Xilinx FPGA应用开发

前言本书编者长期从事硬件描述语言、数字系统设计以及FPGA应用开发等课程的教学工作，曾经主讲的相关课程有单片机系统设计、数字电路、嵌入式系统设计、EDA技术基础、HDL硬件描述语言、FPGA应用开发、数字系统设计等。FPGA应用开发是电子类专业以及相关专业的技术主干课，目前FPGA应用开发方面的教材讲得比较泛且不够深入，距离开发实用的应用系统还有差距。基于这一点，本书编者结合 开发板，在前期编写《 HDL数字设计实训教程》（西安电子科技大学出版社，2012年12月）的基础上，又编写了本书，前者介绍 FPGA及其应用，本书则介绍 FPGA及其应用，两者互为补充。本书中几乎所有项目的设计均基于一套开发环境：一个简单实用的硬件平台，使用的是 3E100 CP132；以及一个软件集成开发环境，使用的是ISE14。硬件平台上的接口仅有按键、LED灯、数码管、PS2、VGA等，在这些仅有常用资源的硬件平台上进行FPGA应用开发是一个挑战，既需要扎实的基本功，又需要一些编程技巧。本书编者在教学过程中，结合学生的实际情况，不断地充实和完善教学讲义，并在试用该讲义的过程中发现教学效果很好，最终将该讲义整理汇总后形成了本书。

全书分四大部分，按知识递进、难度递进的原则来组织内容。第一部分介绍FPGA应用开发基础知识，包含第1章和第2章。第1章首先介绍了本书所用的硬件平台，并重点介绍了该硬件平台的硬件接口：按键、LED灯、拨码开关、数码管、PS2、VGA等；然后介绍了ISE集成开发环境和基于ISE的数字设计流程，为后续章节的实践项目设计打下基础；最后介绍了FPGA工作原理和FPGA芯片。第2章重点回顾了HDL硬件描述语言的语法，包括语言结构、数据类型、过程描述语句以及代码书写规范等。通过这两章的学习，达到以下目标： ①通过学习硬件平台的原理图，为后续项目的开发设计提供参考依据； ②通过FPGA软件开发流程，为后续应用项目的开发设计打下坚实的基础； ③对前期学习过的HDL语言进行总结和复习，为后续FPGA应用开发打下坚实的基础。第二部分主要介绍常用的简单数字逻辑电路的设计，包括第3章和第4章。第3章重点介绍以下应用项目：基本门电路设计、比较器、多路选择器、七段译码器、编码器、译码器、ALU等；第4章重点介绍以下应用项目：D触发器、寄存器、移位寄存器、计数器、分频器以及小型综合应用项目秒计数器。同时，在这些项目中穿插了使用ISE进行FPGA开发的一些常用工具，包括ISim、FPGA 、、ISE 、 等。

通过这两章的学习，达到以下目标： ①通过实践掌握ISE这个工具软件的使用方法； ②通过实践掌握厂商的FPGA的内部结构； ③通过实践进一步掌握HDL语言语法。 FPGA应用开发前言第三部分主要介绍FPGA与外设接口电路的设计与应用，包括第5章、第6章和第7章。第5章重点介绍以下应用项目 单LED控制、多LED控制、单数码管显示控制、多数码管动态扫描显示控制、信息滚动显示、按键防抖动电路及其应用、脉冲产生电路及其应用、按键次数计数、键控流水灯以及综合应用项目序列检测器设计等。同时穿插介绍了把自己的HDL代码封装成IP核、状态机编码方式、Mealy状态机和Moore状态机的区别与联系等内容。第5章的主要目标是开发一些实用的有趣的项目实例，通过实践，最大限度地吸引学生的注意力，提升学生的学习兴趣。第6章和第7章重点介绍以下应用项目：PS2键盘、PS2鼠标、VGA接口等。通过这两章的学习，要达到以下目标：①通过实践，理解和掌握常用的接口协议； ②通过实践，掌握常用接口的应用技术。第四部分重点介绍复杂数字系统的设计与应用，包括第8章和第9章。第8章介绍一些综合项目，包括反应测量仪、密码锁、交通控制器、简易数字钟、具有校时功能的数字钟、频率计、自行车里程时速表、正弦信号发生器、DDS频率合成器等。

同时穿插介绍了内嵌逻辑分析仪的使用、ISE自带IP核的使用方法等内容。第9章设计了一个简易CPU，该CPU可通过运行存储在ROM中的程序来完成一定的功能，并将计算结果存储于数据存储器RAM中。通过这两章的学习，达到以下目标 ①通过实践，掌握FPGA的应用开发技术； ②通过实践，进一步加深对数字系统设计的理解，掌握比较复杂的数字系统的设计方法； ③通过设计CPU这样的复杂系统，了解CPU的工作原理以及复杂系统的设计理念。书中的内容全部符合IEEE 1364—2001标准。本书有以下几个方面的特色 ①所有项目均是完整的项目，这些项目很多来源于实践，可以开展项目教学、实践教学; ②每个项目均由多个模块实现，每个模块相对独立，顶层模块将各模块有机整合，便于读者理解和掌握设计思想和设计方法。根据教学计划，本课程对56～108学时的课程都是合适的，建议讲授28学时左右，其余时间为实践教学环节，有的章节的次序和内容可依各专业要求酌情调整处理。本书主要面向高等院校应用型本科、专科EDA技术和FPGA应用开发等课程，推荐作为电子、通信、自动化、计算机应用技术等学科专业与相关的实验指导课的授课教材或主要参考书，同时也可作为电子设计竞赛、FPGA开发应用的自学参考书。

另外，本书也可以作为 HDL语言和FPGA的初学者和中级水平读者的参考书。本书由贺敬凯编著，本人的妻子陈庶平参加了部分章节的排版与校对工作,同时在生活和工作中也百般照顾，在此表示深深的谢意。本书编写过程中引用了许多学者的著作和论文中的研究成果，在这里向他们表示衷心的感谢；同时，还要感谢依元素科技的秦岭、冯志强等，感谢他们为大学计划以及本书出版提供的支持和帮助。限于编者水平，本书中的不当之处在所难免，希望读者批评、指正。读者在阅读本书时，如有疑问，也欢迎与本人交流。QQ号 。本书提供PPT课件和源代码，有需要的读者可到清华大学出版社网站下载。编者2014年11月

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