可编程逻辑器件与VHDL设计][靳鸿 (1)[14页]
fpga硬件电路设计书籍
fpga硬件电路设计书籍FPGA (Field-Programmable Gate Array) 是一种可编程逻辑设备，用于实现数字电路的硬件设计。
它由逻辑门阵列、可编程连线和输入/输出引脚组成，可以根据用户的需求进行编程和重新配置。
随着FPGA技术的发展和应用越来越广泛，对于硬件电路设计方面的知识和技能也日益重要。
在本文中，我将介绍一些关于FPGA硬件电路设计的经典书籍，帮助读者更好地了解和掌握该领域的知识。
1. "FPGA原理与VHDL设计"（编著：曹志鹏）《FPGA原理与VHDL设计》是一本介绍FPGA硬件设计基础知识的经典教材。
本书从理论与实践的角度，首先详细介绍了FPGA的基本原理，包括逻辑门阵列、可编程连线和I/O引脚等。
然后，结合VHDL硬件描述语言，讲解了FPGA的编程方法和流程，以及常用的硬件设计技术和方法。
最后，通过实例和实验，让读者动手实践，加深对FPGA硬件设计的理解和应用能力。
2. "FPGA设计从入门到精通"（编著：郑宝山）《FPGA设计从入门到精通》是一本适合初学者的FPGA硬件电路设计书籍。
本书首先介绍了FPGA的基本概念和原理，包括FPGA的结构、工作原理和发展历程等。
然后，通过详细的实例和步骤，引导读者进行FPGA的环境搭建、编程工具的使用和简单电路的设计。
同时，本书还介绍了FPGA与其他硬件设备的连接和通信方式，以及FPGA在数字信号处理、通信系统和嵌入式系统中的应用。
通过逐步学习和实践，读者可以从入门到精通掌握FPGA硬件电路设计的核心技术和方法。
3. "FPGA高级设计方法与实践"（编著：张彦卓）《FPGA高级设计方法与实践》是一本面向有一定FPGA硬件设计基础的读者的进阶教材。
本书首先回顾了FPGA的基本原理和常用设计方法，然后深入讲解了FPGA高级设计的技术和方法。
其中包括时序控制、高速接口设计、时钟管理、电源管理以及设计调优等方面的内容。
可编程逻辑电路设计实验
可编程逻辑电路设计实验一、实验目的1.理解可编程逻辑器件（如FPGA）的原理和工作方式；2.掌握VHDL语言的基本语法和编程方法；3.学习使用开发工具进行电路设计和仿真；4.熟悉设计流程，培养实践操作能力。
二、实验原理1.可编程逻辑器件原理可编程逻辑器件（FPGA）是一种可重构的数字电路，可以通过编程方式配置其内部电路，实现各种逻辑功能。
FPGA由可编程逻辑单元（PLU）、输入输出模块和配置存储器组成，其中PLU是FPGA的核心部分，由一系列可编程查找表（LUT）组成，LUT可以存储逻辑功能和状态信息。
2.VHDL语言简介VHDL（VHSIC Hardware Description Language）是一种用于描述数字电路的硬件描述语言，它允许工程师用一种类似于C语言的描述方法来开发和测试电路。
VHDL可以描述电路的结构、行为和时序特性，具有很强的可移植性和灵活性。
三、实验环境和工具1. 实验环境：Windows操作系统；2. 开发工具：Xilinx ISE Design Suite。
四、实验内容本次实验中，我们要设计一个简单的计数器电路，并通过FPGA进行仿真验证。
计数器电路的原理如下：1.通过按键输入信号，控制计数器的工作方式：上升沿触发或下降沿触发；2.计数器可以进行增计或减计，最大计数值为7；3.计数器的输出结果通过LED灯显示出来。
五、实验步骤1. 在Xilinx ISE Design Suite中创建新工程，并设置工程的基本参数，如工程名称和目标设备；2.在ISE中创建新的源文件，并编写VHDL代码来描述计数器电路的结构、行为和时序；3. 对VHDL代码进行综合、布局和路由，生成对应的bit文件；5.在FPGA板上调试和测试设计的电路。
六、实验结果与分析经过实验，我们成功设计了一个简单的计数器电路，并通过FPGA进行了仿真验证。
通过按键控制，我们可以观察LED灯随着计数器的计数进行增亮或减弱的变化。
可编程逻辑器件与VHDL设计][靳鸿 (2)[34页]
