本書分基礎與應用兩部分，系統介紹了Altera FPGA的開發應用知識。基礎部分包括FPGA開發流程、硬件描述語言VHDL、Quartus Prime設計開發環境、基本電路的VHDL設計、基于IP的設計等內容； 應用部分包括人機交互接口設計、數字信號處理電路設計、密碼算法設計、基于Nios Ⅱ的SOPC系統開發等內容，并在最后一章給出了24個常用設計實例。全書語言簡明易懂，邏輯清晰，向讀者提供了不同領域的FPGA應用實例以及完整的設計源程序。
本書可作為高等學校電子信息、計算機、自動化等專業的本科生教材，也可供從事電子系統設計的工程技術人員參考。
前言
現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)的出現是超大規模集成電路(VLSI)技術和計算機輔助設計(CAD)技術發展的結果，基于FPGA的設計方法是電子設計領域的一大變革。不同于傳統的電子設計方法，基于FPGA的現代電子系統設計采用自頂向下的設計方法，使設計師可以把更多的精力和時間放在電路方案的設計上，很大程度上縮短了電子產品的上市時間； FPGA的可編程性，使得在不改變硬件電路設計的前提下，產品性能的提升成為可能； 硬件軟件化，以及不斷增長的可編程門陣列的規模，使得產品在小型化的同時，可靠性也得到提升。IP核的廣泛使用，特別是嵌入式處理器IP核的使用，使FPGA的市場占有量大大增加。因此對于廣大的電子系統設計人員，以及電子工程專業的學生來說，掌握基于FPGA的開發技術是非常必要的。
參與本書編寫的教師多年從事EDA課程的教學和相關科研工作，也可以說是作者的教學和科研經驗成就了本書。全書系統地介紹了FPGA的開發技術，內容涵蓋FPGA可編程邏輯器件的基本知識及相關軟件的使用方法，可編程邏輯器件的硬件描述語言，以及基于FPGA的電路設計，著重講述了FPGA電路設計的方法和技巧，并給出了設計實例。
全書共10章。第1章分析了FPGA開發的基本設計方法和設計流程，并以Altera公司Altera公司現已被Intel公司收購，書中涉及Altera的產品均為Intel的產品。的FPGA芯片為例，介紹了可編程邏輯器件的結構特點。第2章介紹了可編程邏輯器件的硬件描述語言： VHDL。第3章以Quartus Prime 16．0為例，介紹了可編程邏輯器件開發軟件的安裝和使用方法。第4章介紹了基本電路的VHDL設計，講解了VHDL設計時需要注意的基本問題。第5章介紹了基于IP的設計方法。第6章以鍵盤掃描和液晶驅動設計為例，介紹了人機交互接口設計。第7章介紹了幾種基本的數字信號處理電路的VHDL設計。密碼算法的設計實現是FPGA在信息安全設計領域的一個重要應用，因此本書的第8章以分組密碼、流密碼及HASH算法為例，給出了三個密碼算法的VHDL設計的實例。第9章涉及FPGA高端開發技術，介紹了基于Nios Ⅱ的Qsys系統開發的流程和設計方法。第10章給出了24個常用基于VHDL的FPGA設計實例。
全書由李莉組織編寫并統稿。其中，第1章、第3章、第6章、第10章以及附錄部分由李莉編寫，第8章由李雪梅和張磊共同編寫，第5章、第7章、第9章由李莉和董秀則共同編寫，第2章、第4章由李莉和李雪梅共同編寫。北京電子科技學院路而紅教授不辭辛苦地認真審閱了全部書稿，并為本書提出了許多寶貴的建議和意見。碩士研究生楊鳳、王子榛參與了本書相關程序的調試工作。借此機會也向所有關心、支持和幫助本書編寫、修改、出版、發行的老師和朋友們致以誠摯的謝意。
由于作者水平有限，書中難免有不妥之處，歡迎各位讀者批評、指正。
作者2020年2月于北京
李莉：北京電子科技學院教授，長期從事EDA有可編程邏輯器件的研究與教學工作，“EDA技術”北京市精品課程負責人，北京市優質教學課件獎。
目錄
第1章FPGA開發簡介
1.1可編程邏輯器件概述
1.2FPGA芯片
