Verilog HDL程序設計與實踐

第1章 EDA設計與VerilogHDL語言概述1
1.1 EDA設計概述1
1.1.1 EDA技術簡介1
1.1.2 EDA與傳統(tǒng)電子系統(tǒng)設計方法2
1.1.3 可編程邏輯器件對EDA技術的要求4
1.2 VerilogHDL語言簡介5
1.2.1 硬件描述語言說明5
1.2.2 VerilogHDL語言的歷史6
1.2.3 VerilogHDL語言的能力6
1.2.4 VerilogHDL和VHDL語言的比較7
1.2.5 VerilogHDL和C語言的比較8
1.3 VerilogHDL語言的描述層次說明8
1.3.1 VerilogHDL語言描述能力綜述8
1.3.2 系統(tǒng)級和算法級建模9
1.3.3 RTL級建模9
1.3.4 門級和開關級建模9
1.4 基于VerilogHDL語言的CPLD/FPGA開發(fā)流程10
1.5 VerilogHDL語言的可綜合與仿真特性12
1.5.1 VerilogHDL語句的可綜合性說明12
1.5.2 VerilogHDL語句的仿真特性說明13
1.6 本章小結14
1.7 思考題14
第2章 VerilogHDL基礎與開發(fā)平臺操作指南15
2.1 VerilogHDL程序開發(fā)的必備知識15
2.1.1 數字的表示形式15
2.1.2 常用術語解釋17
2.1.3 VerilogHDL程序的優(yōu)劣判斷指標18
2.2 VerilogHDL程序設計模式19
2.2.1 自頂向下的設計模式19
2.2.2 層次、模塊化模式20
2.2.3 IP核的重用20
2.3 XilinxSpartan3E系列FPGA簡介21
2.3.1 Spartan3E系列FPGA簡介21
2.3.2 Spartan3E系列FPGA結構說明22
2.4 ISE快速入門25
2.4.1 ISE操作基礎25
2.4.2 新建工程29
2.4.3 VerilogHDL代碼的輸入與功能仿真30
2.4.4 XilinxIP核的使用34
2.4.5 用戶約束輸入39
2.4.6 綜合與實現(xiàn)42
2.4.7 器件配置44
2.5 ModelSim快速入門50
2.5.1 ModelSim仿真軟件的安裝51
2.5.2 在ModelSim中指定Xilinx的仿真庫53
2.5.3 ModelSim的基本操作53
2.6 本章小結55
2.7 思考題56
第3章 VerilogHDL程序結構57
3.1 程序模塊說明57
3.1.1 VerilogHDL模塊的概念57
3.1.2 模塊的基本結構57
3.1.3 端口說明59
3.2 VerilogHDL的層次化設計59
3.2.1 VerilogHDL層次化設計的表現(xiàn)形式59
3.2.2 模塊例化59
3.2.3 參數映射63
3.2.4 在ISE中通過圖形化方式實現(xiàn)層次化設計66
3.3 VerilogHDL語言的描述形式68
3.3.1 結構描述形式68
3.3.2 行為描述形式75
3.3.3 混合設計模式79
3.4 本章小結79
3.5 思考題79
第4章 VerilogHDL語言基本要素81
4.1 標志符與注釋81
4.1.1 標志符81
4.1.2 注釋82
4.2 數字與邏輯數值82
4.2.1 邏輯數值82
4.2.2 常量82
4.2.3 參數83
4.3 數據類型83
4.3.1 數據類型綜述83
4.3.2 線網類型84
4.3.3 寄存器類型88
4.4 運算符和表達式91
4.4.1 賦值運算符91
4.4.2 算術運算符93
4.4.3 邏輯運算符96
4.4.4 關系運算符97
4.4.5 條件運算符99
4.4.6 位運算符100
4.4.7 拼接運算符101
4.4.8 移位運算符102
4.4.9 一元約簡運算符103
4.5 本章小結104
4.6 思考題104
第5章 面向綜合的行為描述語句105
5.1 觸發(fā)事件控制105
5.1.1 信號電平事件語句105
5.1.2 信號跳變沿事件語句106
5.2 條件語句107
5.2.1 if語句107
5.2.2 case語句108
5.2.3 條件語句的深入理解112