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存储器是存储测试的关键，将处理后信号 进行实时存储，确保信号的完整、有效；
接口是数据传输的通道；
控制模块在测试工作过程中起管理的功能 ，是测试仪工作正常的保障。
二、 控制模块的实现形式
2.1 基于可编程逻辑器件的设计与实现 可编程逻辑器件可以将复杂的控制模块分
下图为AD7492的工作时序图：
在控制信号里，采样时钟直接决定了数据 转换的有效性，并且对于存储测试而言， 这个时钟频率的选取与数据存储容量密切 相关。两者的关系可以通过设置不同的采 样策略得到解决，目前常用的采样策略包 括
（1）定频率采样
（2）变频率采样
3.2 存储器的控制
对于存储测试技术而言，数据的存储是非 常重要的一个环节。随机存储器RAM及 快擦型存储器Flash Memory是存储测试 技术中常选用的存储器类型。
下图是以FPGA和DSP为核心器件设计的 实现超声信号的高速数据采集和复杂的信 号处理算法的系统。
（2）SoPC（System-on-a-Programmable-Chip）
下图是以FPGA 为整个系统核心设计的χ-γ 剂量 仪。FPGA主要完成对数据的读取、运算以及输 入输出的控制。
FPGA采用美国ALTEAR 公司生产的cyclone 系 列EP1C6Q240C8N，这款芯片采用SoPC技术 内嵌多种类型模块。
CLK为采样时钟，这个时钟的频率要符合 采样定理的要求，否则信号会出现频率混 叠现象；
CONVST、BUSY和RD为控制命令。
不同类型的ADC这些信号的时序和类型可 能会有差别。
AD7492是一款采用先进的技术来获得高 数据通过率下的低功耗的逐次逼近式ADC。
可编程逻辑器件与VHDL设计][靳鸿 (3)[13页]
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行中，并行语句之间可以是互为独立、互 不相关的。
主要包括：进程语句、块语句、并行赋值 语句、元件例化语句
进程(PROCESS)语句被称为是最具 VHDL语言特色的语句，也是最主要的并 行语句，它在VHDL程序设计中使用频率 最高。
块（BLOCK）语句可以看作是结构体中 的子模块。结构体可以看做电路设计总原 理图，而结构体包含若干个块语句，因此 块语句就看作是一张大的电路图中的子图。
6 VHDL语句
VHDL程序结构 顺序语句 并行语句
一、VHDL程序结构
VHDL、Verilog HDLБайду номын сангаас目前常用的硬件 描述语言。 两 者 区别在于： 逻辑描述层 次、设计要求、对综合器的要求。
VHDL具有以下主要优点: （1）VHDL具有强大的功能, 覆盖面广,
描述能力强, 可用于从门级、 电路级直至 系统级的描述、 仿真和综合。 （2）VHDL有良好的可读性。
（1）库（LIBRARY） （2）程序包（PACKAGE） （3）实体（ENTITY） （4）结构体（ARCHITECTURE） （5）配置（CONFIGURATION）
库是经编译后的数据的集合，它存放程序 包定义、实体说明、结构体构造定义和配 置定义。
实体说明主要描述的是一个设计的外貌， 即对外的输入输出接口以及一些用于结构 体的参数的定义。简言之，实体就是用来 描述所设计系统与外部环境的接口。
赋值语句主要包括变量赋值和信号赋值两 种:变量赋值语句、信号赋值语句。
IF语句是一种条件语句，它根据语句中所 设置的一种或多种条件，根据条件成立与 否有选择地执行指定的顺序语句。
CASE语句与IF语句类似，也是一种先判 断条件再选择执行对象的语句。与IF语句 不同，CASE语句组的语句没有先后顺序， 所有表达式的值都并行处理。
可编程逻辑器件与VHDL设计][靳鸿 (5)[44页]
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通信双方需要根据约定的数据传输速率来 进行各位的传输；
