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第一篇 FPGA设计基础与ISE开发基本流程第一章 FPGA设计基础1

1.1 FPGA的基本概念1

1.2 可编程逻辑技术发展简介2

1.2.1 可编程技术发展演变过程2

1.2.2 FPGA技术5

1.3 FPGA器件编程技术6

1.3.1 熔丝互连编程技术6

1.3.2 基于反熔丝的编程技术8

1.3.3 基于SRAM的可编程技术10

1.3.4 基于FLASH或E2PROM的可编程技术11

1.4 通用FPGA的构成结构11

1.4.1 现代FPGA的基本逻辑单元12

1.4.2 Xilinx Spartan-3 FPGA的基本结构14

1.5 Xilinx FPGA的开发流程20

1.6 FPGA技术的未来发展23

本章小结25

思考与练习25

第二章 ISE12.1开发环境与S3开发板26

2.1 ISE12.1软件综述26

2.1.1 ISE12.1套件分类26

2.1.2 ISE12.1功能介绍27

2.1.3 ISE12.1用户界面和菜单操作27

2.2 S3开发板简介28

2.3 ISE开发流程29

2.3.1 创建工程和设计输入30

2.3.2 创建TestBench并进行RTL仿真33

2.3.3 添加约束36

2.3.4 综合与实现37

2.3.5 生成配置文件并对FPGA进行配置38

2.4 第三方开发工具40

2.4.1 ModelSim介绍40

2.4.2 在ModelSim中编译Xilinx的器件库41

2.4.3 ModelSim功能仿真举例42

2.4.4 Synplify Pro介绍47

2.4.5 关联ISE和SynplifyPro47

2.4.6 Synplify Pro使用流程48

本章小结52

思考与练习52

第二篇 数字电路设计基础与VerilogHDL描述第三章 VerilogHDL语言基础53

3.1 基本知识介绍53

3.2 模块结构和编程框架54

3.2.1 模块的结构54

3.2.2 编程框架56

3.3 数据类型和基本元素58

3.3.1 基本概念58

3.3.2 基本数据类型值59

3.3.3 数据类型59

3.3.4 常量61

3.4 结构化描述62

3.5 TestBench简介64

本章小结66

思考与练习67

第四章 组合逻辑设计68

4.1 基本操作符68

4.1.1 算术操作符69

4.1.2 移位操作符70

4.1.3 关系运算符与相等运算符70

4.1.4 位操作、复制和逻辑操作运算符70

4.1.5 连接与复制运算符72

4.1.6 条件运算符72

4.1.7 位宽调整操作73

4.1.8 关于Z和X的综合74

4.2 组合逻辑描述75

4.2.1 使用always模块描述组合逻辑75

4.2.2 使用赋值语句描述组合逻辑76

4.2.3 举例说明76

4.3 条件控制语句78

4.3.1 if-else语句78

4.3.2 case语句80

4.3.3 casez和casex语句82

4.3.4 “full case”和“parallel case”语句83

4.4 条件控制语句的布线结构84

4.4.1 优先级布线网络84

4.4.2 多路选择布线网络85

4.5 always语句的编程指导86

4.6 工程实践89

4.6.1 十六进制数到七段数码管译码器89

4.6.2 带符号加法器设计92

4.6.3 桶形移位器设计95

本章小结96

思考与练习97

第五章 时序逻辑设计98

5.1 时序电路基础98

5.1.1 时序电路基本存储单元98

5.1.2 同步时序电路99

5.1.3 时序电路分类100

5.2 时序电路基本单元的HDL描述101

5.2.1 D触发器101

5.2.2 寄存器104

5.2.3 寄存器文件104

5.3 简单例程105

5.3.1 移位寄存器105

5.3.2 二进制计数器和变量107

5.4 时序电路的TestBench111

5.5 工程实践114

5.5.1 LED时序动态选择电路114

5.5.2 秒表设计122

5.5.3 FIFO缓冲器设计126

本章小结131

思考与练习131

第六章 时序状态机设计133

6.1 有限状态机133

6.1.1 Moore和Mealy状态机133

6.1.2 有限状态机的描述方式133

