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数字电路的FPGA设计与实现——基于Xilinx和Verilog HDL(微课版)
丛   书   名: 卓越工程师培养系列
作   译   者:段磊 出 版 日 期:2023-11-01
出   版   社:电子工业出版社 维   护   人:张小乐 
书   代   号:G0465050 I S B N:9787121465055

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本书配有丰富的资料包,包括FPGA例程资料、硬件资料、软件资料、PPT和视频等。这些资料会持续更新,下载链接可通过微信公众号“卓越工程师培养系列”获取。
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    内容简介

    传统的数字电路实验教学通常采用以74系列芯片为载体的实验箱,随着EDA技术的快速发展,这种模式已经严重脱离业界实际。基于FPGA芯片,使用原理图或VHDL/Verilog HDL实现数字电路的各种功能更符合新时代对人才培养的要求。本书选用Xilinx公司的FPGA芯片及ISE 14.7开发环境,以深圳市乐育科技有限公司出品的LY-SPTN6M型FPGA高级开发系统为硬件平台。全书共安排14个实验,包括:集成逻辑门电路功能测试、基于原理图/HDL的简易数字系统设计、编码器设计、译码器设计、加法器设计、比较器设计、数据选择器设计、触发器设计、同步/异步时序逻辑电路分析与设计、计数器设计、移位寄存器设计、数/模转换和模/数转换。本书配有丰富的资料包,包括FPGA例程资料、硬件资料、软件资料、PPT和视频等。这些资料会持续更新,下载链接可通过微信公众号“卓越工程师培养系列”获取。本书既可以作为高等院校相关专业的入门教材,又可以作为FPGA开发及相关行业工程技术人员的入门培训用书。

    图书详情

    ISBN:9787121465055
    开 本:16(185*260)
    页 数:216
    字 数:346

    本书目录

    第1章  数字电路的开发平台和工具	1
    1.1  FPGA基础概念	1
    1.1.1  什么是FPGA	1
    1.1.2  FPGA与ASIC之间的关系	2
    1.1.3  FPGA、CPU与DSP之间的关系	2
    1.1.4  VHDL与Verilog HDL	3
    1.1.5  Xilinx与Altera	4
    1.2  FPGA开发流程	5
    1.3  XC6SLX16芯片介绍	6
    1.3.1  Spartan-6系列介绍	6
    1.3.2  XC6SLX16-2CSG324C芯片介绍	6
    1.3.3  FPGA速度等级	7
    1.3.4  FPGA可用I/O数量	7
    1.3.5  FPGA逻辑单元	7
    1.3.6  Spartan-6系列FPGA配置	7
    1.4  FPGA开发工具安装和配置	8
    1.4.1  ISE	8
    1.4.2  安装ISE 14.7	8
    1.4.3  Synplify	12
    1.4.4  安装Synplify	13
    1.4.5  安装Xilinx USB Cable驱动程序	15
    1.5  Verilog HDL语法基础	16
    1.5.1  Verilog模块	16
    1.5.2  端口定义和I/O说明	17
    1.5.3  参数定义	17
    1.5.4  信号定义	18
    1.5.5  assign语句	19
    1.5.6  initial语句	19
    1.5.7  always语句	19
    1.5.8  if...else语句	20
    1.5.9  case语句	21
    1.5.10  运算符	21
    1.6  FPGA高级开发系统简介	24
    1.6.1  拨动开关电路	24
    1.6.2  LED电路	25
    1.6.3  独立按键电路	26
    1.6.4  七段数码管电路	26
    1.6.5  D/A转换电路	30
    1.6.6  A/D转换电路	34
    1.7  基于FPGA高级开发系统可开展的部分实验	38
    1.8  本书配套的资料包	38
    第2章  集成逻辑门电路功能测试	40
    第3章  基于原理图的简易数字系统设计	44
    第4章  基于HDL的简易数字系统设计	77
    第5章  编码器设计	84
    第6章  译码器设计	95
    第7章  加法器设计	102
    第8章  比较器设计	109
    第9章  数据选择器设计	116
    第10章  触发器设计	123
    第11章  同步时序逻辑电路分析与设计	143
    第12章  异步时序逻辑电路分析与设计	154
    第13章  计数器设计	165
    第14章  移位寄存器设计	181
    第15章  数/模转换和模/数转换	189
    附录A  数字电路FPGA设计常用引脚分配	199
    附录B 《Verilog HDL程序设计规范(LY-STD010—2019)》简介	201
    参考文献	208
    
