[正版新书]数字逻辑电路实验与实践 王淑艳 孙佳慧 倪健民 清华大学出版社 FPGA 电工电子 电子信息 逻辑电路

王淑艳，教授，工学博士，中国民航大学工程技术训练中心教师，工程技术训练中心于2013年就被教育部正式批准成为“国家级实验教学示范中心”。本人二十多年一直兢兢业业从事本科基础教学工作，主讲“数字逻辑电路实验”为天津市线上线下混合式一流课程。

“数字逻辑电路实验”课程是电类专业基础课，学生通过数字逻辑电路分析和设计、电路调试与测试，观察实验现象、分析实验结果和实验探索等环节学习，培育积极的劳动精神，培养学生严、实、能、用的工作作风。传统的数字逻辑电路实验呈现“自底向上”的特点，偏重对底层元器件的分析和设计，较少涉及系统级的集成与设计。为此，我们将现场可编程阵列FPGA引入数字逻辑电路实验中，FPGA具有灵活性高、并行计算和开发周期短等优点，可对复杂的数字系统进行设计与开发，在云计算、大数据及人工智能等领域得到广泛应用。目的是培养具有扎实基础知识和宽广专业技能，兼顾“基础”和“系统”的新兴电子信息技术人才培养需求。本教材在实验内容编排上力求实用，由浅入深，层层递进，循序渐进培养学生系统设计能力。实例中实验电路和程序都经过编者调试与测试，将实验原理、功能测试与应用相结合，注重工程实践系统观念的培养和综合应用能力的训练。

第1章 集成电路基础………………………………………………………………………… 1
1.1 集成电路发展概述 ………………………………………………………………… 1
1.2 集成电路封装 ……………………………………………………………………… 2
1.3 集成电路设计方法 ………………………………………………………………… 2
1.3.1 中小规模集成电路的设计方法…………………………………………… 3
1.3.2 电子设计自动化技术……………………………………………………… 3
1.3.3 用户现场可编程技术……………………………………………………… 3
第2章 FPGA技术简介 ……………………………………………………………………… 4
2.1 FPGA 概况 ………………………………………………………………………… 4
2.2 FPGA 的基本结构 ………………………………………………………………… 4
2.2.1 逻辑门阵列………………………………………………………………… 5
2.2.2 可配置逻辑模块…………………………………………………………… 5
2.2.3 可编程输入/输出逻辑模块 ……………………………………………… 5
2.2.4 布线资源…………………………………………………………………… 5
2.2.5 时钟网络…………………………………………………………………… 5
2.3 FPGA 采用的可编程技术 ………………………………………………………… 5
2.3.1 反熔丝技术………………………………………………………………… 6
2.3.2 可擦编程只读存储器技术………………………………………………… 6
2.3.3 闪存技术…………………………………………………………………… 6
2.3.4 静态随机存储器技术……………………………………………………… 6
2.4 FPGA 基本逻辑单元介绍 ………………………………………………………… 6
2.4.1 静态 CMOS反相器 ……………………………………………………… 6
2.4.2 D 触发器…………………………………………………………………… 8
2.4.3 静态随机存储器…………………………………………………………… 9
2.4.4 查找表的逻辑实现 ……………………………………………………… 10
2.5 FPGA 开发软件和设计流程……………………………………………………… 11
第3章 QuartusPrime17.1软件的使用 ………………………………………………… 13
3.1 QuartusPrime17.1软件简介…………………………………………………… 13
3.2 QuartusPrime17.1软件的操作………………………………………………… 13
3.2.1 新建工程项目 …………………………………………………………… 14
Ⅵ 数字逻辑电路实验与实践
3.2.2 输入设计文件 …………………………………………………………… 19
3.2.3 设计文件分析与综合 …………………………………………………… 24
3.2.4 分配引脚与编译 ………………………………………………………… 27
3.2.5 下载与测试 ……………………………………………………………… 28
3.3 修改 FPGA 芯片配置 …………………………………………………………… 31
3.4 基于IP核创建锁相环(PLL)模块 ……………………………………………… 32
3.5 嵌入式逻辑分析仪的使用………………………………………………………… 36
3.6 ModelSim 仿真软件的使用 ……………………………………………………… 42
3.7 大学计划 VMF仿真 ……………………………………………………………… 46
第4章 数字逻辑电路基础实验 …………………………………………………………… 50
