VHDL 数位电路设计实务教本：从硬体电路到软硬体整合设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　本书完全站在初入门者的立场来撰写教材，採用最简明的方式来阐述最实用的语法叙述及设计方法。详细介绍Altera Quartus II 9.0sp2 IDE 等软体之开发环境，并搭配Altera DE2-70 实验板作为FPGA设计的验证平台。书籍内容包含图系编辑设计、硬体描述语言及SOPC设计，让读者能够对于FPGA系统软硬整合设计有完整的认识。

好的，这是一份关于另一本假设的、与您提供的书名完全不同的图书的详细简介，旨在不提及“VHDL数位电路设计实务教本：从硬体电路到软硬体整合设计”任何内容的情况下，力求信息详实、具有专业深度，并避免明显的模板化语言。 --- 图书名称： 《现代光电通讯系统：原理、元件与前沿技术》 作者： 丁慧玲 教授，张明远 博士 出版信息： 电子工业出版社，第一版（2024年1月） 页数： 890页 定价： 人民币 188.00 元 --- 内容提要：深耕光电信息传输的理论基石与工程实践 《现代光电通讯系统：原理、元件与前沿技术》是一部面向光电子技术、通信工程、信息物理系统以及相关交叉学科高年级本科生、研究生及一线工程技术人员的深度专业教材与参考手册。本书的核心目标是构建一个从基础物理原理到复杂系统集成的完整知识框架，全面覆盖当前光电信息传输领域的核心技术栈、关键元件特性以及未来发展趋势。 全书结构严谨，逻辑清晰，共分为四个主要部分，共计二十二章，旨在确保读者不仅掌握理论推导，更能理解工程实现中的约束与优化策略。 第一部分：光电转换的物理基础与理论模型 (Chapters 1-6) 本部分奠定了整个光电通讯系统的物理学和数学基础。内容侧重于理解光子与电子在半导体材料中的相互作用机制，这是所有光电器件工作的基础。 第一章：半导体光电子学基础回顾 深入探讨了半导体能带结构、载流子输运理论，重点阐述了费米黄金定律在光吸收和光发射过程中的应用。引入了量子效率的概念及其影响因素的精密分析。 第二章：光波导理论与模式分析 详细解析了光在介质波导中的传播特性，包括平面波导和圆波导。重点对比了单模光纤（SMF）与多模光纤（MMF）的特性差异，并引入了有效折射率法和束缚模式、泄漏模式的严格求解方法。 第三章：光纤中信号传输的非线性效应 本章是理解高速长距离传输瓶颈的关键。系统性地介绍了自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）的数学模型及其对信号完整性的影响。同时，详细讨论了孤子传输的可行性与工程化挑战。 第四章：光纤损耗、色散与偏振态管理 从瑞利散射、材料吸收和弯曲损耗等角度量化了光纤的固有局限性。对瑞利散射和材料吸收的频率依赖性进行了详尽的数学描述。偏振模色散（PMD）的统计学建模及其在高速系统中的补偿策略被作为重点内容展开讨论。 第五章：调制技术与基带等效模型 将光通信系统映射到传统的基带通信理论框架。详细分析了幅度、相位和频率调制在光域的实现方式，并引入了MIMO（多输入多输出）在光领域应用的早期概念。 第六章：光电子器件的半经验模型 关注激光器和光电探测器的基本工作原理，但重点在于如何建立可用于系统仿真的器件等效电路模型，例如激光器的动态响应模型和雪崩光电二极管（APD）的噪声模型。 第二部分：核心光电器件的设计与制造 (Chapters 7-11) 本部分聚焦于构成光电系统的关键硬件——主动与被动元件。内容深入到半导体异质结的工艺控制与器件性能优化。 第七章：半导体激光器的精密构造与调控 详述了DFB（分布式反馈）激光器和VCSEL（垂直腔面发射激光器）的结构差异、腔体设计原理。重点分析了阈值电流的温度依赖性、线宽的傅里叶变换极限，以及如何通过注入锁定技术实现高频调制。 第八章：光电探测器的性能优化 对比了PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）的结构、响应速度和噪声特性。深入探讨了光电探测器的量子效率上限的物理制约，以及如何通过优化结区设计来提高信噪比（SNR）。 第九章：光调制器原理与高速驱动电路 详细解析了电吸收调制器（EAM）和马赫-曾德尔调制器（MZM）的电光转换机制。本章包含了对调制器带宽、Vπ电压优化以及与其配套的高速电子驱动电路（如TIA和Laser Driver）的匹配设计要求。 