【正版新书】 基于VerilogHDL的FPGA技术及应用(微课版） 李翠锦，武丽莉，李金琼，谭祥，赵军，杨雄 清华大学出版社

FPGA(现场可编程门阵列)是一种大规模可编程逻辑器件，在当前的电子设计领域被广泛应用。虽然FPGA芯片的成本较高，但是它给电子系统所带来的不可限量的速度和带宽，其在灵活性、小型性方面的优势，越来越被追求高性能、偏重定制化需求的开发者所青睐。因此，在高校开设此门课程，可以适应电子设计专业的发展需要，对培养专业人才、强化学生实践能力意义重大。
本教材依托重庆市教研教改项目(项目编号：193297)、重庆市高等教育学会高等教育科学研究课题项目(项目编号：CQGJ19026A)和重庆工程学院校内教改重点项目(项目编号：JY2017201)，按照OBE-CDIO工程教育创新模式，结合“卓越工程师教育培养计划”的实施原则，突出基本理论与实际应用相结合，通过合理安排教材内容，在保证基础理论知识的前提下，兼顾传统设计方法与软硬件化设计方法、单元电路与系统设计的关系。本书中的实验依托北京百科荣创EDA/SOPC综合实验开发系统，以Altera公司CycloneIV E系列的FPGA为核心芯片。
全书共8章。第1章FPGA入门简介，讲述可编程器件的一些基本概念、主要应用领域、相比传统技术的优势及开发流程。第2章FPGA设计开发工具，介绍Modelsim仿真软件和Quartus?II综合软件的安装流程及使用方法。第3章Verilog HDL的基础知识，介绍使用最广泛的Verilog语言的基本语法及使用方法。第4章设计验证——Testbench，讲述如何验证所设计电路的正确性。第5章可综合模型设计，介绍优良的代码书写规范和风格。第6章有限状态机的设计，使用两个实例着重介绍时序设计的应用。第7章基于Verilog HDL的FPGA系统设计实例，通过6个项目来展示FPGA的设计流程及在线调试方法。第8章基于SOPC的FPGA系统设计实例，通过4个项目讲述SOPC使用方法及设计流程。
本书由重庆工程学院李翠锦组织编写，何世彪统稿和审校，李翠锦、武丽莉、李金琼主编，谭祥、赵军、杨雄参于编写。另外，在本书的编写过程中，得到了何世彪教授的大力支持，他为本书提出了许多宝贵意见，在此表示感谢。
由于编者水平有限，书中难免存在缺点和疏漏，恳请各位专家和读者批评指正。

 编 者 

《基于VerilogHDL的FPGA技术及应用(微课版）》在内容上吸收了近些年来的**理论研究成果，系统地介绍了硬件描述语言Verilog HDL以及数字系统设计的相关知识。 《基于VerilogHDL的FPGA技术及应用(微课版）》共分为8章，内容包括FPGA入门简介、FPGA设计开发工具、Verilog HDL的基础知识、设计验证、可综合模型设计、有限状态机的设计、基于Verilog HDL的FPGA系统设计实例和基于SOPC的FPGA系统设计实例。 《基于VerilogHDL的FPGA技术及应用(微课版）》以应用为主，突出实践性，结构严谨，使学生在掌握专业理论知识的同时，提高FPGA设计分析与操作的实际技能。 《基于VerilogHDL的FPGA技术及应用(微课版）》可以作为高等院校电子信息类专业的高年级本科生教程，也可以作为电子设计从业者的参考书。

李翠锦，重庆工程学院教师，现任电子信息学院电子工程系嵌入式教研组长，参与工程教育认证试点专业人才培养方案制定及嵌入式方向课程建设工作，曾负责“FPGA技术“实验室建设工作。近3年来，主持国家级产学研合作项目2项，主研及参与重庆市教改项目3项；主持重庆工程学院教改2项，科研项目1项；出版编著2本；主编教材3本；公开发表论文20余篇，其中SCI1篇，核心论文4篇；指导学生参加”TI杯“电子设计大赛，获一等奖1项，二等奖3项，重庆市”合泰杯“电子设计大赛，获一等奖1项，二等奖3项，三等奖3项，MCU最佳应用奖1项。　　

