FPGA应用开发入门与典型实例(修订版)

.2.1　fpga最小系统的概念　10
2.2　fpga最小系统电路分析　11
2.2.1　fpga管脚设计　11
2.2.2　下载配置与调试接口电路设计　14
2.2.3　高速sdram存储器接口电路设计　14
2.2.4　异步sram(asram)存储器接口电路设计　16
2.2.5　flash存储器接口电路设计　16
2.2.6　开关、按键与发光led电路设计　18
2.2.7　vga接口电路设计　19
2.2.8　ps/2鼠标及键盘接口电路设计　20
2.2.9　rs-232串口　20
2.2.10　字符型液晶显示器接口电路设计　21
2.2.11　usb 2.0接口芯片cy7c68013电路设计　22
2.2.12　电源电路设计　25
2.2.13　复位电路设计　26
2.2.14　时钟电路设计　27
2.3　fpga硬件系统的设计技巧　27
2.3.1　管脚兼容性设计　27
2.3.2　根据电路布局来分配管脚功能　28
2.3.3　预留测试点　28
2.4　fpga硬件系统的调试方法　28
2.5　典型实例1：在altera的fpga开发板上运行第一个fpga程序　29
2.5.1　实例的内容及目标　29
2.5.2　平台简介　30
2.5.3　实例详解　30
2.5.4　小结　40
2.6　典型实例2：在xilinx的fpga开发板上运行第一个fpga程序　40
2.6.1　实例的内容及目标　40
2.6.2　平台简介　41
2.6.3　实例详解　41
2.6.4　小结　65
第3章　硬件描述语言verilog hdl基础　66
3.1　verilog hdl语言简介　66
3.1.1　verilog hdl的历史和进展　66
3.1.2　vhdl和verilog hdl语言对比　67
3.2　verilog hdl程序基本结构　67
3.2.1　verilog hdl程序入门　68
3.2.2　模块的框架　70
3.3　verilog hdl语言的数据类型和运算符　71
3.3.1　常用数据类型　71
3.3.2　常用运算符　76
3.4　verilog hdl语言的赋值语句和块语句　83
3.4.1　非阻塞赋值和阻塞赋值　83
3.4.2　块语句　84
3.4.3　关键词　87
3.5　verilog hdl语言的条件语句　88
3.5.1　if语句　88
3.5.2　case语句　90
3.5.3　其他条件语句　93
3.6　verilog hdl语言的其他常用语句　93
3.6.1　循环语句　93
3.6.2　结构说明语句　96
3.7　verilog hdl语言实现组合逻辑电路　98
3.7.1　assign语句实现组合逻辑　98
3.7.2　always块实现组合逻辑　99
3.8　verilog hdl语言实现时序逻辑电路　100
3.9　verilog hdl语言与c语言的区别与联系　101
3.10　verilog hdl程序设计经验　104
3.11　典型实例3：数字跑表　105
3.11.1　实例的内容及目标　105
3.11.2　原理简介　105
3.11.3　代码分析　106
3.11.4　参考设计　107
3.12　典型实例4：ps/2接口控制　107
3.12.1　实例的内容及目标　107
3.12.2　原理简介　108
3.12.3　实例详解　109
3.12.4　参考设计　109
3.13　典型实例5：交通灯控制器　109
3.13.1　实例的内容及目标　109
3.13.2　原理简介　110
3.13.3　代码分析　111
3.13.4　参考设计　113
第4章　硬件描述语言verilog hdl设计进阶　114
4.1　task和function说明语句的区别　114
4.2　verilog hdl高级语法结构——任务(task)　115
4.3　verilog hdl高级语法结构——任务(function)　116
4.4　有限状态机的设计原理及其代码风格　118
4.4.1　有限状态机(fsm)设计原理　118
4.4.2　fsm设计实例　123
4.4.3　设计可综合状态机的指导原则　124
4.5　逻辑综合的原则以及可综合的代码设计风格　125
4.5.1　always块语言指导原则　125
4.5.2　可综合风格的verilog hdl模块实例　126
4.6　典型实例6：状态机应用　132
4.6.1　实例的内容及目标　132
