醉染图书用Verilog设计FPGA样机实例解析9787111536444

译者序
原书序
致谢
部基本数字电路
章门级组合电路
1.1简介
1.2一般描述
1.3基本词汇元素
1.4数据类型
1.4.1四值系统
1.4.2数据类型分类
1.4.3数字表示
1.4.4运算符
1.5程序结构
1.5.1端口声明
1.5.2程序体
1.5.3信号声明
1.5.4例子
1.6结构描述
1.7测试平台
1.8文献备注
1.9实验
1.9.1编码
1.9.2二进制解码器门级编码
第2章FPGA及EDA软件概述
2.1简介
2.2FPGA
2.2.1通用FPGA器件概述
2.2.2XilinxSpartan-3器件概述
.DigilentS3开发板概述
2.4开发流程
2.5XilinxISE图形化界面概貌
2.6ISEProjectNavigator简明教程
2.6.1创建工程和HDL代码
2.6.2创建Testbench及执行RTL
2.6.3添加约束文件综合和实现代码
2.6.4生成并下载配置文件至FPG芯
2.7ModelsimHDL器简明教程
2.8文献备注
2.9实验
2.9.1门级大于电路
2.9.2门级二进制译码器
第3章寄存器传输级组合逻辑电路
3.1引言
3.2运算符
3.2.1算术运算符
3.2.2移位运算符
3..关系和等价运算符
3.2.4按位运算符、缩减运算符和逻辑运算符
3.2.5位拼接和复制运算符
3.2.6条件运算符
3.2.7运算符优先级
3.2.8表达式位长度调整
3.2.9z、x的综合
3.3组合逻辑电路always块
3.3.1基本语法和行为
3.3.2顺序赋值语句
3.3.3变量数据类型
3.3.4简单示例
3.4if语句
3.4.1语法
3.4.2示例
3.5case语句
3.5.1语法
3.5.2示例
3.5.3casez和casex语句
3.5.4fullcase与parallelCaSe
3.6条件控制语句的布线结构
3.6.1优先路由网络
……
第4章常规的时序电路
第5章有限状态机
第6章带数据路径的有限状态机
第7章Verilog相关的话题
第二部分I/O模块
第8章UART
第9章PS2键盘
0章PS2鼠标
1章外部SRAM
2章XilinxSpartan-3特殊存储器
3章VGA控制器I：图形
4章VGA控制器II：示例
第三部分PicoBlaze微控制器
5章PicoBlaze概述
6章PicoBlaze汇编语言开发
7章PicoBlazeI/O接口
8章PicoBlaze中断接口
附录Verilog举例
参考文献

HDL（硬件描述语言）和FPGA（现场可编程门阵列）器件可以使设计者很快地完成复杂数字电路的开发和，并在样机器件上实现，随后对器件电路的实际运行情况进行检查。随着工艺的成熟，HDL和FPGA已经成为设计实践的主流。利用PC机和普通的FPGA开发板就能构造出十分复杂的数字系统。本书采用实际操作的学习方法，利用丰富的示例来阐述FPGA和HDL的开发和设计过程。书中包含了大量实例，从简单的门级电路，到带有8位软核处理器和定制I/O外设的复杂嵌入式系统。所有这些例子都可以被综合成具体电路，并在开发板上进行实际测试。

  本书关注要点：

  本书关注的重点是综合后生成硬件的优劣，而不是HDL语法。本书只关注一小部分可综合子集，并使用少量的代码模板为不同类型的电路提供框架，而不是解释每一个语句的结构。这些模板都是通用的，很容易综合到复杂的系统中。虽然这种方法了语法表达的“自由”，但并不妨碍我们开发创新的硬件结构。由于HDL语言的通用和适应，同一个电路通常可以用多种语言结构和代码风格表达。其中许多代码是用于建模的。这些代码综合后可能导致不必要的复杂硬件实现，有时还根本不可能综合成任何具体电路。这种模板方式实际上能够促使我们更多地去思考硬件电路本身，养成良好的编码习惯。由于我们的主要兴趣是在硬件上，所以花一些时间研究如何使用同一个代码模板来开发多种不同的硬件结构，而不是用多种不同版本的代码来描述同一个电路是十分有价值的。

  目前有两种流行的HDL语言，它们分别是VHDL和Verilog。这两种语言都得到广泛的应用，并且都是IEEE标准。本书使用Verilog，而另一本标题类似的书使用VHDL。尽管两者的语法差异较大，但它们的功能却很好相似，都能很好地达到设计目标。当我们掌握了一种语言的设计实践和编码方法后，再学习另一种语言就会变得很好简单。

