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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5

1.3.1基于SRAM结构的FPGA5

1.3.2基于反融丝结构的FPGA5

1.3.3基于Flash结构的FPGA6

1.4主流的FPGA芯片厂家及其代表产品6

1.4.1 Xilinx公司的代表产品6

1.4.2 Altera公司的代表产品7

1.5工程项目中FPGA芯片选择策略和原则8

1.5.1尽量选择成熟的产品系列8

1.5.2尽量选择兼容性好的封装8

1.5.3尽量选择一个公司的产品9

第2章 从零开始设计FPGA最小系统10

2.1 FPGA最小系统的概念10

2.2 FPGA最小系统电路分析11

2.2.1 FPGA管脚设计11

2.2.2下载配置与调试接口电路设计14

2.2.3高速SDRAM存储器接口电路设计14

2.2.4异步SRAM （ASRAM ）存储器接口电路设计16

2.2.5 Flash存储器接口电路设计16

2.2.6开关、按键与发光LED电路设计18

2.2.7 VGA接口电路设计19

2.2.8 PS/2鼠标及键盘接口电路设计20

2.2.9 RS-232串口20

2.2.10字符型液晶显示器接口电路设计21

2.2.11 USB 2.0接口芯片CY7C68013电路设计22

2.2.12电源电路设计25

2.2.13复位电路设计26

2.2.14时钟电路设计27

2.3 FPGA硬件系统的设计技巧27

2.3.1管脚兼容性设计27

2.3.2根据电路布局来分配管脚功能28

2.3.3预留测试点28

2.4 FPGA硬件系统的调试方法28

2.5典型实例1：在Altera的FPGA29

开发板上运行第一个FPGA程序29

2.5.1实例的内容及目标29

2.5.2平台简介30

2.5.3实例详解30

2.5.4小结40

2.6典型实例2：在Xilinx的FPGA40

开发板上运行第一个FPGA程序40

2.6.1实例的内容及目标40

2.6.2平台简介41

2.6.3实例详解41

2.6.4小结65

第3章 硬件描述语言Verilog HDL基础66

3.1 Verilog HDL语言简介66

3.1.1 Verilog HDL的历史和进展66

3.1.2 VHDL和Velog HDL语言对比67

3.2 Velog HDL程序基本结构67

3.2.1 Velog HDL程序入门68

3.2.2模块的框架70

3.3 Velog HDL语言的数据类型和运算符71

3.3.1常用数据类型71

3.3.2常用运算符76

3.4 Velog HDL语言的赋值语句和块语句83

3.4.1非阻塞赋值和阻塞赋值83

3.4.2块语句84

3.4.3关键词87

3.5 Velog HDL语言的条件语句88

3.5.1 if语句88

3.5.2 case语句90

3.5.3其他条件语句93

3.6 Velog HDL语言的其他常用语句93

3.6.1循环语句93

3.6.2结构说明语句96

3.7 Velog HDL语言实现组合逻辑电路98

3.7.1 assi语句实现组合逻辑98

3.7.2 always块实现组合逻辑99

3.8 Velog HDL语言实现时序逻辑电路100

3.9 Velog HDL语言与C语言的区别与联系101

3.10 Velog HDL程序设计经验104

3.11典型实例3：数字跑表105

3.11.1实例的内容及目标105

3.11.2原理简介105

3.11.3代码分析106

3.11.4参考设计107

3.12典型实例4: PS/2接口控制107

3.12.1实例的内容及目标107

3.12.2原理简介108

3.12.3实例详解109

3.12.4参考设计109

3.13典型实例5：交通灯控制器109

3.13.1实例的内容及目标109

3.13.2原理简介110

3.13.3代码分析111

3.13.4参考设计113

第4章 硬件描述语言Verilog HDL设计进阶114

4.1 task和function说明语句的区别114

4.2 Verilog HDL高级语法结构——任务（TASK）115

