FPGA/Verilog技術基礎與工程應用實例

第1章FPGA技術

1.1認識FPGA

1.2學習FPGA的意義

1.3FPGA器件選型

1.4FPGA的開發方法及工具

1.5FPGA的三種應用類型

1.6FPGA技術的發展趨勢

1.7FPGA與CPLD的特點比較

1.8FPGA的JTAG加載

1.9FPGA的邊界掃描測試

習題

第2章Verilog HDL語法基礎

2.1Verilog HDL簡介

2.2Verilog HDL基本模塊結構

2.2.1Verilog HDL設計程序介紹

2.2.2模塊端口定義

2.2.3模塊內容

2.3Verilog HDL語言要素

2.3.1常量

2.3.2變量

2.3.3標識符

2.3.4關鍵詞

2.4運算符及表達式

2.4.1基本的算術運算符

2.4.2位運算符

2.4.3邏輯運算符

2.4.4關系運算符

2.4.5等式運算符

2.4.6移位運算符

2.4.7位拼接運算符

2.4.8縮減運算符


2.5Verilog HDL基本語句

2.5.1賦值語句

2.5.2塊語句

2.5.3條件語句

2.5.4循環語句

2.6任務與函數

2.6.1系統任務

2.6.2函數

2.7預編譯指令

2.7.1宏定義指令`define

2.7.2「文件包含」指令`include

2.7.3時間尺度`timescale

2.7.4條件編譯指令`ifdef、`else、`endif

小結

習題

第3章Quartus Ⅱ及Modelsim設計工具的使用方法

3.1Quartus Ⅱ軟件使用方法

3.1.1FPGA的設計流程

3.1.2Quartus Ⅱ的設計流程

3.2Modelsim的調用及Testbench編寫

習題

第4章Verilog HDL設計進階

4.1Verilog HDL組合電路設計

4.1.1Verilog HDL設計的不同描述方式

4.1.2選擇電路的設計

4.1.3基本組合邏輯電路設計實例

4.2Verilog HDL時序電路設計

4.2.1觸發器的描述方式

4.2.2計數器與分頻器的設計

4.2.3阻塞賦值與非阻塞賦值

4.3Verilog HDL有限狀態機設計

4.3.1Moore型狀態機和Mealy型狀態機的設計

4.3.2Verilog HDL有限狀態機的不同設計方法

小結

習題

第5章基於Verilog的FPGA系統設計實例

5.1LED花樣燈控制模塊的設計

5.2按鍵及防抖接口電路設計

5.3LCD1602液晶控制器設計

5.4A/D轉換控制器的設計

第6章時序約束分析及實例講解

6.1關於時序約束

6.2輸入最大最小延時

6.2.1最大輸入延時

6.2.2最小輸入延時

6.3輸出最大最小延時

6.3.1最大輸出延時

6.3.2最小輸出延時

6.4時序約束實例講解

6.4.1時鍾的時序約束

6.4.2I/O口的時序約束

習題

第7章Quartus與Matlab協同設計舉例

7.1正弦信號發生器設計

7.1.1設計方案

7.1.2設計步驟

7.1.3設計結果

7.2快速傅里葉變換設計

7.2.1快速傅里葉變換原理

7.2.2設計思路

7.2.3設計步驟

7.2.4設計結果

7.3CIC抽取濾波器設計

7.3.1CIC抽取濾波器設計原理

7.3.212倍抽取濾波器設計與仿真

7.3.3仿真結果分析

7.4CIC插值濾波器設計

7.4.1CIC插值濾波器原理及數據處理

7.4.212倍插值濾波器設計與仿真

7.4.3仿真結果分析

習題

第8章SOPC系統設計

8.1SOPC及其技術概述

8.2基於SOPC的系統設計舉例

8.2.1SOPC系統設計流程

8.2.2SOPC系統設計舉例

參考文獻

電子技術的發展日新月異，從早期的基於晶體管和中小規模集成電路的設計轉變為如今的以大規模集成電路為核心的SOC設計；從以硬件為主的簡單電路設計轉變為以EDA軟件編程技術為主的復雜系統設計。數字電子技術的設計更是如此，從早期的以51單片機為主、基於匯編語言編程的設計，轉變為如今以ARM、DSP、FPGA為核心，基於高級軟硬件語言編程的電路設計，這些轉變不過短短一二十年。

早期的電子設計中，FPGA由於其並行執行的能力強，因此一般用在高速信息處理的場合，例如圖像、視頻數據采集與處理。隨着FPGA集成度的提高、大量軟核的開發，FPGA體現出越來越多的靈活性，使用的場合也越來越廣。以前，以ARM為控制核心，DSP做信號處理，FPGA做高速采集的設計思路，現在可用軟核的形式全部集成在一塊FPGA芯片中，使得硬件系統的集成化程度變得越來越高。基於上述優勢，FPGA的應用領域也變得越來越寬，智能汽車、工業控制、軍事航空、消費電子、信息通信等領域對FPGA的依賴程度變得越來越高。

FPGA的設計主要以基於硬件描述語言的EDA設計方法為主，在復雜的系統中，也可以采用構建嵌入式處理器加外圍接口電路的SOPC等設計方法。本書的編寫主要以FPGA的硬件描述語言為核心，並通過大量實例介紹綜合系統的設計方法。

全書共分為8章，主要內容如下：
第1章主要介紹FPGA的開發方法和工具，以及該技術的發展趨勢。
第2章主要介紹VerilogHDL的基礎語法結構和相應的設計實例。
第3章主要介紹QuartusⅡ及Modelsim設計工具的使用方法。
第4章主要介紹VerilogHDL如何應用在組合邏輯電路和時序邏輯電路設計中，同時介紹了狀態機的設計。
第5章主要介紹基於VerilogHDL的設計實例，包含按鍵接口、LCD控制、A/D采集等常用模塊的FPGA實現。
第6章主要介紹時序約束的意義及方法，並通過實例進行詳細說明。
第7章主要介紹Quartus與Matlab協同設計方法，並通過4個實例進行詳細說明。
第8章主要介紹SOPC的基本概念，並通過實例介紹SOPC的設計流程。

通過本書的學習，讀者將能夠獨立地運用VerilogHDL硬件描述語言及相關EDA軟件實現FPGA的系統設計。

本書由成都理工大學工程技術學院的李勇、何勇、朱晉、孟照偉4位教師共同編寫完成。其中李勇老師主要負責全書的籌划、統稿等工作，並負責編寫本書的第1、6、7章；何勇老師負責編寫本書的第3、5、8章；朱晉老師主要編寫本書的第2章；孟照偉老師主要編寫本書的第4章。

在本書的編寫過程中，成都理工大學工程技術學院電子信息與計算機工程系的系主任柳建博士和其他同仁給予了大力支持，在此表示感謝。另外，編者還引用了其他相關文獻和網絡資源，在此對其相應的學者和作者表示衷心的感謝！

由於編者水平有限，書中不妥之處在所難免，請廣大讀者批評指正，我們將作進一步完善。

編者2016年3月