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第1章 FPGA系统设计基础 1

1.1 FPGA技术的发展历史和动向 1

1.1.1 FPGA技术的发展历史 1

1.1.2 FPGA技术的发展动向 2

1.2 FPGA的典型应用领域 3

1.2.1 数据采集和接口逻辑领域 3

1.2.2 高性能数字信号处理领域 4

1.2.3 其他应用领域 4

1.3 FPGA的工艺结构 4

1.4 典型的Xilinx FPGA芯片 5

1.5 FPGA芯片的应用 7

1.6 工程项目中FPGA芯片的选择策略和原则 8

1.6.1 尽量选择成熟的产品系列 8

1.6.2 尽量选择兼容性好的封装 8

1.6.3 尽量选择一个公司的产品 9

1.7 FPGA的设计流程 9

1.8 思考与练习 11

第2章 ISE与ModelSim的安装 12

2.1 ISE的安装 12

2.2 ModelSim SE的安装与启动 18

2.3 ISE联合ModelSim设置 22

2.4 思考与练习 29

第3章 ISE操作基础 30

3.1 ISE的基本使用方法 30

3.1.1 新建工程 30

3.1.2 新建HDL文件 32

3.1.3 添加HDL文件 33

3.1.4 新建原理图设计 33

3.1.5 在原理图中调用模块 34

3.1.6 编辑原理图 35

3.1.7 用Constraints Editor设置约束 38

3.1.8 使用XST进行综合 39

3.1.9 设计实现 42

3.1.10 生成下载文件 44

3.1.11 下载FPGA 45

3.2 仿真验证 47

3.2.1 在ISE中仿真验证 47

3.2.2 在ISE中调用ModelSim 51

3.3 CORE Generator的使用方法 56

3.3.1 新建CORE Generator工程 56

3.3.2 新建IP 59

3.3.3 修改已有IP的参数 61

3.3.4 在设计中例化IP 61

3.3.5 选择不同版本的IP 62

3.4 流水灯实例 63

3.4.1 硬件介绍 63

3.4.2 创建工程 63

3.4.3 编写Verilog代码 65

3.4.4 UCF管脚约束 68

3.4.5 编译工程 70

3.4.6 ISE仿真 70

3.4.7 ModelSim仿真验证 75

3.5 思考与练习 80

第4章 Verilog HDL语言概述 81

4.1 Verilog HDL语言简介 81

4.1.1 硬件描述语言 81

4.1.2 Verilog HDL语言的历史 82

4.1.3 Verilog HDL语言的能力 82

4.1.4 Verilog HDL和VHDL语言的异同 83

4.1.5 Verilog HDL和C语言的异同 83

4.2 Verilog HDL语言的描述层次 84

4.2.1 Verilog HDL语言描述能力综述 84

4.2.2 系统级和算法级建模 84

4.2.3 RTL级建模 85

4.2.4 门级和开关级建模 85

4.3 基于Verilog HDL语言的FPGA开发流程 85

4.4 Verilog HDL语言的可综合与仿真特性 87

4.4.1 Verilog HDL语句的可综合性 88

4.4.2 Verilog HDL语句的仿真特性说明 88

4.5 Verilog HDL程序开发的必备知识 89

4.5.1 数字的表示形式 89

4.5.2 常用术语解释 91

4.5.3 Verilog HDL程序的优劣判断指标 92

4.6 Verilog HDL程序设计模式 93

4.6.1 自顶向下的设计模式 93

4.6.2 层次与模块化模式 94

4.6.3 IP核的重用 94

4.7 思考与练习 98

第5章 Verilog HDL程序结构 99

5.1 程序模块 99

5.1.1 Verilog HDL模块的概念 99

5.1.2 模块的基本结构 99

5.1.3 端口声明 101

5.2 Verilog HDL的层次化设计 101

5.2.1 Verilog HDL层次化设计的表现形式 101

5.2.2 模块例化 102

5.2.3 参数映射 106

5.2.4 在ISE中通过图形化方式实现层次化设计 108

5.3 Verilog HDL语言的描述形式 111

5.3.1 结构描述形式 111

5.3.2 行为描述形式 116

5.3.3 混合设计模式 119

5.4 思考与练习 120

第6章 Verilog HDL语言的基本要素 121

6.1 标志符与注释 121

6.1.1 标志符 121

6.1.2 注释 122

6.2 数字与逻辑数值 122

6.2.1 逻辑数值 122

6.2.2 常量 122

6.2.3 参数 124

6.3 数据类型 124

6.3.1 线网类型 124

6.3.2 寄存器类型 128

6.4 运算符和表达式 132

6.4.1 赋值运算符 132

6.4.2 算术运算符 134

6.4.3 逻辑运算符 136

6.4.4 关系运算符 137

6.4.5 条件运算符 138

6.4.6 位运算符 140

6.4.7 拼接运算符 141

6.4.8 移位运算符 141

6.4.9 一元约简运算符 142

6.5 思考与练习 143

第7章 面向综合的行为描述语句 144

7.1 触发事件控制 144

7.1.1 信号电平事件语句 144

7.1.2 信号跳变沿事件语句 145

7.2 条件语句 146

7.2.1 if语句 146

