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內(nèi)容簡(jiǎn)介

　　FPGA自學(xué)筆記—設(shè)計(jì)與驗(yàn)證　本書(shū)以Intel CycloneⅣ E系列FPGA 為例，系統(tǒng)介紹了FPGA 的硬件結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)以及邏輯設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程。書(shū)中以若干個(gè)具有工程實(shí)用意義的案例為背景，詳細(xì)介紹了FPGA 數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的功能模塊設(shè)計(jì)思路、FPGA 片上資源的使用方法、開(kāi)發(fā)軟件中各種調(diào)試工具的使用，包括SignaltapⅡ、In System Sources and Probes Editor、In System Memory Content Editor。本書(shū)最后通過(guò)若干個(gè)綜合性實(shí)例，講解了復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和驗(yàn)證思路。作為實(shí)用型FPGA 教程，本書(shū)的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都有完整的仿真和驗(yàn)證過(guò)程，即強(qiáng)調(diào)了仿真驗(yàn)證在FPGA設(shè)計(jì)中的重要作用?！”緯?shū)可作為工程應(yīng)用類、電子信息類專業(yè)本科生以及相關(guān)專業(yè)?？粕腅DA 基礎(chǔ)類課程的教材；也可作為FPGA自學(xué)人員，以及從事FPGA開(kāi)發(fā)的工程技術(shù)人員的培訓(xùn)教材和參考用書(shū)。

作者簡(jiǎn)介

　　梅雪松，網(wǎng)名“小梅哥”，擁有多年電子設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，擅長(zhǎng)知識(shí)的總結(jié)和傳播，有《小梅哥和你一起深入學(xué)習(xí)FPGA》、《小梅哥FPGA學(xué)習(xí)筆記》兩個(gè)系列網(wǎng)絡(luò)博文；并推出了手把手式視頻教程《FPGA設(shè)計(jì)思想與驗(yàn)證方法視頻教程》，該教程在各大視頻點(diǎn)擊平臺(tái)備受好評(píng)，網(wǎng)友稱其為學(xué)習(xí)FPGA基礎(chǔ)與提高教學(xué)視頻的不二之選。同時(shí)，開(kāi)設(shè)FPGA實(shí)地培訓(xùn)班，正式開(kāi)始網(wǎng)絡(luò)和實(shí)地FPGA培訓(xùn)，培訓(xùn)課程以其系統(tǒng)的知識(shí)講解和生動(dòng)的實(shí)例分析，得到了學(xué)員的一致肯定?！≡褡?，山東大學(xué)博士，集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)，知識(shí)面廣，專業(yè)技術(shù)背景深厚。長(zhǎng)期從事于FPGA技術(shù)的分享和交流，擁有豐富的項(xiàng)目科研和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，　曾凱鋒，杭州電子科技大學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)镕PGA與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)期活躍于FPGA技術(shù)交流群，著有多篇FPGA設(shè)計(jì)和驗(yàn)證文章。

圖書(shū)目錄

第1章從頭認(rèn)識(shí)FPGA ……………………………………………………………… 1
1.1 CycloneⅣ EFPGA原理與應(yīng)用 ……………………………………………… 1
1.1.1 CycloneⅣ E概述 ………………………………………………………… 1
1.1.2 CycloneⅣ E擴(kuò)展資源介紹 ……………………………………………… 4
1.1.3 重點(diǎn)電路設(shè)計(jì) ……………………………………………………………… 5
1.2 IntelFPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境 ………………………………………………………… 17
1.2.1 Quartus軟件的發(fā)展史 …………………………………………………… 18
1.2.2 QuartusPrime的下載 …………………………………………………… 18
1.2.3 QuartusPrime的安裝 …………………………………………………… 21
1.2.4 QuartusPrime軟件的基本使用 ………………………………………… 27
第2章 FPGA開(kāi)發(fā)軟硬件平臺(tái)介紹 ………………………………………………… 39
2.1 AC620開(kāi)發(fā)套件………………………………………………………………… 39
2.1.1 AC620開(kāi)發(fā)板的功能特點(diǎn) ………………………………………………… 39
2.1.2 AC620開(kāi)發(fā)板的使用 ……………………………………………………… 43
2.2 IntelFPGA開(kāi)發(fā)流程 ………………………………………………………… 57
2.2.1 建立工程 …………………………………………………………………… 57
2.2.2 設(shè)計(jì)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(shí)序仿真 …………………………………………………………………… 66
2.2.7 I/O分配以及生成配置文件 ……………………………………………… 67
2.2.8 配置FPGA下載…………………………………………………………… 67
2.3 FPGA設(shè)計(jì)的燒寫(xiě)與投產(chǎn) ……………………………………………………… 68
