数字系统设计与Verilog HDL

第1章 EDA技术概述 1

1．1 EDA技术及其发展 1

1．2 Top-down设计与IP核复用 4

1．2．1 Top-down设计 4

1．2．2 Bottom-up设计 5

1．2．3 IP复用技术与SoC 5

1．3 数字设计的流程 7

1．3．1 设计输入 7

1．3．2 综合 9

1．3．3 布局布线 9

1．3．4 仿真 10

1．3．5 编程配置 10

1．4 常用的EDA软件工具 10

1．5 EDA技术的发展趋势 14

习题1 15

第2章 FPGA/CPLD器件 16

2．1 PLD器件概述 16

2．1．1 PLD器件的发展历程 16

2．1．2 PLD器件的分类 17

2．2 PLD的基本原理与结构 19

2．2．1 PLD器件的基本结构 19

2．2．2 PLD电路的表示方法 20

2．3 低密度PLD的原理与结构 21

2．4 CPLD的原理与结构 26

2．4．1 宏单元结构 26

2．4．2 典型CPLD的结构 27

2．5 FPGA的原理与结构 30

2．5．1 查找表结构 30

2．5．2 典型FPGA的结构 32

2．6 FPGA/CPLD的编程元件 37

2．7 边界扫描测试技术 41

2．8 FPGA/CPLD的编程与配置 43

2．8．1 在系统可编程 43

2．8．2 CPLD器件的编程 44

2．8．3 FPGA器件的配置 44

2．9 FPGA/CPLD器件概述 50

2．10 FPGA/CPLD的发展趋势 54

习题2 55

第3章 Quartus Ⅱ集成开发工具 56

3．1 Quartus Ⅱ原理图设计 56

3．1．1 半加器原理图设计输入 56

3．1．2 编译与仿真 60

3．1．3 1位全加器编译与仿真 64

3．2 Quartus Ⅱ的优化设置 65

3．2．1 分析与综合设置 65

3．2．2 优化布局布线 67

3．2．3 设计可靠性检查 72

3．3 Quartus Ⅱ的时序分析 73

3．3．1 时序设置与分析 73

3．3．2 时序逼近 75

3．4 基于宏功能模块的设计 77

3．4．1 Megafunctions库 77

3．4．2 Maxplus2库 82

3．4．3 Primitives库 83

习题3 85

实验与设计 87

3-1 简易数字钟 87

3-2 序列产生器 88

3-3 m序列发生器 89

3-4 8位带符号乘法器 89

3-5 模24方向可控计数器 92

3-6 用锁相环模块实现倍频和分频 94

第4章 Verilog设计初步 97

4．1 Verilog简介 97

4．2 Verilog模块的结构 98

4．3 Verilog基本组合电路设计 102

4．3．1 用Verilog设计基本组合电路 102

4．3．2 用Verilog设计加法器 102

4．4 Verilog基本时序电路设计 105

4．4．1 用Verilog设计触发器 105

4．4．2 用Verilog设计计数器 106

习题4 108

实验与设计 108

4-1 Synplify Pro综合器的使用方法 108

4-2 Synplify综合器的使用方法 112

第5章 Verilog语法与要素 114

5．1 Verilog语言要素 114

5．2 常量 115

5．2．1 整数（Integer） 115

5．2．2 实数（Real） 117

5．2．3 字符串（Strings） 117

5．3 数据类型 118

5．3．1 net型 118

5．3．2 variable型 119

5．4 参数 121

5．5 向量 123

5．6 运算符 125

习题5 129

实验与设计 130

5-1 RAM存储器设计 130

5-2 用rom模块实现4×4无符号数乘法器 132

第6章 Verilog行为语句 136

6．1 过程语句 136

6．1．1 always过程语句 137

6．1．2 initial过程语句 140

6．2 块语句 141

6．2．1 串行块begin-end 141

6．2．2 并行块fork-join 142

6．3 赋值语句 143

6．3．1 持续赋值与过程赋值 143

6．3．2 阻塞赋值与非阻塞赋值 144

6．4 条件语句 145

6．4．1 if-else语句 146

6．4．2 case语句 147

6．5 循环语句 151

6．5．1 for语句 152

6．5．2 repeat、while、forever语句 153

6．6 编译指示语句 155

6．7 任务与函数 156

6．7．1 任务（task） 156

6．7．2 函数（function） 158

6．8 顺序执行与并发执行 161

习题6 162

实验与设计 163

6-1 4×4矩阵键盘检测电路 163

6-2 计数器设计 164

第7章 Verilog设计的层次与风格 167

7．1 Verilog设计的层次 167

7．2 门级结构描述 167

7．2．1 Verilog HDL内置门元件 168

7．2．2 门级结构描述 170

7．3 行为描述 171

7．4 数据流描述 172

7．5 不同描述风格的设计 173

7．5．1 半加器设计 173

7．5．2 1位全加器设计 174

7．5．3 4位加法器设计 176

7．6 多层次结构电路的设计 177

7．7 基本组合电路设计 179

7．7．1 门电路 179

7．7．2 编译码器 179

7．7．3 其他组合电路 181

7．8 基本时序电路设计 182

7．8．1 触发器 182

7．8．2 锁存器与寄存器 182

7．8．3 计数器与串并转换器 184

7．8．4 简易微处理器 185

