零基础学FPGA设计——理解硬件编程思想

图书标准信息

• 作者 杜勇
• 出版社 电子工业出版社
• 出版时间 2023-04
• 版次 1
• ISBN 9787121452154
• 定价 88.00元
• 装帧 其他
• 开本 16开
• 页数 304页
• 字数 486千字

【内容简介】

本书是针对FPGA初学者编著的入门级图书，以高云公司的FPGA和Verilog HDL为开发平台，详细阐述FPGA设计所需的基础知识、基本语法、设计流程、设计技巧，全面、细致、深刻地剖析了Verilog HDL与C语言等传统顺序语言的本质区别，使读者通过简单的实例逐步理解FPGA的硬件设计思想，实现快速掌握FPGA设计方法的目的。本书思路清晰、语言流畅、分析透彻，在简明阐述设计方法的基础上，重点辨析读者易于与常规顺序语言混淆的概念，力求使读者在较短的时间内理解硬件编程思想，掌握FPGA设计方法。

【作者简介】

杜勇，四川省广安市人，高级工程师。1999年于湖南大学获电子工程专业学士学位，2005年于国防科技大学获信息与通信工程专业硕士学位。主要从事数字信号处理、无线通信以及FPGA应用技术研究。发表学术论文十余篇，出版《数字滤波器的MATLAB与FPGA实现（第2版）》、《数字通信同步技术的MATLAB与FPGA实现》、《数字调制解调技术的MATLAB与FPGA实现》等多部著作。