第十章：无源光器件与集成化技术 涵盖光分路器（Splitter）、耦合器（Coupler）和波分复用器（WDM Mux/Demux）的设计规范。引入了平面光波导（Planar Lightwave Circuit, PLC）技术，探讨了如何通过光刻技术实现高集成度的无源网络。 第十一章：光电集成（PIC）的挑战与机遇 系统性地介绍了III-V族和硅基光子学（Silicon Photonics）的集成平台技术。重点比较了InP和SOI平台的优势互补性，以及实现异质集成（Heterogeneous Integration）所面临的对准精度和热管理难题。 第三部分：系统架构与传输网络 (Chapters 12-17) 本部分将前两部分的元件知识整合，构建完整的通信系统，并探讨了当前主流的传输网络拓扑结构。 第十二章：光信噪比（OSNR）的系统计算与裕度设计 确立了OSNR作为衡量光系统性能的黄金标准。教授如何基于链路预算、器件噪声（激光器相对强度噪声RIN、探测器热噪声）和非线性损伤，精确计算出系统允许的最大传输距离和容量。 第十三章：WDM系统与信道管理 详述了密集波分复用（DWDM）系统的原理，包括光放大器的类型（EDFA、Raman Amplifier）及其增益平坦化技术。重点分析了信道间隔选择、光滤波技术和串扰（Crosstalk）的抑制。 第十四章：光纤非线性补偿技术 针对第三部分中讨论的非线性效应，本章详细介绍了相干检测技术如何通过数字信号处理（DSP）实现对高阶色散和非线性损伤的有效补偿，特别是基于逆散射/逆传播方法（FWM/NLSE求解）。 第十五章：相干光通信系统原理 这是现代超高速系统的核心。深入解释了本地振荡器（LO）的选择、电光混合域的信号处理流程，以及如何利用接收端数字信号处理实现对偏振、相位和频率的恢复。 第十六章：光网络拓扑与交换技术 超越点对点传输，本章探讨了光环网、光网格网络（Mesh Networks）的架构。引入了光交叉连接（OXC）和基于波长的路由选择机制。 第十七章：光电混合网络中的电层协同 探讨了光层（传输）与电层（交换、路由）的接口设计。分析了O-E-O（光-电-光）转换的延迟与成本，以及如何通过“光路/电道共存”策略优化资源利用率。 第四部分：前沿技术与未来展望 (Chapters 18-22) 本部分着眼于下一代光通信所面临的挑战，包括容量极限、能效问题以及新兴技术方向。 第十八章：超高阶调制格式与频谱效率 深入研究了16QAM、64QAM等高阶调制格式在光通信中的应用。分析了实现这些格式所需的高精度DAC/ADC技术以及对硬件线性的严苛要求。 第十九章：空分复用（SDM）技术综述 作为突破容量极限的新途径，本章详细介绍了多芯光纤（MCF）、少模光纤（Few-Mode Fiber, FMF）的结构与耦合特性。重点分析了SDM系统中的模式耦合抑制与模式分离技术。 第二十章：低功耗与绿色光通信 讨论了光电系统的能效问题，特别是数据中心内部光互连的能耗瓶颈。探讨了基于VCSEL的低功耗阵列技术和新型非线性光器件在降低传输能耗方面的潜力。 第二十一章：量子密钥分发（QKD）的光学实现 作为信息安全领域的前沿，简要介绍了基于BB84和E91协议的QKD系统的光路设计，以及其在现有经典光网络中集成的可行性。 第二十二章：未来光通信的挑战与展望 总结了下一代太比特/秒级系统的核心技术瓶颈，包括超低噪声光放大、全光信号处理（All-Optical Processing）的可能性，以及人工智能在光网络动态资源调度中的应用前景。 本书特色 1. 理论深度与工程实用性的完美结合： 每章的推导均辅以实际的工程案例或仿真结果（例如，使用OptiSystem或VSS软件的模拟数据作为示例），确保读者能够将理论转化为可操作的设计参数。 2. 高度集成化： 将光纤光学、半导体物理、高速电子学和数字信号处理（DSP）的知识体系在一个框架内进行有机整合，反映了现代光通信系统的跨学科本质。 3. 面向前沿： 对空分复用、硅光子学和相干检测等当前学术界和工业界最关注的热点话题给予了深入的剖析。 4. 详尽的数学工具： 书中提供了大量傅里叶变换、数值求解（如有限差分法）在光纤非线性效应分析中的应用实例，便于读者进行复杂的系统建模。 本书是构建完整光电通讯知识体系的理想读物，适用于期望掌握从光子源头到网络层面的全面工程能力的专业人士。