4.3 Verilog HDL高级语法结构——任务（function ）116

4.4有限状态机的设计原理及其代码风格118

4.4.1有限状态机（FSM）设计原理118

4.4.2 FSM设计实例123

4.4.3设计可综合状态机的指导原则124

4.5逻辑综合的原则以及可综合的代码设计风格125

4.5.1 always块语言指导原则125

4.5.2可综合风格的VerilogHDL模块实例126

4.6典型实例6：状态机应用132

4.6.1实例的内容及目标132

4.6.2实例详解133

4.6.3参考设计140

4.7典型实例7：自动转换量程频率计控制器140

4.7.1实例内容及目标140

4.7.2原理简介140

4.7.3代码分析141

4.7.4参考设计143

4.8典型实例8：使用函数实现简单的处理器143

4.8.1实例的内容及目标143

4.8.2原理简介143

4.8.3代码分析143

第5章FPGA设计开发软件Quartus II的使用技巧145

5.1 Quartus II软件简介145

5.2 Quartus II软件新特性145

5.3 Quartus II软件的安装与启动147

5.4 Quartus II软件设计流程148

5.5创建工程设计文件149

5.5.1创建工程149

5.5.2添加设计文件151

5.6编译及仿真工程153

5.6.1编译153

5.6.2仿真154

5.7约束及配置工程156

5.7.1器件选择157

5.7.2管脚分配158

5.7.3时序约束158

5.7.4配置工程159

5.8 LogicLock逻辑锁定工具使用技巧160

5.8.1逻辑锁定方法学160

5.8.2逻辑锁定优势160

5.8.3逻辑锁定参数设置161

5.8.4逻辑锁定流程161

5.9 SignalTap 在线逻辑分析仪的使用方法162

5.9.1 SignalTap 介绍162

5.9.2使用SignalTap操作流程163

5.9.3设置触发器163

5.10典型实例9: SignalTap 功能演示164

5.10.1实例的内容及目标164

5.10.2实例详解165

5.10.3小结177

5.11典型实例10: LogicLock功能演示177

5.11.1实例的内容及目标177

5.11.2实例详解178

第6章FPGA设计开发软件ISE使用技巧184

6.1 ISE软件简介184

6.1.1 ISE软件简介184

6.1.2 ISE 7.1i特点185

6.2 ISE软件的安装与启动186

6.2.1 ISE软件的安装186

6.2.2 ISE软件的启动188

6.3 ISE软件的设计流程189

6.4创建设计工程193

6.5编译与仿真设计工程197

6.6增量式设计（IncrementalDesign）技巧203

6.6.1增量式设计的必要性203

6.6.2增量设计流程204

6.6.3小结207

6.7片上逻辑分析仪（ChipScope Pro）使用技巧208

6.7.1 ChipScope Pro概述208

6.7.2 ChipScope Pro设计流程209

6.7.3 ChipScope Pro CoreInseer简介209

6.7.4 ChipScope Pro Analyzer 简介215

6.7.5小结219

6.8典型实例11：ChipScope功能演示220

6.8.1实例的内容及目标220

6.8.2基于ChipScope Pro Core Generator的实现流程221

6.8.3基于ChipScope Pro Core Inseer的实现流程230

6.8.4小结234

6.9典型实例12：增量式设计（Incremental Design）演示234

6.9.1实例的内容及目标234

6.9.2实例详解234

6.9.3小结240

第7章FPGA系统设计的仿真验证241

7.1 FPGA设计仿真验证的原理和方法241

7.1.1 FPGA设计仿真验证241

7.1.2 FPGA设计仿真的切入点241

7.2 ModelSim仿真工具简介243

7.2.1标题栏244

7.2.2菜单栏244

7.2.3工具栏249

7.2.4工作区249

7.2.5状态栏249

7.3 ModelSim的仿真流程249

7.3.1 ModelSim的安装249

