FPGA从入门到精通（实战篇）

本书由至芯科技教研组从各大高校的授课内容中整理而来，是为初学者量身定制的FPGA入门教材，从基础的软件安装、工具使用、语法解释、设计方法、常用IP，到最后的设计技巧及大量的进阶实例，内容环环相扣，为初学者建立了一个比较清晰的学习路径。“设计思路及方法”为本书的重点强调内容，它作为一条主线贯穿始终。初学者只有掌握了正确的学习和设计方法，才能在数字逻辑设计领域越走越远。本书没有收录过多烦琐的理论，一切从实战出发，按照一套相对高效的设计方法直接切入一个个小的实例。本书内容由浅入深，适合作为可编程逻辑器件初学者的入门和进阶教材，也适合作为电子信息、计算机等专业的本科生、研究生，以及具有一定电子专业知识背景的电子工程师的参考用书。

至芯科技在之前几年，一直处于高速发展阶段，作为国内fpga专业人才培训的品牌，至芯科技将一如既往地坚持在教学一线中，为遍布在全国各地的高校学员提供统一、标准的专业培训解决方案，更好地助力学习道路上的成长，全力推动其在专业领域内的专业发展！至芯科技教研组为至芯科技公司的教材研发团队，长期工作在教学一线，拥有丰富的实战经验。

源于实践：内容全部取材于至芯科技教研组在各大高校的具体授课内容，设计流程规范。

移植性强：各代码模块的实战价值高，可有效缩短二次开发周期。

本书是由至芯科技教研组推出的FPGA基础入门教材。其内容深入浅出，从最基础的语法到进阶的端口驱动开发，所有的设计都紧紧围绕着“设计思路及方法”这样的一条主线进行。

本书内容全部取材于至芯科技教研组在各大高校的具体授课内容，设计流程规范，知识总结精练。在每个项目中都给出了具体的设计目的、设计原理、系统架构、各模块端口的说明及具体模块的代码等，可以有效地帮助初学者快速进行FPGA设计。

本书特点

? 教学内容全部以实例形式呈现，在动手实现实际项目的过程中掌握常用的语法、设计方法、通用接口及FPGA设计过程中的设计技巧。

? 本书由至芯科技教研组编写，在内容编写过程中融入了大量的工程实战经验，各代码模块的实用性强、可移植性强，大部分功能模块可直接迁移到其他设计中，从而有效缩短二次开发周期。

至芯科技教研组根据多年的项目研发和教学经验，将项目设计研发中需要用到的一些开发技巧和学习方法尽可能体现在每一个实例中。通过本书的学习，读者不但可以掌握常用的FPGA接口和外设驱动方式。更重要的是，通过理解和练习，读者可以建立一套完整、规范的开发设计流程，以便助力之后的项目开发。

为了方便大家阅读，在本书中引入一位与大家一起学习的伙伴—小芯，它将与大家一起进行FPGA的学习。

感谢

本书是在至芯科技教研组于2016年出版的《你好FPGA：一本可以听的入门书》基础上改编而来的，因此，特别感谢王建飞、刘春玲、李茁、崔智军、寇飞强、郝旭帅、陈飞龙等为本书所做的贡献。

