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、VHDL硬件描述语言等。全书以Quartus Prime、ModelSim等软件为平台,以VHDL’87和VHDL’93语言标准为依据,基于DE2-115实验平台,以可综合的设计为**,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VHDL工程开发的知识与技能。

第1章 EDA技术概述 001 1.1 EDA技术及其发展 002 1.2 Top-down设计与IP核复用 004 1.2.1 Top-down设计 004 1.2.2 Bottom-up设计 005 1.2.3 IP复用技术与SoC 005 1.3 数字设计的流程 006 1.3.1 设计输入 007 1.3.2 综合 007 1.3.3 布局布线 008 1.3.4 仿真 008 1.3.5 编程配置 009 1.4 常用的EDA工具软件 009 1.5 EDA技术的发展趋势 012 习题1 013 第2章 FPGA/CPLD器件 014 2.1 PLD器件概述 015 2.1.1 PLD器件的发展历程 015 2.1.2 PLD器件的分类 015 2.2 PLD的基本原理与结构 017 2.2.1 PLD器件的基本结构 017 2.2.2 PLD电路的表示方法 018 2.3 低密度PLD的原理与结构 019 2.4 CPLD的原理与结构 023 2.4.1 宏单元结构 023 2.4.2 典型CPLD的结构 024 2.5 FPGA的原理与结构 025 2.5.1 查找表结构 025 2.5.2 Cyclone IV器件结构 027 2.6 FPGA/CPLD的编程元件 030 2.7 边界扫描测试技术 034 2.8 FPGA/CPLD的编程与配置 035 2.8.1 在系统可编程 035 2.8.2 FPGA器件的配置 036 2.8.3 Cyclone IV器件的编程 037 2.9 Intel的FPGA/CPLD器件 040 2.10 FPGA/CPLD的发展趋势 043 习题2 043 第3章 Quartus Prime使用指南 044 3.1 Quartus Prime原理图设计 046 3.1.1 半加器原理图设计输入 046 3.1.2 1位全加器设计输入 049 3.1.3 1位全加器的编译 050 3.1.4 1位全加器的仿真 052 3.1.5 1位全加器的下载 056 3.1.6 配置数据固化与脱机运行 060 3.2 基于IP核的设计 062 3.2.1 用LPM_COUNTER设计模24方向可控计数器 063 3.2.2 用LPM_ROM模块实现4×4无符号数乘法器 069 3.3 SignalTap II的使用方法 076 3.4 Quartus Prime的优化设置与时序分析 080 习题3 084 第4章 VHDL设计初步 087 4.1 VHDL简介 088 4.2 VHDL组合电路设计 089 4.3 VHDL时序电路设计 093 习题4 098 第5章 VHDL结构与要素 099 5.1 实体 100 5.1.1 类属参数说明 100 5.1.2 端口说明 101 5.2 结构体 102 5.3 VHDL库和程序包 103 5.3.1 库 103 5.3.2 程序包 106 5.4 配置 107 5.5 子程序 110 5.5.1 过程(PROCEDURE) 110 5.5.2 函数(FUNCTION) 112 5.6 VHDL文字规则 114 5.6.1 标识符 114 5.6.2 数字 115 5.6.3 字符串 116 5.7 数据对象 116 5.7.1 常量 116 5.7.2 变量 117 5.7.3 信号 117 5.7.4 文件 118 5.8 VHDL数据类型 118 5.8.1 预定义数据类型 119 5.8.2 用户自定义数据类型 122 5.8.3 数据类型的转换 125 5.9 VHDL运算符 127 5.9.1 逻辑运算符 127 5.9.2 关系运算符 127 5.9.3 算术运算符 128 5.9.4 并置运算符 129 5.9.5 运算符重载 129 习题5 130 第6章 VHDL基本语句 132 6.1 顺序语句 133 6.1.1 赋值语句 133 6.1.2 IF语句 133 6.1.3 CASE语句 139 6.1.4 LOOP语句 142 6.1.5 NEXT与EXIT语句 143 6.1.6 WAIT语句 144 6.1.7 子程序调用语句 146 6.1.8 断言语句 146 6.1.9 REPORT语句 147 6.1.10 NULL语句 148 6.2 并行语句 148 6.2.1 并行信号赋值语句 148 6.2.2 进程语句 153 6.2.3 块语句 156 6.2.4 元件例化语句 157 6.2.5 生成语句 159 6.2.6 并行过程调用语句 161 6.3 属性说明与定义语句 162 6.3.1 数据类型属性 162 6.3.2 数组属性 163 6.3.3 信号属性 164 习题6 165 第7章 VHDL设计进阶 166 7.1 行为描述 167 7.2 数据流描述 168 7.3 结构描述 169 7.3.1 用结构描述设计1位全加器 169 7.3.2 用结构描述设计4位加法器 171 7.3.3 用结构描述设计8位加法器 172 7.4 三态逻辑设计 173 7.5 分频器设计 175 7.5.1 占空比为50%的奇数分频 175 7.5.2 半整数分频 178 7.5.3 数控分频器 179 7.6 用锁相环IP核实现倍频和相移 180 习题7 186 第8章 VHDL有限状态机设计 187 8.1 有限状态机 188 8.1.1 有限状态机的描述 188 8.1.2 枚举数据类型 190 8.2 有限状态机的描述方式 192 8.2.1 三进程表述方式 192 8.2.2 双进程表述方式 193 8.2.3 单进程表述方式 196 8.3 状态编码 198 8.3.1 常用的编码方式 199 8.3.2 用ATTRIBUTE指定编码方式 200 8.3.3 用常量进行编码 202 8.4 有限状态机设计要点 203 8.4.1 起始状态的选择和复位 203 8.4.2 多余状态的处理 205 8.5 有限状态机应用实例 206 8.5.1 用有限状态机控制流水灯 206 8.5.2 用有限状态机控制A/D采样 209 习题8 211 第9章 VHDL数字设计与优化 212 9.1 流水线设计 213 9.2 资源共享 216 9.3 4×4矩阵键盘 219 9.4 字 符 液 晶 224 9.5 汉字图形点阵液晶 230 9.6 VGA显示器 237 9.6.1 VGA显示原理与时序 237 9.6.2 VGA彩条信号发生器 239 9.6.3 VGA图像显示与控制 244 9.7 音乐演奏电路 250 9.7.1 音乐演奏实现的方法 250 9.7.2 实现与下载 252 习题9 255 第10章 VHDL的Test Bench仿真 257 10.1 VHDL仿真概述 258 10.2 VHDL测试平台 258 10.2.1 用VHDL描述仿真激励信号 259 10.2.2 用TEXTIO进行仿真 262 10.3 ModelSim SE仿真实例 265 10.3.1 图形界面仿真方式 268 10.3.2 命令行仿真方式 271 10.3.3 ModelSim SE时序仿真 272 习题10 275 第11章 VHDL设计实例 278 11.1 M序列产生器 279 11.2 Gold码 283 11.3 数字过零检测和等精度频率测量 285 11.3.1 数字过零检测 286 11.3.2 等精度频率测量 287 11.3.3 数字测量系统 289 11.4 QPSK数字调制器 292 11.5 小型神经网络 301 11.6 数字AGC 305 习题11 314 附录A VHDL关键字 315 参考文献 316