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第1章 数字电路、FPGA与HDL1

1.1 数字电路1

1.2 FPGA3

1.2.1 可编程逻辑器件（PLD）3

1.2.2 FPGA的基本结构4

1.3 硬件描述语言（HDL）5

1.3.1 VHDL6

1.3.2 Verilog HDL7

第2章 Verilog HDL基础8

2.1 VerilogHDL概述8

2.1.1 数字电路的设计方法8

2.1.2 Verilog HDL程序结构9

2.2 Verilog HDL的模块9

2.2.1 模块的结构9

2.2.2 模块的声明与内容10

2.2.3 模块实例与调用12

2.2.4 时间单位与时延13

2.3 词法约定15

2.3.1 标识符15

2.3.2 关键字15

2.3.3 注释16

2.3.4 格式16

2.4 数据类型16

2.4.1 常量17

2.4.2 变量19

2.4.3 标量与向量22

2.4.4 参数22

2.5 表达式与操作符23

2.5.1 表达式与操作数23

2.5.2 操作符23

2.5.3 操作符优先级28

2.6 系统任务和函数29

2.6.1 $display和$write29

2.6.2 系统任务$monitor31

2.6.3 系统函数$time和$realtime32

2.6.4 系统任务$finish和$stop33

2.6.5 系统任务$readmem33

2.6.6 系统任务$random34

2.7 Verilog HDL建模方式34

2.7.1 建模方式概述34

2.7.2 结构建模方式36

2.7.3 数据流建模方式40

2.7.4 行为建模方式42

第3章 实验系统53

3.1 Nexys3教学开发板简介53

3.2 Nexys3实验板硬件系统54

3.2.1 主芯片54

3.2.2 FPGA配置电路55

3.2.3 存储模块56

3.2.4 电源模块57

3.2.5 时钟模块58

3.2.6 USB PROG接口58

3.2.7 USBA型接口59

3.2.8 USB-UART接口（串口）60

3.2.9 基本I／O设备60

3.2.10 以太网口62

3.2.11 VGA接口63

3.2.12 Pmod连接器64

3.2.13 VHDC连接器64

第4章 系统开发平台66

4.1 开发平台简介66

4.2 ISE Design Suite66

4.2.1 ISE简介66

4.2.2 ISE Design Suite功能67

4.2.3 ISE Design Suite安装67

4.3 Digilent Adept调试工具73

4.3.1 Digilent Adept简介73

4.3.2 Digilent Adept安装73

4.4 项目开发流程75

4.4.1 创建工程75

4.4.2 编写代码78

4.4.3 语法检查80

4.4.4 编写测试代码81

4.4.5 仿真83

4.4.6 逻辑综合84

4.4.7 查看电路85

4.4.8 配置管脚87

4.4.9 下载代码89

4.4.10 板卡实验91

第5章 基础实验项目92

5.1 实验1：五输入表决器设计92

5.1.1 实验目的92

5.1.2 实验内容与原理92

5.1.3 实验要求92

5.1.4 实验步骤93

5.1.5 思考与探索93

5.2 实验2：多路数据选择器设计94

5.2.1 实验目的94

5.2.2 实验内容与原理94

5.2.3 实验要求94

5.2.4 实验步骤94

5.2.5 思考与探索95

5.3 实验3：译码器设计95

5.3.1 实验目的95

5.3.2 实验内容与原理95

5.3.3 实验要求96

5.3.4 实验步骤96

5.3.5 思考与探索97

5.4 实验4：二进制优先级编码器设计97

5.4.1 实验目的97

5.4.2 实验内容与原理97

5.4.3 实验要求98

5.4.4 实验步骤99

5.4.5 思考与探索99

5.5 实验5：数值比较器设计99

5.5.1 实验目的99

5.5.2 实验内容与原理99

5.5.3 实验要求100

5.5.4 实验步骤100

5.5.5 思考与探索101

5.6 实验6：加法器设计101

5.6.1 实验目的101

5.6.2 实验内容与原理101

5.6.3 实验要求101

5.6.4 实验步骤102

5.6.5 思考与探索102

5.7 实验7：加／减法运算器设计102

5.7.1 实验目的102

5.7.2 实验内容与原理103

5.7.3 实验要求103

5.7.4 实验步骤103

5.7.5 思考与探索104

5.8 实验8：基本RS触发器设计105

5.8.1 实验目的105

5.8.2 实验内容与原理105

