基于Verilog HDL的数字系统设计与实现

本书有以下几方面的特色：（1）基础内容精炼。本书针对FPGA工程应用，编写的基础理论及语法内容简洁凝练，主要提供一种查阅功能；（2）工程特点突出。本书突出实践性，针对电类相关专业分别举例，并结合基础性应用，全方位介绍实际工程应用的开发方法；（3）注重编程技巧及仿真测试；（4）内容全面。本书采用的案例，覆盖了电类相关专业，可以使读者得到丰富的工程开发方面的设计知识。 

本书基本上以语言为基础，循序渐进设计数字电路，并*终完成复杂数字系统，*终通过本书的学习可以独立进行FPGA设计，完成数字系统设计。书中讲解项目设计时，任务明确、条理清晰、结构规范、系统性强，并对硬件电路的进行优化设计，进行仿真验证，锻炼了硬件电路设计技巧，注重工程实践和实际应用，对初学者来说是一本很好的学习教材，对工程技术人员又是一本很好的参考资料。

赵科，2006-至今，大连交通大学任教，主要负责《电子设计自动化（EDA）》方向的教研工作，2014年主持校内教改项目《电子设计自动化（EDA）》课程评价与考核改革专项；2015年获大连交通大学第九届青年教师教学评比优秀奖。

目 录
部分　基础篇
第1章　硬件开发平台及集成开发平台 2
1.1 FPGA原理及介绍 2
1.1.1 FPGA结构及原理 2
1.1.2　FPGA芯片介绍 7
1.2　硬件开发平台 10
1.2.1　硬件平台介绍 10
1.2.2 硬件接口电路 11
1.2.3　开发板引脚定义 14
1.3　集成开发环境Vivado 17
1.3.1　Vivado套件介绍 18
1.3.2　Vivado开发流程 18
1.3.3　生成和下载PROM文件 35
第2章　Verilog HDL语言基础 37
2.1　模块结构 37
2.1.1　硬件描述语言简介 37
2.1.2　Verilog 基本模块结构 38
2.2　基本语法 39
2.2.1　基本语法规则 39
2.2.2　常量及其表示 41
2.2.3　变量及其数据类型 44
2.2.4　表达式 48
2.2.5　运算符及其优先级 48
2.3　描述方式 52
2.3.1　结构化描述 52
2.3.2　数据流描述 54
2.3.3　行为描述 56
2.3.4　描述形式与电路建模 69
2.4 逻辑仿真 70
2.4.1　Testbench简介 70
2.4.2　激励信号 70
2.4.3　系统自定义函数和任务 75

第二部分　入门篇
第3章　组合逻辑电路设计 86
3.1　编码器 86
3.1.1　普通编码器 86
3.1.2　优先编码器 87
3.2　译码器 91
3.2.1　二进制译码器 92
3.2.2　显示译码器 93
3.3　数据选择器 94
3.3.1　二选一数据选择器 94
3.3.2　四选一数据选择器 95
3.4　数据分配器 97
3.5　数值比较器 98
3.6　加法器 99
3.7　算术逻辑单元 100
第4章　时序逻辑电路设计 103
4.1 时序逻辑电路建模基础 103
4.2　锁存器和触发器建模 103
4.2.1　8位D锁存器 104
4.2.2　D触发器 105
4.2.3　异步置位和复位D触发器 106
4.2.4　同步置位和复位D触发器 108
4.2.5　异步复位和置位JK触发器 109
4.2.6　阻塞赋值和非阻塞赋值 111
4.3　寄存器建模 113
4.3.1　普通寄存器 113
4.3.2　移位寄存器 114
4.4　计数器建模 115
4.4.1　同步四位二进制加计数器 115
4.4.2　异步4位二进制加计数器 117
4.4.3　非二进制加计数器 119
4.4.4　分频器 120
第三部分 提高篇
第5章 时序状态机设计 123
5.1 有限状态机 123
5.2 状态机设计实例 124
第6章 原理图设计及IP调用 132
6.1 原理图设计 132
6.2 IP调用 132
6.2.1 创建新封装IP的设计工程 132
6.2.2 添加新封装IP的设计源文件 133
6.2.3 定制封装IP 134
6.2.4 调用用户封装IP 136
6.2.5 系统行为级仿真 138
6.2.6 系统验证 139
第7章 常用接口电路设计 141
7.1 LED显示控制 141
7.2 数码管显示控制 144
7.3 按键控制 153
7.4 脉冲信号产生电路 157
7.5 序列检测器 158
第四部分 应用篇
第8章 复杂数字电路系统设计 162
8.1 简易数字钟设计 162
8.2 简易万年历设计 165
8.3 交通灯控制器设计 172
8.4 频率计设计 176
8.5 密码锁设计 182
8.6 抢答器设计 189
8.7 简易信号发生器设计 193
8.8 数字电压表设计 205
8.9 温湿度测量电路设计 214
第9章 实验与设计 223
9.1 含有异步清零、同步使能的十进制可逆计数器设计 223
9.2 双向移位寄存器设计 224
9.3 数码管动态扫描显示电路设计 224
9.4 键盘显示电路设计 225
9.5 电子日历和电子时钟设计 226
9.6 反应测量仪设计 227
9.7 出租车模拟计价器设计 228
9.8 具有4种信号灯的交通灯控制器设计 229
9.9 拔河游戏机设计 230
参考文献 232

