现代数字系统设计——基于Intel FPGA可编程逻辑器件与VHDL【正版新书】

随着集成电路技术和计算机技术的飞速发展，现在电子系统的设计和应用进入了全新的时代。传统的手工设计过程正在被先进的电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）技术取代。目前EDA技术已经成为支撑现代电子设计的通用平台，并且向支持系统级设计发展。只有以硬件描述语言（Hardware Description Languages，HDL）和逻辑综合为基础的自顶向下的设计方法才能满足日趋复杂的数字系统设计需求。掌握这些现代化设计思想和EDA工具，已经成为从事信息技术和电子系统设计领域的工程师的一项基本专业技能。

几乎所有厂家的EDA工具都支持HDL输入方式，因此掌握EDA技术就必须要学会HDL。目前比较流行的HDL有VHDL和Verilog HDL两种。VHDL是美国电气和电子工程师协会制定的标准硬件描述语言（IEEE标准1076），是世界上*个标准化的HDL，它可以用于数字电路与系统的描述、仿真和自动设计，当前使用较为广泛。

本书力求将理论与实践相结合，更加注重实用性。书中针对电子信息类学生的特点，沿着入门—基础—理论—实践的主线组织内容，所列实例重点突出信号处理和数字通信方向，大量实例都围绕基本数字电路的VHDL描述、数据采集与处理、基本算法和数字信号处理与数字通信技术展开，有作者独到的见解。在第6章，为了便于本类课程实验的开展，本着引导学生由易到难深入学习的原则，编写了部分实验指导。
本书共分7章。第1章主要从宏观角度介绍数字系统设计和EDA技术； 第2章主要介绍PLD器件的发展演变、分类、结构以及CPLD/FPGA的结构，重点介绍了当前主流Intel CPLD/FPGA厂家的系列器件的结构及使用； 第3章结合实例主要介绍了Quartus Prime工具软件的使用方法，包括输入、综合、仿真和下载等环节内容； 第4章重点介绍VHDL语言要素、基本语法、状态机、TestBench设计等内容； 第5章介绍常用数字电路模块的VHDL描述方法，常用算法VHDL实现，通过正弦波信号发生器的设计、基于SD卡图像数据读写缓存及显示等综合实例说明了如何用VHDL设计常用数字电路与系统； 第6章介绍基于DE2115平台设计的12个实验内容，并给出VHDL源文件以及测试文件便于初学者参考； 第7章介绍DE2115平台的结构特点以及应用方法。

本书由沈阳航空航天大学孙延鹏教授统稿，雷斌审阅了全部书稿，并提出了许多宝贵意见。第1章由北京至芯开源科技有限责任公司的雷斌编写，沈阳航空航天大学的房启志老师参与第2、3、6、7章的部分内容的编写，其余章节由孙延鹏编写并*终定稿。在本书编写过程中，部分案例的设计与验证得到了北京至芯开源科技有限公司郝旭帅工程师的大力支持和帮助，在此表示感谢。
由于作者水平有限，加之时间仓促，书中难免有不当和错误之处，恳请读者批评指正。

作者2019年12月

本书以Quartus Prime软件为开发平台，结合VHDL与友晶科技教育平台DE2-115编写而成，对于基于VHDL和Quartus Prime开发的可编程逻辑器件进行详细介绍。本书针对电子信息类学生的特点，以入门—基础—理论—实践为主线组织内容，书中力求理论与实践相结合，更加注重实用性。书中大量实例都围绕基本数字电路的VHDL描述、数据采集与处理、基本算法和数字信号处理与数字通信技术展开，有作者独到的见解。

孙延鹏教授，辽宁省高校优秀青年骨干教师，电子信息工程国j级特色专业负责人，辽宁省遥感应用协会常务理事。主要研究方向为电磁兼容、航空电子信息系统、雷达信号处理和嵌入式系统应用。主编EDA类教材两部，其中辽宁省规划教材一部发表论文40余篇，其中被SCI、EI、ISTP收录30余篇。

本书是在作者多年教学经验和辽宁省首批“十二五”普通高等教育本科省级规划教材的基础上，根据FPGA新技术的发展，结合编者团队丰富的实际项目开发经验，按照FPGA设计流程，循序渐进、逻辑清晰，编写思路明确，既适合初学者，又适合有一定基础的读者。相信本书能够引导读者深入理解FPGA设计过程。

——金明录 大连理工大学教授、博士生导师

全国大学生电子设计竞赛专家组成员

作者结合二十余年教学经验，紧跟FPGA技术发展趋势，融入丰富的实际项目经验和教学经验，精心编写本书。本书既适合作为初学者了解FPGA设计流程及设计方法的教材，也适合作为全国大学生电子设计竞赛的参考用书。在作者的引导下，读者很快能够进入FPGA设计角色，轻松掌握FPGA设计流程和方法。