由于编者水平和时间限制，书中难免存在不妥之处，敬请广大读者予以指正和帮助。

编 者

2020年6月

第1章 没有金刚钻，不揽瓷器活 1
1．1 Quartus II 19．1――易学易用的编译器 1
1．2 ModelSim――独具慧眼的仿真工具 8
1．3 级联调试实战演练 8
第2章 谆谆教诲莫相忘，字字珠玑记心头 30
2．1 赋值语句实战演练 30
2．1．1 非阻塞型过程赋值语句 30
2．1．2 阻塞型过程赋值语句 32
2．2 关系运算符实战演练 34
2．2．1 关系运算符的种类 34
2．2．2 关系运算符与算术运算符优先级 34
2．3 if-else与case语句实战演练 35
2．3．1 if-else条件分支语句 35
2．3．2 case分支控制语句 39
2．4 缩减运算符实战演练 41
2．5 移位运算符实战演练 44
2．6 位拼运算符实战演练 46
第3章 工欲善其事，必先利其器 49
3．1 计数器实战演练 49
3．1．1 设计原理 49
3．1．2 代码说明 50
3．1．3 仿真分析 51
3．2 呼吸灯实战演练 51
3．2．1 设计原理 51
3．2．2 系统框架 52
3．2．3 代码说明 53
3．2．4 仿真分析 55
第4章 磨刀不误砍柴工，层次设计立头功 57
4．1 层次化设计实战演练 57
4．1．1 项目需求 57
4．1．2 系统架构 58
4．1．3 模块设计 58
4．1．4 代码说明 59
4．1．5 仿真分析 62
4．1．6 验证分析 63
4．2 分频器设计实战演练 73
4．2．1 偶分频设计 73
4．2．2 奇分频设计 75
第5章 内涵丰富本领多，谁与IP核争锋 79
5．1 锁相环实战演练 79
5．1．1 项目需求 80
5．1．2 操作步骤 80
5．1．3 模块设计 84
5．1．4 代码说明 85
5．1．5 仿真分析 86
5．1．6 使用Locked信号 87
5．2 ROM实战演练 89
5．2．1 项目需求 90
5．2．2 操作步骤 90
5．2．3 模块设计 94
5．2．4 代码说明 95
5．2．5 仿真分析 97
5．3 RAM实战演练 98
5．3．1 项目需求 98
5．3．2 操作步骤 98
5．3．3 模块设计 101
5．3．4 代码说明 101
5．3．5 仿真分析 105
5．4 FIFO实战演练 106
5．4．1 项目需求 106
5．4．2 操作步骤 106
5．4．3 模块设计 109
5．4．4 代码说明 111
5．4．5 仿真分析 116
5．5 移位寄存器实战演练 117
5．5．1 项目需求 117
5．5．2 操作步骤 118
5．5．3 模块设计 120
5．5．4 代码说明 121
5．5．5 仿真分析 125
第6章 基础项目我在行，信手拈来显聪慧 126
6．1 边沿检测电路实战演练 126
6．1．1 电路原理分析 126
6．1．2 系统框架 127
6．1．3 代码说明 128
6．1．4 仿真分析 130
6．2 按键消抖实战演练 130
6．2．1 设计思路 131
6．2．2 系统框架 131
6．2．3 代码说明 132
6．2．4 仿真分析 135
6．3 二进制数转BCD实战演练 136
6．3．1 逐步移位法原理 136
6．3．2 设计任务 137
6．3．3 系统框架 137
6．3．4 代码说明 139
6．3．5 仿真分析 141
6．4 数码管实战演练 142
6．4．1 项目需求 142
6．4．2 单个数码管显示 144
6．4．3 6个数码管显示 147
6．5 综合项目实战演练 154
6．5．1 项目要求 154
6．5．2 各模块的功能说明 154
6．5．3 RTL视图 154
6．5．4 仿真分析 155
第7章 没有标准的方法，但见可行的技巧 156
7．1 异步复位同步释放实战演练 156
7．1．1 同步复位和异步复位 156
7．1．2 异步复位同步释放 159
7．2 流水线实战演练 166
7．2．1 流水线的基本概念 166
7．2．2 流水线的应用实例 167
7．3 状态机实战演练 173
7．3．1 状态机的基本概念 173
7．3．2 状态机的应用实例 175
第8章 进阶首选我当前，乘胜追击势必行 184
8．1 TLC549实战演练 184
8．1．1 设计原理 184
8．1．2 系统架构 186
8．1．3 模块功能 186
8．1．4 代码说明 187
8．1．5 仿真分析 195
8．2 TLC5620实战演练 195
8．2．1 设计原理 195
8．2．2 系统架构 199
8．2．3 模块功能 199
8．2．4 代码说明 200
8．2．5 仿真分析 207
8．3 VGA实战演练 207
8．3．1 设计原理 207
8．3．2 系统框架 211
8．3．3 代码说明 211
8．3．4 仿真分析 216
8．4 串口通信实战演练 216
8．4．1 设计原理 216
8．4．2 系统架构 218
8．4．3 代码说明 219
8．4．4 仿真分析 228
8．5 DDS实战演练 228
8．5．1 数据生成 228
8．5．2 代码说明 229
8．5．3 仿真分析 231
8．6 蜂鸣器实战演练 232
8．6．1 设计原理 232
8．6．2 数据生成 233
8．6．3 系统架构 235
8．6．4 代码说明 235
8．7 I2C实战演练 242
8．7．1 设计原理 242
8．7．2 系统架构 243
8．7．3 代码说明 243
8．7．4 仿真分析 256