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内容简介

本书以目前流行的Xilinx7系列FPGA的开发为主线，全面讲解FPGA的原理及电路设计、VerilogHDL语言及Vivado的应用，并循序渐进地从组合逻辑和时序逻辑的开发开始，深入到FPGA的基础应用、综合应用和进阶应用。本书具有理论和实践紧密结合的特点，在内容的设计上既重视学生对基础理论知识的认知过程，又通过由易到难的19个实践逐步提高理论知识及培养开发能力，为学生提高FPGA设计开发能力及提高知识应用素质提供平台与指导。通过本书的学习和实践，学生能够达到初级FPGA开发工程技术人员的水平。

目录

前　言
第1 章　FPGA基础及电路设计 1
　１. １　ＦＰＧＡ 基础及７ 系列ＦＰＧＡ 基本原理 １
　　１. １. １　ＦＰＧＡ 概述 １
　　１. １. ２　ＦＰＧＡ 基本逻辑结构 ２
　　１. １. ３　７ 系列ＦＰＧＡ ＣＬＢ ４
　　１. １. ４　７ 系列ＦＰＧＡ 的ＩＯＢ ８
　　１. １. ５　７ 系列ＦＰＧＡ 及７ａ３５ｔｆｔｇ２５６￣１ 特性 ９
　１. ２　ＦＰＧＡ 电路设计 １１
　　１. ２. １　ＦＰＧＡ 的ＢＡＮＫ 电路 １１
　　１. ２. ２　ＬＥＤ 驱动电路 １３
　　１. ２. ３　拨码开关电路 １３
　　１. ２. ４　按键电路 １４
　　１. ２. ５　七段数码管驱动电路 １５
　　１. ２. ６　ＶＧＡ 显示驱动电路 １７
　　１. ２. ７　ＲＳ￣２３２ 驱动电路 １９
　　１. ２. ８　配置电路 ２０
　　１. ２. ９　ＸＡＤＣ 接口和扩展接口 ２２
　习题 ２４
第2 章　Verilog HDL 语言与Vivado 25
　２. １　Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 基本结构 ２５
　　２. １. １　一个简单的组合逻辑实例 ２５
　　２. １. ２　一个简单的时序逻辑实例 ２７
　　２. １. ３　Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 结构要求 ２８
　２. ２　数据类型及变量、常量 ２９
　　２. ２. １　逻辑值和常量 ３０
　　２. ２. ２　线网型变量ｗｉｒｅ ３０
　　２. ２. ３　寄存器类型ｒｅｇ ３１
　　２. ２. ４　符号常量 ３２

　　２. ２. ５　存储器型变量 ３２
　２. ３　运算符 ３３
　　２. ３. １　算术运算符 ３３
　　２. ３. ２　逻辑运算符 ３３
　　２. ３. ３　按位运算符 ３４
　　２. ３. ４　关系运算符 ３４
　　２. ３. ５　等式运算符 ３５
　　２. ３. ６　缩减运算符 ３５
　　２. ３. ７　移位运算符 ３５
　　２. ３. ８　条件运算符和拼接运算符 ３６
　　２. ３. ９　运算符的优先级 ３７
　２. ４　语句 ３７
　　２. ４. １　赋值语句、结构说明语句、阻塞与非阻塞 ３８
　　２. ４. ２　条件语句 ４１
　　２. ４. ３　循环语句 ４３
　２. ５　Ｖｉｖａｄｏ 初步 ４６
　　２. ５. １　Ｖｉｖａｄｏ 获取和安装 ４７
　　２. ５. ２　Ｖｉｖａｄｏ 主界面 ４７
　习题 ５０
第3 章　组合逻辑电路与Vivado 进阶 51
　３. １　我的第一个工程———多数表决器 ５１
　　３. １. １　多数表决器的分析和逻辑实现 ５１
　　３. １. ２　多数表决器的工程创建 ５２
　　３. １. ３　多数表决器的Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 源文件创建 ５６