序言

第一章　FPGA/CPLD发展环境简介
1-1   简介 1-2
1-2   Quartus II的下载和安装
1-2-1　Quartus II 9.0 sp2版软体下载
1-2-2　安装Quartus II软体
1-2-3　安装Nios II软体
1-3   Altera DE2-70实验板简介
1-3-1　DE2-70实验板的使用       
1-3-2　安装USB-Byteblaser驱动程式软体

第二章　区块／图形编辑设计
2-1   区块／图形编辑设计快速入门      
2-1-1　区块／图形编辑的电路输入      
2-1-2　档案的编译
2-1-3　电路的功能模拟
2-1-4　建立电路符号档和转档
2-1-5　晶片脚位指定
2-1-6　程式下载与测试
2-2   组合逻辑电路
2-2-1　解码器
2-2-2　多工器
2-2-3　解多工器
2-2-4　编码器
2-3   算术逻辑电路设计
2-3-1　半加法器
2-3-2　全加法器
2-3-3　减法器
2-3-4　乘法器
2-4   序向逻辑与正反器
2-4-1　闩
2-4-2　边缘触发正反器
2-5   暂存器
2-5-1　缓冲暂存器
2-5-2　移位暂存器
2-6   计数器
2-6-1　非同步计数器
2-6-2　同步计数器
2-7   使用参数性元件
2-7-1　OR闸设计
2-7-2　多工器设计
2-7-3　乘法器设计
2-7-4　计数器设计

第三章　VHDL语言的基本概念
3-1   VHDL是什么
3-2   VHDL的基本架构
3-3   简单逻辑处理范例
3-3-1　一个简单的反相闸范例
3-3-2　其他逻辑电路描述

第四章　逻辑处理与组合逻辑电路
4-1   以直接设定叙述进行真值表的设计       
4-2   直接设定叙述应用在解码器及多工器的设计
4-2-1　解码器（Decoder）
4-2-2　四对一多工器

第五章　资料型别与资料物件的宣告
5-1   资料的型别
5-1-1　逻辑讯号
5-1-2　数值讯号
5-2   资料物件
5-2-1　常数（Constants）
5-2-2　讯号（Signals）
5-2-3　变数（Variables）
5-2-4　别名（Aliases）
5-3   运算子
5-3-1　逻辑运算子
5-3-2　关系运算子
5-3-3　算术运算子
5-3-4　数值运算子

第六章　并行叙述
6-1   条件式讯号设定叙述：When-Else
6-1-1　以When-Else来实现真值表电路       
6-1-2　解码器及多工器的设计
6-1-3　其他应用实例
6-2   选择性讯号设定叙述：With-Select-when      
6-2-1　以With-Select-when来实现真值表电路
6-2-2　解码器及编码器的设计
6-2-3　其他应用实例整理