第1章 FPGA入门简介 1
1.1 FPGA发展历程 2
1.2 FPGA与ASIC、CPLD的区别 3
1.2.1 FPGA与ASIC 3
1.2.2 FPGA与CPLD 4
1.3 FPGA工作原理 5
1.3.1 FPGA的基本特点 5
1.3.2 FPGA的配置模式 6
1.4 FPGA设计流程与设计方法 6
1.4.1 关键步骤的实现 7
1.4.2 自顶向下和自底向上 9
1.4.3 基于IP核的设计 10
1.5 主要FPGA/CPLD厂家 10
1.6 FPGA的应用 11
1.7 EDA技术 13
1.8 本书的编排 15
思考题 15
第2章 FPGA设计开发工具 17
2.1 Modelsim软件使用方法 18
2.1.1 Modelsim软件安装 18
2.1.2 Modelsim仿真方法 19
2.1.3 Modelsim仿真步骤 19
2.1.4 Modelsim仿真波形 27
2.2 Quartus?II软件使用方法 30
2.2.1 Quartus?II设计流程 30
2.2.2 Quartus?II软件安装 30
2.2.3 USB-Blaster驱动安装 32
2.2.4 Quartus?II设计步骤 35
思考题 48
第3章 Verilog HDL的基础知识 49
3.1 硬件描述语言(HDL)综述 50
3.1.1 硬件描述语言的优越性 50
3.1.2 硬件描述语言的发展历史 51
3.1.3 HDL语言的主要特征 51
3.1.4 Verilog HDL与VHDL的
比较 52
3.1.5 Verilog HDL设计流程及
设计方法简介 52
3.1.6 硬件描述语言新的发展 53
3.2 程序基本结构 54
3.3 词法习俗 56
3.4 数据类型 59
3.4.1 常量 59
3.4.2 变量 59
3.5 运算符 62
3.5.1 算术运算符 62
3.5.2 关系运算符 63
3.5.3 等式运算符 64
3.5.4 逻辑运算符 64
3.5.5 位运算符 65
3.5.6 缩减运算符 66
3.5.7 移位运算符 66
3.5.8 条件运算符 67
3.5.9 位并接运算符 68
3.6 描述语句 68
3.6.1 赋值语句 68
3.6.2 条件语句 70
3.6.3 循环语句 75
3.6.4 逻辑门描述语句 77
3.7 任务和函数结构 78
3.8 时序控制 79
3.8.1 延迟控制 79
3.8.2 事件控制 80
3.8.3 等待语句 81
3.8.4 延迟定义块 82
思考题 82
第4章 设计验证——Testbench 85
4.1 验证综述 86
4.1.1 验证概念 86
4.1.2 验证方法 86
4.1.3 验证工具 90
4.1.4 验证流程 91
4.2 功能验证 93
4.2.1 Testbench基本结构 93
4.2.2 自动生成Testbench 96
4.2.3 Testbench编写方法 98
4.2.4 激励信号的产生 110
4.3 基于断言的验证 113
4.4 Modelsim验证实例 115
思考题 118
第5章 可综合模型设计 119
5.1 阻塞赋值和非阻塞赋值 120
5.2 触发器电路设计 124
5.2.1 时序电路概念 124
5.2.2 D触发器 124
5.3 计数器电路设计 127
5.3.1 基本同步计数器 127
5.3.2 具有复位端口的计数器 128
5.3.3 具有置数端口的计数器 130
5.4 存储器电路设计 131
5.4.1 存储器定义 131
5.4.2 ROM(只读存储器) 131
5.4.3 RAM(随机存储器) 132
5.4.4 FIFO存储器 133
5.5 层次化设计 134
5.5.1 元件例化 134
5.5.2 模块划分 137
5.6 可综合模型设计风格 140
5.6.1 组合电路设计应注意问题 140
5.6.2 时序电路设计的基本概念 142
5.6.3 时序电路设计应注意问题 146
5.6.4 亚稳态及其解决方法 149
5.7 系统规范 151
思考题 152
第6章 有限状态机的设计 155
6.1 有限状态机简介 156
6.2 两种状态机模型 158
6.2.1 Moore型红绿灯 158
6.2.2 Mealy型红绿灯 161
6.3 深入理解状态机 163
6.3.1 一段式状态机 163
6.3.2 两段式状态机 167
6.4 应用实例 169
6.4.1 独热码状态机 169
6.4.2 格雷码状态机 173
思考题 175
第7章 基于Verilog HDL的 FPGA
系统设计实例 177
7.1 计数译码型流水灯设计 178
7.2 交通灯控制电路设计 179
7.3 智力抢答器设计 183
7.4 点阵型显示设计 190
7.5 数字闹钟设计 194
7.6 乒乓球游戏电路设计 202
思考题 210
第8章 基于SOPC的FPGA系统设计
实例 211
8.1 SOPC系统概述 212
8.2 HELLO实验 214
8.3 流水灯实验 235
8.4 定时器实验 243
8.5 并行ADC与DAC实验 246
思考题 250

本书按照OBE-CDIO工程教育创新模式，结合“卓越工程师教育培养计划”的实施原则，突出基本理论与实际应用相结合。通过合理安排教材内容，在保证基本理论知识的前提下，兼顾传统设计方法与软硬件化设计方法、单元电路与系统设计的关系。本书中的实验依托北京百科荣创EDA/SOPC综合实验开发系统，并以Altera公司CycloneIV E系列的FPGA为核心芯片。