波特率：每秒传输的信号波个数，其单位为 波特（Baud）；比特率：每秒传输的二进制 位数，单位为位/秒（bps或bit/s）；
一般常用的传输速率有4800bps、9600bps 、19200bps、57600bps、115200bps等；
进行16分频得到UART移位时钟，其频率为 153846 ÷16≈9615Hz，与期望的传输时钟 9600Hz间的相对误差为1.56%<2%(UART协 议标准相关要求)。
PROCESS(clk,rst)
BEGIN
IF rst='1' THEN
rx_div_cnt<="10000001"; --复位初始化分频计数器为129（基数0）
主要用于通信双方字符数据传输的位同步。
数据位
紧接着起始位之后； 数据位的个数可以是4、5、6、7、8； 一般采用ASCII编码或8位十六进制编码，并
从最低位（LSB）开始。
奇偶校验位
数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为 偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来 校验数据传送的正确性；
改进了RS-232通信距离短、速率低的缺点； 单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范； 差分信号传输方式； 传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到
1200米（速率低于100kb/s时）； 允许在一条平衡总线上连接10个接收器。
RS-485
1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准 增加了多点、双向通信能力，即允许多个发
串并转换模块：主要由移位寄存器构成，负 责位流数据的生成与解析；
数据发送/接收FIFO模块：主要用于存储输入 或输出字符数据。在FPGA测试存储系统中 可解决数据生成/使用方与串行总线通信方之 间的速率失配问题，从而使数据流动更为协 调。
第三部分2：VHDL语言-结构
第三部分：VHDL语言（2）北京理工大学雷达技术研究所陈禾主要内容{VHDL语言程序的基本结构z快速入门z结构详解VHDL语言设计入门{通过几个比较典型的设计实例，力图使同学能迅速地从整体上把握VHDL程序的基本结构和设计特点，达到快速入门的目的z2选1选择器设计z锁存器设计z全加器设计2选1选择器设计2选1选择器设计{选择器的VHDL描述使用了三个层次：z库(LIBRARY)说明z实体(ENTITY)说明z结构体(ARCHITECTURE)说明{一个可综合的VHDL描述中，IEEE标准库说明、实体和结构体是最基本的和不可缺少的三个部分。
其它的结构层次可根据需要选用。
{此例为一个完整的VHDL描述，既可以作为一个独立的功能器件使用和存在，也能被其它的由VHDL描述的逻辑电路所调用。
锁存器设计锁存器设计{与mux21例子相比，1位锁存器的VHDL设计文件中增加了两个部分的内容：z增加了一条信号赋值语句SIGNAL<=Dz使用一个进程语句结构PROCESS (D, ENA)～END PROCESS{描述风格的引入。
{程序行“PROCESS(D, ENA)”中的(D，ENA)称为敏感信号表。
1位全加器设计1位全加器逻辑原理图1位全加器完整源程序1位全加器结构实体or2语句段定义了或门or2的引脚信号a、b(输入)和c(输出)。
其结构体语句段描述了输人与输出信号间的逻辑关系。
由此实体和结构体描述了一个完整的或门元件，这一描述可以进行独立综合实现与存档，或被其它的电路系统所调用。
1位全加器结构实体h_adder和结构体fhl描述了一个半加器。
由其结构体的描述可以着到，它是由一个与非门、一个非门、一个或门和一个与门连接而成的，其逻辑关系来自于半加器真值表。
1位全加器结构1位全加器结构{“COMPONENT～END COMPONENT”语句结构对所要调用的或门和半加器两个元件作了声明(Component Declaration)。