　　３. １. ４　多数表决器的Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 代码实现及ＲＴＬ 分析 ５８
　　３. １. ５　综合 ５９
　　３. １. ６　约束 ６０
　　３. １. ７　实现 ６２
　　３. １. ８　仿真 ６３
　　３. １. ９　编程和调试 ６５
　３. ２　３￣８ 译码器设计和ＩＰ 核 ７０
　　３. ２. １　译码器的实现 ７０
　　３. ２. ２　译码器ＩＰ 核生成 ７５
　３. ３　调用ＩＰ 核实现多数表决器 ７８
　　３. ３. １　使用７４ｘ１３８ 实现多数表决器的设计 ７８
　　３. ３. ２　构建新工程并调用ＩＰ 核 ７８
　习题 ８３
目　　录Ⅶ　
第4 章　时序逻辑电路FPGA实现 84
　４. １　时钟同步状态机的设计 ８４
　　４. １. １　时钟同步状态机及其设计流程 ８４
　　４. １. ２　时钟同步状态机设计方法构建序列发生器 ８６
　　４. １. ３　状态图直接描述法实现序列发生器 ９０
　４. ２　同步计数器７４ｘ１６３ 的实现 ９４
　４. ３　移位寄存器的实现和应用 ９７
　　４. ３. １　７４ｘ１９４ 的实现 ９７
　　４. ３. ２　使用７４ｘ１９４ＩＰ 核实现１１００１ 序列发生器 １００
　习题 １０４
第5 章　FPGA基本实践 105
　５. １　流水灯实践 １０５
　　５. １. １　流水灯的关键设计 １０５
　　５. １. ２　流水灯工程的Ｖｉｖａｄｏ 实现 １０６
　５. ２　数码管动态显示实践 １１１
　　５. ２. １　数码管动态显示原理分析 １１１
　　５. ２. ２　数码管动态显示设计 １１２
　　５. ２. ３　数码管动态显示工程的Ｖｉｖａｄｏ 实现 １１３
　　５. ２. ４　数码管动态显示ＩＰ 核设计与实现 １１７
　　５. ２. ５　调用ＩＰ 核实现动态显示 １２０
　５. ３　ＶＧＡ 显示的实现 １２３
　　５. ３. １　ＶＧＡ 显示基本原理 １２３
　　５. ３. ２　ＶＧＡ 显示设计与实现 １２５
　习题 １３２
第6 章　FPGA综合实践 133
　６. １　电子秒表的设计与实现 １３３
　　６. １. １　按键消抖 １３３
　　６. １. ２　秒表综合设计 １３６
　６. ２　ＵＡＲＴ 串行接口设计及通信实现 １４２
　　６. ２. １　异步串行接口原理分析 １４２
　　６. ２. ２　波特率及其他时钟信号发生模块设计 １４３
　　６. ２. ３　串行发送程序设计 １４５
　　６. ２. ４　串行接收程序设计 １４８
　　６. ２. ５　串行通信顶层程序设计 １５２
　　６. ２. ６　串行通信功能测试 １５３
　习题 １５５
Ⅷ　Ｘｉｌｉｎｘ ＦＰＧＡ 原理与实践———基于Ｖｉｖａｄｏ 和Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ
第7 章　FPGA 进阶——XADC、BRAM原理及电压表、示波器设计 156
　７. １　ＸＡＤＣ 基本结构及寄存器 １５６
　　７. １. １　ＸＡＤＣ 逻辑结构 １５６
　　７. １. ２　ＸＡＤＣ 对外连接说明 １５６
　　７. １. ３　ＸＡＤＣ 端口 １５９
　　７. １. ４　ＸＡＤＣ 状态寄存器和控制寄存器 １６０
　　７. １. ５　操作模式 １６６
　　７. １. ６　ＸＡＤＣ 操作时序 １６７
　７. ２　应用ＸＡＤＣ 实现多路电压采集及显示 １６８
　　７. ２. １　生成ＸＡＤＣ ＩＰ 核实例 １６８
　　７. ２. ２　使用ＸＡＤＣ ＩＰ 核实现ＸＡＤＣ 序列模式访问模块 １７１
　　７. ２. ３　Ａ/ Ｄ 序列采集和显示实现 １７５
　　７. ２. ４　序列采集及显示测试 １７９
