VHDL數位電路設計實務教本 (第三版)

　　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。但是近年來這個情況已經產生很大的變化，首先是各種消費性電子產品的生命週期不斷縮短，而系統的功能性和複雜度卻不斷攀升，許多的功能需要使用相當程度的特定背景知識和足夠複雜的演算法才能具體描述，使得純邏輯設計專業工程師不足以應付完整的產品設計工作，應用技術背景的工程師加入IC設計成為必要；其次是近年來PLD（可程式邏輯元件）的使用越來越普遍，各種電腦輔助電路設計軟體紛紛推出，數位電路設計的電性考量或半導體特性幾乎已被封藏在自動化設計的程序中，因此工程師可以直接針對電路的功能性（functionalities）而非實體（physical device）進行設計，這樣的環境下，傳統的電子電路學理論背景知識或技能並非是不可或缺的。最後伴隨前述兩個趨勢的發展，硬體描述語言（Hardware Description Language）的使用更具有革命性的影響。

　　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工作接近於軟體演算法的實現（implementation），使得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；另外，這種形式的產業變革亦使得投身設計工作的專業人員較未必侷限於電子科系的背景，任何電子相關應用技術背景，如電機、通訊、控制、資訊系統技術人員都可以透過VHDL語言的學習而轉入數位電路設計產業。

　　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加以闡述最實用的語法敘述，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，讓讀者可以直接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，每一個時間點只能執行唯一的指令，所有指令都依邏輯先後順序一一執行，但是硬體設計並不侷限在這種循序執行的架構，電路的運作原理原本就具有不同於程式執行的並行處理特性。因此，如果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，這就是為什麼本書雖以VHDL設計為主，但卻又在第二章的內容中用了不少篇幅來介紹圖形編輯輸入設計的原因，該章節雖是在介紹Altera Max+plusII軟體的操作環境以及常見數位電路的驗證模擬，卻也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。

　　除了產業界的實際應用，目前國內外多數大學和技專校院的計算機設計、數位系統設計甚至邏輯設計等課程，都已經將VHDL的語法介紹納入課程內容，另外也將CPLD/FPGA的可程式晶片設計作為實驗器材，以搭配VHDL的講授來實際驗證數位系統架構，這樣的課程設計有助於學生對於電路實體與文字描述格式之間的對照了解。由於CPLD/FPGA設計和驗證過程簡易流暢，上課的學生只要在家中擁有一台個人電腦就可自行完成課程裡所有的電路實驗，甚至於若能搭配一台模擬器或市面上廉價的CPLD/FPGA實驗板，就幾乎已經具備了數位積體電路設計工作室最基本的雛型；這樣的學習方式完全迥異於傳統訓練中必然準備的TTL、CMOS IC零件、單心線、LED、麵包板、示波器等實驗設備的安排與耗時費力的工法訓練，可以實現的電路系統卻相對複雜得多。在本次改版的內容中，我們特別在第二章的許多題目裡面介紹了力浦電子LP-2900實驗板的元件規劃與操作說明，也在第十四章的內容裡增加了Altera UP1X實驗板的用法與點矩陣LED顯示、鍵盤掃描原理及VGA螢幕控制等實習內容，並儘可能地將問題以最簡單清楚的方式來加以描述，希望可以有利於讀者輕鬆閱讀與快速吸收。UP1X實驗板是Altera公司針對學術界需求而開發的產品，很適合用來作為教學實習與專題設計等用途，其價位約在七千多元左右。除此之外，國內也有一些一千多元的低價位CPLD實驗板推出，如力浦電子的FPT-3實驗板等；但相對的，其所能規劃的邏輯元件數目自然也較少。有心進行硬體驗證者可以根據個人需求選擇適合的設備來搭配學習。

　　本書是以大專院校電子、電機、資訊等相關科系一個學期的基礎課程教材作為主要的設計考量，若實施的對象是已經具備邏輯設計背景的同學時，可以在數小時的CPLD/FPGA操作環境介紹與上機實際演練之後，直接將主題切入第四章VHDL語法的介紹與程式設計，有必要時再要求學生回頭參閱第二章的內容即可。若是作為搭配數位系統設計等正課的參考用書時，則教師可在每一授課主題或段落結束時，協助學生來導讀本書相關章節的基本語法與程式描述，並以交代家庭作業的方式讓學生能夠在家中自行從事數位系統理論架構的軟體驗證。

　　書中所附之光碟中附有Altera Max+plusII Baseline10.2 版的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。