数字系统设计实验教程

本书是通信信息工程特色专业的核心课程的教材之一，由多年从事数字电子技术理论和实验教学的教师合作完成。以培养学生综合设计和创新能力为原则精选实验内容，强调基础性、系统性和实用生。本书内容包括数字系统设计方法、仿真及测试代码的编写、实验平台的使用、数字系统基础实验、数字系统综合实验、MIPS微处理器的设计和应用、自选课题介绍等七章，共30多个实验。

第1章 FPGA与数字系统设计 1
1.1 现场可编程逻辑器件 1
1.1.1 概述 1
1.1.2 FPGA发展历史 1
1.1.3 FPGA芯片的结构 3
1.2 数字系统设计方法 6
1.2.1 数字系统的基本组成 6
1.2.2 数字系统的结构化设计方法 7
1.2.3 数字系统设计实例 8
1.3 基于FPGA的数字系统设计流程 12
1.4 基于FPGA的数字系统的调试 15
1.4.1 数字系统的调试 15
1.4.2 选择合适的FPGA 调试方法 18
第2章 Verilog HDL 20
2.1 初识Verilog HDL 20
2.1.1 概述 20
2.1.2 Verilog HDL的基本结构 20
2.2 Verilog HDL的基础知识 22
2.2.1 词法 22
2.2.2 常量 24
2.2.3 数据类型和变量 25
2.2.4 参数 26
2.2.5 模块端口类型 27
2.2.6 运算符及优先级 27
2.3 Verilog HDL的描述语句 31
2.3.1 数据流描述语句 31
2.3.2 行为描述语句 32
2.3.3 Verilog描述风格及层次化设计 39
2.3.4 编译预处理指令 43
2.4 有限状态机的描述 44
2.4.1 状态机的结构 44
2.4.2 状态机的Verilog HDL 描述方法 45
2.5 设计举例与技巧 48
2.5.1 常用组合电路的设计 48
2.5.2 常用时序电路的设计 51
2.5.3 数字系统设计实例 54
第3章 testbench的编写 61
3.1 概述 61
3.2 testbench的结构形式 61
3.2.1 testbench的基本结构 61
3.2.2 testbench结构实例详解 62
3.3 常用的系统任务和系统函数 65
3.4 testbench的激励和响应 67
3.4.1 testbench的激励方式 67
3.4.2 仿真结果分析方式 69
3.5 常用激励信号的一些描述形式 69
3.6 testbench实例 72
3.6.1 组合乘法器实例 72
3.6.2 视频显示接口仿真实例 74
3.6.3 PS2 键盘接口电路实例 77
3.6.4 PS2 鼠标接口电路实例 80
第4章 数字系统实验平台的使用 84
实验1 ModelSim仿真软件的使用 84
实验2 Vivado软件的使用 97
实验3 IP内核的使用与仿真 109
实验4 ILA的逻辑分析仪实验 123
第5章 数字系统设计的基础实验 130
实验5 常用组合电路模块的设计和应用 130
实验6 浮点数加法器的设计 136
实验7 常用时序电路模块的设计和应用 141
实验8 快速加法器的设计 146
实验9 快速乘法器的设计 150
实验10 学号滚动显示实验 156
实验11 异步输入的同步器和开关防颤动电路的设计 160
第6章 数字系统综合设计实验 166
实验12 数字式秒表 166
实验13 低频数字式相位测量仪的设计 170
实验14 全数字锁相环的设计 176
实验15 直接数字频率合成技术(DDS)的设计与实现 181
实验16 基于FPGA的FIR数字滤波器的设计 186
实验17 数字下变频器(DDC)的设计 191
实验18 音频编解码芯片接口设计 195
实验19 音乐播放实验 209
实验20 基于FPGA的实时语音变声系统的设计 221
实验21 HDMI显示器接口设计实验 230
实验22 键盘接口实验 239
实验23 鼠标接口实验 248
实验24 文本输入与显示实验 254
实验25 动态显示实验 260
实验26 点灯游戏的设计 266
实验27 推箱子游戏的设计 272
第7章 CPU设计 279
实验28 多周期MIPS微处理器设计 279
实验29 流水线MIPS微处理器设计 299
附录A Basys3开发板的使用 314
A.1 FPGA主芯片介绍 315
A.2 电源电路 315
A.3 时钟电路 315
A.4 基本I/O接口 316
A.5 数码管电路 316
A.6 I/O扩展电路 317
A.7 USB-UART桥接电路 318
A.8 USB HID Host 318
A.9 VGA接口 318
A.10 FPGA调试及配置电路 319
附录B Nexys Video开发板的使用 320
B.1 FPGA主芯片介绍 321
B.2 电源电路 321
B.3 时钟电路 322
B.4 基本I/O接口 322
B.5 I/O扩展电路 323
B.6 音频编解码(CODEC)接口电路 323
B.7 USB-UART桥接电路 324
B.8 USB HID Host 324
B.9 HDMI接口 325
B.10 FPGA调试及配置电路 325
附录C ASCII码表 326
附录D 仿真环境的建立 328
参考文献 332