　７. ３　应用ＸＡＤＣ 及ＢＲＡＭ 实现多通道示波器 １８１
　　７. ３. １　块存储器ＢＲＡＭ 原理 １８１
　　７. ３. ２　块内存生成ＩＰ 的使用和仿真验证 １８６
　　７. ３. ３　多通道示波器的设计思路 １９２
　　７. ３. ４　显示内存设计及其访问模块构建及仿真 １９３
　　７. ３. ５　波形发生器模块设计及仿真 １９６
　　７. ３. ６　ＶＧＡ 显示驱动模块设计及仿真 ２０２
　　７. ３. ７　加入逻辑分析仪模块及顶层模块实现 ２０６
　　７. ３. ８　功能测试 ２０９
　习题 ２０９
附录 211
　附录Ａ　ｘｃ７ａ３５ｔｆｔｇ２５６￣１ 引脚说明 ２１１
　附录Ｂ　口袋实验板资源 ２１８
　附录Ｃ　实验或课程设计教学安排 ２２９
　附录Ｄ　分章节代码汇总 ２３０
　附录Ｅ　Ａ 型实验板参考约束文件 ２３２
参考文献 236

前言/序言

在电子信息领域. 现场可编程门阵列(ＦＰＧＡ) 广泛地应用在工业、军事、医疗、商业、能源等各个行业. 普通高校中通信、电子信息、自动化等专业大多都需要开设与ＦＰＧＡ 相关的课程.一般情况下. 学习ＦＰＧＡ 的最直接支撑课程是数字电路. 掌握ＦＰＧＡ 的开发将拓宽学生的知识面. 学生会将学到的内容转化为工程实际应用. 对于学生的进一步深造及有竞争力的就业都有极大的帮助.我从多年数字电路课程的教学及ＦＰＧＡ 选修课的教学中. 以及多年的工程实践中提炼了一些经验和教训. 以写书作为一个小小的总结. 希望学生通过学习本书能够达到ＦＰＧＡ 开发工程技术人员的初步水平.本书选用的是Ｘｉｌｉｎｘ Ａｒｔｉｘ￣７ 系列的ＦＰＧＡ. 因为它的技术相对新且具备较高的性价比. 另外. 这种ＦＰＧＡ 还有可供开发者直接使用的ＩＰ 核资源. 开发工具就是Ｘｉｌｉｎｘ 最新的Ｖｉｖａｄｏ 开发套件. 编程语言选择Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ. 为了便于学生的学习. 书中有关ＦＰＧＡ 电路板配置的电路图保留了厂家的画法.本书的第一条线索是工程. 我在自己设计的硬件平台上编写和实现了１９ 个由易到难、循序渐进的工程实例. 而这些工程实例很多是近年来教学的总结. 这些实例分散在第３ 章~ 第７ 章.例如最简单的工程是多数表决器. 就是第３ 章组合逻辑设计实践的第一个工程. 非常有利于读者入门. 通过这个工程实例. 学生可掌握开发的各个步骤. 巩固ＨＤＬ 语言. 是“ 我的第一个工程”. 最后一个工程是实现简单的示波器. 需要一些运算和处理. 调用前面工程实现的模块和ＩＰ. 最后为了调试加入的Ｖｉｖａｄｏ 内置逻辑分析仪可解决调试方面的问题. 所有的工程在附录中都有相应表格. 方便读者查找.第二条线索是工程Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 的学习. 在第２ 章是关于Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 的基础内容. 建议学生快速学习. 然后通过后续章节的实践来真正掌握它. 并不需要死记硬背.第三条线索就是Ｖｉｖａｄｏ 的开发. 包括Ｖｉｖａｄｏ 安装、工程和文件的组织、综合实现及下载、引脚约束、仿真、电路查看、ＩＰ 核的使用和设计、Ｖｉｖａｄｏ 下ＸＡＤＣ 及ＢＲＡＭ 的开发、内置逻辑分析仪的使用等. 如果把Ｖｉｖａｄｏ 的开发作为１ 章. 一个菜单一个菜单地描述. 将是效率最低的方法. 因此在第２ 章的后部分进行简单的描述. 然后在后续章节的实践中一点一点地应用. 自然就掌握了Ｖｉｖａｄｏ.第四条线索是数字电路的应用. 因此第３ 章是组合逻辑设计. 第４ 章是时序逻辑设计. 我认为数字电路是学习ＦＰＧＡ 的基础. 而通过ＦＰＧＡ 实践能够真正掌握数字电路的内容.