǔn)。因?yàn)檫@方面是如此重要，所以這些資料已經(jīng)包括在需要它們的章節(jié)中，而沒有單獨(dú)的一個(gè)有關(guān)測試基準(zhǔn)的章節(jié)。筆者強(qiáng)烈建議讀者用文本仿真模型，并使用這些測試基準(zhǔn)的例子以得到幫助。第二，新增了有關(guān)VHDL-AMS和混合信號(hào)建模的一章。所有的數(shù)字設(shè)備硬件不得不和“真實(shí)”世界在某一個(gè)方面相互影響。雖然混合信號(hào)仿真器已經(jīng)存在了15年，但是它們的使用因?yàn)樵跀?shù)字部分和模擬部分之間書寫接口模塊的困難而受到限制。VHDL-AMS集成這兩個(gè)世界并提供了幾個(gè)混合信號(hào)仿真器。這一章并不是想要成為在轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方面的一個(gè)全面的指導(dǎo)，也沒有描述VHDL-AMS的所有細(xì)節(jié)，但是筆者希望它將會(huì)鼓勵(lì)設(shè)計(jì)者嘗試將他們的系統(tǒng)作為一個(gè)整體來建模。本書的結(jié)構(gòu)第1章介紹了本書的一些概念，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的使用、CMOS和可編程邏輯工藝。我們也考慮了一些工程問題，像噪聲容限和扇出。在第2章，我們回顧了一下布爾代數(shù)和組合邏輯設(shè)計(jì)的基本原則。我們也將討論時(shí)序和冒險(xiǎn)相關(guān)的問題，以及一些數(shù)據(jù)表示的基本技巧。第3章通過基本邏輯門模型介紹VHDL，強(qiáng)調(diào)了一些重要文檔代碼。我們將展示怎樣構(gòu)造基本門的網(wǎng)表以及怎樣通過門模擬延時(shí)。我們也將討論參數(shù)化的模塊、常量和未連接的輸入、輸出。通過使用測試基準(zhǔn)介紹用VHDL驗(yàn)證VHDL模塊的設(shè)計(jì)觀念。最后，我們簡要介紹一下配置的概念。第4章描述了各種建模的技術(shù)。組合邏輯塊、緩沖、編碼器、解碼器、多路選擇器、加法器和奇偶檢查器都用一定的并行和順序VHDL代碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模。本章、第5章、第6章和第7章中我們?nèi)詫脑O(shè)計(jì)原則、可綜合方面介紹硬件的VHDL模型，雖然到底什么樣的模型和設(shè)計(jì)才可以支持這些特性的討論推遲到第9章才會(huì)介紹。另外，我們也將介紹IEEE相關(guān)符號(hào)。第5章可能是全書最重要的章節(jié)。在此我們將討論被認(rèn)為是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基石：有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。我們使用了ASM圖表符號(hào)，描述了從ASM圖表符號(hào)到D觸發(fā)器、次態(tài)和輸出邏輯的設(shè)計(jì)過程。介紹了狀態(tài)機(jī)的VHDL模型。第6章介紹了各種時(shí)序構(gòu)件塊：鎖存器、觸發(fā)器、寄存器、計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器和一個(gè)時(shí)序乘法器。對(duì)IEEE相關(guān)符號(hào)、測試基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以及VHDL代碼結(jié)構(gòu)的引入，我們使用與第4章一樣的格式。第7章把前面三章介紹的概念組合起來。ASM圖標(biāo)符號(hào)被擴(kuò)展到包括兩個(gè)狀態(tài)機(jī)和寄存器的輸出，因此有了數(shù)據(jù)通路控制器的劃分。從這里，我們用硬件術(shù)語解釋了指令集的思想，并進(jìn)一步用VHDL對(duì)一個(gè)非常簡單的微處理器建模。這也提供了介紹VHDL子程序和包的方法。VHDL仍然是一個(gè)建模語言。第8章描述了一個(gè)VHDL仿真器的操作。最先介紹事件驅(qū)動(dòng)仿真的思想，同時(shí)討論VHDL仿真器的特性。雖然整個(gè)VHDL語言都能被仿真，但是某些結(jié)構(gòu)體的仿真效率高于其他的結(jié)構(gòu)體；因此，在此我們也討論如何編寫更加高效的模塊。因?yàn)槲募僮髦贿m合于仿真模塊，所以在本章也對(duì)之加以討論。另外，就像我們?cè)诘?章中討論的，VHDL作為描述可綜合模型的語言的作用將越來越重要。現(xiàn)在主要的綜合工具的類型是針對(duì)RTL級(jí)別的綜合。這樣的工具能從VHDL模塊描述中推理出需要哪些觸發(fā)器和鎖存器。我們描述了這樣的結(jié)構(gòu)體。相反，如果語言描述得非常差，那么可能會(huì)錯(cuò)誤地建立觸發(fā)器。我們也描述了一些常見的陷阱。綜合進(jìn)程能被一些約束條件控制，因?yàn)檫@些約束條件不屬于VHDL語言，所以我們使用普通的術(shù)語來討論。我們討論了一些適合于FPGA綜合的結(jié)構(gòu)體。最后，我們簡單地考察一下有希望成為一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)技術(shù)的行為級(jí)綜合。第1章和第11章關(guān)注測試和可測試性設(shè)計(jì)的主題。