2.3.1 FPGA固件存儲(chǔ)方案 ……………………………………………………… 68
2.3.2 CycloneⅣ EFPGA固件燒寫(xiě)方案 ……………………………………… 69
2.3.3 燒寫(xiě)文件JIC的產(chǎn)生 ……………………………………………………… 70
第3章 FPGA基本數(shù)字邏輯設(shè)計(jì) …………………………………………………… 74
3.1 組合邏輯電路設(shè)計(jì)———譯碼器 ………………………………………………… 74
3.1.1 譯_碼器工作原理 …………………………………………………………… 74
3.1.2 譯碼器Verilog實(shí)現(xiàn) ……………………………………………………… 75
3.1.3 激勵(lì)創(chuàng)建及仿真測(cè)試 ……………………………………………………… 76
3.2 時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)———計(jì)數(shù)器 ………………………………………………… 79
3.2.1 計(jì)數(shù)器工作原理 …………………………………………………………… 80
3.2.2 計(jì)數(shù)器Verilog實(shí)現(xiàn) ……………………………………………………… 81
3.2.3 仿真及板級(jí)驗(yàn)證 …………………………………………………………… 82
3.3 IP核應(yīng)用———計(jì)數(shù)器 ………………………………………………………… 85
3.3.1 IP核創(chuàng)建流程 ……………………………………………………………… 85
3.3.2 仿真及板級(jí)驗(yàn)證 …………………………………………………………… 89
3.3.3 已生成IP核的參數(shù)修改 ………………………………………………… 90
3.3.4 QuartusⅡ中IP核參數(shù)的修改…………………………………………… 94
3.4 BCD計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 ……………………………………………………… 95
3.4.1 BCD碼原理 ………………………………………………………………… 95
3.4.2 BCD計(jì)數(shù)器的 Verilog實(shí)現(xiàn) ……………………………………………… 96
3.4.3 激勵(lì)創(chuàng)建及仿真測(cè)試 ……………………………………………………… 97
3.4.4 級(jí)聯(lián)BCD計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)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(duì)比與實(shí)現(xiàn) …………………………………………… 103
3.5.2 不同賦值方式的仿真及測(cè)試 …………………………………………… 105
3.6 狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例 ……………………………………………………………… 108
3.6.1 狀態(tài)機(jī)工作原理 ………………………………………………………… 108
3.6.2 字符串檢測(cè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn) ………………………………………………… 110
3.6.3 激勵(lì)創(chuàng)建及仿真測(cè)試 …………………………………………………… 113
3.7 獨(dú)立按鍵消抖設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 …………………………………………………… 115
3.7.1 按鍵的物理結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì) …………………………………………… 115
3.7.2 硬件電路實(shí)現(xiàn)按鍵消抖 ………………………………………………… 116
3.7.3 狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)按鍵消抖 …………………………………………………… 118
3.7.4 激勵(lì)創(chuàng)建及仿真測(cè)試 …………………………………………………… 124
3.7.5 任務(wù)及隨機(jī)函數(shù)的使用 ………………………………………………… 125
3.8 模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)———加減法計(jì)數(shù)器 ………………………………………… 129
3.8.1 模塊功能劃分 …………………………………………………………… 129
3.8.2 模塊功能設(shè)計(jì) …………………………………………………………… 129
3.8.3 仿真及板級(jí)驗(yàn)證 ………………………………………………………… 132
3.9 8位7段數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 …………………………………………… 134
3.9.1 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)原理 ………………………………………………………… 134
3.9.2 三線制數(shù)碼管電路設(shè)計(jì) ………………………………………………… 137
3.9.3 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) ……………………………………………… 138
3.9.4 ISSP生成及使用 ………………………………………………………… 145
3.9.5 板級(jí)調(diào)試與驗(yàn)證 ………………………………………………………… 149
3.9.6 QuartusⅡ中ISSP的使用方法 ………………………………………… 152
3.10 串口發(fā)送模塊設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 …………………………………………………… 153
