隨著現(xiàn)場可編程邏輯器件結(jié)構(gòu)和工藝的發(fā)展，F(xiàn)PGA的性能和容量逐年提升，同時功耗和價格持續(xù)降低。近年來，已經(jīng)有越來越多的企業(yè)考慮并在其實際項目或產(chǎn)品中加入FPGA，或者直接以FPGA作為核心控制單元。FPGA作為一種硬件邏輯器件，其開發(fā)思路與常規(guī)的MCU或處理器有較大的差別，如何正確地學習并掌握FPGA的開發(fā)方法，對于高效地使用FPGA至關重要。
筆者曾自學FPGA近兩年，但始終不得要領，后經(jīng)專業(yè)人士指點，方才領悟FPGA之所以難學，是難在沒有掌握正確的學習和開發(fā)方法。一旦掌握了正確的學習方法，一切就變得輕松了。在FPGA的學習和開發(fā)中最為關鍵的一點就是驗證。
作為一本入門級的FPGA技術教材，本書主要針對剛接觸FPGA的讀者。這一類讀者，往往都有一定的MCU開發(fā)經(jīng)驗，也正是這一點，讓很多自學FPGA的人往往一開始就按照MCU開發(fā)的慣性思維來對待FPGA，結(jié)果就是耗費了幾倍的精力，卻沒有太大的進步。所以本書在編排時，重點關注FPGA的開發(fā)流程。每個實驗，無論是最基礎的點亮LED燈，還是綜合的多模塊數(shù)字系統(tǒng)設計，以及復雜的SDRAM控制器設計，都嚴格按照“設計+驗證”的流程進行。首先，通過知識背景的介紹，講解設計中需要注意的問題；接著，一步一步地根據(jù)設計需求完成設計中的每一個部分；然后，編寫Testbench文件，使用ModelSim軟件對設計進行仿真驗證；最后，仿真驗證通過后，再配置到FPGA器件中運行，如果板級運行不正確，則再回到仿真波形中查找可能的錯誤原因，在必要時使用板級驗證工具如SignaltapⅡ進行板級調(diào)試。
本書按照循序漸進的過程，分成6章，具體內(nèi)容如下:
第1章，主要介紹了FPGA的硬件架構(gòu)，軟件開發(fā)工具的安裝與基本使用。
第2章，介紹了本書所依靠的FPGA學習平臺AC620開發(fā)板的相關特性，并通過一個實例介紹了FPGA的開發(fā)流程。
第3章，介紹了基于FPGA的一些基本數(shù)字邏輯電路設計，這些設計所依靠的背景都是大家所熟悉的一些內(nèi)容，因此較容易接受，方便大家能夠輕松入門。
第4章，介紹了CycloneⅣEFPGA上專用硬件資源PLL、嵌入式塊RAM的使用；同時，本章通過這些硬件資源的使用，介紹了在QuartusPrime軟件中調(diào)用IP進行設計的方法。
第5章，為進階數(shù)字系統(tǒng)設計，主要介紹了項目中比較實用的一些外設的驅(qū)動。
第6章，為綜合數(shù)字系統(tǒng)設計，通過若干個具有一定難度的綜合實例，展示了FPGA復雜系統(tǒng)開發(fā)的常見思路和實現(xiàn)方法。
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第1章從頭認識FPGA/1
1.1CycloneⅣEFPGA原理與應用/1
1.1.1CycloneⅣE概述/1
1.1.2CycloneⅣE擴展資源介紹/4
1.1.3重點電路設計/5
1.2IntelFPGA開發(fā)環(huán)境/17
1.2.1Quartus軟件的發(fā)展史/18
1.2.2QuartusPrime的下載/18
1.2.3QuartusPrime的安裝/21
1.2.4QuartusPrime軟件的基本使用/27
第2章FPGA開發(fā)軟硬件平臺介紹/39
2.1AC620開發(fā)套件/39
2.1.1AC620開發(fā)板的功能特點/39
2.1.2AC620開發(fā)板的使用/43
2.2IntelFPGA開發(fā)流程/57
2.2.1建立工程/57
2.2.2設計輸入/61
2.2.3分析和綜合/61
2.2.4功能仿真/62
2.2.5綜合與布局布線/66
2.2.6時序仿真/66
2.2.7I/O分配以及生成配置文件/67
2.2.8配置FPGA下載/67
2.3FPGA設計的燒寫與投產(chǎn)/68
2.3.1FPGA固件存儲方案/68
2.3.2CycloneⅣEFPGA固件燒寫方案/69
2.3.3燒寫文件JIC的產(chǎn)生/70
第3章FPGA基本數(shù)字邏輯設計/74