【目录】

目录

第一篇  基础篇

第1章  必备的数字逻辑电路知识3

1.1   数字逻辑和逻辑电平3

1.1.1  模拟器件构成的数字电路3

1.1.2  TTL反相器电路4

1.1.3  现实中的数字信号波形5

1.1.4  了解常用的逻辑电平6

1.2   布尔代数7

1.2.1  布尔和几个基本运算规则7

1.2.2  常用的布尔代数法则8

1.3   组合逻辑电路基础9

1.3.1  组合逻辑电路的表示方法9

1.3.2  为什么会产生竞争冒险10

1.4   时序逻辑电路基础11

1.4.1  时序逻辑电路的结构11

1.4.2  D触发器的工作波形12

1.4.3  计数器与寄存器电路13

1.5   小结16

第2章  可编程逻辑器件基础17

2.1   可编程逻辑器件的历史17

2.1.1  PROM是可编程逻辑器件17

2.1.2  从PROM到GAL19

2.1.3  从SPLD到CPLD21

2.1.4  FPGA的时代22

2.2   FPGA的发展趋势24

2.3   FPGA的结构26

2.4   FPGA与其他处理平台的比较28

2.4.1  ASIC、DSP、ARM的特点29

2.4.2  FPGA的特点及优势30

2.4.3  FPGA与CPLD的区别31

2.5   工程中如何选择FPGA器件31

2.6   小结32

第3章  准备好开发环境33

3.1   安装FPGA开发环境33

3.1.1  安装高云云源软件33

3.1.2  安装ModelSim软件35

3.2   开发平台CGD100简介38

3.3   Verilog HDL基本语法39

3.3.1  Verilog HDL的程序结构39

3.3.2  数据类型及基本运算符42

3.3.3  运算符优先级及关键词44

3.3.4  赋值语句与块语句44

3.3.5  条件语句和分支语句47

3.4   小结48

第二篇  初识篇

第4章  FPGA设计流程—LED流水灯电路51

4.1   FPGA设计流程51

4.2   流水灯设计实例要求54

4.3   读懂电路原理图55

4.4   流水灯的设计输入57

4.4.1  建立FPGA工程57

4.4.2  Verilog HDL程序输入59

4.5   程序文件下载62

4.6   小结64

第5章  从组合逻辑电路学起65

5.1   从最简单的与非门电路开始65

5.1.1  调用门级结构描述与非门65

5.1.2  二合一的命名原则66

5.1.3  用门级电路搭建一个投票电路67

5.2   设计复杂一点的投票电路68

5.2.1  门电路设计方法的短板68

5.2.2  利用assign语句完成门电路功能69

5.2.3  常用的if…else语句71

5.2.4  reg与wire的用法区别73

5.2.5  记住“＜=”与“=”赋值的规则74

5.2.6  非常重要的概念—信号位宽75

5.2.7  行为级建模的5人投票电路75

5.3   ModelSim仿真电路功能76

5.3.1  4线-2线编码器设计77

5.3.2  建立ModelSim工程78

5.3.3  设计测试激励文件79

5.3.4  查看ModelSim仿真波形82

5.4   典型组合逻辑电路Verilog HDL设计84

5.4.1  8421BCD编码器电路85

5.4.2  8线-3线优先编码器电路86

5.4.3  74LS138译码器电路88

5.4.4  与if…else语句齐名的case语句90

5.4.5  数据分配器与数据选择器电路91

5.5   数码管静态显示电路设计93

5.5.1  数码管的基本工作原理93

5.5.2  实例需求及电路原理分析94

5.5.3  数码管显示电路Verilog HDL设计95

5.5.4  板载测试97

5.6   小结98

第6章  时序逻辑电路的灵魂—D触发器101

6.1   深入理解D触发器101

6.1.1  D触发器产生一个时钟周期的延时101

6.1.2  D触发器能工作的最高时钟频率分析102

6.2   D触发器的描述方法104

6.2.1  单个D触发器的Verilog HDL设计104

6.2.2  异步复位的D触发器106

6.2.3  同步复位的D触发器108

6.2.4  时钟使能的D触发器109

6.2.5  D触发器的ModelSim仿真111

6.2.6  其他形式的D触发器112

6.3   初试牛刀—边沿检测电路设计113

6.3.1  边沿检测电路的功能描述113

6.3.2  边沿检测电路的Verilog HDL设计114

6.3.3  改进的边沿检测电路115

6.4   连续序列检测电路—边沿检测电路的升级116

6.4.1  连续序列检测电路设计116

6.4.2  分析Verilog HDL并行语句118

6.4.3  再论“＜=”与“=”赋值119

6.4.4  序列检测电路的ModelSim仿真121

6.5   任意序列检测器—感受D触发器的强大124

6.5.1  完成饮料质量检测电路功能设计124

6.5.2  优化检测电路的设计代码128

6.6   小结129

第7章  时序逻辑电路的精华—计数器131

7.1   简单的十六进制计数器131

7.1.1  计数器设计131

7.1.2  计数器就是加法器和触发器133

7.2   十进制计数器134

7.2.1  具有复位及时钟使能功能的计数器134

7.2.2  讨论计数器的进制135

7.2.3  计数器代码的花式写法136

7.3   计数器是流水灯的核心137

7.3.1  设计一个秒信号137

7.3.2  流水灯电路的设计方案139

7.3.3  闪烁频率可控制的流水灯140