7.3.2使用ModelSim进行功能仿真250

7.4功能仿真和时序仿真的区别和实现方法253

7.4.1功能仿真253

7.4.2时序仿真256

7.5仿真测试文件（Testbench）的设计方法257

7.5.1测试文件的用途257

7.5.2测试文件设计方法258

7.5.3测试常用语句260

7.6典型实例13: SDRAM读写控制的实现与Modelsim仿真262

7.6.1实例的内容及目标262

7.6.2 SDRAM简介262

7.6.3 SDRAM控制器的Modelsim仿真265

7.6.4小结267

第8章 基于FPGA的片上可编程系统（SOPC）设计269

8.1基于FPGA的SOPC系统组成原理和典型方案269

8.1.1 SoC及SOPC简介269

8.1.2 Xilinx的SOPC解决方案270

8.2 Altera公司的NIOS解决方案271

8.2.1 NIOS的主要特点271

8.2.2 NIOS技术实现方式272

8.3基于NIOS的开发设计流程274

8.3.1硬件开发流程274

8.3.2软件开发流程281

8.4典型实例14：基于NIOS处理器的“Hello LED”程序设计287

8.4.1实例的内容及目标287

8.4.2实例详解287

8.4.3小结295

8.5典型实例15：基于NIOS处理器的数字钟设计296

8.5.1实例的内容及目标296

8.5.2软件规划296

8.5.3实例步骤296

8.5.4小结297

第9章FPGA系统设计原则和技巧298

9.1 FPGA系统设计的3个基本原则298

9.1.1面积与速度的平衡互换原则298

9.1.2硬件可实现原则300

9.1.3同步设计原则301

9.2 FPGA系统设计的3种常用技巧302

9.2.1乒乓操作技巧302

9.2.2串并／并串转换技巧303

9.2.3硬件流水线操作技巧304

9.3 FPGA系统设计的3种常用IP模块305

9.3.1片上存储器的使用方法305

9.3.2锁相环的使用方法316

9.3.3高速串行收发器的使用方法321

第10章 利用FPGA实现外设通信接口326

10.1 FPGA在外设接口实现方面的优势326

10.1.1充足的用户I/O资源326

10.1.2灵活的可编程逻辑327

10.1.3支持多种电平接口标准327

10.2利用FPGA实现RS-232C串行接口327

10.2.1 RS-232C接口概述327

10.2.2 RS-232C接口的电气标准327

10.2.3 RS-232C的通信协议328

10.2.4 RS-232C接口的典型应用329

10.3利用FPGA实现USB 2.0通信接口329

10.3.1 USB 2.0接口的实现方式329

10.3.2 FX2接口芯片的SlaveFIFO传输模式330

10.3.3 Slave FIFO模式的典型操作时序331

10.3.4 FX2的固件程序设计333

10.3.5 USB 2.0接口的典型应用334

10.4利用FPGA实现常用显示接口（Display Interface）334

10.4.1七段数码显示接口的设计与实现334

10.4.2字符型LCD显示接口的设计与实现336

10.4.3 VGA显示接口的设计与实现337

10.5利用FPGA实现A/D、 D/A转换器接口339

10.5.1 A/D、 D/A转换器接口的特点339

10.5.2 A/D、D/A转换器接口的实现方法339

10.5.3 AD/DA转换器接口的注意事项340

10.6典型实例16: RS-232C （UART）接口的设计与实现341

10.6.1实例内容及目标341

10.6.2实例详解341

10.6.3 BlockRAM的实现方法342

10.6.4 FPGA代码的设计实现343

10.6.5波特率的设定345

10.6.6 ModelSim仿真验证345

10.6.7小结345

10.7典型实例17: USB 2.0接口的设计与实现346

10.7.1实例的内容及目标346

10.7.2 USB接口通信实战步骤346

10.7.3 USB接口通信实例结果348

10.7.4 FPGA代码的设计实现349

10.7.5小结352

10.8典型实例18：字符LCD接口的设计与实现353

10.8.1实例的内容及目标353

