FPGA 數字系統設計

本書針對數字系統設計和工程開發的要求與特點，按照數字系統的整體結構，通過由淺入深的設計實例，採用Verilog HDL對FPGA數字系統設計流程、關鍵技術及原理和方法進行深入講解，包括FPGA數字系統設計的基本流程及其實現、組合與時序邏輯電路設計、有限狀態機、數據通道設計、時序分析、流水線及設計優化等內容。全部設計原理和方法通過具體設計實例演示，主要包括通用計數器、通用異步收發器（UART）、有符號數算術運算電路、FIR濾波器等內容。本書既可作為電子信息類、自動化類、電氣類及電腦類各專業高年級本科生和研究生的教材或參考書，也可作為電子系統設計及數字集成電路設計工程師的專業技術培訓教材或自學參考書。

第1章 設計流程：Quartus Prime簡介
1.1 典型設計流程
1.2 設計實例：LED控制電路設計與實現
1.2.1 啟動Quartus Prime軟件
1.2.2 創建工程
1.2.3 設計輸入
1.2.4 向工程添加文件
1.2.5 編譯
1.2.6 功能模擬
1.2.7 引腳分配
1.3 下載
1.4 電路測試
1.5 思考題
1.6 實踐練習
第2章 門級原語和模塊實例化
2.1 模塊
2.2 門級原語
2.3 模塊實例化
2.4 設計實例：五選一數據選擇器
2.5 數字電路的模擬
2.6 二選一數據選擇器的Testbench模塊
2.7 ModelSim模擬
2.7.1 基本模擬流程
2.7.2 模擬過程
2.8 思考題
2.9 實踐練習
第3章 組合邏輯電路設計
3.1 數碼顯示電路
3.1.1 連續賦值語句
3.1.2 顯示解碼電路
3.1.3 數據選擇解碼電路
3.1.4 滾動顯示電路
3.2 組合邏輯always塊
3.3 編碼器和解碼器
3.3.1 編碼器和優先編碼器
3.3.2 解碼器
3.4 參數化模塊設計
3.5 BCD碼加法顯示電路
3.5.1 加法器
3.5.2 二進制數-BCD碼轉換電路
3.5.3 BCD碼加法電路設計實現
3.6 實例化IP核數字電路設計
3.6.1 加/減電路
3.6.2 實例化IP核加/減電路設計
3.6.3 實例化IP核
3.7 避免產生鎖存器
3.8 思考題
3.9 實踐練習
第4章 時序邏輯電路設計
4.1 基本存儲元件
4.1.1 鎖存器
4.1.2 D觸發器
4.1.3 寄存器
4.2 時序邏輯電路模擬
4.2.1 時序邏輯電路的Testbench模塊
4.2.2 ModelSim工程模擬流程
4.3 計數器
4.3.1 通用計數器
4.3.2 模M計數器
4.4 移位寄存器
4.5 環形計數器和約翰遜計數器
4.5.1 環形計數器
4.5.2 約翰遜計數器
4.6 線性反饋移位寄存器
4.7 計數分頻電路
4.7.1 偶分頻電路
4.7.2 奇分頻電路
4.7.3 設計實例：流水燈電路
4.8 同步時序電路與導出時鐘
4.9 簡易秒錶
4.10 時鐘顯示電路
4.11 思考題
4.12 實踐練習
第5章 有限狀態機
5.1 有限狀態機特徵和結構
5.2 有限狀態機的表示
5.2.1 狀態轉換圖
5.2.2 狀態轉換表
5.2.3 算法狀態機圖
5.3 米利狀態機和摩爾狀態機
5.3.1 邊沿檢測電路
5.3.2 摩爾狀態機
5.3.3 米利狀態機
5.3.4 摩爾狀態機和米利狀態機的區別
5.4 序列檢測器
5.5 格雷碼計數器
5.6 雙向計數器
5.7 思考題
5.8 實踐練習
第6章 通用異步收發器
6.1 過採樣
6.1.1 過採樣方案
6.1.2 波特率產生模塊
6.2 接收模塊
6.3 接口電路
6.4 發送模塊
6.5 完整的UART
6.6 思考題
6.7 實踐練習
第7章 數據通道
7.1 帶有限狀態機的數據通道
7.2 寄存器傳輸級設計
7.2.1 RTL抽象層次和電路架構
7.2.2 算法
7.2.3 數據流模型
7.2.4 RTL設計
7.3 FSMD設計
7.3.1 寄存器傳輸操作
7.3.2 數據通道
7.3.3 控制器
7.4 乘法器
7.4.1 寄存器傳輸操作
7.4.2 設計實現
7.4.3 資源共享乘法器的設計
7.5 思考題
7.6 實踐練習
第8章 流水線設計
8.1 吞吐率和延遲
8.2 流水線設計
8.3 流水線乘法器設計
8.4 思考題
8.5 實踐練習
第9章 設計實踐：混合方程
9.1 混合方程
9.2 混合方程直接實現
9.3 資源共享混合方程
9.4 握手信號數據通道
9.5 輸入總線數據通道
9.6 思考題
9.7 實踐練習
第10章 時序分析基礎
10.1 時序分析術語
10.2 時序路徑和時序分析
10.2.1 時序網表
10.2.2 時序路徑
10.2.3 數據到達時間和數據需要時間
10.2.4 數據發送時鐘沿和數據鎖存時鐘沿
10.3 建立時間檢查
10.4 保持時間檢查
10.5 恢復時間檢查
10.6 移除時間檢查
10.7 多周期路徑分析
10.8 思考題
10.9 實踐練習
第11章 DDS信號發生器
11.1 呼吸燈設計
11.1.1 設計思路
11.1.2 設計實現
11.2 ROM表正弦信號發生電路
11.3 DDS正弦信號發生器
11.3.1 工作原理
11.3.2 性能參數
11.3.3 設計實現
11.4 思考題
11.5 實踐練習
第12章 有符號數加法器和乘法器
12.1 定點數和浮點數
12.2 有符號數和無符號數
12.2.1 無符號數
12.2.2 有符號數
12.3 定點數的範圍和精度
12.4 定點數加法
12.4.1 符號位擴展
12.4.2 有符號定點數加法
12.5 有符號數加法器的Verilog HDL描述
12.5.1 Verilog-1995中的有符號數
12.5.2 Verilog-2001中的有符號數
12.6 定點數乘法
12.6.1 無符號數乘以無符號數
12.6.2 有符號數乘以無符號數
12.6.3 無符號數乘以有符號數
12.6.4 有符號數乘以有符號數
12.7 有符號數乘法器的實現
12.8 生成語句
12.9 思考題
12.10 實踐練習
第13章 有限沖激響應濾波器
13.1 濾波器
13.2 FIR濾波器原理
13.3 FIR濾波器的設計：窗函數
13.4 FIR濾波器的結構
13.4.1 直接結構
13.4.2 級聯結構
13.5 FIR濾波器的實現
13.5.1 組合邏輯FIR濾波器
13.5.2 流水線結構FIR濾波器
13.5.3 參數化FIR濾波器
13.6 思考題
13.7 實踐練習
第14章 設計優化：面積和速度
14.1 操作符共享
14.2 電路結構與速度
14.2.1 高吞吐率設計
14.2.2 低延遲設計
14.2.3 高速設計
14.3 電路結構與面積
14.3.1 定點數乘法器
14.3.2 流水線結構FIR濾波器
14.4 思考題
14.5 實踐練習
參考文獻