  虽然本书是为初学者编写的，但书中的示例都严格遵循设计准则，可为读者今后的工作打下良好的基础。编码和设计方法是“向上兼容的”，意思是：
？同样的方法可应用于未来的大型设计之中。
？同样的方法能够有于的系统开发任务，包括，时序分析，验和测试。
？同样的方法能够被应用到ASIC技术和不同类型的FPGA器件中。
？代码能够被不同厂家的综合软件综合。
    总之，本书是一本实用的、以硬件为核心的教材，其内容涉及用简洁的HDL、遵循规范的设计和编码原则，优选限度地实现向上兼容。

  购买本书得益处：

  本书包含三大部分：
基本数字电路，外设模块和嵌入式微控制器。针对的读者群除了正在学习入门级或者不错数字系统设计课程的学生外，还包括想要学习FPGA和基于HDL开发的在职。对于书中前两部分内容，需要读者具有数字系统的基本知识，而数字系统通常是工程和计算机工程专业课程中的必修课。对于第三部分的内容而言，如果之前学习过汇编语言编程会很有帮。


  本书所采用的工具：
  虽然本书的主要目标是教会读者如何编写与开发工具和FPGA器件无关的HDL代码，但我们必须得选择一种开发工具（即软件包）和一套FPGA开发板来进行综合和实现这些示例。本书使用了Xilinx公司的综合工具和FPGA器件，Xilinx公司是一家在该领域处于领导地位的公司。


  软件：
  使用的综合软件是Xilinx ISE开发套件的网络版。与接近版的套件相比，网络版除了支持的器件数量受限外，功能与接近版是类似的。大多数入门级开发板都使用便宜的Spartan-3系列FPGA器件。由于网络版支持Spartan-3器件，因此它符合我们的需求。本书使用的软件是Mentor Graphics公司的 ModelSim XE III入门版。它是ModelSim的定制版。这两个软件包都是免费的，并且能够从Xilinx上下载。
  FPGA开发板：
  使用由Digilent Inc公司生产的几款入门级FPGA开发板，其中包括Spartan-3 Starter，Nexys-2和Basys等开发板，它们都包含一个Spartan-3/3E FPG芯和相似的外围电路。书中的设计示例是基于Spartan-3 Starter开发板（或简称为S3板）的，但大多数示例也能在开发板上直接使用。HDL代码的适用总结如下：


？Spartan3 Starter (S3)开发板。  S3开发板包含所有的外围器件，不需要的附属模块。所有的HDL代码和相关讨论能够直接应用在这块开发板上。
？Nexys-2开发板。  Nexys-2开发板是一块比较新的开发板，包含了一片较大型的FPG芯和存储芯片。外围器件与S3开发版相似。与S3开发板有两处不同：，其VGA接口的"颜色深度"由3位扩展到8位。因此3和14章讨论的VGA接口电路的输出需要根据情况进行相应的修改。第二，Nexys-2板包含更复杂的外部存储器。尽管能够配置为异步SRAM，但其时序特与S3开发板上的存储芯片是不同的，因此1章描述的存储控制器HDL代码便不能直接使用。但同样的设计准则依然可以应用于新的控制器的构造。
？Basys开发板  Basys开发板是一个简易的开发板。缺少RS-2连接器。为了实现第8章描述UART模块和串行接口，我们需要Digilent的RS-2转换器外设模块。Basys开发板没有外部存储器件，因此1章描述的存储控制器无法应用。
？FPGA开发板  本书描述的大部分外设器件其实都是工业级标准的器件，并且相应的HDL代码能够被用于开发板上，只要开发板提供类似的接口和连接器。除了Xilinx特定的部分外，这些代码也能够应用于厂商设计的基于FPGA器件的开发板上。

  PC的附件：
  设计示例包含了用于连接PC外围设备的接口。键盘，鼠标和VGA显示器是必需的，还需要一条用于连接UART模块的普通串行数据线。这些外设使用广泛，通常可以在一台旧的PC上找到。

