本书根据课堂教学、实验操作要求并通过远程云端硬件实验平台呈现，以提高学生的实际工
程设计能力为目的，深入浅出地介绍了基于 Verilog HDL 的数字系统设计。全书共分 8 章，分别
是 ： EDA 技术概述， Verilog HDL 语言基础，组合逻辑电路设计，时序逻辑电路设计，时序状态
机设计，存储器设计，常用接口电路设计，复杂数字电路系统设计，附录为远程云端实验平台简
介。本书按照知识递进、难度递进的原则组织内容，通过大量完整的实例讲解了基于远程云端硬
件实验平台的 Verilog HDL 数字系统设计的基本原理、概念和方法。
本书主要面向高等院校应用型本科 EDA 技术和 FPGA 应用开发等课程，推荐作为电子、通信、
自动化、电气等学科专业与相关实践指导课的授课教材或主要参考书，同时也可以作为参加电子
设计竞赛的高年级学生、从事数字电路设计的工程人员的自学参考书，还可作为智能硬件应用开
发 1+X 证书项目高级证书的培训配套教材。

随着 EDA 技术的发展，其在电子信息、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，随着技术市场对 EDA 技术需求的不断提高，产品的市场效率和技术要
求也必然会反映到教学和科研领域中。 EDA 技术在职业教育、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，并且更多地注重创新性实验。这显
然是科技发展和市场需求双重影响下的结果。远程云端硬件平台的产生适应了时代的发展要
求，满足互联网要求，克服了 EDA 技术学习的时间和空间限制，最大限度地满足硬件调试和
设计要求。
本书的内容包括 Verilog HDL 语法详细讲解， EDA 工程软件使用方法详解，以及具体工
程案例，实验项目指导和远程云端硬件调试。教学安排以语言为基础，循序渐进地设计数字电
路，并最终通过远程云端硬件平台调试完成复杂数字系统设计。通过本书的学习可以独立进行
FPGA 设计，完成数字系统设计，最终通过远程云端硬件平台实现数字系统。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，并对硬件电路进行优化设计，进行仿真验证，
注重工程实践和实际应用。学生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
可以根据本课程的实验学时和教学内容的要求，以及学生的兴趣程度，以不同的方式或形式布
置学生完成综合性、创新性项目。
本书有以下几方面的特色：
（ 1）基础内容精练。本书是针对 FPGA 工程应用的，所以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，软件仿真测试及远程云端硬件调试。
（ 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。
本书由赵科任主编，郑剑海任副主编。在本书编写过程中，得到了北京杰创永恒科技有
限公司郝晓彬、张秋瑞等工程师的大力帮助，参考和引用了有关专家的相关文献，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。
编者
2021 年 8 月