7．9 三态逻辑设计 187

习题7 189

实验与设计 189

7-1 数字表决器 189

7-2 FIFO缓存器设计 192

第8章 Verilog有限状态机设计 195

8．1 有限状态机 195

8．2 有限状态机的Verilog描述 197

8．2．1 用三个过程描述 198

8．2．2 用两个过程描述 199

8．2．3 单过程描述方式 201

8．3 状态编码 203

8．3．1 常用的编码方式 203

8．3．2 状态编码的定义 207

8．4 有限状态机设计要点 209

8．4．1 复位和起始状态的选择 209

8．4．2 多余状态的处理 209

习题8 211

实验与设计 211

8-1 流水灯控制器 211

8-2 汽车尾灯控制器 213

8-3 状态机A/D采样控制电路 214

8-4 用状态机实现字符液晶显示控制 215

第9章 Verilog设计进阶 222

9．1 加法器设计 222

9．1．1 级连加法器 222

9．1．2 数据流描述的加法器 223

9．1．3 超前进位加法器 224

9．1．4 流水线加法器 225

9．2 乘法器设计 226

9．2．1 并行乘法器 226

9．2．2 移位相加乘法器 228

9．2．3 布斯乘法器 231

9．2．4 查找表乘法器 233

9．3 奇数分频与小数分频 234

9．3．1 奇数分频 234

9．3．2 半整数分频与小数分频 235

9．4 VGA图像的显示与控制 237

9．4．1 DE2―70的VGA显示电路 237

9．4．2 VGA图像显示原理与时序 238

9．4．3 VGA图像显示与控制的实现 241

9．5 点阵式液晶显示控制 247

9．6 乐曲演奏电路 252

习题9 257

实验与设计 259

9-1 数字跑表 259

9-2 实用多功能数字钟 266

第10章 Verilog设计的优化 275

10．1 设计的可综合性 275

10．2 流水线设计技术 277

10．3 资源共享 281

10．4 过程 283

10．5 阻塞赋值与非阻塞赋值 285

习题10 289

实验与设计 289

10-1 小数分频 289

10-2 如何在FPGA设计中消除毛刺 291

10-3 消抖动电路 294

第11章 Verilog仿真与测试 295

11．1 系统任务与系统函数 295

11．2 用户自定义元件 299

11．2．1 组合电路UDP元件 300

11．2．2 时序逻辑UDP元件 301

11．3 延时模型的表示 303

11．3．1 时间标尺定义`timescale 303

11．3．2 延时的表示与延时说明块 304

11．4 测试平台 305

11．5 组合和时序电路的仿真 308

11．5．1 组合电路的仿真 308

11．5．2 时序电路的仿真 310

习题11 310

实验与设计 311

11-1 用ModelSim仿真8位二进制加法器 311

11-2 仿真乘累加器 316

第12章 Verilog语言的发展 318

12．1 Verilog―2001语法结构 318

12．1．1 语法结构的扩展与增强 318

12．1．2 设计管理 324

12．1．3 系统任务和系统函数的扩展 326

12．1．4 VCD文件的扩展 329

12．2 Verilog―2002语法结构 330

12．2．1 硬件单元建模 331

12．2．2 属性 334

12．2．3 编程语言接口 338

习题12 339

第13章 通信与信号处理设计实例 340

13．1 m序列发生器 340

13．1．1 m序列的原理与性质 340

13．1．2 m序列产生器设计 342

13．2 Gold码 344

13．2．1 Gold码的原理与性质 344

13．2．2 Gold码产生器设计 345

13．3 CRC校验码 347

13．4 FSK解调 349

13．5 数字过零检测与等精度频率测量 352

13．5．1 数字过零检测法 352

13．5．2 等精度频率测量 353

13．6 QPSK调制器的FPGA实现 356

13．7 FIR数字滤波器 359

13．8 FPGA信号处理基础及浮点计算实例 363

13．8．1 定点数的表示法 363

13．8．2 浮点数的表示法 364

13．8．3 定点数到浮点数的格式转换 366

13．8．4 浮点数乘法 368

13．8．5 浮点数加法 371

13．8．6 浮点数除法 374

习题13 376

实验与设计 376

13-1 信号音产生器 376

13-2 异步串行接口（UART） 383

附录A Verilog HDL（IEEE Std 1364―1995）关键字 389

附录B Verilog HDL（IEEE Std 1364―2001）关键字 390

附录C DE2系统介绍 391

附录D DE2―70系统介绍 393

附录E 有关术语与缩略语 395

参考文献 400

本书根据EDA 课程教学要求，以提高数字设计能力为目的，系统阐述FPGA 数字系统开发的相关知识，主要内容包括EDA 技术概述、FPGA/CPLD 器件、Verilog 硬件描述语言等。全书以Quartus Ⅱ、Synplify Pro软件为平台，以Verilog―1995 和Verilog―2001 语言标准为依据，以可综合的设计为重点，通过大量经过验证的数字设计实例，阐述数字系统设计的方法与技术，由浅入深地介绍Verilog 工程开发的知识与技能。

全书结构和内容做了优化，增加了试验与设计的环节，便于实践教学；重视基础，面向应用，紧密联系实际；阐述力求准确、简约，避免烦琐，以做到深入浅出；所有举例均经过综合工具或仿真工具的验证。本书与《数字系统设计与VHDL》（电子工业出版社，2010年5月）一书构成姊妹篇。