VHDL与可编程逻辑器件设计详解
VHDL与可编程逻辑器件设计山西师范大学物理与电子信息工程学院李竹Email：sxlizhu@目录第一章可编程逻辑器件和VHDL简介 (2)1.1 可编程逻辑器件 (2)1.2 VHDL简介 (5)1.3 VHDL设计过程 (6)第二章VHDL程序基本结构 (7)2.1 库（Library） (7)2.1.1库的种类 (8)2.1.2库的使用 (9)2.2 程序包（Package） (10)2.3 实体（Entity） (12)2.3.1类属和端口说明 (12)2.3.2端口模式 (13)2.3.3数据类型（TYPES） (13)2.4 结构体（Architecture） (15)2.4.1结构体命名 (16)2.4.2定义语句 (16)附录A词汇索引 (19)参考文献及相关网站 (20)第一章可编程逻辑器件和VHDL简介本章主要介绍可编程逻辑器件和EDA发展，可编程逻辑器件的设计流程，最后简要介绍VHDL在可编程逻辑器件设计中的应用。
1.1 可编程逻辑器件在20世纪中期之后，数字集成电路经历了小规模集成电路（SSI，Small Seale Integrated Circuit ）、中规模集成电路（MSI，Middle Seale Integrated Circuit）、大规模集成电路（LSI，Large Seale Integrated Circuit）、超大规模集成电路（VLSI，Very Large Seale Integrated Circuit）以及许多具有特定功能的专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）的演变历程。
随着微电子技术的发展，设计集成电路的任务已经不能也没有必要全部由器件生产商来独自承担，而许多研发单位和科研机构的工程师都可参与设计，因此出现了可编程逻辑器件（PLD, Programmable Logic Device）。
可编程逻辑器件与VHDL设计教学探索——评《可编程逻辑器件与VHDL设计》
书评㊃广告可编程逻辑器件与V H D L设计教学探索 评‘可编程逻辑器件与V H D L设计“刘乃迪(河北北方学院信息科学与工程学院,河北张家口075000)我国P L D器件和V H D L语言的教学于2003年进行了大面积推广,现今国内P L D器件已形成成熟的体系,相关教育方式和内容也有了标准和规范㊂但对于P L D器件教育系统最大的挑战是作为P L D 主要分支的F P G A教学㊂F P G A作为一种实际生产技术,更新换代速度很快,但教学内容㊁方式及资源难以紧跟技术的更新与发展㊂现阶段的教育体系如何才能最大化地利用教学资源更新教学内容,使学生在毕业后的实际工作中更快更好地适应新的技术需求,是国内相关教育研究者所关注的问题㊂由靳鸿㊁郭华玲和沈大伟编著,电子工业出版社出版的‘可编程逻辑器件与V H D L设计“一书,详细介绍了利用V H D L对控制模块的子模块进行设计的方法,将基础教学内容与实际控制需求相结合,使学生在加强基础知识理解的同时学会V H D L的实际应用技巧㊂‘可编程逻辑器件与V H D L设计“全书共十一章,从多个方面对可编程逻辑器件和V H D L进行讲解和分析㊂其中,第一章至第四章是绪论及关于测试系统控制模块设计的相关描述;第五章至第七章是V H D L语言的基础理论及常用语言结构和技巧;第八章至第十章是各控制模块的V H D L设计与数字电路中常见的设计方法;第十一章介绍数字电路常用硬件及其开发的设计方法㊂可编程逻辑器件诞生于二十世纪七十年代,是一种特殊的半定制逻辑器件,它的出现给当时的数字系统设计体系带来了巨大的变化㊂经过几十年的发展,该技术已发展出多种内部结构,F P G A和C P L D是可编程逻辑器的两个重要分支结构延伸出的不同分支㊂结合该书,与其他结构的可编程逻辑器件相比,F P G A和C P L D有更优秀的集成度和运算速度㊂自从微电子技术发展成熟之后,F P G A和C P L