——张石 东北大学教授、博士生导师，辽宁省教学名师

全国大学生电子设计竞赛辽宁赛区专家组组长

全书内容由浅入深，叙述详尽，十分适合FPGA设计领域的初学者。本书所介绍的方法及示例都附有源代码，读者可以自行仿真实践，以使所学理论得到升华和应用。本书是一本难得的从“入门到精通”的图书。

——王淑娟 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院院长

全国大学生电子设计竞赛黑龙江赛区专家组组长

本书力求将理论与实践相结合，更加注重实用性。以“入门-基础-理论-实践”为主线组织内容，书中实例注重突出信号处理和数字通信方向，大量实例围绕基本数字电路的VHDL描述、数据采集与处理、基本算法、数字信号处理与数字通信技术展开，极具参考价值。

——杨春玲 哈尔滨工业大学教授，中国电子学会高级会员

东北地区高校EDA/SOPC技术研究会理事长

本书是孙延鹏老师教研团队多年FPGA教学经验和实际项目工作经验的总结，设计思路明确，设计流程非常详细，读者实践之后就能学会和掌握FPGA的设计方法和要点，是一本不可多得的优秀教材，也是专业技术人员的重要参考书。希望通过这本书，能让你真正地走进FPGA设计的世界。

——雷斌 北京至芯开源科技有限责任公司经理

第1章 EDA技术概述

1.1 ASIC综述

1.2 电子设计自动化技术

1.2.1 EDA技术的发展历程

1.2.2 EDA技术主要内容

1.2.3 可编程逻辑器件

1.2.4 软件开发工具

1.2.5 输入方式

1.2.6 相关厂商概述

1.3 数字系统的设计方法

1.3.1 TopDown设计方法

1.3.2 数字系统设计的一般步骤

1.3.3 IP核介绍

1.4 EDA技术的发展趋势

1.4.1 可编程器件的发展趋势

1.4.2 开发工具的发展趋势

1.4.3 输入方式的发展趋势

1.5 本章小结

第2章 CPLD/FPGA结构

2.1 可编程逻辑器件的基本结构及分类

2.1.1 基本结构

2.1.2 PLD器件的分类

2.2 低密度可编程逻辑器件

2.3 Intel公司的CPLD

2.3.1 MAX 3000A器件

2.3.2 MAXⅡ器件

2.4 Intel公司的FPGA

2.4.1 FPGA的优势

2.4.2 Intel公司的FPGA器件的结构特点

2.5 Intel公司CPLD/FPGA编程和配置

2.5.1 Intel公司的USBBlaster下载电缆

2.5.2 使用USBBlaster电缆时的三种配置模式

2.5.3 采用Intel公司的芯片进行配置

2.6 本章小结

第3章 Quartus Prime软件设计

3.1 使用Quartus Prime进行图形化设计

3.1.1 创建工作库

3.1.2 利用工程向导创建工程

3.1.3 图形设计输入

3.1.4 项目编译

3.1.5 时序仿真

3.2 使用Quartus Prime进行VHDL设计

3.2.1 VHDL文本输入

3.2.2 ModelSimAltera介绍

3.2.3 TestBench编写

3.2.4 调用ModelSimAltera RTL仿真

3.2.5 调用ModelSimAltera 门级仿真

3.2.6 引脚分配

3.2.7 分析与综合

3.2.8 布局与布线

3.2.9 器件编程

3.3 Quartus Prime的IP使用

3.4 SignalTapⅡ逻辑分析仪的应用

3.5 本章小结

第4章 VHDL基础

4.1 VHDL概述

4.1.1 VHDL起源

4.1.2 VHDL的特点

4.2 VHDL的基本结构

4.2.1 库

4.2.2 程序包

4.2.3 实体

4.2.4 结构体

4.2.5 配置

4.3 VHDL的数据及文字规则

4.3.1 VHDL文字规则

4.3.2 VHDL数据对象

4.3.3 VHDL数据类型

4.3.4 VHDL类型转换

4.4 VHDL操作符

4.4.1 操作符种类

4.4.2 操作符的优先级

4.4.3 逻辑操作符

4.4.4 关系操作符

4.4.5 算术操作符

4.5 VHDL顺序语句

4.5.1 赋值语句

4.5.2 流程控制语句

4.5.3 WAIT等待语句

4.5.4 子程序调用语句

4.5.5 返回语句

4.5.6 空操作语句

4.5.7 其他顺序语句

4.6 VHDL并行语句

4.6.1块语句

4.6.2 进程语句

4.6.3 并行过程调用语句

4.6.4 并行信号赋值语句

4.6.5 元件例化语句

4.6.6 生成语句

4.7 有限状态机的设计

4.7.1 一般有限状态机的设计

4.7.2 Moore型有限状态机的设计

4.7.3 Mealy型有限状态机的设计

4.8 VHDL TestBench

4.8.1 TestBench结构

4.8.2 常用激励信号的产生

4.9 本章小结

第5章 CPLD/FPGA应用实践