    展开

    前     言

    自20世纪末以来,电子和计算机技术较发达的国家与地区,如美国、日本、欧洲等,一直在积极探索电子电路设计的新思路和新方法。以FPGA/CPLD为硬件载体,以硬件描述语言(Hardware Description Language,HDL)为系统逻辑的描述方式,以计算机为工作平台,以专用的工具软件为开发环境,可以自动、高效地实现电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)。
    然而,我国传统的数字电路实验教学基本都是使用以74系列芯片为载体的实验箱开展的,很多74系列芯片早已停产,只能使用拆机料,这种陈旧的教学模式显然已经不能满足业界需求。很明显,基于EDA的现代数字电路的设计技术更符合新时代产业对人才培养的要求。因此,本书选用Xilinx公司的FPGA芯片及ISE 14.7开发环境,以深圳市乐育科技有限公司出品的LY-SPTN6M型FPGA高级开发系统为硬件平台。全书共15章,内容编排如下。
    第1章介绍数字电路的开发平台和工具,包括FPGA芯片、FPGA开发环境、第三方综合工具Synplify和FPGA高级开发系统等;第2章是集成逻辑门电路功能测试,主要测试TTL和CMOS逻辑电路的输入/输出逻辑电平;第3章在ISE 14.7开发环境中,基于原理图设计非门、与门和与非门等逻辑门电路;第4章基于硬件描述语言设计非门、与门和与非门等逻辑门电路;第5章通过仿真了解MSI74148的功能,并通过Verilog HDL实现编码器;第6章通过仿真了解MSI74138的功能,并通过Verilog HDL实现译码器;第7章通过仿真了解MSI74283的功能,并通过Verilog HDL实现加法器;第8章通过仿真了解MSI7485的功能,并通过Verilog HDL实现比较器;第9章通过仿真了解MSI74151的功能,并通过仿真实现数据选择器;第10章通过Verilog HDL依次实现RS触发器、D触发器、JK触发器和T触发器,并对这些触发器进行仿真和板级验证;第11、12章分别在ISE 14.7开发环境中,进行同步和异步时序逻辑电路的分析与设计;第13章通过仿真了解MSI74163和MSI74160的功能,并通过Verilog HDL实现这两个计数器;第14章通过仿真了解MSI74194的功能,并通过Verilog HDL实现移位寄存器;第15章基于FPGA实现一个数/模转换系统,并通过本章任务实现一个模/数转换系统。 
    第2~15章共安排14个实验,其中“预备知识”引导读者提前预习实验需要掌握的知识点,“实验步骤”以“照猫画猫”的方式引导读者开展“实验内容”学习,“本章任务”是“实验内容”的延伸和拓展,让读者通过实战,以“照猫画虎”的方式巩固实验中的知识点。本书内容主要涉及数字电路中的组合电路和时序电路,将常见的74系列编码器、译码器、计数器、移位寄存器等器件封装为ISE 14.7开发环境中的逻辑器件,然后对其进行仿真和板级验证,通过Verilog HDL实现这些器件,并再次进行仿真和板级验证,这样就能够清楚地掌握这些器件的工作原理和设计过程了。夯实基础之后,在“本章任务”中,通过一系列综合设计题,实现这些数字系统。为了确保顺利完成“本章任务”,建议读者先进行理论分析,并设计出完整的电路,然后在ISE 14.7开发环境中通过Verilog HDL实现这些电路,仿真成功后再进行板级验证。
     
    段磊和周平总体策划了本书的编写思路,并对全书进行了统稿,付玲、董磊、李亮、徐海华共同参与了本书的编写。本书的例程由深圳市乐育科技有限公司设计。特别感谢深圳大学生物医学工程学院、南京医科大学生物医学工程与信息学院、东南大学生物科学与医学工程学院、深圳市乐育科技有限公司和电子工业出版社的大力支持,在此一并致以衷心的感谢!
    由于编者水平有限,书中难免有不成熟和错误的地方,恳请读者批评指正。读者反馈发现的问题、索取相关资料或遇实验平台技术问题,可发邮件至邮箱:ExcEngineer@163.com。
    
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    作者简介

    段磊,副教授,毕业于东南大学生物医学工程专业,2004年至南京医科大学工作,先后担任生物医学工程系教学秘书、党支部书记、学系副主任等职务,2019年至今任南京医科大学生物医学工程与信息学院副院长。江苏省生物医学工程学会教育与科普专委会副主任委员,江苏省卫生健康标准专业委员会委员,江苏省高等学校医药教育研究会理事,生物医学工程实践教学联盟理事。指导本科生先后获江苏省本科毕业设计优秀团队奖4次,获江苏省大学生创新训练计划重点项目立项3项,获全国大学生电子设计竞赛江苏赛区一、二等奖10余项;获江苏省教学成果二等奖(2013年,排名第2),获南京医科大学教学突出贡献奖(2016年,排名第2),获南京医科大学青年奖教金(2014)和扬子江奖教金(2017)。
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