3.10.1 異步串行通信原理及電路設(shè)計(jì) ………………………………………… 154
3.10.2 UART異步串行通信發(fā)送模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)…………………………… 157
3.10.3 激勵(lì)創(chuàng)建及仿真測(cè)試 …………………………………………………… 162
3.10.4 按鍵控制串口發(fā)送設(shè)計(jì) ………………………………………………… 163
3.11 串口接收模塊的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 ………………………………………………… 165
3.11.1 串口接收原理分析 ……………………………………………………… 166
3.11.2 UART異步串行通信接收模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)…………………………… 167
3.11.3 仿真及板級(jí)驗(yàn)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
4.1.1 CycloneⅣ體系結(jié)構(gòu)及嵌入式存儲(chǔ)器原理 ……………………………… 176
4.1.2 IP核使用———dpram …………………………………………………… 178
4.1.3 激勵(lì)創(chuàng)建及仿真測(cè)試 …………………………………………………… 182
4.2 搭建串口收發(fā)與雙口RAM 存儲(chǔ)的簡(jiǎn)易應(yīng)用系統(tǒng) ………………………… 185
4.2.1 系統(tǒng)模塊功能劃分及接口設(shè)計(jì) ………………………………………… 185
4.2.2 頂層文件設(shè)計(jì) …………………………………………………………… 185
4.2.3 控制模塊設(shè)計(jì) …………………………………………………………… 186
4.2.4 仿真及板級(jí)驗(yàn)證 ………………………………………………………… 187
4.3 嵌入式RAM 的使用———ROM ……………………………………………… 190
4.3.1 IP核使用———ROM ……………………………………………………… 191
4.3.2 激勵(lì)創(chuàng)建及仿真測(cè)試 …………………………………………………… 193
4.3.3 SignaTapⅡ使用及板級(jí)驗(yàn)證 …………………………………………… 195
4.4 嵌入式塊RAM 的使用———FIFO …………………………………………… 201
4.4.1 FIFO的相關(guān)知識(shí) ………………………………………………………… 202
4.4.2 IP核的使用———FIFO…………………………………………………… 204
4.5 PLL鎖相環(huán)介紹與簡(jiǎn)單應(yīng)用 ………………………………………………… 213
4.5.1 PLL相關(guān)知識(shí) …………………………………………………………… 213
4.5.2 IP核使用———PLL ……………………………………………………… 215
4.5.3 仿真及板級(jí)驗(yàn)證 ………………………………………………………… 219
第5章 FPGA進(jìn)階數(shù)字邏輯設(shè)計(jì) …………………………………………………… 223
5.1 無(wú)源蜂鳴器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 ………………………………………………… 223
5.1.1 無(wú)源蜂鳴器電路設(shè)計(jì) …………………………………………………… 223
5.1.2 無(wú)源蜂鳴器驅(qū)動(dòng)原理 …………………………………………………… 224
5.1.3 PWM 發(fā)生器模塊設(shè)計(jì)…………………………………………………… 225
5.1.4 仿真及板級(jí)驗(yàn)證 ………………………………………………………… 227
5.2 線性序列機(jī)與串行接口DAC驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證……………………………… 232
5.2.1 DAC芯片概述及電路設(shè)計(jì) ……………………………………………… 232
5.2.2 TLV5618型DAC芯片輸出電壓計(jì)算原理 …………………………… 234
5.2.3 TLV5618型DAC接口時(shí)序 …………………………………………… 235
5.2.4 線性序列機(jī)設(shè)計(jì)思想與接口時(shí)序設(shè)計(jì) ………………………………… 236
5.2.5 基于線性序列機(jī)的DAC驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) ……………………………………… 238
5.2.6 仿真及板級(jí)測(cè)試 ………………………………………………………… 241
5.3 線性序列機(jī)與串行接口ADC驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證……………………………… 243
5.3.1 ADC芯片概述及電路設(shè)計(jì) ……………………………………………… 244
5.3.2 ADC128S022型ADC接口時(shí)序 ………………………………………… 245
5.3.3 ADC128S022接口時(shí)序設(shè)計(jì) …………………………………………… 247
5.3.4 基于線性序列機(jī)的ADC驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) ……………………………………… 249
5.3.5 仿真及板級(jí)測(cè)試 ………………………………………………………… 252
5.4 HT6221紅外遙控解碼設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 ………………………………………… 257