1.2.1FPGA框架結構
1.2.2Intel公司的FPGA
1.3FPGA開發工具
1.4基于FPGA的開發流程
1.4.1FPGA設計方法概論
1.4.2典型FPGA開發流程
1.4.3FPGA的配置
1.4.4基于FPGA的SoC設計方法
第2章VHDL硬件描述語言
2.1程序基本結構
2.2VHDL程序語法規則
2.3并行語句
2.4順序語句
2.5子程序及子程序調用語句
第3章Quartus Prime設計開發環境
3.1Quartus Prime概述
3.2Quartus Prime設計流程
3.2.1設計輸入
3.2.2設計處理
3.2.3波形仿真
3.2.4器件編程
3.3嵌入式邏輯分析儀使用
第4章基本電路的VHDL設計
4.1優先編碼器
4.2數據選擇器
4.3組合邏輯電路與并行語句、進程語句的關系
4.4運算電路
4.5時鐘信號
4.6鎖存器和觸發器
4.7同步、異步信號描述
4.8同步電路設計原則
4.9計數器
4.10分頻電路
4.11寄存器
4.12狀態機
4.13動態掃描電路
第5章基于IP的設計
5.1IP核
5.2觸發器IP核的VHDL設計應用
5.3存儲器IP核的VHDL設計應用
5.4鎖相環IP核的VHDL設計應用
5.5運算電路IP核的VHDL設計應用
第6章人機交互接口設計
6.1鍵盤掃描電路的VHDL設計
6.1.1設計原理
6.1.2設計實現
6.1.3仿真驗證
6.2液晶驅動電路的VHDL設計
6.2.1設計原理
6.2.2設計實現
6.2.3仿真驗證
第7章數字信號處理
7.1差錯控制電路的VHDL設計(CRC校驗電路)
7.1.1設計原理
7.1.2校驗電路的VHDL實現
7.1.3仿真驗證
7.2濾波電路的VHDL設計
7.2.1設計原理
7.2.2FIR濾波電路的設計實現
7.2.3仿真驗證
7.3HDB3基帶信號編譯碼電路的VHDL設計
7.3.1設計原理
7.3.2設計實現
7.3.3仿真驗證
第8章密碼算法設計
8.1分組密碼算法的VHDL設計(SM4)
8.1.1SM4算法原理
8.1.2設計實現
8.1.3仿真驗證
8.2流密碼算法的VHDL設計(ZUC)
8.2.1ZUC算法原理
8.2.2設計實現
8.2.3仿真驗證
8.3HASH算法的VHDL設計(SM3)
8.3.1SM3算法原理
8.3.2設計實現
8.3.3仿真驗證
第9章基于Nios Ⅱ的SOPC系統開發
9.1簡介
9.1.1SOPC技術
9.1.2Nios Ⅱ嵌入式處理器
9.1.3Qsys開發工具
9.2SOPC硬件開發
9.2.1啟動Qsys
9.2.2添加Nios Ⅱ及外設IP模塊
9.2.3集成Nios Ⅱ系統至Quartus Prime
9.3SOPC軟件系統開發
9.3.1創建Nios Ⅱ工程
9.3.2設置工程的系統屬性
9.3.3程序編寫及編譯
9.3.4代碼調試及運行
第10章基于VHDL的FPGA設計實例
10.1多路選擇器
10.2寄存器
10.3移位寄存器
10.4計數器
10.5分頻器
10.6元件例化
10.7狀態機1
10.8狀態機2
10.9DES算法S盒
10.10DES算法初始置換IP
10.11十六進制數的共陰極7段數碼顯示譯碼器
10.12七人表決器的設計
10.13動態掃描顯示電路
10.14四人搶答器的設計
10.15偽隨機數產生器
10.16彩燈控制器1
10.17彩燈控制器2
10.18彩色LED點陣顯示電路設計
10.19計算器設計
10.20序列檢測器
10.21自動售貨機
10.22直流電機轉速控制電路
10.23籃球競賽30秒計時器
10.24電梯控制器
附錄1DES算法的S盒
附錄2VHDL保留字
參考文獻
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