基于FPGA的电子系统设计(普通高等教育电子信息类专业十三五规划教材)

殷卫真编著的《基于FPGA的电子系统设计(普通 高等教育电子信息类专业十三五规划教材)》讨论采用 VHDL(超高速硬件描述语言)与FPGA(现场可编程门阵 列)平台设计电子系统。期望从关注电子设计多姿多彩 的需求与形式，到归化式的基于平台的设计验证，再 到针对需求的优化实现，最终从满足需求的角度来阐 释电子系统设计。书中设立系列主题，带人典型的设 计，给出了综合案例，及多种方法的设计、仿真与测 试。与此同时，通过注释、点评与说明介绍知识技巧 ，引导读者了解基于FPGA的电子系统设计理念、风格 、标准、规范。教材试图向CPU及其接口与通信系统设 计方面延伸，扩展设计基础。本书介绍的VHDL语言的 应用超越了通常可综合的VHDL编写，丰富了设计描述 ，采用第三方仿真软件Modelsim方式进行Testbench 等的仿真，可以提高测试共享，提高移植性、仿真效 率和仿真复杂度。介绍的在线工具测试验证等手段， 可提高设计、验证、测试的功效，降低开发成本。本 书采用不同风格和层次介绍设计特点的方式，主要面 向电子信息工程专业与计算机专业本科生编写，也可 作为研究生的设计参考书，以及电子设计专业人员的 设计参考书。

1 概述 1.1 基于FPGA的设计特点与方法 1.2 QuartusⅡ工程建立与语言模板(Template) 1.2.1 查看模板给出的VHDL设计实例 1.2.2 从QuartusⅡ模板了解的VHDL基本结构 习题 扩展学习与总结 2 多种形式的设计描述 2.1 本章主要概念 2.1.1 基于平台的设计方法 2.1.2 基于优化的VHDL设计 2.1.3 配置的概念与格式(Configuration) 2.1.4 类属说明(Generic) 2.1.5 测试基准文件(Testbench) 2.1.6 设计验证的主要种类 2.2 多种形式的多路选择器 2.2.1 多种四选一电路的VHDL设计 2.2.2 配置应用(块配置) 2.3 多种四选一电路设计的语法讨论 2.3.1 块配置讨论 2.3.2 有优先级的选择 2.3.3 无优先级的选择 2.3.4 信号Signal与变量Variable的讨论 2.4 选择器的设计优化 2.4.1 If和Case语句的速度与面积平衡 2.4.2 If语句与设计的局部调整优化 2.4.3 用更少输入端选择器实现面积优化 2.4.4 VHDL语句与优化 2.5 四选一各种描述综合结果比较 2.6 四选一Modelsim Testbench仿真 2.7 仿真注意事项与仿真程序说明 2.7.1 仿真文件的编写注意事项 2.7.2 Modelsim使用说明 2.7.3 Testbench编写说明 2.8 选择器的设计应用 2.8.1 选择器作为ROM应用 2.8.2 选择器的总线应用 2.8.3 选择器的测试应用 2.9 Altera库与程序包的应用 习题 扩展学习与总结 3 多种运算单元设计 3.1 主要概念说明 3.2 基本加／减运算单元设计 3.2.1 多种加法器介绍与设计 3.2.2 配置实现与配置方法 3.2.3 加法器程序说明 3.2.4 参数化任意加法器Testbench程序说明 3.3 先行进位加法器 3.4 BCD加法器 3.5 流水线与非流水线加法器 3.6 LPM模块应用与Altera设计原语 3.6.1 LPM模块应用 3.6.2 Altera设计原语 3.7 简易ALU设计与Work库的应用 3.8 工程文件管理与自定义库 3.9 基于数据通道的加法设计 习题 扩展学习与总结 4 Modeisim仿真提高 4.1 第三方仿真软件Modelsire仿真方式 4.2 四位加法器Modelsim仿真方式 4.3 Modelsim仿真步骤 4.3.1 建工程(Project)与建立文件 4.3.2 编译(Cornpile)文件 4.4 Modelsim仿真种类 4.4.1 Modelsim窗口开关与命令 4.4.2 Testbench(设计基准文件)仿真 4.5 Modelsim连接器件库的仿真 4.6 QuartusⅡ+Modelsim VHDL的功能仿真 4.6.1 Textio程序包 4.6.2 Textio读写文件 4.7 QuartusⅡ+Modelsim VHDL的时序仿真 4.7.1 四位加法器层次化设计时序仿真 4.7.2 波形输入方式仿真 4.7.3 用Testbench文件法仿真 习题 扩展学习与总结 5 运算单元的设计提高 5.1 乘法器 5.1.1 乘法器非流水线与流水线研究 5.1.2 硬件乘法器运算拓展 5.2 除法器 5.3 RTL级加减乘除运算整合 5.3.1 乘除运算电路的控制 5.3.2 状态机控制的移位乘法 5.3.3 状态机控制的移位除法 5.3.4 加减乘除整合与BCD加减电路的控制 习题 扩展学习与总结 6 系统的计数分频与定时设计 