5.4.1 紅外遙控系統(tǒng)組成及電路設(shè)計(jì) ………………………………………… 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(shè)計(jì) ……………………………………………………… 260
5.4.4 仿真及板級(jí)驗(yàn)證 ………………………………………………………… 265
5.5 TFT顯示屏驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 ………………………………………………… 267
5.5.1 TFT觸摸屏驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ……………………………………………… 268
5.5.2 RGB接口TFT屏掃描方式……………………………………………… 270
5.5.3 RGB接口TFT屏?xí)r序分析……………………………………………… 271
5.5.4 RGB接口TFT屏驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)……………………………………………… 272
5.5.5 仿真及板級(jí)驗(yàn)證 ………………………………………………………… 275
第6章 FPGA綜合數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì) …………………………………………………… 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
6.1.4 ADC控制模塊———ADC128S022 ……………………………………… 282
6.1.5 數(shù)據(jù)預(yù)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(dòng)模塊 ………………………………………………………… 287
6.1.8 頂層設(shè)計(jì) ………………………………………………………………… 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(hào)發(fā)生器 ………………………………………… 292
6.2.1 DDS原理與實(shí)現(xiàn) ………………………………………………………… 293
6.2.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) ……………………………………… 299
6.2.3 串口命令接收與解析 ……………………………………………………303
6.2.4 信號(hào)發(fā)生器頂層設(shè)計(jì) …………………………………………………… 315
6.2.5 系統(tǒng)測(cè)試 ………………………………………………………………… 316
6.3 串口讀/寫(xiě)EEPROM ………………………………………………………… 317
6.3.1 I2C基本概念 ……………………………………………………………… 317
6.3.2 I2C協(xié)議時(shí)序介紹 ………………………………………………………… 318
6.3.3 I2C器件地址 ……………………………………………………………… 319
6.3.4 I2C存儲(chǔ)器地址 …………………………………………………………… 320
6.3.5 I2C寫(xiě)時(shí)序 ………………………………………………………………… 321
6.3.6 I2C單字節(jié)讀時(shí)序 ………………………………………………………… 323
6.3.7 I2C讀/寫(xiě)器件控制器設(shè)計(jì) ……………………………………………… 325
6.3.8 I2C控制器仿真驗(yàn)證 ……………………………………………………… 335
6.3.9 串口讀/寫(xiě)EEPROM 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ………………………………………… 341
6.3.10 串口讀/寫(xiě) EEPROM 仿真驗(yàn)證 ……………………………………… 351
6.3.11 串口讀/寫(xiě)EEPROM 板級(jí)驗(yàn)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(yàn)證 ………………………………………………………………… 375
6.4.4 基于串口獵人的板級(jí)驗(yàn)證 ……………………………………………… 385
6.5 SDRAM 控制器設(shè)計(jì) ………………………………………………………… 391
6.5.1 SDRAM 基本概念………………………………………………………… 391
6.5.2 SDRAM 存取原理………………………………………………………… 392
6.5.3 SDRAM 器件引腳說(shuō)明…………………………………………………… 394
6.5.4 SDRAM 特性 …………………………………………………………… 395
6.5.5 SDRAM 操作命令介紹…………………………………………………… 396
6.5.6 SDRAM 操作時(shí)序………………………………………………………… 403
6.5.7 SDRAM 控制器設(shè)計(jì)……………………………………………………… 418
6.5.8 SDRAM 控制器仿真驗(yàn)證………………………………………………… 425
6.5.9 SDRAM 控制器設(shè)計(jì)優(yōu)化………………………………………………… 430
6.5.10 優(yōu)化控制器仿真驗(yàn)證 ……………………………………………………436
6.6 串口傳圖幀緩存設(shè)計(jì) ………………………………………………………… 440
6.6.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ………………………………………………………………… 440
6.6.2 仿真驗(yàn)證 ………………………………………………………………… 446
6.6.3 板級(jí)驗(yàn)證 ………………………………………………………………… 450
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………… 454