本书的章节设计是:第１ 章是ＦＰＧＡ 基础及电路设计. 后续的开发需要知道引脚的分配. 所以将电路设计放在最前面. 这一章不需要详细讲. 建议不超过６ 个学时.Ⅳ　Ｘｉｌｉｎｘ ＦＰＧＡ 原理与实践———基于Ｖｉｖａｄｏ 和Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ第２ 章是Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 语言与Ｖｉｖａｄｏ. 本章所讲的Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 足够用了. 都是精华. 但需要更少的学时. 因为笔者知道学时非常紧张. 建议６ ~８ 个学时.第３ 章是组合逻辑电路设计与Ｖｉｖａｄｏ 进阶. 包含了“ 我的第一个工程”. 反复地设计多数表决器. 第二个工程就使用了ＩＰ 核. 第三个工程就用第二个工程的ＩＰ 核来实现. 内容虽然少.但是可以用６ ~８ 个学时. 让学生真正掌握. 原因是这个时候学生的Ｖｅｒｉｌｏｇ ＨＤＬ 编程能力还不够强. 这章后面给出的习题. 都可以作为课程设计的内容.第４ 章是时序逻辑电路ＦＰＧＡ 实现. 通过本章的学习. 学生如果认真实践. 能够较深入地掌握数字电路. 对ＦＰＧＡ 的开发也能够更加熟练. 建议用８ ~１０ 个学时.第５ 章是ＦＰＧＡ 基本实践. 实现流水灯、数码管动态显示及ＶＧＡ 显示工程. 将进一步提高学生的开发和应用能力. 教师可以主要讲其中的２ ~３ 个工程实践. 其他的留给学生自学和自己实践. 然后通过答疑和讨论课来解决问题. 培养学生的自主学习能力和自主实践能力. 建议８ ~１２ 个学时.第６ 章是ＦＰＧＡ 综合实践. 包括了两个设计与实现: 电子秒表的设计与实现、串行异步通信的设计与实现. 电子秒表是一个比较好的综合性实践. 建议只对于学习了微机原理的学生讲串行异步通信的设计与实现部分. 建议用４ ~８ 个学时.第７ 章ＦＰＧＡ 进阶原理部分的教学是７ 系列ＦＰＧＡ 芯片的ＸＡＤＣ 及ＢＲＡＭ. 在这个基础上进一步掌握使用Ｖｅｒｉｌｏｇ 语言和ＩＰ 核等技术进行模拟量采集及存储器访问的项目开发的流程. 并实现一个多通道电压表实例及一个示波器实例. 建议至少应讲解电压表的实现. 示波器的实例可以给学生们做自学或挑战式学习. 建议６￣８ 个学时.附录Ａ 是引脚说明文件. 是我设计的实验板的基础文件. 对看懂电路原理有帮助.附录Ｂ 是实验板资源. 包括了所有引脚的说明. 做约束文件时必须参考.附录Ｃ 是一种实验或课程设计教学安排. 供教师布置实验题或课程设计题时参考.附录Ｄ 是所有工程例程的分章节汇总.附录Ｅ 是一个大而全的约束文件. 为读者实现约束文件节约时间.本书的教学视频和相关资源. 将放在中国大学( ｉｃｏｕｒｓｅ１６３.. ｏｒｇ) 慕课上. 课程名称为“数字设计ＦＰＧＡ 应用”. 本书的代码和课件、教案、实验指导书等相关资源可以在机械工业出版社教育服务网( ｗｗｗ.. ｃｍｐｅｄｕ.. ｃｏｍ) 上获取. 也可以在爱板网( ｗｗｗ.. ｅｅｂｏａｒｄ.. ｃｏｍ / ｂｐ)获取和交流. 配套实验板的更多信息可以在附录Ｂ 获取.电子科技大学的姜书艳、陈瑜、井实老师对书籍的编写及例程的设计给予了支持和协助. 本书的实验电路板主要由本人及连利波硕士设计. 赵鹏、谢雄及张桓源也参与了部分工作.感谢机械工业出版社吉玲编辑的大力支持. 并和我对书籍的写作进行了大量的交流. 提出了非常好的建议. 另外. 还要感谢选择本书的同行及给予我很多建议、支持和帮助的朋友.卢有亮于电子科技大学
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