VHDL 數位電路設計實務教本：從硬體電路到軟硬體整合設計

序言

第一章　FPGA/CPLD發展環境簡介
1-1   簡介 1-2
1-2   Quartus II的下載和安裝
1-2-1　Quartus II 9.0 sp2版軟體下載
1-2-2　安裝Quartus II軟體
1-2-3　安裝Nios II軟體
1-3   Altera DE2-70實驗板簡介
1-3-1　DE2-70實驗板的使用       
1-3-2　安裝USB-Byteblaser驅動程式軟體

第二章　區塊／圖形編輯設計
2-1   區塊／圖形編輯設計快速入門      
2-1-1　區塊／圖形編輯的電路輸入      
2-1-2　檔案的編譯
2-1-3　電路的功能模擬
2-1-4　建立電路符號檔和轉檔
2-1-5　晶片腳位指定
2-1-6　程式下載與測試
2-2   組合邏輯電路
2-2-1　解碼器
2-2-2　多工器
2-2-3　解多工器
2-2-4　編碼器
2-3   算術邏輯電路設計
2-3-1　半加法器
2-3-2　全加法器
2-3-3　減法器
2-3-4　乘法器
2-4   序向邏輯與正反器
2-4-1　閂
2-4-2　邊緣觸發正反器
2-5   暫存器
2-5-1　緩衝暫存器
2-5-2　移位暫存器
2-6   計數器
2-6-1　非同步計數器
2-6-2　同步計數器
2-7   使用參數性元件
2-7-1　OR閘設計
2-7-2　多工器設計
2-7-3　乘法器設計
2-7-4　計數器設計

第三章　VHDL語言的基本概念
3-1   VHDL是什麼
3-2   VHDL的基本架構
3-3   簡單邏輯處理範例
3-3-1　一個簡單的反相閘範例
3-3-2　其他邏輯電路描述

第四章　邏輯處理與組合邏輯電路
4-1   以直接設定敘述進行真值表的設計       
4-2   直接設定敘述應用在解碼器及多工器的設計
4-2-1　解碼器（Decoder）
4-2-2　四對一多工器

第五章　資料型別與資料物件的宣告
5-1   資料的型別
5-1-1　邏輯訊號
5-1-2　數值訊號
5-2   資料物件
5-2-1　常數（Constants）
5-2-2　訊號（Signals）
5-2-3　變數（Variables）
5-2-4　別名（Aliases）
5-3   運算子
5-3-1　邏輯運算子
5-3-2　關係運算子
5-3-3　算術運算子
5-3-4　數值運算子

第六章　並行敘述
6-1   條件式訊號設定敘述：When-Else
6-1-1　以When-Else來實現真值表電路       
6-1-2　解碼器及多工器的設計
6-1-3　其他應用實例
6-2   選擇性訊號設定敘述：With-Select-when      
6-2-1　以With-Select-when來實現真值表電路
6-2-2　解碼器及編碼器的設計
6-2-3　其他應用實例整理

第七章　序向邏輯與正反器設計
7-1   Process敘述和If_then_else
7-2   Wait敘述與標準正反器設計
7-2-1　Wait敘述
7-2-2　具有設定（Set）與重置（Reset）功能的正反器設計
7-2-3　能夠作同步脈波控制功能的標準正反器設計
7-2-4　T型正反器與除頻電路設計

第八章　計數器設計與計時處理
8-1   計數器設計
8-1-1　上數計數器
8-1-2　下數計數器
8-1-3　上下數計數器
8-2   計時處理
8-2-1　上數除頻電路
8-2-2　下數除頻電路
8-2-3　實用除頻器設計

第九章　程序處理與狀態機電路設計
9-1   Case-when指令
9-2   狀態機（State Machine）電路設計
9-2-1　狀態機簡介
9-2-2　Moore狀態機
9-2-3　Mealy狀態機
9-3   LOOP敘述
9-4   NEXT、EXIT、NULL敘述

第十章　階層式設計
10-1 方塊（Block）敘述
10-2 Component與Port Map
10-3 Generic的使用       
10-4 For-Generate敘述
10-5 Configuration特性選擇

第十一章　套件、函式與程序
11-1 套件（Packages）
11-2 函式（Functions）
11-2-1　函式（Functions）的宣告與使用
11-2-2　型別轉換（Type Conversion）函式
11-3 程序（Procedures）

第十二章　VHDL應用電路設計
12-1 解碼器與除頻器設計
12-1-1　七段顯示器解碼電路
12-1-2　除頻電路的設計
12-1-3　頻率產生器與彈跳消除電路的應用設計
12-2 VGA螢幕顯示原理與控制實習
12-2-1　VGA螢幕基本原理與同步信號產生
12-2-2　VGA螢幕解析度的轉換
12-3 LCD模組控制實習

