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基于Verilog HDL 的数字系统设计简明教程——全部案例基于远程云端平台实现
书号:9787113285036 套系名称:智能硬件应用开发1+X职业技能FPGA配套教材
作者:赵科 出版日期:2022-02-01
定价:58.00 页码 / 开本:无 /16
策划编辑:王春霞 责任编辑:王春霞 李学敏
适用专业:电子信息类 适用层次:高等教育,高等职业(专科)
最新印刷时间:2022-11-03
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图书特色
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。