前 言
随着大规模集成电路技术的发展及电子产品市场运作节奏的进一步加快，涉及诸如计算机应用、通信、智能仪表、医用设备、军事、民用电器等领域的现代电子设计技术已迈入一个全新的阶段，其特点是：① 电子器件及其技术的发展将更多地趋向于支持EDA（Electronic Design Automation）；② 借助于硬件描述语言HDL，硬件设计与软件设计技术得到了有机的融合；③ 电子设计技术不断走向规范化、标准化和高效率；④ 应用系统的设计已从单纯的ASIC设计走向了系统设计、单片系统SOC（System On a Chip）和SOPC（System On a Programmable Chip）的设计。专家预言，未来的电子技术时代将是EDA的时代。自20世纪90年代开始，国外各大VLSI厂商不断推出各种系列的大规模和超大规模FPGA产品。其产品的资源规模和性能提高之快，品种之多令人应接不暇。例如Xilinx公司和Altera公司不断推出和创新多系列高性能的FPGA/CPLD，其规模已达数百万门。特别在最近几年中，FPGA/CPLD的开发生产和销售规模一直以惊人的速度增长。统计资料表明，其平均年增长率高达23%。与此相适应，Cadence、Data I/O、Mentor Graphics、OrCAD、Synopsys和Viewlogic等世界各大EDA公司亦相继推出各类高性能的EDA工具软件。在现代电子设计技术推进浪潮的多层因素促进下，CAD、CAM、CAT和CAE技术得到了进一步融合与升华，形成了更为强大的EDA和SOPC技术，从而成为当代电子设计技术发展的总趋势。
面对现代电子技术的迅猛发展，高新技术日新月异的变化以及人才市场、产品市场的迫切需求，许多高校迅速地作出了积极的反应，在不长的时间内，在相关的专业教学与学科领域卓有成效地完成了具有重要意义的教学改革及学科建设。如适用于各种教学层次的EDA实验室的建立；EDA、VHDL及大规模可编程逻辑器件相关课程的设置；同时对革新传统的数字电路课程的教学内容和实验方式做了许多大胆的尝试，从而使得诸如电子信息、通信工程、计算机、自动化等专业的毕业生的实际电子工程设计能力、新技术应用能力以及高新技术市场的适应能力都有了显著的提高。
产品的市场效率和技术市场的要求也必然会反映到教学和科研领域中来，以全国大学生电子设计竞赛为例，早在1997年第二届中的个别赛题就已包括了须用EDA技术才能圆满完成的赛题。此后这方面的内容逐届增加，直到上届赛事中，需要使用EDA技术的赛题超过全部赛题的1/3，其中有的赛题达到了如果没有EDA技术，将无从下手的程度。事实上，电子设计竞赛赛题的内容既是技术进步的一种反映，也是对高校相关教学实验内容改革的要求和促进。据了解，一些学者赴美到一些著名大学对本科电子与计算机实验室建设情况的调研结果都表明，国外的许多著名院校基于PLD的EDA技术在本科教学中有两个明显的特点：① 各专业中EDA教学实验课程的普及性，即在电子通信、工控乃至生物医学工程、计算机等非电类专业都包含了EDA技术的教学试验内容；② 在实验中，EDA试验成为主流，大部分传统的实验都融入了EDA实验，如数字电路、计算机组成原理、计算机接口、通信、处理器等实验内容，并更多地注重创新性实验。这显然是科技发展和市场需求所导致的结果。
VHDL作为IEEE标准的硬件描述语言和EDA技术的重要组成部分，经过多年的发展、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、灵活的语句表达风格和多层次的仿真测试手段，受到业界的普遍认同和广泛的接受，从数十种国际流行的硬件描述语言中脱颖而出，成为现代EDA领域的首选硬件设计计算机语言，而且目前流行的EDA工具软件全部支持VHDL。除了作为电子系统设计的主选硬件描述语言外，VHDL在EDA领域的仿真测试、学术交流、电子设计的存档、程序模块的移植、ASIC设计源程序的交付、IP核（Intellectual Property Core）的应用等方面担任着不可或缺的角色，而且在不少方面成为惟一的选择，例如到目前为止，利用DSP Builder将MATLAB设计模型转换为HDL文件，只能是VHDL。
在21世纪，电子技术的发展将更加迅猛，电子设计的自动化程度将更高，传统的电子设计技术、工具和器件将在更大程度上被融入EDA技术，实物IC器件将被IP核或类似的HDL表述的模块所取代。毫无疑问，EDA技术和VHDL势必成为广大电子信息工程类各专业领域工程技术人员的必修课，同时也不可避免地将成为我国高等教育中信息类构建专业知识的重要组成部分。