6.1.3 有限状态机的HDL开发135

6.2 状态机设计实例138

6.2.1 上升沿检测电路138

6.2.2 按键防抖动电路143

6.2.3 电路硬件验证147

6.3 带数据路径的状态机（FSMD）149

6.3.1 简单寄存器传输操作149

6.3.2 FSMD状态描述150

6.3.3 FSMD的模块框图151

6.4 FSMD的HDL代码开发152

6.4.1 基于FSMD描述的按键防抖动电路152

6.4.2 显性描述数据路径153

6.4.3 隐含描述数据路径156

6.5 设计举例158

6.5.1 斐波纳契序列（Fibonacci Number）实现电路158

6.5.2 频率检测器设计162

6.5.3 除法电路设计165

本章小结169

思考与练习169

第七章 数字电路设计原则与VerilogHDL难点解析171

7.1 时序电路基础171

7.1.1 同步电路的时序分析173

7.1.2 异步电路和同步电路的区别174

7.1.3 同步时序设计规则175

7.2 异步电路中的同步处理方法175

7.2.1 时钟的同步处理175

7.2.2 接口电路处理177

7.2.3 全局信号处理182

7.3 阻塞赋值与非阻塞赋值184

7.3.1 概述185

7.3.2 组合逻辑电路中的赋值描述186

7.3.3 时序电路赋值描述187

7.3.4 时序电路中的混合赋值188

7.4 优秀HDL代码风格191

7.4.1 代码风格的含义191

7.4.2 通用代码风格191

7.4.3 Xilinx芯片专用代码风格195

7.4.4 推荐时序电路描述代码风格196

7.5 TestBench编写199

7.5.1 基于HDL的TestBench编写199

7.5.2 always和initial模块199

7.5.3 顺序执行语句200

7.5.4 时序控制语句201

7.5.5 系统函数和任务203

7.5.6 用户自定义函数和任务208

7.5.7 TestBench举例211

本章小结218

思考与练习218

第三篇 基于FPGA的接口开发219

第八章 UART串口通信控制器219

8.1 UART传输系统219

8.2 UART接收模块设计220

8.2.1 设计方案220

8.2.2 波特率产生器221

8.2.3 UART接收器221

8.2.4 接口电路225

8.3 UART发送模块设计228

8.4 UART系统的总结231

8.4.1 完整UART系统231

8.4.2 UART验证电路233

8.4.3 Windows的超级终端234

8.4.4 定制UART235

本章小结236

思考与练习236

第九章 PS/2键盘接口控制器237

9.1 PS/2基础237

9.1.1 PS/2端口的物理接口237

9.1.2 PS/2接口主从设备通信协议237

9.1.3 PS/2接收模块设计238

9.2 PS/2键盘扫描设计242

9.2.1 关于键盘扫描编码242

9.2.2 按键扫描电路设计243

9.3 PS/2键盘接口电路246

9.3.1 接口电路设计246

9.3.2 接口电路验证248

本章小结251

思考与练习251

第十章 PS/2鼠标接口控制器253

10.1 PS/2鼠标接口电路253

10.1.1 关于鼠标253

10.1.2 鼠标PS/2通信协议253

10.1.3 初始化过程254

10.2 PS/2传输子系统设计254

10.2.1 主系统对PS/2设备的通信协议254

10.2.2 设计与编码255

10.3 PS/2鼠标数据传输系统260

10.3.1 双向传输PS/2接口电路设计260

10.3.2 双向传输PS/2验证电路262

10.4 PS/2鼠标数据接口电路265

10.4.1 传输PS/2接口电路设计265

10.4.2 传输PS/2接口电路测试268

本章小结270

思考与练习270

第十一章 RAM接口控制器271

11.1 关于IS61LV25616AL SRAM271

11.1.1 芯片介绍以及I/O接口271

11.1.2 时序参数272

11.2 基本存储控制器274

11.2.1 设计框图274

11.2.2 时序要求276

11.2.3 存储器文件与SRAM的对比276

11.2.4 设计安全性276

11.2.5 ASMD状态机图276