D也成为可编程逻辑器件的代表性产品结构,其内部结构主要由三大部分组成:一是逻辑运算模块,其是P L D器件的逻辑核心;二是输入输出模块;三是链接模块,其组成部分是各种尺寸的链接线路及可编程的控制开关,可将前两种模块相互连接㊂V H D L语言是一种常用于可编程逻辑器件的高级语言,是P L D器件正常运行的软件基础㊂F PG A教学体系主要将教学内容分为三部分,即硬件芯片结构㊁硬件描述语言和S O P C㊂VH D L 语言教学的主要目标是让学生掌握P L D器件(F P-G A)的学习和相关的理论技巧㊂不同专业的学生对这几方面的侧重点各有不同,但通常情况下可将教学过程分为四个阶段:第一阶段,主要让学生了解P L D器件和F P G A 的发展过程㊁现状及研究趋势等基础理论,包括F P-G A的三大部分功能及其之间的关系㊂由于相关专业的学生有一定的软件使用基础,所以关于软件开发基本使用方式的学习可利用自学和小组学习的方式进行㊂如时序的约束㊁分析㊁优化等较高级的软件开发使用方式须在之后的教学过程中开设专题教学进行讲解,这种教学模式能够在一定程度上激发学生的学习热情,使其积极构建关于F P G A的基础理论框架㊂第二阶段,在理论知识的基础上对F P G A芯片的结构和硬件描述语言进行讲解,同时也可讲解可编辑器件的最基础结构,比如该书中详细介绍的P A L与或阵列㊁储存器阵列等㊂这部分内容的学习难度相对较高,要求学生具备一定的硬件知识基础㊂同时,为了激发学生对于硬件语言的学习兴趣,教师可选用V H D L,在实际教学过程中可先讲解V H D L 的实际发展历程,再结合逻辑电路和时序电路,深入讲解V H D L的理论知识与实际使用技巧,使学生清楚认识到语言规范和可综合的重要意义,并且强调硬件语言与C语言的区别,认识硬件语言自身独特的特点,在教学过程中因材施教,充分了解学生的差异性㊂第三阶段,此时学生已经掌握了F P G A的基本操作,但F P G A的重要功能还未涉及,这一阶段应再次强调F P G A的发展前景和重要意义,加深学生对于这一领域的理解,重点介绍相关技术和发展并为之后的教学奠定基础㊂第四阶段,重点讲解F P G A的片上系统(S O P C)部分㊂S O P C是将多个领域及学科的技术相融合的产物,这部分的难度系数最大,需在学生充分掌握基础内容后才能进行教学㊂在这个阶段的教学过程中,教师应将理论知识和设计案例相互融合,这些实际案例包括学生所需要的所有数字电路基础及逻辑时序电路的应用,可加深学生对于理论知识的理解㊂[作者简介:刘乃迪(1987 ),女,讲师,主要研究方向为电子信息科学与技术][基金项目:河北省高等教育教学改革研究与实践项目(2020G J J G601)]。
可编程逻辑器件的VHDL语言优化设计方法
可编程逻辑器件的VHDL语言优化设计方法
刘宏杰
【期刊名称】《测控技术》
【年(卷),期】2001(020)006
【摘要】叙述了可编程逻辑器件的VHDL语言典型设计流程，详细讨论了几种可更好地利用可编程逻辑器件实现特定逻辑功能以及提高器件利用率的VHDL优化设计方法。
【总页数】3页(P32-34)
【作者】刘宏杰
【作者单位】中国工程物理研究院电子工程研究所,
【正文语种】中文
【中图分类】TN47;TN402
【相关文献】
1.基于VHDL语言的可编程逻辑器件的设计与改进 [J], 张军;王昊;郭延锋
2.可编程逻辑器件(PLD)的发展及VHDL语言的应用 [J], 徐晓峰;李鹏
3.面向FPGA器件的VHDL语言优化设计方法 [J], 谭卫泽;徐畅
4.用VHDL语言开发可编程逻辑器件 [J], 张海劲;刘强;蔡桂玲
5.FPGA可编程逻辑器件的优化设计方法 [J], 朱三妹;王彦
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基于vhdl的复杂可编程逻辑器件(cpld)应用技术.doc