4.6.2　实例详解　133
4.6.3　参考设计　140
4.7　典型实例7：自动转换量程频率计控制器　140
4.7.1　实例内容及目标　140
4.7.2　原理简介　140
4.7.3　代码分析　141
4.7.4　参考设计　143
4.8　典型实例8：使用函数实现简单的处理器　143
4.8.1　 实例的内容及目标　143
4.8.2　原理简介　143
4.8.3　代码分析　143
第5章　fpga设计开发软件quartus ii的使用技巧　145
5.1　quartus ii软件简介　145
5.2　quartus ii软件新特性　145
5.3　quartus ii软件的安装与启动　147
5.4　quartus ii软件设计流程　148
5.5　创建工程设计文件　149
5.5.1　创建工程　149
5.5.2　添加设计文件　151
5.6　编译及仿真工程　153
5.6.1　编译　153
5.6.2　仿真　154
5.7　约束及配置工程　156
5.7.1　器件选择　157
5.7.2　管脚分配　158
5.7.3　时序约束　158
5.7.4　配置工程　159
5.8　logiclock逻辑锁定工具使用技巧　160
5.8.1　逻辑锁定方法学　160
5.8.2　逻辑锁定优势　160
5.8.3　逻辑锁定参数设置　161
5.8.4　逻辑锁定流程　161
5.9　signaltap ii在线逻辑分析仪的使用方法　162
5.9.1　signaltap ii介绍　162
5.9.2　使用signaltap ii操作流程　163
5.9.3　设置触发器　163
5.10　典型实例9：signaltap ii功能演示　164
5.10.1　实例的内容及目标　164
5.10.2　实例详解　165
5.10.3　小结　177
5.11　典型实例10：logiclock功能演示　177
5.11.1　实例的内容及目标　177
5.11.2　实例详解　178
第6章　fpga设计开发软件ise使用技巧　184
6.1　ise软件简介　184
6.1.1　ise软件简介　184
6.1.2　ise 7.1i特点　185
6.2　ise软件的安装与启动　186
6.2.1　ise软件的安装　186
6.2.2　ise软件的启动　188
6.3　ise软件的设计流程　189
6.4　创建设计工程　193
6.5　编译与仿真设计工程　197
6.6　增量式设计(incremental design)技巧　203
6.6.1　增量式设计的必要性　203
6.6.2　增量设计流程　204
6.6.3　小结　207
6.7　片上逻辑分析仪(chipscope pro)使用技巧　208
6.7.1　chipscope pro概述　208
6.7.2　chipscope pro设计流程　209
6.7.3　chipscope pro core inserter简介　209
6.7.4　chipscope pro analyzer简介　215
6.7.5　小结　219
6.8　典型实例11：chipscope功能演示　220
6.8.1　实例的内容及目标　220
6.8.2　基于chipscope pro core generator的实现流程　221
6.8.3　基于chipscope pro core inserter的实现流程　230
6.8.4　小结　234
6.9　典型实例12：增量式设计(incremental design)演示　234
6.9.1　实例的内容及目标　234
6.9.2　实例详解　234
6.9.3　小结　240
第7章　fpga系统设计的仿真验证　241
7.1　fpga设计仿真验证的原理和方法　241
7.1.1　fpga设计仿真验证　241
7.1.2　fpga设计仿真的切入点　241
7.2　modelsim仿真工具简介　243
7.2.1　标题栏　244
7.2.2　菜单栏　244
7.2.3　工具栏　249
7.2.4　工作区　249
7.2.5　状态栏　249
7.3　modelsim的仿真流程　249
7.3.1　modelsim的安装　249
7.3.2　使用modelsim进行功能仿真　250
7.4　功能仿真和时序仿真的区别和实现方法　253
7.4.1　功能仿真　253
7.4.2　时序仿真　256
7.5　仿真测试文件(testbench)的设计方法　257
7.5.1　测试文件的用途　257
7.5.2　测试文件设计方法　258