這個(gè)領(lǐng)域過去經(jīng)常被忽略，但是現(xiàn)在大家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到測試是設(shè)計(jì)過程中很重要的一部分。第1章介紹了故障模型化的思想，接著介紹測試生成方法。測試的效率由故障仿真來決定。在寫作本書時(shí)，市場上還沒有商業(yè)化的基于VHDL的故障仿真器。這一章的最后一部分展示什么樣的故障模型和故障仿真能使用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL仿真器來執(zhí)行。本章的VHDL代碼也介紹指針和全局變量等結(jié)構(gòu)。在第11章中，我們描述了三個(gè)重要的可測試性設(shè)計(jì)：掃描路徑、內(nèi)置自檢（BIST，built-inself-test）和邊界掃描。雖然這些一直是非常枯燥的題目，但是可以使用VHDL仿真器展示一個(gè)內(nèi)置自檢（BIST）結(jié)構(gòu)怎樣為無故障電路和故障電路生成不同的特征值。邊界掃描使用一個(gè)VHDL的子集來描述在芯片上使用的測試結(jié)構(gòu)。本書給出了一個(gè)例子。在第12章中，我們使用VHDL作為工具來研究和探索異步時(shí)序電路中的不規(guī)則行為。雖然主要的設(shè)計(jì)模式是同步并發(fā)模式，但是由同步電路組成的數(shù)字系統(tǒng)大量增加了彼此之間的異步通信。我們介紹了基本模式的概念并說明了怎樣分析和設(shè)計(jì)異步電路。我們使用VHDL仿真功能來說明冒險(xiǎn)問題、競爭問題、建立和保持時(shí)間違法問題。我們也將討論亞穩(wěn)性的問題。最后一章介紹了VHDL-AMS和混合信號(hào)建模。簡要介紹了數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），給出了用VHDL-AMS結(jié)構(gòu)來對(duì)這些轉(zhuǎn)換的建模。我們也在此介紹鎖相環(huán)（PLL）的思想，并給出一個(gè)簡單的混合信號(hào)模型。本書后面有三個(gè)附錄。附錄A列出了各種VHDL相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和未來VHDL發(fā)展的一些問題。附錄B簡要描述了Verilog硬件描述語言。Verilog是相對(duì)于VHDL的另一個(gè)主要選擇，兩者非常相似。附錄C涵蓋了一些共享變量的說明，特別是在1993版和22版之間的區(qū)別。在每一章的末尾都有一定數(shù)量的習(xí)題。這些習(xí)題都是一些將該章所涉及的指令恰當(dāng)運(yùn)用而形成的可綜合的VHDL例子。為了執(zhí)行這些模擬仿真和綜合的任務(wù)，讀者可能不得不寫出自己的測試基準(zhǔn)和約束文件。這些例子都能夠在“Web資源”一節(jié)中提供的網(wǎng)站上找到。怎樣使用本書很明顯，本書根據(jù)課程級(jí)別的不同可以有很多種使用方法。在南安普敦大學(xué)，筆者像下面這樣使用本書。電子工程和計(jì)算機(jī)工程系二年級(jí)學(xué)生第1章和第2章是復(fù)習(xí)內(nèi)容，我們希望學(xué)生能夠獨(dú)立閱讀。講義中應(yīng)該包括書中第3章~第7章的內(nèi)容。其中的某些章節(jié)是可選的，例如3.8節(jié)、6.3節(jié)和6.7節(jié)。另外，如果時(shí)間緊張，某些結(jié)構(gòu)體，例如withselect結(jié)構(gòu)，可以省略。但是講稿中應(yīng)該包括1.2節(jié)的單一固定故障模型、1.3節(jié)的測試原型生成的基本原則與11.2節(jié)中所講述的掃描設(shè)計(jì)的基本原則等內(nèi)容。電子工程和計(jì)算機(jī)工程系三年級(jí)學(xué)生我們希望學(xué)生能獨(dú)立閱讀第3章到第7章的內(nèi)容。講義中應(yīng)該包括書中第8章~第12章的內(nèi)容。第13章、VHDL-AMS現(xiàn)在包括在四年級(jí)學(xué)生的課程中。在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生需要能夠掌握VHDL仿真器和RTL綜合工具，從而能學(xué)習(xí)和使用書中的例子。在二年級(jí)學(xué)生的課程中，一組包括在FPGA中進(jìn)行綜合的設(shè)計(jì)習(xí)題是對(duì)本書內(nèi)容的非常好的補(bǔ)充。在南安普敦大學(xué)的三年級(jí)課程中，所有學(xué)生都要做一個(gè)獨(dú)立的項(xiàng)目。本書沒有安排其他正式的實(shí)驗(yàn)課程，一些獨(dú)立的項(xiàng)目將包括VHDL語言的使用。Web資源本書配套的網(wǎng)站為www.booksites.net/Zwolinski。該網(wǎng)站提供了有價(jià)值的教學(xué)與自學(xué)材料，如書中所有的VHDL示例，以及至VHDL工具的鏈接。

　　MarkZwolinski是英國南安普敦大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)科學(xué)系高級(jí)講師。曾在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)表過大約50篇論文。他也是LMELtd的一名主管，負(fù)責(zé)為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供為綜合工具。