3.1組合邏輯電路設計———譯碼器/74
3.1.1譯_碼器工作原理/74
3.1.2譯碼器Verilog實現(xiàn)/75
3.1.3激勵創(chuàng)建及仿真測試/76
3.2時序邏輯電路設計———計數(shù)器/79
3.2.1計數(shù)器工作原理/80
3.2.2計數(shù)器Verilog實現(xiàn)/81
3.2.3仿真及板級驗證/82
3.3IP核應用———計數(shù)器/85
3.3.1IP核創(chuàng)建流程/85
3.3.2仿真及板級驗證/89
3.3.3已生成IP核的參數(shù)修改/90
3.3.4QuartusⅡ中IP核參數(shù)的修改/94
3.4BCD計數(shù)器設計與驗證/95
3.4.1BCD碼原理/95
3.4.2BCD計數(shù)器的Verilog實現(xiàn)/96
3.4.3激勵創(chuàng)建及仿真測試/97
3.4.4級聯(lián)BCD計數(shù)器設計與仿真/98
3.5阻塞賦值與非阻塞賦值原理分析/103
3.5.1不同賦值方式的對比與實現(xiàn)/103
3.5.2不同賦值方式的仿真及測試/105
3.6狀態(tài)機設計實例/108
3.6.1狀態(tài)機工作原理/108
3.6.2字符串檢測狀態(tài)機實現(xiàn)/110
3.6.3激勵創(chuàng)建及仿真測試/113
3.7獨立按鍵消抖設計與驗證/115
3.7.1按鍵的物理結(jié)構(gòu)及電路設計/115
3.7.2硬件電路實現(xiàn)按鍵消抖/116
3.7.3狀態(tài)機實現(xiàn)按鍵消抖/118
3.7.4激勵創(chuàng)建及仿真測試/124
3.7.5任務及隨機函數(shù)的使用/125
3.8模塊化設計基礎———加減法計數(shù)器/129
3.8.1模塊功能劃分/129
3.8.2模塊功能設計/129
3.8.3仿真及板級驗證/132
3.98位7段數(shù)碼管驅(qū)動設計與驗證/134
3.9.1數(shù)碼管驅(qū)動原理/134
3.9.2三線制數(shù)碼管電路設計/137
3.9.3數(shù)碼管動態(tài)掃描驅(qū)動設計/138
3.9.4ISSP生成及使用/145
3.9.5板級調(diào)試與驗證/149
3.9.6QuartusⅡ中ISSP的使用方法/…152
3.10串口發(fā)送模塊設計與驗證/153
3.10.1異步串行通信原理及電路設計/…154
3.10.2UART異步串行通信發(fā)送模塊設計與實現(xiàn)/157
3.10.3激勵創(chuàng)建及仿真測試/162
3.10.4按鍵控制串口發(fā)送設計/163
3.11串口接收模塊的設計與驗證/165
3.11.1串口接收原理分析/166
3.11.2UART異步串行通信接收模塊設計與實現(xiàn)/167
3.11.3仿真及板級驗證/171
第4章FPGA片上專用資源使用/176
4.1嵌入式RAM的使用———雙端口RAM/176
4.1.1CycloneⅣ體系結(jié)構(gòu)及嵌入式存儲器原理/176
4.1.2IP核使用———dpram/178
4.1.3激勵創(chuàng)建及仿真測試/182
4.2搭建串口收發(fā)與雙口RAM存儲的簡易應用系統(tǒng)/185
4.2.1系統(tǒng)模塊功能劃分及接口設計//185
4.2.2頂層文件設計/185
4.2.3控制模塊設計/186
4.2.4仿真及板級驗證/187
4.3嵌入式RAM的使用———ROM/190
4.3.1IP核使用———ROM/191
4.3.2激勵創(chuàng)建及仿真測試/193
4.3.3SignaTapⅡ使用及板級驗證/195
4.4嵌入式塊RAM的使用———FIFO/201
4.4.1FIFO的相關知識/202
4.4.2IP核的使用———FIFO/204
4.5PLL鎖相環(huán)介紹與簡單應用/213
4.5.1PLL相關知識/213
4.5.2IP核使用———PLL/215
4.5.3仿真及板級驗證/219
第5章FPGA進階數(shù)字邏輯設計/223
5.1無源蜂鳴器驅(qū)動設計與驗證/223
5.1.1無源蜂鳴器電路設計/223
5.1.2無源蜂鳴器驅(qū)動原理/224