7.5.3　测试常用语句　260
7.6　典型实例13：sdram读写控制的实现与modelsim仿真　262
7.6.1　实例的内容及目标　262
7.6.2　sdram简介　262
7.6.3　sdram控制器的modelsim仿真　265
7.6.4　小结　267
第8章　基于fpga的片上可编程系统(sopc)设计　269
8.1　基于fpga的sopc系统组成原理和典型方案　269
8.1.1　soc及sopc简介　269
8.1.2　xilinx的sopc解决方案　270
8.2　altera公司的nios ii解决方案　271
8.2.1　nios的主要特点　271
8.2.2　nios技术实现方式　272
8.3　基于nios ii的开发设计流程　274
8.3.1　硬件开发流程　274
8.3.2　软件开发流程　281
8.4　典型实例14：基于niosii处理器的“hello led”程序设计　287
8.4.1　实例的内容及目标　287
8.4.2　实例详解　287
8.4.3　小结　295
8.5　典型实例15：基于niosii处理器的数字钟设计　296
8.5.1　实例的内容及目标　296
8.5.2　软件规划　296
8.5.3　实例步骤　296
8.5.4　小结　297
第9章　fpga系统设计原则和技巧　298
9.1　fpga系统设计的3个基本原则　298
9.1.1　面积与速度的平衡互换原则　298
9.1.2　硬件可实现原则　300
9.1.3　同步设计原则　301
9.2　fpga系统设计的3种常用技巧　302
9.2.1　乒乓操作技巧　302
9.2.2　串并/并串转换技巧　303
9.2.3　硬件流水线操作技巧　304
9.3　fpga系统设计的3种常用ip模块　305
9.3.1　片上存储器的使用方法　305
9.3.2　锁相环的使用方法　316
9.3.3　高速串行收发器的使用方法　321
第10章　利用fpga实现外设通信接口　326
10.1　fpga在外设接口实现方面的优势　326
10.1.1　充足的用户i/o资源　326
10.1.2　灵活的可编程逻辑　327
10.1.3　支持多种电平接口标准　327
10.2　利用fpga实现rs-232c串行接口　327
10.2.1　rs-232c接口概述　327
10.2.2　rs-232c接口的电气标准　327
10.2.3　rs-232c的通信协议　328
10.2.4　rs-232c接口的典型应用　329
10.3　利用fpga实现usb 2.0通信接口　329
10.3.1　usb 2.0接口的实现方式　329
10.3.2　fx2接口芯片的slave fifo传输模式　330
10.3.3　slave fifo模式的典型操作时序　331
10.3.4　fx2的固件程序设计　333
10.3.5　usb 2.0接口的典型应用　334
10.4　利用fpga实现常用显示接口(display interface)　334
10.4.1　七段数码显示接口的设计与实现　334
10.4.2　字符型lcd显示接口的设计与实现　336
10.4.3　vga显示接口的设计与实现　337
10.5　利用fpga实现a/d、d/a转换器接口　339
10.5.1　a/d、d/a转换器接口的特点　339
10.5.2　a/d、d/a转换器接口的实现方法　339
10.5.3　ad/da转换器接口的注意事项　340
10.6　典型实例16：rs-232c(uart)接口的设计与实现　341
10.6.1　实例内容及目标　341
10.6.2　实例详解　341
10.6.3　blockram的实现方法　342
10.6.4　fpga代码的设计实现　343
10.6.5　波特率的设定　345
10.6.6　modelsim仿真验证　345
10.6.7　小结　345
10.7　典型实例17：usb 2.0接口的设计与实现　346
10.7.1　实例的内容及目标　346
10.7.2　usb接口通信实战步骤　346
10.7.3　usb接口通信实例结果　348
10.7.4　fpga代码的设计实现　349
10.7.5　小结　352
10.8　典型实例18：字符lcd接口的设计与实现　353
10.8.1　实例的内容及目标　353
10.8.2　字符lcd接口实例内容　353
10.8.3　fpga代码设计实现　353
10.8.4　modelsim仿真验证　353