4.1 数字逻辑电路实验操作基本要求………………………………………………… 50
4.2 数字逻辑电路实验基础知识……………………………………………………… 50
4.2.1 数字信号 ………………………………………………………………… 51
4.2.2 常用数制和8421BCD 编码……………………………………………… 52
4.2.3 数字信号输入方式 ……………………………………………………… 54
4.2.4 逻辑门和逻辑模块 ……………………………………………………… 55
4.2.5 逻辑函数表达式 ………………………………………………………… 57
4.2.6 数字逻辑电路分析 ……………………………………………………… 58
4.2.7 数字逻辑电路设计 ……………………………………………………… 59
4.2.8 数字逻辑电路调试与测试方法 ………………………………………… 60
4.3 数字逻辑电路基础实验项目……………………………………………………… 63
4.3.1 基础实验一:门电路和组合逻辑电路分析及测试 …………………… 64
4.3.2 基础实验二:译码器和数据选择器逻辑功能测试 …………………… 67
4.3.3 基础实验三:编码器与数值比较器逻辑功能测试 …………………… 74
4.3.4 基础实验四:静态显示电路分析及综合测试 ………………………… 79
4.3.5 基础实验五:实用分频器设计及测试 ………………………………… 81
4.3.6 基础实验六:触发器逻辑功能测试及应用 …………………………… 86
4.3.7 基础实验七:简单时序电路分析与设计及测试 ……………………… 90
4.3.8 基础实验八:集成计数器基本功能及分频应用测试 ………………… 94
4.3.9 基础实验九:动态显示电路综合设计及应用测试 …………………… 98
4.3.10 基础实验十:任意进制计数器设计及综合测试 …………………… 101
4.3.11 基础实验十一:任意进制减法计数器设计及测试 ………………… 105
4.3.12 基础实验十二:基于状态机的时序逻辑电路设计及测试 ………… 108
4.3.13 基础实验十三:移位寄存器电路分析及综合测试 ………………… 114
4.3.14 基础实验十四:555时基电路综合测试 …………………………… 117
4.3.15 基础实验十五:ROM 功能测试实验………………………………… 121
目录 Ⅶ
4.3.16 基础实验十六:RAM 功能测试实验………………………………… 126
4.3.17 基础实验十七:数字锁相环(PLL)功能测试实验 ………………… 132
第5章 数字逻辑电路综合实践…………………………………………………………… 137
5.1 数字逻辑电路综合实践设计概述 ……………………………………………… 137
5.2 综合实践项目的模块化设计 …………………………………………………… 137
5.2.1 综合实践项目的模块化设计概述……………………………………… 137
5.2.2 综合实践项目的工程规范性…………………………………………… 138
5.2.3 综合实践项目的通用模块……………………………………………… 139
5.2.4 模块电路设计、调试与接口制作 ……………………………………… 143
5.3 数字逻辑电路综合实践项目 …………………………………………………… 145
5.3.1 综合实践项目一:简易数字电子钟设计及综合测试 ………………… 146
5.3.2 综合实践项目二:流水灯设计及综合测试 …………………………… 150
5.3.3 综合实践项目三:简易电子琴设计及综合测试 ……………………… 154
5.3.4 综合实践项目四:音乐彩灯设计及综合测试 ………………………… 161
5.3.5 综合实践项目五:简易抢答器设计及综合测试 ……………………… 165
5.3.6 综合实践项目六:智能交通灯设计及综合测试 ……………………… 168
5.3.7 综合实践项目七:智能售货机控制电路设计及综合测试 …………… 173
5.3.8 综合实践项目八:电梯控制电路设计及综合测试 …………………… 174
5.3.9 综合实践项目九:简易直流电动机控制电路设计及综合测试 ……… 175
5.3.10 综合实践项目十:步进电动机控制电路设计及综合测试 ………… 175
5.3.11 综合实践项目十一:民航机场客流量统计电路设计及综合测试 … 176
5.3.12 综合实践项目十二:模拟飞机照明灯控制电路设计及综合测试 … 177
第6章 VerilogHDL语法简介与应用案例 ……………………………………………… 180
6.1 HDL 硬件描述语言介绍………………………………………………………… 180
6.2 VerilogHDL 语法简介 ………………………………………………………… 180
6.2.1 逻辑值…………………………………………………………………… 180
6.2.2 Verilog数据类型、常量与变量………………………………………… 181
6.2.3 关键字…………………………………………………………………… 183