11.2.6 时序分析277

11.2.7 HDL代码设计278

11.2.8 基本测试电路281

11.2.9 完整的SRAM测试电路283

11.3 更加完善的设计289

11.3.1 异步SRAM的时序信息289

11.3.2 选择设计Ⅰ290

11.3.3 选择设计Ⅱ291

11.4 Xilinx Spartan-3内部存储器292

11.4.1 概述292

11.4.2 利用CoreGenerator定制嵌入式RAM模块292

11.5 Xilinx嵌入式存储器例化举例293

11.5.1 单端口RAM293

11.5.2 双端口RAM295

11.5.3 ROM297

本章小结299

思考与练习299

第十二章 VGA图形图像显示控制器301

12.1 CRT显示器原理301

12.1.1 CRT显示的基本原理301

12.1.2 视频显示基本术语302

12.1.3 S3开发板上的VGA端口303

12.1.4 VGA视频控制器303

12.2 VGA同步电路304

12.2.1 水平同步304

12.2.2 垂直同步305

12.2.3 HDL实现306

12.2.4 测试电路308

12.3 像素产生电路309

12.3.1 矩形图形显示311

12.3.2 非矩形目标显示316

12.3.3 动态目标显示317

12.4 位图显示方案324

12.4.1 采用双端口RAM实现324

12.4.2 采用单端口RAM实现328

本章小结328

思考与练习329

第四篇 基于FPGA的软核微控制器PicoBlaze第十三章 基于XilinX FPGA的微处理器331

13.1 PicoBlaze架构介绍331

13.1.1 微处理器的应用333

13.1.2 PicoBlaze处理器的特点333

13.1.3 顶层HDL模型335

13.1.4 设计流程335

13.2 指令设置336

13.2.1 编程模型337

13.2.2 指令格式337

13.2.3 逻辑指令338

13.2.4 算术指令339

13.2.5 比较和测试指令339

13.2.6 移位和循环指令340

13.2.7 数据传输指令341

13.2.8 程序流程控制指令342

13.2.9 中断相关指令344

13.2.10 KCPSM3汇编宏命令345

13.3 PicoBlaze文件结构346

本章小结349

思考与练习349

第十四章 PicoBlaze汇编语言开发350

14.1 PicoBlaze汇编基础350

14.1.1 KCPSM3语法规定350

14.1.2 位操作350

14.1.3 多字节操作351

14.1.4 常用控制语句结构的汇编语言描述352

14.2 子程序开发355

14.3 PicoBlaze汇编程序开发356

14.3.1 开发流程356

14.3.2 程序举例357

14.3.3 说明文档与注释363

14.4 PicoBlaze软件开发流程365

14.4.1 使用KCPSM3编译365

14.4.2 使用PBlazeIDE仿真366

14.4.3 使用JTAG接口下载代码369

14.4.4 代码综合369

本章小结371

思考与练习371

第十五章 PicoBlaze接口开发372

15.1 输出端口372

15.1.1 输出指令和时序372

15.1.2 输出接口373

15.2 输入端口375

15.2.1 输入指令和时序375

15.2.2 输入接口375

15.3 求平方和电路接口开发377

15.3.1 输出接口377

15.3.2 输入接口379

15.3.3 汇编程序设计380

15.3.4 HDL程序开发389

本章小结392

思考与练习392

第十六章 PicoBlaze中断393

16.1 PicoBlaze中断处理机制393

16.1.1 软件中断处理过程393

16.1.2 中断时序描述394

16.2 外部中断接口395

16.2.1 单个中断请求395

16.2.2 多个中断请求395

16.3 软件开发396

16.3.1 中断处理主程序396

16.3.2 中断服务程序397

16.4 设计举例397

16.4.1 中断接口397

16.4.2 中断服务子程序开发397

16.4.3 汇编程序开发398

16.4.4 HDL代码开发405

本章小结409

思考与练习409

参考文献410