第七章　序向逻辑与正反器设计
7-1   Process叙述和If_then_else
7-2   Wait叙述与标准正反器设计
7-2-1　Wait叙述
7-2-2　具有设定（Set）与重置（Reset）功能的正反器设计
7-2-3　能够作同步脉波控制功能的标准正反器设计
7-2-4　T型正反器与除频电路设计

第八章　计数器设计与计时处理
8-1   计数器设计
8-1-1　上数计数器
8-1-2　下数计数器
8-1-3　上下数计数器
8-2   计时处理
8-2-1　上数除频电路
8-2-2　下数除频电路
8-2-3　实用除频器设计

第九章　程序处理与状态机电路设计
9-1   Case-when指令
9-2   状态机（State Machine）电路设计
9-2-1　状态机简介
9-2-2　Moore状态机
9-2-3　Mealy状态机
9-3   LOOP叙述
9-4   NEXT、EXIT、NULL叙述

第十章　阶层式设计
10-1 方块（Block）叙述
10-2 Component与Port Map
10-3 Generic的使用       
10-4 For-Generate叙述
10-5 Configuration特性选择

第十一章　套件、函式与程序
11-1 套件（Packages）
11-2 函式（Functions）
11-2-1　函式（Functions）的宣告与使用
11-2-2　型别转换（Type Conversion）函式
11-3 程序（Procedures）

第十二章　VHDL应用电路设计
12-1 解码器与除频器设计
12-1-1　七段显示器解码电路
12-1-2　除频电路的设计
12-1-3　频率产生器与弹跳消除电路的应用设计
12-2 VGA萤幕显示原理与控制实习
12-2-1　VGA萤幕基本原理与同步信号产生
12-2-2　VGA萤幕解析度的转换
12-3 LCD模组控制实习

第十三章　SOPC系统设计
13-1 SOPC发展环境
13-1-1　使用SOPC Builder建立Nios II系统
13-1-2　将建立的Nios II系统整合至Quartus II专案中      
13-1-3　使用Nios II IDE执行程式       
13-2 使用SDRAM的设计范例
13-2-1　使用SOPC Builder建立Nios II系统
13-2-2　将建立的Nios II系统整合至Quartus II专案中      
13-2-3　使用Nios II IDE执行程式
13-3 七段显示器与LCD模组的使用
13-3-1　七段显示器基本原理       
13-3-2　使用DE2实验板参考设计建立解码器元件
13-3-3　LCD显示控制

序

　　传统的电路设计工作是一项需要累积丰富经验以及长期努力的专业性工作，除了电子科系科班出身的从业人员之外，其他工程背景的人士想要跨入这个领域都会面临到很大的障碍和挑战。但是二十年来这个情况已经产生很大的变化，其原因在于可程式逻辑元件的使用越来越普遍，各种电脑辅助设计软体纷纷推出，数位电路设计的电性考量或半导体特性几乎已被封藏在电子设计自动化技术的程序中，因此工程师可以直接针对电路的功能性而非实体进行设计。在这样的环境下，硬体描述语言的使用更大规模的推动了电子设计自动化技术的应用和发展。

　　由于产品功能复杂度和单一晶片所包含的逻辑闸数目大幅增加，而产品上市的时间却需要比以前更短，因此採用硬体描述语言来设计电路就成为唯一的选择；VHDL就是近年来广受採用的硬体描述语言之一。硬体描述语言使得数位电路设计接近于软体演算法的实现，让电路设计流程加快同时更具弹性，此外也把传统的逻辑设计导向了系统层级和高阶电路合成的方向。这种发展趋势不但加快了硬体开发的速度，使得产业界电子相关商品研发週期大幅缩短，企业所需投入风险也随之降低，而人类可贵的智慧产能也因此较以往更能够专注于更高阶层次的规格定义以及决策工作上。