5.1.3PWM發(fā)生器模塊設計/225
5.1.4仿真及板級驗證/227
5.2線性序列機與串行接口DAC驅(qū)動設計與驗證/232
5.2.1DAC芯片概述及電路設計/232
5.2.2TLV5618型DAC芯片輸出電壓計算原理/234
5.2.3TLV5618型DAC接口時序/235
5.2.4線性序列機設計思想與接口時序設計/236
5.2.5基于線性序列機的DAC驅(qū)動設計/238
5.2.6仿真及板級測試/241
5.3線性序列機與串行接口ADC驅(qū)動設計與驗證/243
5.3.1ADC芯片概述及電路設計/244
5.3.2ADC128S022型ADC接口時序/245
5.3.3ADC128S022接口時序設計/247
5.3.4基于線性序列機的ADC驅(qū)動設計/249
5.3.5仿真及板級測試/252
5.4HT6221紅外遙控解碼設計與驗證/257
5.4.1紅外遙控系統(tǒng)組成及電路設計/257
5.4.2紅外遙控協(xié)議分析(NEC協(xié)議)/258
5.4.3紅外解碼模塊設計/260
5.4.4仿真及板級驗證/265
5.5TFT顯示屏驅(qū)動設計與驗證/267
5.5.1TFT觸摸屏驅(qū)動電路設計/268
5.5.2RGB接口TFT屏掃描方式/270
5.5.3RGB接口TFT屏時序分析/271
5.5.4RGB接口TFT屏驅(qū)動設計/272
5.5.5仿真及板級驗證/275
第6章FPGA綜合數(shù)字系統(tǒng)設計/280
6.1八通道數(shù)字電壓表/280
6.1.1數(shù)字電壓表功能劃分/280
6.1.2按鍵輸入模塊/281
6.1.3通道選擇模塊/281
6.1.4ADC控制模塊———ADC128S022/282
6.1.5數(shù)據(jù)預處理模塊/282
6.1.6碼制轉(zhuǎn)換模塊/284
6.1.7數(shù)碼管驅(qū)動模塊/287
6.1.8頂層設計/288
6.1.9基于查找表的數(shù)據(jù)電壓換算/289
6.2雙通道幅頻相可調(diào)DDS信號發(fā)生器/292
6.2.1DDS原理與實現(xiàn)/293
6.2.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動模塊設計/299
6.2.3串口命令接收與解析/303
6.2.4信號發(fā)生器頂層設計/315
6.2.5系統(tǒng)測試/316
6.3串口讀/寫EEPROM/317
6.3.1I2C基本概念/317
6.3.2I2C協(xié)議時序介紹/318
6.3.3I2C器件地址/319
6.3.4I2C存儲器地址/320
6.3.5I2C寫時序/321
6.3.6I2C單字節(jié)讀時序/323
6.3.7I2C讀/寫器件控制器設計/325
6.3.8I2C控制器仿真驗證/335
6.3.9串口讀/寫EEPROM系統(tǒng)設計/341
6.3.10串口讀/寫EEPROM仿真驗證/351
6.3.11串口讀/寫EEPROM板級驗證/355
6.4基于串口獵人的虛擬示波器/359
6.4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)/359
6.4.2模塊詳解/361
6.4.3仿真驗證/375
6.4.4基于串口獵人的板級驗證/385
6.5SDRAM控制器設計/391
6.5.1SDRAM基本概念/391
6.5.2SDRAM存取原理/392
6.5.3SDRAM器件引腳說明/394
6.5.4SDRAM特性/395
6.5.5SDRAM操作命令介紹/396
6.5.6SDRAM操作時序/403
6.5.7SDRAM控制器設計/418
6.5.8SDRAM控制器仿真驗證/425
6.5.9SDRAM控制器設計優(yōu)化/430
6.5.10優(yōu)化控制器仿真驗證/436
6.6串口傳圖幀緩存設計/440
6.6.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)/440
6.6.2仿真驗證/446
6.6.3板級驗證/450
參考文獻/454
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