6.1 可变模计数器 6.2 异步与同步计数器设计比较 6.2.1 模10计数与级联 6.2.2 级联中的设计原则 6.3 查看设计报告与TimeQuest时序分析 6.3.1 LFSR计数器与二进制计数器设计 6.3.2 LFSR计数器与二进制计数器的比较 6.4 分频相关电路与设计规范 6.4.1 2的幂次分频 6.4.2 偶数等占空比分频与设计规范 6.4.3 等占空比奇数分频与半整数分频 6.5 系统的定时设计 6.5.1 FPGA锁相环PLL 6.5.2 FPGA PLL应用需求 6.5.3 可重配置锁相环的使用 6.5.4 PLL的重配置模块 6.5.5 PLL重配置模块的端口说明 习题 扩展学习与总结 7存储器的设计与应用 7.1 LPM ROM应用查表法乘法器 7.2 LPM ROM初始化文件MIF格式 7.3 ROM应用与波形发生器 7.3.1 设计信号波形的选取 7.3.2 LPM片上ROM实现正弦信号发生器 7.3.3 正弦信号发生器的具体实现 7.4 FPGA引脚分配 7.4.1 在图形界面人工指定 7.4.2 反标注法引脚自动分配 7.4.3 引脚分配等信息的文件处理 7.5 多种波形设计与嵌入逻辑分析仪测试 7.6 正弦信号发生器提高 7.7 利于属性Attribute指定综合 7.8 在线硬件调试的工具 7.8.1 在系统存储内容编辑器 7.8.2 在系统信号源与探针测试 7.9 QuartusⅡ连接Modelsim时序仿真 7.10 SRAM设计与仿真 习题 扩展学习与总结 8 通信模块设计 8.1 采用流水线技术设计高速数字相关器 8.1.1 数字相关器原理 8.1.2 数字相关器的设计 8.2 巴克码生成与检测 8.2.1 巴克码生成原理 8.2.2 巴克码检测原理 8.3 扰码与解扰码 8.3.1 扰码与解扰码简介 8.3.2 m序列生成 8.3.3 有关加扰与解扰的设计 8.4 基于DDS的调制解调 8.4.1 DDS步进方波的实现 8.4.2 ASK调制与PCM调制 8.4.3 FSK调制与解调 8.4.4 BPSK调制 8.5 移位寄存器及其典型应用 8.5.1 移位寄存器 8.5.2 移位寄存器的应用——串并变换 8.6 校验与纠错编解码设计 8.6.1 汉明(Hamming)编解码简介 8.6.2 汉明编码原理(8，4) 8.6.3 汉明译码原理 8.7 传输码型的生成 8.7.1 曼彻斯特(Manchester)编译码设计 8.7.2 传号反转码(CMI)编解码设计 习题 扩展学习与总结 9 接口设计 9.1 UART／RS232接口 9.2 字符LCD显示控制 9.3 4×4矩阵扫描键盘与LED显示 9.4 可编程接口8255核设计 9.4.1 可编程接口8255芯片 9.4.2 8255核的内部结构 9.4.3 8255引脚与信号说明 习题 扩展学习与总结 10 嵌入51单片机的设计型实验 10.1 概述 10.2 CPU简述及应用 10.3 8051核结构 10.3.1 8051核功能特点 10.3.2 8051软核设计应用 10.3.3 8051设计层级 10.3.4 8051核顶层设计 10.4 8051核设计研究 10.4.1 ALU算数运算逻辑单元 10.4.2 Timer定时器控制器 10.4.3 Serial串口控制器 10.4.4 简单功能配置 10.4.5 并行IO端口 10.4.6 杂项说明 10.4.7 内部数据存储器RAM 10.4.8 内部数据存储器RAMX 10.4.9 内部程序存储器ROM 10.5 QuartusⅡ建立8051核工程 10.5.1 建立8051核工程 10.5.2 Mega wizard创建8051核内部存储器 10.5.3 8051核RTL级建立 10.5.4 8051核外围电路搭建 10.5.5 In-System Sources and Probes调测8051核 10.6 8051核在FPGA下载测试 习题 扩展学习与总结 附录A FPGA文档指南与规范说明 A.1 文件头 A.2 文件组织与目录结构 A.3 文件名和目录名 A.4 大写和小写 A.5 注释 A.6 使用Tab进行代码的缩进 A.7 换行符 A.8 限制行宽 A.9 标识符 A.10 转义标识符 A.11 名称前缀或后缀 A.12 空行和空格 A.13 对齐和缩进 A.14 参数化设计 A.15 可综合设计 A.16 使用预编译库 A.17 逻辑仿真 A.18 测试程序(test bench) A.19 逻辑综合的一些原则 A.20 大规模设计的综合 A.21 必须重视工具产生的警告信息 A.22 调用模块的黑盒子(Black box)方法 附录B VHDL保留字 附录C VHDL 1993版与2008版的特点 C.1 VHDL 1993版特点 C.2 VHDL 2008版的特点 附录D Ieee库类型转换函数表 参考文献