10.8.2字符LCD接口实例内容353

10.8.3 FPGA代码设计实现353

10.8.4 ModelSim仿真验证353

10.8.5小结356

10.9典型实例19: VGA接口的设计与实现357

10.9.1实例内容及目标357

10.9.2 VGA接口实例内容357

10.9.3 FPGA代码设计实现357

10.9.4 ModelSim仿真验证357

10.9.5小结358

第10章FPGA与DSP协同处理系统设计359

11.1基于FPGA+DSP协同处理平台的优势和适用领域359

11.1.1基于FPGA的信号处理系统的特点359

11.1.2基于DSP的信号处理系统的特点360

11.1.3基于FPGA+DSP的信号处理系统优势和应用领域360

11.2基于FPGA+DSP的协同处理平台的设计流程361

11.2.1 FPGA与DSP的功能划分361

11.2.2 FPGA+DSP的系统设计流程362

11.3 FPGA与DSP的通信接口设计363

11.3.1基于TMS320C64x系列的EMIF接口设计363

11.3.2基于TMS320系列DSP的主机接口（HPI）设计369

11.4 FPGA+DSP协同平台的调试技巧和注意事项371

11.4.1 FPGA和DSP的隔离调试技术371

11.4.2 FPGA测试点的设计372

11.4.3借助FPGA的内部逻辑分析仪来辅助调试372

11.5典型实例20: FPGA片上硬件乘法器的使用372

11.5.1实例的内容及目标372

11.5.2硬件乘法IP的使用方法373

11.5.3小结377

11.6典型实例21：整数DCT变换的设计与实现378

11.6.1实例的内容及目标378

11.6.2整数DCT变换的原理378

11.6.3实例步骤380

11.6.4小结382

第12章 数字图像倍焦系统设计与实现综合实例383

12.1设计需求分析与芯片选型383

12.1.1需求分析383

12.1.2芯片选型384

12.2系统工作原理分析385

12.3系统原理框图387

12.4 FPGA内部结构设计388

12.4.1 FPGA内部结构框图388

12.4.2各个模块功能描述389

12.5系统硬件配置方案389

12.5.1 FPGA的配置389

12.5.2 Video Decoder（SAA7113H）的配置390

12.5.3 Video Encoder（SAA7128）的配置390

12.5.4印刷电路板（PCB）设计391

12.6 FPGA在其他视频和图像处理系统中的应用392

第13章 高速PCI信号采集卡设计与实现综合实例393

13.1设计需求分析与功能定义393

13.1.1信号与信号采集系统393

13.1.2设计需求分析394

13.1.3选型及功能定义395

13.2系统工作原理分析395

13.2.1数据总线396

13.2.2控制总线397

13.2.3地址总线397

13.2.4信号采集系统控制机制398

13.3 PCI接口芯片PCI9054与FPGA的接口设计398

13.3.1 PCI9054的特性398

13.3.2 PC19054工作模式399

13.3.3 PCI设备空间配置400

13.3.4 PC19054与FPGA接口设计401

13.4 PCI卡的驱动程序设计405

13.4.1 WDM驱动程序模型405

13.4.2设备和驱动程序的层次结构406

13.4.3 PCI设备驱动程序例程407

13.5主机应用程序和驱动程序的接口设计412

13.5.1驱动程序例程的封装412

13.5.2 PLX API函数413

13.5.3 API函数调用416

13.5.4 PC19054驱动程序安装416

13.6 FPGA内部结构设计416

13.6.1构框图416

13.6.2设计方法417

13.7硬件系统实现418

13.7.1 FPGA配置418

13.7.2 PC19054配置419

13.7.3 PCI9054 PCI总线连接规范420

13.7.4电源系统421

13.8样机的调试方法和技巧422

13.8.1没有PCI控制的跑马灯422

13.8.2基于PCI控制的跑马灯423

13.9产品稳定性和可靠性测试425

13.10产品定型和设计文档备案426