第1章 ？EDA技术概述 ................................................................................ 1
1.1 EDA技术及其发展.........................................................................................................................1
1.2？硬件描述语言.................................................................................................................................2
1.3 EDA设计工具.................................................................................................................................3
1.4？可编程逻辑器件.............................................................................................................................4
小结 ..........................................................................................................................................................6
习题 ..........................................................................................................................................................6
第2章 ？Verilog HDL语言基础.....................................................................7
2.1？程序结构.........................................................................................................................................7
2.1.1？硬件描述语言简介..................................................................................................................7
2.1.2 Verilog 基本程序结构.............................................................................................................8
2.2？基本语法.........................................................................................................................................9
2.2.1？基本语法规则..........................................................................................................................9
2.2.2？常量及其表示........................................................................................................................ 11
2.2.3？变量及其数据类型................................................................................................................13
2.2.4？表达式....................................................................................................................................17
2.2.5？运算符及其优先级................................................................................................................17
2.3？描述方式.......................................................................................................................................21
2.3.1？结构化描述............................................................................................................................21
2.3.2？数据流描述............................................................................................................................23
2.3.3？行为描述................................................................................................................................24
2.3.4？描述形式与电路建模............................................................................................................40
2.4 逻辑仿真......................................................................................................................................40
2.4.1 Testbench简介........................................................................................................................41
2.4.2？激励信号................................................................................................................................41
2.4.3？系统自定义函数和任务........................................................................................................45
小结 ........................................................................................................................................................53
习题 ........................................................................................................................................................53
第3章 ？组合逻辑电路设计.......................................................................... 55
3.1？编码器...........................................................................................................................................55
3.1.1？普通编码器............................................................................................................................55
3.1.2？优先编码器............................................................................................................................57
3.2 译码器..........................................................................................................................................61
3.2.1？二进制译码器........................................................................................................................61
3.2.2？显示译码器............................................................................................................................62
3.3？数据选择器...................................................................................................................................64
3.3.1？二选一数据选择器................................................................................................................64
3.3.2？四选一数据选择器................................................................................................................64
3.4？数据分配器...................................................................................................................................67
3.5？数值比较器...................................................................................................................................68
3.6？加法器...........................................................................................................................................69
3.7？算术逻辑单元...............................................................................................................................71
小结 ........................................................................................................................................................73
习题 ........................................................................................................................................................74
第4章 ？时序逻辑电路设计.......................................................................... 75
4.1？时序逻辑电路建模基础...............................................................................................................75
4.2？锁存器和触发器建模...................................................................................................................76
4.2.1 D锁存器.................................................................................................................................76
4.2.2 D触发器.................................................................................................................................77
4.2.3？异步置位和复位D触发器.....................................................................................................78
4.2.4？同步置位和复位D触发器.....................................................................................................80
4.2.5？异步复位和同步置位JK触发器 ...........................................................................................82
4.2.6？阻塞赋值和非阻塞赋值........................................................................................................83
4.3？寄存器建模...................................................................................................................................86
4.3.1？普通寄存器............................................................................................................................86
4.3.2？移位寄存器............................................................................................................................87
4.4？计数器建模...................................................................................................................................90
4.4.1？同步四位二进制加计数器....................................................................................................90
4.4.2？异步四位二进制加计数器....................................................................................................92
4.4.3？非二进制加计数器................................................................................................................94
4.4.4？参数化任意进制加计数器....................................................................................................96
4.4.5？分频器..................................................................................................................................103
小结 ......................................................................................................................................................104
习题 ......................................................................................................................................................105
第5章 ？时序状态机设计 .......................................................................... 106
5.1？有限状态机.................................................................................................................................106
5.2？状态机设计实例.........................................................................................................................108
小结 ......................................................................................................................................................118
习题 ......................................................................................................................................................118
第6章 ？存储器设计 .................................................................................119
6.1 ROM设计.................................................................................................................................... 119
6.1.1？调用ROM IP核实现............................................................................................................ 119
6.1.2 ROM程序设计.....................................................................................................................124
6.2 RAM设计....................................................................................................................................126
6.2.1？调用RAM IP核实现............................................................................................................126
6.2.2 RAM程序设计.....................................................................................................................128
6.3 FIFO设计 ....................................................................................................................................130
6.3.1？调用FIFO IP核实现.............................................................................................................130
6.3.2 FIFO程序设计.....................................................................................................................133
6.4 STACK程序设计 ........................................................................................................................135
小结 ......................................................................................................................................................138
习题 ......................................................................................................................................................138
第7章 ？常用接口电路设计.........................................................................139
7.1 LED显示控制 .............................................................................................................................139
7.2？数码管显示控制.........................................................................................................................141
7.3？蜂鸣器播放音乐.........................................................................................................................148
7.4？阵列键盘控制.............................................................................................................................155
7.5？按键脉冲信号产生.....................................................................................................................156
7.6？直流电动机控制.........................................................................................................................158
7.7？步进电动机控制.........................................................................................................................161
7.8？序列检测器.................................................................................................................................169
7.9 LCD1602显示控制.....................................................................................................................171
7.10 IIC总线存储器控制..................................................................................................................176
7.11 SPI总线存储器控制 .................................................................................................................182
7.12？串行ADC控制...........................................................................................................................186
7.13？串行DAC控制...........................................................................................................................189
7.14？点阵显示...................................................................................................................................191
小结 ......................................................................................................................................................195
习题 ......................................................................................................................................................196
第8章 ？复杂数字电路系统设计 ...................................................................197
8.1？简易数字钟设计.........................................................................................................................197
8.2？交通灯控制设计.........................................................................................................................201
8.3？密码锁设计.................................................................................................................................207
8.4？频率计设计.................................................................................................................................214
8.5？信号发生器设计.........................................................................................................................220
8.6？实验与设计.................................................................................................................................225
实验8-1？含有异步清零、同步使能的十进制可逆计数器设计 ................................................225
实验8-2？双向移位寄存器设计 ....................................................................................................226
实验8-3？数码管动态扫描显示电路设计 ....................................................................................226
实验8-4？键盘显示电路设计 ........................................................................................................227
实验8-5？出租车模拟计价器设计 ................................................................................................228
实验8-6？具有4种信号灯的交通灯控制器设计 ..........................................................................228
实验8-7？拔河游戏机设计 ............................................................................................................229
小结 ......................................................................................................................................................230
习题 ......................................................................................................................................................230
附录A 远程云端实验平台...................................................231
A.1？远程云端实验平台简介............................................................................................................231
A.2？远程云端实验平台登录简介....................................................................................................232
A.3？远程云端实验平台器件简介....................................................................................................237
A.3.1？基础器件介绍.....................................................................................................................238
A.3.2？实物器件介绍.....................................................................................................................243
A.3.3？逻辑器件介绍.....................................................................................................................256
A.4？远程云端实验平台硬件简介....................................................................................................266
A.4.1？硬件平台接口电路.............................................................................................................266
？

赵科，男，大连交通大学电基础教研中心书记，副教授，研究方向控制科学与控制工程。主要讲授课程：电路原理、模拟电子技术、数字电子技术、电子设计自动化（EDA）。获得过、“首届中国东北地区高等学校青年教师电工学课程教学竞赛”一等奖；“第二届全国高等学校青年教师电子技术基础、电子线路课程授课竞赛初赛（东北赛区）”二等奖；“第一届东北地区高校电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛”二等奖；“辽宁省第二十三届教育教学信息化大赛”微课二等奖；“大连交通大学第十届青年教师教学优秀奖”二等奖；“大连交通大学教学成果奖”二等奖；“第六届全国电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛（鼎阳杯）”三等奖。主持省部级重点实验室开放基金“网络控制系统的控制策略与调度方法研究”；主持下一代互联网技术创新项目“一种开放互联的智能实验室系统解决方案研究与实现”。

本书是智能硬件应用开发1+X职业技能FPGA配套教材。