考虑到目前的本科课程门类已大为增加，任何一门非公共课的学时都不会很多。显然，突出要点才能有效控制学时数。建议这门课可安排约50学时或更少（含实验），并以实验实践课为主，这就要求以引导性教学为主要手段。建议对VHDL的教学就不必如C或汇编语言那样逐条语句讲授，而是结合具体实例讲解最基本的语句现象及其使用方法。
数字电路与EDA技术课程的侧重点不同，前者侧重于逻辑的认知和功能的验证，后者则侧重于实用电子系统的设计，因为该课程具有很强的实践性。针对性强的实验应该是教学的重要环节，而且EDA实验更应注重实验的质量，决非仅仅注重使用了什么先进的EDA软件。
作者认为，在初级阶段，用EDA工具重复一些数字电路课中的实验是必须的，但这远非EDA实验的全部。因为数字电路实验的重点是逻辑行为和功能的验证，因而可用手工插线方式来完成“设计”，而不必涉及任何技术指标和规模。
众所周知，电子系统技术指标是十分重要的，这包括速度、面积（芯片资源）、可靠性、容错性、电磁兼容性等。有时往往指标要求决定了所使用的技术，指标要求推动技术的发展。因此，EDA课程的实验，除了必须完成的基础性项目外，引导学生完成一些传统电子设计技术（包括单片机）所不能实现的内容，从而突出这一现代电子设计技术的优势。例如UART、PS/2接口的设计突出了自主知识产权的概念；VGA显示器的控制或状态机控制A/D采样突出了高速性能指标的实现；NCO（Numerically Controlled Oscillators）设计表现了基于EDA技术特有的IP应用技术；纯硬件奏乐电路的设计体现了EDA工具面对复杂逻辑电路设计的突出优势等。在这些实践过程中，会使学生发现，诸如ISP下载方式、FPGA、ASIC乃至EDA软件等设计手段和工具本身都成了配角，而惟有对更高质地完成实验项目而不懈追求的设计能动性、创造性和创新性却成了主角，从而有效地提高这门以培养工程实践能力为主的课程的教学效果。
作者强调循序渐进的教学方法和工程实践能力与创新能力的培养，为此本书作了两个层面的安排：
首先，全书的VHDL实例验证和实验示例都是基于先进的SOPC设计环境Quartus II这一平台的。随着书中章节的推进和各种典型示例的给出，逐步地向读者展示了该软件的优秀性能和强大的功能，使读者能在不经意间掌握了这一强大的EDA开发工具，同时除安排了许多习题外，还于各章的后面，从取材到实验方法上由浅入深地安排了许多针对性较强的实验，使学生对每一章的课堂教学效果能及时通过实验操作得到强化。在第1、第2章的概述和硬件结构与工作原理介绍后，第3章和第4章的实验主要是针对VHDL入门的，同时也给出了Quartus II的使用入门向导；第5章和第7章（第6章介绍原理图输入设计方法）的实验则是针对VHDL应用深入和Quartus II应用深入的；第8、第10和第11章则是进一步深入地讨论VHDL基本理论和实用方法。与之相配合，第9章讨论了Quartus II其他的重要应用和使用方法，使EDA实验进入了一个新的高度。最后在整个第12章中，给出了关于Quartus II、EDA技术应用和FPGA/CPLD开发方面多则实验及其原理叙述，包括给出了A/D高速采样、电机控制、逻辑分析仪、存储示波器、接口与通信模块和IP核的应用等EDA技术的典型实用范例，将EDA技术和VHDL的学习和应用推向更加深入的层面。
其次，除了在设置的大部分实验中给出详细的实验目的、实验原理、实验思考题和实验报告要求外，对于每一个实验项目还包含2～4个实验项目（层次），即：第一实验项目（层次）是与对应章节内容相关的验证性实验，课本提供了详细的并被验证的设计程序和实验方法，学生只需将提供的设计程序输入计算机，并按要求进行编译仿真，即可在实验系统上实现和验证结果；第二实验项目（层次）是在上一实验基础上作进一步的发挥；第三、四实验项目（层次）属于自主设计或创新性质的实验。教师可以根据实验学时数和教学实验的要求布置不同层次的实验项目。
第13章重点讨论了VHDL的仿真技术，同时介绍了工程上最常用的HDL仿真工具ModelSim的使用方法。由于该章内容具有相对独立性，所以放在最后，授课中可以根据学时数的多少再决定取舍。按主次排序关系，具有类似性质的章节有：第8、6、9、10、11、13章。即除这6章外，其余章节对于普通EDA课程均是必须的，对于电子设计竞赛的培训还必须加上第8章的内容。
现代电子设计技术是发展的，相应的教学内容和教学方法也在不断改进，其中一定有许多问题值得深入探讨，也包括以上提出的有关EDA教学的一家之言。我们真诚地欢迎读者对书中的错误与有失偏颇之处给予批评指正（E-mail：span88@mail.hz.zj.cn，网址：www.kx-soc.com）。
作 者
2005年5月于杭州电子科技大学