前    言
随着EDA技术的发展，EDA在电子信息、通信、自动化控制及计算机应用等领域的重要性日益突出。与此同时，技术市场对EDA技术需求的不断提高，也必然会反映到教学和科研领域中来。以近十届的全国大学生电子设计竞赛为例，涉及EDA技术的赛题从未缺少过。EDA技术在本科和研究生教学中有两个明显的特点：其一，各专业中EDA教学实验课程的普及率和渗透率极高；其二，几乎所有实验项目都部分或全部融入了EDA技术，其中包括数字电子技术、计算机组成与设计、计算机接口技术、数字通信技术、嵌入式系统和DSP等实验内容，并且更注重创新性实验。这显然是科技发展和市场需求双重影响下的必然结果。
本书按由浅入深的学习顺序进行安排，让读者先了解FPGA器件原理，再学习基本的Verilog语言基础和EDA工程软件使用方法，以及具体工程案例和实验项目指导。读者通过本书循序渐进地学习数字电路的设计及仿真，并终完成复杂数字系统的设计及验证。书中讲解项目设计时，任务明确、条理清晰、结构规范、系统性强，并对硬件电路进行了优化设计和仿真验证，其目的是使读者掌握硬件电路设计技巧，注重工程实践和实际应用。本书对初学者来说是一本很好的学习教材，对工程技术人员又是一本很好的参考书籍。对于实验与设计，书中给出了详细的实验目的、实验原理和实验步骤，读者可以根据书中的大量实例进行知识扩展和创新设计。授课教师也可以根据本课程的实验学时和教学内容的要求，依照学生的兴趣程度，以不同的方式或形式让学生完成综合性、创新性项目。
本书有以下几方面的特色：（1）基础内容精炼。本书针对FPGA工程应用，编写的基础理论及语法内容简洁凝练，主要提供一种查阅功能；（2）工程特点突出。本书突出实践性，针对电类相关专业分别举例，并结合基础性应用，全方位介绍实际工程应用的开发方法；（3）注重编程技巧及仿真测试；（4）内容全面。本书采用的案例，覆盖了电类相关专业，可以使读者得到丰富的工程开发方面的设计知识。
本书是引导读者进入EDA深入学习的一把钥匙，特别适合电类专业及相关专业读者系统学习电子设计自动化技术。为便于读者学习，并考虑到本书的篇幅，本书第8章复杂数字电路系统设计部分的代码，读者可以通过扫描书中给出的相应二维码在线阅读。为便于教学，本书向使用本书作为教材的教师提供电子课件，请登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn）注册下载。
本书的第1章、第3～9章由赵科编写，第2章由鞠艳杰编写。本书编著者长期从事模拟电子技术、数字电子技术、硬件描述语言及FPGA应用开发等课程的教学工作。在本书的编写过程中，得到了薛严冰、刘晓博、陈宝君老师的大力帮助，参考和引用了有关专家的著作和论文，在此一并表示衷心的感谢。
由于时间仓促和编者水平所限，书中难免有疏误和不当之处，恳请读者批评指正。