  本书的结构：
  本书分为三个主要部分。部介绍基础的HDL结构和对应硬件，并示范如何用这些结构来搭建基本的数字电路。本书由六章组成：
？章介绍了HDL程序的结构，基础语法和逻辑操作符。根据这些语言结构，可以推导出相应的门级组合电路。
？第二章介绍FPGA器件、原型板和开发流程。借于Xilinx ISE综合软件教程和Mentor Graphics ModelSim软件教程进行开发过程的示范。
？第三章介绍与HDL语言相关的操作符和算法操作符及其电路的结构。它们与中规模元件（如比较器，加法器和多路复用开关等元件）对应。模块级组合电路就是由这些语言结构得到的。
？第四章介绍存储元件和构造简单时序电路的代码，例如器和移位寄存器，这些电路的状态转移表现为简单的有序模式。
？第五章讨论有限状态机（FSM）的构建，有限状态机也是一种时序电路，但它的状态转移表现为复杂的非有序模式。
？第六章介绍了带有数据路径的有限状态机（FSMD）的构建。FSMD用于实现寄存器传输（RT）方法学，通过数据在寄存期间的传输和操作，描述系统的运行。
？第七章介绍关于语言构造和编码技术方面的若干不错话题，并介绍更加复杂测试平台的开发技术。读者可以跳过该章，不会影响对章节的理解。

第二部分是应用部的技术为原型板设计一系列外围模块。每章介绍一个单独外设的开发、实现和验。可以将这些模块组成一个更大的工程。该部分包括七个章节：
？第八章介绍了普通的异步收发送器(UART)的设计，用于提供原型板上的RS-2接口接收和发送数据的串行链路。
？第九章介绍了键盘接口的设计，可以从键盘上读取扫描码。键盘通过开发板上的PS2接口与其连接。
？第十章介绍了鼠标接口的设计，可以从鼠标上获得点击和移动信息。鼠标也是通过开发板上的PS2接口与其连接。
？十章讨论了存储控制器的实现和时序。该控制器用于对S3板上的两个静态随机存储器（SRAM）读取和写入数据。
？第十二章讨论了Spartan-3器件中特定元件的推断和使用。重点是FPGA的内部存储块。
？第十三章介绍了一个视频控制器的设计和实现。讨论的内容包括视频同步信号的产生并展示了比特映和对象映图像界面的构造。显示器通过开发板上的VGA接口进行连接。
？第十四章继续介绍视频控制器的开发。讨论展示了文字界面和常规分片映机制的构建。

第三部分介绍基于FPGA的软核微控制器，即PicoBlaze，展示了如何将通用处理器和定制电路进行集成。该部分包括四个章节：
？第十五章对PicoBlaze的结构和指令集进行了简介。
？第十六章对基本的汇编语言编程进行了介绍，并提供了一个总的开发流程。
？第十七章讨论了PicoBlaze的I/O特，并展示了如何将与其外设通过定制电路连接起来。
？第十八章讨论了PicoBlaze的中断能，并展示了一个定制的中断处理电路的构建。
除了常规的章节，附录部分总结和列出了所有的代码模版。

  特殊标识xilinx specific  本书中我们使用了两种特殊的段落标记：一个是为了描述Xilinx-specific（Xilinx公司特有的）特，另一个是为了描述Verilg-995的结构。虽然在本书中描述的例子是基于Xilinx开发板来实现的，并且代码也是采用Xilinx ISE软件进行综合，我们仍设法使HDL代码不依赖于器件和软件。本书提到的大多数内容和代码能够应用到不同的目标器件，也可以被不同的综合软件综合。然而，一些代码或器件特是Xilinx ISE或者Spartan-3FPG芯所专享的。我们用Xilinx specific上标，表示相应的部分或者章节的内容仅是针对Xilinx公司的器件。

  同样，像在这一页的边缘，我们用边缘标记来表明这段的内容仅针对Xilinx。这些标记表明代码或设计不可直接移植，需要针对不同的软件包或目标板对代码和设计进行修改。1995年Verilog语言次得到批准（被引用作Verilg-995），并在2001年修订（被引用作Verilog-2001）。修订版有很多改进。本书中使用的是Verilog-2001。如果一种语言使用了两种不同版本进行构建，我们会将其分开，单独对旧版本进行描述，并在页边缘做上标记，用于这种类型的讨论。这些容“参考”，目的是帮读者理解旧版本的Verilog代码。

  指导价值：
  本书可作为数字系统概论或者不错工程指导的参考书。在数字系统概论中，本书提供了课程的试验部分。部的章节基本上都遵循了典型的课程顺序，可作为常规课程的参考。可以选择一