基于VHDL的复杂可编程逻辑器件（CPLD）应用技术绪论CPLD/FPGA/ASIC诞生与发展概述一．常见英文缩写解释（按字母顺序排列）：ASIC: Application Specific Integrated Circuit. 专用ICCPLD: Complex Programmable Logic Device. 复杂可编程逻辑器件EDA: Electronic Design Automation. 电子设计自动化FPGA: Field Programmable Gate Array. 现场可编程门阵列GAL: Generic Array Logic. 通用阵列逻辑HDL: Hardware Description Language. 硬件描述语言IP: Intelligent Property. 智能模块PAL: Programmable Array Logic. 可编程阵列逻辑RTL: Register Transfer Level. 寄存器传输级（描述）SOC: System On a Chip. 片上系统SLIC: System Level IC. 系统级ICVHDL: Very high speed integrated circuit Hardware Description Language.超高速集成电路硬件描述语言二．硬件描述语言的诞生与发展：1.硬件描述语言的起源：人们为了把复杂的电子电路用文字文件方式描述并保存下来，方便他人了解电路内容，就诞生了最初的硬件描述语言。
经过多种硬件描述语言诞生与淘汰的演变，当前国内外普遍使用的主流硬件描述语言只有两种：VHDL和Verilog HDL。
还有ABEL和AHDL等。
2.VHDL ：以ADA语言为基础，由美国国防高级研究计划局(DARPA)开发。
1985年完成第一版，1987年成为IEEE标准(IEEE1076)，1993年增修为IEEE1164标准并使用至今。
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状态图及其组成
状态图主要由圆圈、箭头、短横线、说明文字等部分 组成，如图3.6所示。
图3.6 状态图组成示意图
控制模块状态图设计
一个测试系统控制模块的功能主要体现在采样策略设计上， 不同的采样策略控制方式是不同的。采样策略的实现包括 采样频率确定、存储器读写控制、触发信号选择等。
测试记录仪工作的主要状态图，如图3.8所示。
图3.8 测试记录仪工作过程状态图
采样策略包括定频率和变频率采样策略。每种采样策略需要 的触发信号类型包括：计数触发、内触发、外触发和人工触 发。触发信号出现的时间也可以调节。 1、定频率采样策略
图3.9 定频率采样状态图
图3.11 变频率采样状态图
图3.12 控制模块的功能划分
常用接口与总线
• 接口 串行接口 USB接口 IEEE 1394接口
• 总线 PCI总线 VXI总线
第3章 控制模块设计方法
3.1 数字逻辑电路设计方法概述
通用逻辑器件设计方法 ASIC及可编程逻辑器件设计方法
通用逻辑器件设计方法 采用自底向上(BottomUp)的设计方法
图3. 1 自底向上的硬件电路设计方法
一个四位二进制计数器设计为例
选择逻辑元器件 进行电路设计 在系统硬件设计的后期进行仿真和调试
图3. 2 状态转移图
图3.3 四位二进制计数器硬件电路图
ASIC及可编程逻辑器件设计方法
• 采用EDA技术和HDL语言设计数字系统硬件的方法 1、采用自顶向下(Top—Down)的设计方法 2、降低了硬件电路设计难度 3、可采用HDL语言设计系统
硬件电路
图3. 5 自顶向下的硬件电路设计方法
3.2 控制模块的状态设计
3.3 系统功能模块划分与接口
模块划分原则 功能模块划分 常用接口与总线
模块划分原则
模块独立性最大原则 恰当地掌握好模块的大小原则 相关的硬件部分集中的原则 消除重复的工作，建立公用模块，以减少
冗余的原则 保持合理的模块扇入数和扇出数原则
功能模块划分
以测试系统控制模块为例： 划分为电源模块，模拟板模块，数字板模块和接口模块。其中具体的逻 辑又包括量程的选择，通道译码器，地址发生器，状态控制逻辑，读出 控制逻辑，延迟计数逻辑，触发逻辑，采样频率逻辑等，如图3.12所示。