5.1 常用组合逻辑电路的描述

5.1.1 非门电路的设计

5.1.2 其他基本门电路的设计

5.2 基本时序逻辑电路的VHDL描述

5.2.1 D触发器的设计

5.2.2 T触发器的设计

5.2.3 JK触发器的设计

5.2.4 串行移位寄存器的设计

5.2.5 分频电路的设计

5.3 常用算法VHDL实现

5.3.1 流水线加法器的设计

5.3.2 8位乘法器的设计

5.3.3 4抽头直接FIR滤波器的设计

5.3.4 IIR数字滤波器的设计

5.4 TestBench中随机数的设计

5.5 二进制频移键控调制与解调的VHDL实现

5.5.1 FSK调制的VHDL实现

5.5.2 FSK信号解调的VHDL实现

5.6 基于DDS信号发生器的设计

5.6.1DDS设计及原理

5.6.2 FPGA内部的DDS模块的设计与实现

5.6.3 仿真结果及说明

5.7 SD卡驱动器设计

5.7.1 SD卡电路结构

5.7.2 SD卡命令

5.7.3 SD卡数据读取流程

5.7.4 SD卡数据读取代码说明

5.8 SDRAM控制器设计

5.8.1 SDRAM引脚、命令和模式寄存器介绍

5.8.2 SDRAM初始化

5.8.3 SDRAM读写操作

5.8.4 SDRAM自动刷新时序

5.8.5 SDRAM控制器

5.9 利用VGA接口显示SD卡图像数据

5.10 本章小结

第6章 DE115平台数字系统设计练习

6.13线/8线译码器实验

6.1.1 实验目的

6.1.2 实验说明

6.1.3 实验要求

6.1.4 总结报告要求

6.2 BCD/七段显示译码器实验

6.2.1 实验目的

6.2.2 实验说明

6.2.3 实验要求

6.2.4 总结报告要求

6.3 模拟74LS160计数器实验

6.3.1 实验目的

6.3.2 实验说明

6.3.3 实验要求

6.3.4 总结报告要求

6.4 多路彩灯控制器的设计

6.4.1 实验目的

6.4.2 实验说明

6.4.3 实验要求

6.4.4 总结报告要求

6.5 分频器的设计

6.5.1 实验目的

6.5.2 实验说明

6.5.3 实验要求

6.5.4 总结报告要求

6.6 数字频率计的设计

6.6.1实验目的

6.6.2 实验说明

6.6.3 实验要求

6.6.4 总结报告要求

6.7 数字钟的设计

6.7.1 实验目的

6.7.2 实验说明

6.7.3 实验要求

6.7.4 总结报告要求

6.8 正弦信号发生器

6.8.1 实验目的

6.8.2 实验说明

6.8.3 任意频率信号发生器的实现原理

6.8.4 实验要求

6.8.5 总结报告要求

6.9 数字电压表的设计

6.9.1 实验目的

6.9.2 实验原理

6.9.3 实验要求

6.9.4 总结报告要求

6.10 LCD1602控制器的设计

6.10.1 实验目的

6.10.2 实验原理

6.10.3 实验要求

6.10.4 总结报告要求

6.11 UART控制器的设计

6.11.1 实验目的

6.11.2 实验原理

6.11.3 实验要求

6.11.4 总结报告要求

6.12 VGA控制器的设计

6.12.1 实验目的

6.12.2 实验原理

6.12.3 实验要求

6.12.4 总结报告要求

6.13 本章小结

第7章 DE2115开发平台

7.1 DE2115平台介绍

7.2 DE2115主要应用电路介绍

7.2.1 FPGA芯片配置

7.2.2 按钮和拨动开关的使用

7.2.3 LED的使用

7.2.4 七段数码管的使用

7.2.5 时钟电路的使用

7.2.6 LCD模块的使用

7.2.7 VGA的使用

7.2.8 24bit音频编解码芯片的使用

7.2.9 RS232串口的使用

7.2.10 PS2的使用

7.2.11 千兆以太网的使用

7.2.12 TV解码器的使用

7.2.13 USB的使用

7.2.14 IR模块的使用

7.2.15 SRAM模块的使用

7.2.16 SDRAM的使用

7.2.17 Flash的使用

7.2.18 E2PROM的使用

7.2.19 SD卡的使用

7.2.20 GPIO的使用

7.3 本章小结

参考文献

适读人群 ：电子信息工程、通信工程、电子科学与技术等电子信息类专业学生和教师； 可编程逻辑器件开发的初学者和数字系统设计工程师

本书修订自辽宁省首批“十二五”普通高等教育本科省级规划教材；详细介绍基于VHDL和Quartus Prime开发的可编程逻辑器件；注重实践；配套精美课件、学习建议、教学大纲和代码文件。

（1）内容全面。详细介绍基于VHDL和Quartus Prime开发的可编程逻辑器件。

（2）注重实践。针对电子信息类学生的特点，以入门—基础—理论—实践为主线组织内容，力求理论与实践相结合。

（3）资源丰富。包括精美课件、学习建议、教学大纲和代码文件，提高学习效率。