　　这本书是为每一位有志于进入数位电路设计领域的人士而写的，它的目标在于引导每一位学习者都能够快速地跨越VHDL设计的学习门槛，因此书中我们尽可能以最简明的方式来阐述实用的语法叙述，而且在每一个章节和主题后面都搭配了一些能够清楚表现语法精神的范例程式，让读者可以经由程式的解读来掌握基本指令的用法和使用时机。因此，任何一位稍具逻辑设计概念背景的学习者在阅读完本书并亲自加以测试后，应该可以很轻易的抓住VHDL程式设计的原则与要领，并逐渐发展出其在实际应用系统上的复杂性和整合设计能力。

　　虽然硬体描述语言可以让我们以演算法和程式设计的模式来进行电路设计，但仍然需要了解硬体设计和软体设计的本质差异；软体设计是基于单一CPU的循序执行架构下进行的，但是电路的运作原理却具有不同于程式执行的并行处理特性，因此硬体设计并不侷限于这种循序执行的架构。若我们一味地按照软体设计的概念和流程来设计VHDL程式，那么即使设计出来的电路能够正常运作，其性能势必受到很大的限制。所以我们建议一般的读者在学习VHDL语言之前，最好还是事先预备一些数位逻辑的硬体概念。在本书第二章的内容中，我们用了一些篇幅来介绍区块／图形编辑的输入设计和Altera Quartus II 9.0sp2版软体的操作环境，并连带有系统的将逻辑设计课程作了一个相当程度的整理，这些内容对于对硬体概念较缺乏或基础理论不熟的读者仍然具有相当的参考价值，因为当我们在进行一些抽象的演算法描述时，电路图可以提供从高阶程式语言对映到实体电路的具体映像。

　　在本次改版中，我们选择以Altera DE2-70实验板作为FPGA验证平台，并第十三章增加了SOPC设计的教材，介绍如何在FPGA系统中加入32位元的软核嵌入式处理器以及学习设计简单的C语言程式来控制周边元件，这些单元将会让我们对于FPGA系统整合设计有更完整的理解与认识。此外，书中所附之光碟中附有Altera Quartus II 9.0sp2与Nios II 9.0sp2 IDE等软体以及本书中所有提到的程式原始档案，每一个程式范例或电路档案都是经过实际验证后确定可以执行的，相信这些内容可以作为每一位学习者在学习过程中很好的参考。

评分☆☆☆☆☆

以我一个在业界打滚了几年，偶尔需要接触数位设计的人来说，市面上很多VHDL的书籍都可能停留在非常基础的语法层面，要找到一本能够真正触及「实务」并涵盖「整合设计」的书真的不容易。这本书就填补了我的这个需求。它不只是停留在VHDL的描述，更强调的是如何将这些描述转化为实际可用的硬体，并进一步地将其整合到整个系统当中。我特别喜欢书中关于状态机设计的章节，它不仅提供了多种实现状态机的VHDL写法，更重要的是，还深入地讨论了不同写法在硬体实现上的优劣，以及如何选择最适合特定应用的状态机结构。这种深度探讨，让我对状态机有了更透彻的理解。此外，书中的章节安排也很有逻辑性，先从基础打起，再逐步引入更复杂的概念，最后落脚到实际的系统整合，整个学习路径非常顺畅。即使是我这种已经有一些基础的人，也能从中获得很多启发，发现自己过去可能没有注意到的盲点。这本书绝对是我未来在数位电路设计过程中，会经常翻阅的一本得力助手。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计蛮吸引人的，我平常就是对硬体比较有兴趣，但又想深入了解数位电路到底是怎么实现的，所以看到这个书名就觉得「就是它了！」尤其「从硬体电路到软硬体整合设计」这几个字，让我觉得不只是纯粹的VHDL语法教学，而是能看到更广阔的应用，感觉像是能打通任督二脉一样。拿到书后，我迫不及待地翻开，里面的图表和代码范例都很清晰，而且感觉作者是真的有在考虑初学者，不会一开始就抛出太复杂的概念。我特别喜欢它在介绍基础概念时，会搭配实际的硬体电路图，这样我就可以一边看VHDL代码，一边对照实际的逻辑门是怎么连接的，这种「看到」原理的感觉，比单纯看文字说明要来得扎实多了。我目前正在跟着书里的例子，试着实现一些简单的数位逻辑，像是一些基础的计数器、状态机等等。虽然过程中难免会遇到一些卡关的地方，但书里的讲解都很循序渐进，加上一些小提示，总能让我慢慢找到解决问题的方法。感觉这本书就像是一位经验丰富的工程师，手把手地带着我入门，让我觉得学习VHDL不再是一件遥不可及的事情。