10.8.5　小结　356
10.9　典型实例19：vga接口的设计与实现　357
10.9.1　实例内容及目标　357
10.9.2　vga接口实例内容　357
10.9.3　fpga代码设计实现　357
10.9.4　modelsim仿真验证　357
10.9.5　小结　358
第10章　fpga与dsp协同处理系统设计　359
11.1　基于fpga+dsp协同处理平台的优势和适用领域　359
11.1.1　基于fpga的信号处理系统的特点　359
11.1.2　基于dsp的信号处理系统的特点　360
11.1.3　基于fpga+dsp的信号处理系统优势和应用领域　360
11.2　基于fpga+dsp的协同处理平台的设计流程　361
11.2.1　fpga与dsp的功能划分　361
11.2.2　fpga+dsp的系统设计流程　362
11.3　fpga与dsp的通信接口设计　363
11.3.1　基于tms320c64x系列的emif接口设计　363
11.3.2　基于tms320系列dsp的主机接口(hpi)设计　369
11.4　fpga+dsp协同平台的调试技巧和注意事项　371
11.4.1　fpga和dsp的隔离调试技术　371
11.4.2　fpga测试点的设计　372
11.4.3　借助fpga的内部逻辑分析仪来辅助调试　372
11.5　典型实例20：fpga片上硬件乘法器的使用　372
11.5.1　实例的内容及目标　372
11.5.2　硬件乘法ip的使用方法　373
11.5.3　小结　377
11.6　典型实例21：整数dct变换的设计与实现　378
11.6.1　实例的内容及目标　378
11.6.2　整数dct变换的原理　378
11.6.3　实例步骤　380
11.6.4　小结　382
第12章　数字图像倍焦系统设计与实现综合实例　383
12.1　设计需求分析与芯片选型　383
12.1.1　需求分析　383
12.1.2　芯片选型　384
12.2　系统工作原理分析　385
12.3　系统原理框图　387
12.4　fpga内部结构设计　388
12.4.1　fpga内部结构框图　388
12.4.2　各个模块功能描述　389
12.5　系统硬件配置方案　389
12.5.1　fpga的配置　389
12.5.2　video decoder(saa7113h)的配置　390
12.5.3　video encoder(saa7128)的配置　390
12.5.4　印刷电路板(pcb)设计　391
12.6　fpga在其他视频和图像处理系统中的应用　392
第13章　高速pci信号采集卡设计与实现综合实例　393
13.1　设计需求分析与功能定义　393
13.1.1　信号与信号采集系统　393
13.1.2　设计需求分析　394
13.1.3　选型及功能定义　395
13.2　系统工作原理分析　395
13.2.1　数据总线　396
13.2.2　控制总线　397
13.2.3　地址总线　397
13.2.4　信号采集系统控制机制　398
13.3　pci接口芯片pci9054与fpga的接口设计　398
13.3.1　pci9054的特性　398
13.3.2　pci9054工作模式　399
13.3.3　pci设备空间配置　400
13.3.4　pci9054与fpga接口设计　401
13.4　pci卡的驱动程序设计　405
13.4.1　wdm驱动程序模型　405
13.4.2　设备和驱动程序的层次结构　406
13.4.3　pci设备驱动程序例程　407
13.5　主机应用程序和驱动程序的接口设计　412
13.5.1　驱动程序例程的封装　412
13.5.2　plx api函数　413
13.5.3　api函数调用　416
13.5.4　pci9054驱动程序安装　416
13.6　fpga内部结构设计　416
13.6.1　构框图　416
13.6.2　设计方法　417
13.7　硬件系统实现　418
13.7.1　fpga配置　418
13.7.2　pci9054配置　419
13.7.3　pci9054 pci总线连接规范　420
13.7.4　电源系统　421
13.8　样机的调试方法和技巧　422
13.8.1　没有pci控制的跑马灯　422
13.8.2　基于pci控制的跑马灯　423
13.9　产品稳定性和可靠性测试　425
13.10　产品定型和设计文档备案　426