7.2.2 case语句 147

7.2.3 条件语句的深入理解 150

7.3 循环语句 152

7.3.1 repeat语句 152

7.3.2 while语句 153

7.3.3 for语句 154

7.3.4 循环语句的深入理解 156

7.4 任务与函数 157

7.4.1 task语句 157

7.4.2 function语句 159

7.4.3 深入理解任务和函数 160

7.5 思考与练习 161

第8章 可综合状态机开发 163

8.1 状态机的基本概念 163

8.1.1 状态机的工作原理及分类 163

8.1.2 状态机描述方式 164

8.1.3 状态机设计思想 166

8.2 可综合状态机设计原则 166

8.2.1 状态机开发流程 167

8.2.2 状态编码原则 167

8.2.3 状态机的容错处理 168

8.2.4 常用的设计准则 169

8.3 状态机的Verilog HDL实现 170

8.3.1 状态机实现综述 170

8.3.2 Moore状态机开发实例 173

8.3.3 Mealy状态机开发实例 175

8.4 思考与练习 177

第9章 面向验证和仿真的行为描述语句 178

9.1 验证与仿真概述 178

9.1.1 代码验证与仿真概述 179

9.1.2 测试平台 179

9.1.3 验证测试方法论 181

9.1.4 Testbench结构说明 185

9.2 仿真程序执行原理 186

9.2.1 Verilog HDL语义简介 187

9.2.2 Verilog HDL仿真原理 187

9.3 延时控制语句 189

9.3.1 延时控制的语法说明 189

9.3.2 延时控制应用实例 189

9.4 常用的行为仿真描述语句 192

9.4.1 循环语句 192

9.4.2 force和release语句 194

9.4.3 wait语句 195

9.4.4 事件控制语句 196

9.4.5 task和function语句 197

9.4.6 串行激励与并行激励语句 198

9.5 用户自定义元件 199

9.5.1 UDP的定义与调用 199

9.5.2 UDP应用实例 200

9.6 仿真激励的产生 202

9.6.1 变量初始化 202

9.6.2 时钟信号的产生 205

9.6.3 复位信号的产生 207

9.6.4 数据信号的产生 208

9.6.5 典型测试平台模块编写实例 209

9.6.6 关于仿真效率的说明 210

9.7 思考与练习 210

第10章 系统任务和编译预处理语句 212

10.1 系统任务语句 212

10.1.1 输出显示任务 212

10.1.2 文件输入／输出任务 218

10.1.3 时间标度任务 222

10.1.4 仿真控制任务 224

10.1.5 仿真时间函数 224

10.1.6 数字类型变换函数 226

10.1.7 概率分布函数 226

10.2 编译预处理语句 228

10.2.1 宏定义＇define语句 228

10.2.2 条件编译＇if语句 230

10.2.3 文件包含＇include语句 231

10.2.4 时间尺度＇timescale语句 233

10.2.5 其他语句 234

10.3 思考与练习 235

第11章 Verilog HDL语言基础 236

11.1 8-3编码器 236

11.2 3-8译码器 237

11.3 数据选择器 238

11.4 多位数值比较器 240

11.5 全加器 241

11.6 D触发器 242

11.7 寄存器 243

11.8 双向移位寄存器 244

11.9 四位二进制加减法计数器 245

11.10 顺序脉冲发生器 247

11.11 序列信号发生器 248

11.12 思考与练习 249

第12章 扩展接口设计 250

12.1 数码管显示接口实验 250

12.1.1 数码管显示接口实验内容与实验目的 250

12.1.2 数码管显示接口设计原理 251

12.1.3 数码管显示接口设计方法 252

12.2 LCD液晶显示接口实验 259

12.2.1 LCD液晶显示接口实验内容与实验目的 259

12.2.2 LCD液晶显示接口设计原理 259

12.2.3 LCD液晶显示接口设计方法 262

12 3 VGA显示接口实验 267

12.3.1 VGA显示接口实验内容与实验目的 267

12.3.2 VGA显示接口实验设计原理 268

12.3.3 VGA显示接口实验设计方法 269

12.4 RS-232C串行通信接口实验 271

12.4.1 RS-232C串行通信接口实验内容与实验目的 271

12.4.2 RS-232C串行通信接口设计原理 271

12.4.3 RS-232C串行通信接口设计方法 274

12.5 思考与练习 279

第13章 系统设计实例 280

13.1 实时温度采集系统 280

13.1.1 实时温度采集系统实验内容与实验目的 280

13.1.2 实时温度采集系统设计原理 280

13.1.3 实时温度采集系统设计方法 283

13.2 实时红外采集系统 299

13.2.1 实时红外采集系统实验内容与实验目的 299

13.2.2 实时红外采集系统设计原理 299

13.2.3 实时红外采集系统设计方法 301

13.3 实时键盘采集系统 305

13.3.1 实时键盘采集系统实验内容与实验目的 305

13.3.2 实时键盘采集系统设计原理 306

13.3.3 实时键盘采集系统设计方法 308

13.4 思考与练习 320