评分☆☆☆☆☆

这本《VHDL 数位电路设计实务教本》确实给我带来了不少惊喜。它不仅仅是一本VHDL的语法手册，更像是为你打开了一扇通往真正数位电路设计世界的大门。我尤其欣赏它在介绍VHDL语言特性时，总是能巧妙地与硬体实现逻辑联系起来，让我能够真正理解代码背后到底是怎么在晶片上运作的。比如说，书中对于并发与顺序执行的讲解，配上对应的时序图，我立刻就明白了它们在硬体上的区别，这让我写代码的时候，更能考虑到硬体的效率和行为。而且，这本书的案例非常贴近实际应用，像是针对一些常见的数位讯号处理单元，或是控制逻辑的设计，都有详细的VHDL实现和说明。这让我感觉自己不再是孤立地学习抽象的程式码，而是真的在构建一个个实际的硬体功能。书中的「软硬体整合设计」部分，更是让我看到了VHDL的价值所在，它不仅仅是设计硬体，更是如何让硬体与软件完美协同工作的关键。这本书真的让我对数位电路设计有了更全面、更深入的认识，感觉自己离成为一名更优秀的数位工程师又近了一步。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容安排相当的扎实，可以看得出来作者花了很多心思来梳理知识点。它从最基础的VHDL语法开始，一步步地深入到更复杂的数位逻辑模块设计，特别是对于一些比较进阶的议题，比如如何实现可重用的IP核，以及如何进行高效能的设计，都有很详细的介绍和实作范例。我个人觉得最有价值的部分是它关于「软硬体整合设计」的章节，这部分的内容是很多初学者常常会忽略的，但却是现代数位系统设计中至关重要的一环。作者通过几个实际的案例，展示了如何将VHDL设计的硬体模块与微处理器或FPGA等平台进行整合，并说明了在这个过程中会遇到的挑战以及解决方法。这让我对整个系统的架构和运作有了更清晰的认识，不再只是孤立地看待硬体模块的设计。另外，书中还提供了许多优秀的实践建议，例如如何撰写易于维护和理解的VHDL代码，如何有效地进行除错和验证，这些经验之谈对于提升设计效率和降低错误率非常有帮助，真的是一本非常值得参考的工具书。

评分☆☆☆☆☆

说实话，一开始我有点担心这本书的内容会不会太偏重理论，毕竟我在学校里学VHDL的时候，常常觉得那些抽象的概念很难跟实际应用连结起来。但这本书真的让我改观了！它在讲解VHDL语法的时候，非常注重「实用性」，而且紧密地结合了实际的数位电路设计流程。我特别欣赏作者在阐述每一个VHDL指令时，都会解释它在硬体上对应的实现方式，例如，当介绍到`process`语句时，它会详细说明这在硬体上是如何转化为时序逻辑或组合逻辑的，甚至还提到了不同的触发器类型。这种深入剖析的讲解，让我不再是死记硬背语法，而是真正理解了VHDL代码的背后，隐藏着的是什么样的硬体结构。更重要的是，这本书也提到了很多关于设计流程和工具的使用，像是仿真、综合等，这些都是在真实的设计环境中不可或缺的环节。虽然我目前还在初步学习阶段，但已经能感受到这本书为我未来在数位逻辑设计领域的深入发展打下了坚实的基础。它让我明白，VHDL不仅仅是一种编程语言，更是一种描述硬体行为的强大工具。