5.8.3 实验要求105

5.8.4 实验步骤106

5.8.5 思考与探索106

5.9 实验9：D触发器设计106

5.9.1 实验目的106

5.9.2 实验内容与原理106

5.9.3 实验要求107

5.9.4 实验步骤107

5.9.5 思考与探索108

5.10 实验10：JK触发器设计108

5.10.1 实验目的108

5.10.2 实验内容与原理108

5.10.3 实验要求109

5.10.4 实验步骤109

5.10.5 思考与探索109

5.11 实验11：同步二进制计数器设计110

5.11.1 实验目的110

5.11.2 实验内容与原理110

5.11.3 实验要求111

5.11.4 实验步骤111

5.11.5 思考与探索111

5.12 实验12：十进制计数器设计112

5.12.1 实验目的112

5.12.2 实验内容与原理112

5.12.3 实验要求112

5.12.4 实验步骤113

5.12.5 思考与探索113

5.13 实验13：可逆计数器设计113

5.13.1 实验目的113

5.13.2 实验内容与原理113

5.13.3 实验要求114

5.13.4 实验步骤114

5.13.5 思考与探索115

5.14 实验14：基本寄存器设计115

5.14.1 实验目的115

5.14.2 实验内容与原理115

5.14.3 实验要求116

5.14.4 实验步骤116

5.14.5 思考与探索116

5.15 实验15：移位寄存器设计117

5.15.1 实验目的117

5.15.2 实验内容与原理117

5.15.3 实验要求118

5.15.4 实验步骤118

5.15.5 思考与探索119

第6章 扩展实验项目120

6.1 实验16：定时与分频实验120

6.1.1 实验目的120

6.1.2 实验内容与原理120

6.1.3 实验要求122

6.1.4 实验步骤122

6.1.5 思考与探索122

6.2 实验17：流水灯实验123

6.2.1 实验目的123

6.2.2 实验内容与原理123

6.2.3 实验要求125

6.2.4 实验步骤125

6.2.5 思考与探索126

6.3 实验18：数码管扫描显示126

6.3.1 实验目的126

6.3.2 实验内容与原理126

6.3.3 实验要求129

6.3.4 实验步骤130

6.3.5 思考与探索130

6.4 实验19：数字钟设计130

6.4.1 实验目的130

6.4.2 实验内容与原理131

6.4.3 实验要求131

6.4.4 实验步骤131

6.4.5 思考与探索132

6.5 实验20：小键盘扫描实验132

6.5.1 实验目的132

6.5.2 实验内容与原理132

6.5.3 实验要求135

6.5.4 实验步骤136

6.5.5 思考与探索136

6.6 实验21：串口通信实验137

6.6.1 实验目的137

6.6.2 实验内容与原理137

6.6.3 实验要求144

6.6.4 实验步骤145

6.6.5 思考与探索146

第7章 综合实验项目147

7.1 实验22：寄存器堆设计147

7.1.1 实验目的147

7.1.2 实验内容与原理147

7.1.3 实验要求148

7.1.4 实验步骤148

7.1.5 思考与探索148

7.2 实验23：按键消抖与单脉冲149

产生实验149

7.2.1 实验目的149

7.2.1 实验内容与原理149

7.2.3 实验要求151

7.2.4 实验步骤151

7.2.5 思考与探索152

7.3 实验24：出租车计费器设计152

7.3.1 实验目的152

7.3.2 实验内容与原理152

7.3.3 实验要求153

7.3.4 实验步骤153

7.3.5 思考与探索153

7.4 实验25：交通灯设计154

7.4.1 实验目的154

7.4.2 实验内容与原理154

7.4.3 实验要求155

7.4.4 实验步骤155

7.4.5 思考与探索156

7.5 实验26：自动售货机设计156

7.5.1 实验目的156

7.5.2 实验内容与原理156

7.5.3 实验要求157

7.5.4 实验步骤158

7.5.5 思考与探索158

附录A Nexys4-DDR实验板卡159

A.1 Nexys4-DDR实验板卡概况159

A.2 Nexys4-DDR部件160

A.2.1 电源供电160

A.2.2 FPGA配置161

A.2.3 基本I／O设备161

A.2.4 USB-UART接口162

A.2.5 Pmod连接器162

A.2.6 VGA接口163

A.2.7 振荡器／时钟164

A.2.8 以太网接口164

A.2.9 温度传感器164

附录B实验报告模板165

参考文献168