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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FPGA45

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ModelSim51

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IP59

3.3.3 修改已有IP的参数61

3.3.4 在设计中例化IP61

3.3.5 选择不同版本的IP62

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