7.3.4  采用移位运算设计流水灯电路142

7.4   Verilog的本质是并行语言142

7.4.1  典型的Verilog错误用法—同一信号重复赋值142

7.4.2  并行语言与顺序语言144

7.4.3  采用并行思维分析信号重复赋值问题145

7.5   呼吸灯电路设计146

7.5.1  呼吸灯的工作原理146

7.5.2  设计思路分析147

7.5.3  亮度实现模块Verilog HDL设计147

7.5.4  亮度控制模块Verilog HDL设计148

7.5.5  顶层模块Verilog HDL设计150

7.6   小结151

第三篇  入门篇

第8章  设计简洁美观的秒表电路155

8.1   设定一个目标—4位秒表电路155

8.1.1  明确功能需求155

8.1.2  形成设计方案156

8.2   顶层文件的Verilog HDL设计157

8.3   设计一个完善的数码管显示模块158

8.4   秒表计数模块的Verilog HDL设计160

8.4.1  秒表计数电路设计160

8.4.2  秒表计数电路的ModelSim仿真162

8.4.3  简洁美观的秒表计数器设计163

8.4.4  实现秒表的启停功能166

8.5   按键消抖模块的Verilog HDL设计166

8.5.1  按键消抖产生的原理166

8.5.2  按键消抖模块Verilog HDL设计167

8.5.3  将按键消抖模块集成到秒表电路中169

8.6   小结169

第9章  数字密码锁电路设计171

9.1   数字密码锁的功能描述171

9.2   规划好数字密码锁的功能模块172

9.2.1  数字密码锁总体结构框图172

9.2.2  数字密码锁的顶层模块设计172

9.3   数字密码锁功能子模块设计174

9.3.1  按键消抖模块Verilog HDL设计174

9.3.2  计数模块Verilog HDL设计175

9.3.3  密码设置模块才是核心模块176

9.4   小结178

第10章  简易电子琴电路设计179

10.1   音符产生原理179

10.2   琴键功能电路设计180

10.2.1  顶层模块设计180

10.2.2  琴键模块设计182

10.2.3  音符产生模块设计183

10.3   自动演奏乐曲《梁祝》185

10.3.1  自动演奏乐曲的原理185

10.3.2  自动演奏乐曲《梁祝》片段186

10.4   完整的电子琴电路设计189

10.5   小结190

第11章  应用广泛的串口通信电路191

11.1   RS-232串口通信的概念191

11.2   串口硬件电路原理分析192

11.3   串口通信电路Verilog HDL设计193

11.3.1 顶层文件的Verilog HDL设计193

11.3.2  时钟模块的Verilog HDL设计195

11.3.3  接收模块的Verilog HDL设计196

11.3.4  发送模块的Verilog HDL设计198

11.3.5  FPGA实现及板载测试199

11.4   采用串口控制秒表电路201

11.4.1  设计需求分析201

11.4.2  顶层文件的Verilog HDL设计202

11.4.3  秒表时间获取模块Verilog HDL设计204

11.4.4  完善秒表电路顶层模块Verilog HDL代码205

11.4.5  完善秒表计数模块Verilog HDL代码207

11.4.6  FPGA实现及板载测试210

11.5   小结210

第12章  对状态机的讨论211

12.1   有限状态机的概念211

12.2   状态机的Verilog设计方法212

12.2.1  一段式状态机Verilog代码212

12.2.2  二段式状态机Verilog代码213

12.2.3  三段式状态机Verilog HDL代码215

12.3   计数器电路的状态机描述方法216

12.4   序列检测器的状态机描述方法218

12.5   小结221

第四篇  提高篇

第13章  基本的时序约束方法225

13.1   电路的速度极限225

13.2   时序约束方法227

13.2.1  查看计数器的逻辑电路结构227

13.2.2  计数器电路添加时钟周期约束229

13.3   速度与面积的取舍231

13.3.1  多路加法器电路的结构分析231

13.3.2  流水线操作的本质—讨论多路加法器的运行速度233

13.3.3  用一个加法器完成4路加法235

13.3.4  串行加法器时序分析238

13.4   小结238

第14章  采用IP核设计241

14.1   FPGA设计中的“拿来主义”—使用IP核241

14.1.1  IP核的一般概念241

14.1.2  FPGA设计中的IP核类型242

14.2   时钟IP核244

14.2.1  全局时钟资源244

14.2.2  采用时钟IP核生成多路时钟信号244

14.3   乘法器IP核248

14.3.1  乘法器IP核参数的设置248

14.3.2  乘法器IP核的功能仿真250

14.4   存储器IP核251

14.4.1  ROM核251

14.4.2  RAM核255

14.5   小结260

第15章  采用在线逻辑分析仪调试程序261

15.1   在线逻辑分析仪的优势261

15.2   GAO的使用流程262

15.3   采用GAO调试串口通信程序263

15.3.1  调试目的263

15.3.2  添加GAO到项目中263

15.3.3  设置触发信号及触发条件264

15.3.4  设置捕获信号参数265

15.3.5  观察串口收发信号波