6.2.4 标识符…………………………………………………………………… 183
6.2.5 运算符…………………………………………………………………… 183
6.2.6 Verilog程序框架 ……………………………………………………… 186
6.3 VerilogHDL 应用案例 ………………………………………………………… 187
6.3.1 编程案例一:按键控制下 LED 点亮实验 …………………………… 187
6.3.2 编程案例二:一位全加器实验 ………………………………………… 192
6.3.3 编程案例三:数据选择器实验 ………………………………………… 194
6.3.4 编程案例四:译码器实验 ……………………………………………… 197
6.3.5 编程案例五:D 触发器实验 …………………………………………… 199
Ⅷ 数字逻辑电路实验与实践
6.3.6 编程案例六:按键消抖实验 …………………………………………… 202
6.3.7 编程案例七:十进制计数器实验 ……………………………………… 205
6.3.8 编程案例八:分频器设计实验 ………………………………………… 208
6.3.9 编程案例九:数码管动态显示实验 …………………………………… 211
6.3.10 编程案例十:简易电子琴设计 ……………………………………… 216
6.3.11 编程案例十一:自动音乐播放器 …………………………………… 218
6.3.12 编程案例十二:跑马灯控制设计 …………………………………… 220
6.3.13 编程案例十三:简易抢答器控制设计 ……………………………… 224
6.3.14 编程案例十四:简易数字电子钟设计 ……………………………… 229
6.3.15 编程案例十五:交通灯控制器 ……………………………………… 233
6.3.16 编程案例十六:直接数字频率合成器 ……………………………… 237
6.3.17 编程案例十七:高速 A/D 数据采集测试 …………………………… 239
6.3.18 编程案例十八:FIR 数字滤波器 …………………………………… 241
第7章 实验中的常见问题及解决方法…………………………………………………… 249
7.1 软件操作常见问题及解决方法 ………………………………………………… 249
7.1.1 软件窗口界面设置问题………………………………………………… 249
7.1.2 模块中字体显示严重重叠……………………………………………… 250
7.2 新建工程相关问题及解决方法 ………………………………………………… 251
7.2.1 新建工程路径中出现乱码……………………………………………… 251
7.2.2 无法打开设计实例……………………………………………………… 251
7.2.3 编译等快捷图标为灰色,无法操作 …………………………………… 251
7.2.4 区分文件类型…………………………………………………………… 252
7.3 综合编译相关报错及解决方法 ………………………………………………… 254
7.3.1 一般通用方法…………………………………………………………… 254
7.3.2 原理图文件设计中的常见编译错误…………………………………… 255
7.3.3 状态机文件设计中的常见编译错误…………………………………… 261
7.3.4 VerilogHDL 文件设计中的常见编译错误…………………………… 264
7.4 仿真调试与测试相关问题及解决方法 ………………………………………… 267
7.4.1 ModelSim 联合仿真 …………………………………………………… 267
7.4.2 仿真文件路径问题……………………………………………………… 268
7.4.3 未全编译导致无法时序仿真…………………………………………… 269
7.5 引脚绑定相关问题及解决方法 ………………………………………………… 270
7.5.1 弹窗提示引脚分配不成功……………………………………………… 270
7.5.2 误关引脚分配列表……………………………………………………… 271
7.6 程序下载相关问题及解决方法 ………………………………………………… 272
7.6.1 测试程序无法下载到实验板上………………………………………… 273
7.6.2 设计文件下载到实验板后实验现象与预期不符……………………… 277
7.7 SignalTap Ⅱ波形测量相关问题及解决方法 ………………………………… 277
目录 Ⅸ
7.7.1 SignalTap Ⅱ无法识别下载器和实验板芯片 ………………………… 277
7.7.2 MatchingNodes列表中无法找到全部待测节点 …………………… 278
7.7.3 部分测试节点无波形或波形不正确…………………………………… 278
参考文献……………………………………………………………………………………… 280
附录A QuartusPrime常用模块 ………………………………………………………… 281
附录B QuartusPrime常用文件扩展名 ………………………………………………… 283