第十三章　SOPC系統設計
13-1 SOPC發展環境
13-1-1　使用SOPC Builder建立Nios II系統
13-1-2　將建立的Nios II系統整合至Quartus II專案中      
13-1-3　使用Nios II IDE執行程式       
13-2 使用SDRAM的設計範例
13-2-1　使用SOPC Builder建立Nios II系統
13-2-2　將建立的Nios II系統整合至Quartus II專案中      
13-2-3　使用Nios II IDE執行程式
13-3 七段顯示器與LCD模組的使用
13-3-1　七段顯示器基本原理       
13-3-2　使用DE2實驗板參考設計建立解碼器元件
13-3-3　LCD顯示控制

序

　　傳統的電路設計工作是一項需要累積豐富經驗以及長期努力的專業性工作，除了電子科系科班出身的從業人員之外，其他工程背景的人士想要跨入這個領域都會面臨到很大的障礙和挑戰。但是二十年來這個情況已經產生很大的變化，其原因在於可程式邏輯元件的使用越來越普遍，各種電腦輔助設計軟體紛紛推出，數位電路設計的電性考量或半導體特性幾乎已被封藏在電子設計自動化技術的程序中，因此工程師可以直接針對電路的功能性而非實體進行設計。在這樣的環境下，硬體描述語言的使用更大規模的推動了電子設計自動化技術的應用和發展。

　　由於產品功能複雜度和單一晶片所包含的邏輯閘數目大幅增加，而產品上市的時間卻需要比以前更短，因此採用硬體描述語言來設計電路就成為唯一的選擇；VHDL就是近年來廣受採用的硬體描述語言之一。硬體描述語言使得數位電路設計接近於軟體演算法的實現，讓電路設計流程加快同時更具彈性，此外也把傳統的邏輯設計導向了系統層級和高階電路合成的方向。這種發展趨勢不但加快了硬體開發的速度，使得產業界電子相關商品研發週期大幅縮短，企業所需投入風險也隨之降低，而人類可貴的智慧產能也因此較以往更能夠專注於更高階層次的規格定義以及決策工作上。

　　這本書是為每一位有志於進入數位電路設計領域的人士而寫的，它的目標在於引導每一位學習者都能夠快速地跨越VHDL設計的學習門檻，因此書中我們儘可能以最簡明的方式來闡述實用的語法敘述，而且在每一個章節和主題後面都搭配了一些能夠清楚表現語法精神的範例程式，讓讀者可以經由程式的解讀來掌握基本指令的用法和使用時機。因此，任何一位稍具邏輯設計概念背景的學習者在閱讀完本書並親自加以測試後，應該可以很輕易的抓住VHDL程式設計的原則與要領，並逐漸發展出其在實際應用系統上的複雜性和整合設計能力。

　　雖然硬體描述語言可以讓我們以演算法和程式設計的模式來進行電路設計，但仍然需要了解硬體設計和軟體設計的本質差異；軟體設計是基於單一CPU的循序執行架構下進行的，但是電路的運作原理卻具有不同於程式執行的並行處理特性，因此硬體設計並不侷限於這種循序執行的架構。若我們一味地按照軟體設計的概念和流程來設計VHDL程式，那麼即使設計出來的電路能夠正常運作，其性能勢必受到很大的限制。所以我們建議一般的讀者在學習VHDL語言之前，最好還是事先預備一些數位邏輯的硬體概念。在本書第二章的內容中，我們用了一些篇幅來介紹區塊／圖形編輯的輸入設計和Altera Quartus II 9.0sp2版軟體的操作環境，並連帶有系統的將邏輯設計課程作了一個相當程度的整理，這些內容對於對硬體概念較缺乏或基礎理論不熟的讀者仍然具有相當的參考價值，因為當我們在進行一些抽象的演算法描述時，電路圖可以提供從高階程式語言對映到實體電路的具體映像。

　　在本次改版中，我們選擇以Altera DE2-70實驗板作為FPGA驗證平台，並第十三章增加了SOPC設計的教材，介紹如何在FPGA系統中加入32位元的軟核嵌入式處理器以及學習設計簡單的C語言程式來控制周邊元件，這些單元將會讓我們對於FPGA系統整合設計有更完整的理解與認識。此外，書中所附之光碟中附有Altera Quartus II 9.0sp2與Nios II 9.0sp2 IDE等軟體以及本書中所有提到的程式原始檔案，每一個程式範例或電路檔案都是經過實際驗證後確定可以執行的，相信這些內容可以作為每一位學習者在學習過程中很好的參考。