5.3 循環(huán)語句114
5.3.1 repeat語句114
5.3.2 while語句116
5.3.3 for語句117
5.3.4 循環(huán)語句的深入理解119
5.4 任務和函數124
5.4.1 任務(task)語句124
5.4.2 函數(function)語句126
5.4.3 任務和函數的深入理解128
5.5 本章小結129
5.6 思考題129
第6章 面向驗證和仿真的行為描述語句131
6.1 驗證與仿真概述131
6.1.1 代碼驗證與仿真概述131
6.1.2 測試平臺說明132
6.1.3 驗證測試方法論134
6.1.4 Testbench結構說明138
6.2 仿真程序執(zhí)行原理139
6.2.1 VerilogHDL語義簡介139
6.2.2 VerilogHDL仿真原理139
6.3 延時控制語句141
6.3.1 延時控制的語法說明141
6.3.2 延時控制應用實例142
6.4 常用的行為仿真描述語句144
6.4.1 循環(huán)語句145
6.4.2 force和release語句146
6.4.3 wait語句147
6.4.4 事件控制語句148
6.4.5 task和function語句149
6.4.6 串行激勵與并行激勵語句150
6.5 用戶自定義元件151
6.5.1 UDP的定義與調用151
6.5.2 UDP應用實例152
6.6 仿真激勵的產生154
6.6.1 變量初始化154
6.6.2 時鐘信號的產生158
6.6.3 復位信號的產生159
6.6.4 數據信號的產生160
6.6.5 典型測試平臺實例162
6.6.6 關于仿真效率的說明162
6.7 Xilinx仿真工具ISESimulator163
6.7.1 基于波形測試法的仿真163
6.7.2 基于VerilogHDL測試平臺的仿真165
6.8 Xilinx系統(tǒng)驗證工具ChipScopePro170
6.8.1 ChipScopePro工具簡介170
6.8.2 ChipScopePro開發(fā)實例171
6.9 本章小結178
6.1 0思考題178
第7章 系統(tǒng)任務和編譯預處理語句179
7.1 系統(tǒng)任務語句179
7.1.1 輸出顯示任務179
7.1.2 文件輸入輸出任務185
7.1.3 時間標度任務190
7.1.4 仿真控制任務191
7.1.5 仿真時間函數192
7.1.6 數字類型變換函數194
7.1.7 概率分布函數194
7.2 編譯預處理語句196
7.2.1 宏定義define語句196
7.2.2 條件編譯命令if語句198
7.2.3 文件包含include語句199
7.2.4 時間尺度timescale語句201
7.2.5 其他語句203
7.3 本章小結203
7.4 思考題204
第8章 VerilogHDL可綜合設計的難點解析205
8.1 組合邏輯和時序邏輯205
8.1.1 組合邏輯設計205
8.1.2 時序邏輯設計208
8.1.3 組合邏輯電路中的競爭與冒險212
8.1.4 時序邏輯的時鐘選擇策略216
8.2 同步時序電路和異步時序電路219
8.2.1 同步時序電路設計219
8.2.2 異步時序電路設計223
8.2.3 異步電路和同步電路的比較226
8.3 阻塞賦值與非阻塞賦值227
8.3.1 阻塞賦值與非阻塞過程的深入理解227
8.3.2 組合邏輯中的阻塞與非阻塞228
8.3.3 時序邏輯中的阻塞與非阻塞229
8.3.4 編碼建議232
8.4 雙向端口233
8.4.1 雙向端口簡介233
8.4.2 雙向端口應用實例234
8.5 鎖存器237
8.5.1 鎖存器本質說明237
8.5.2 鎖存器的產生原因和處理策略237
8.5.3 鎖存器的應用規(guī)則239
8.6 消除不確定輸入的電路設計242
8.6.1 初始值不確定態(tài)的消除242
8.6.2 邏輯運算不確定態(tài)的消除242
8.7 面向硬件的設計思維243
8.7.1 基本的硬件設計模式243
8.7.2 程序執(zhí)行順序244
8.7.3 時鐘是時序電路的控制者245
8.8 本章小結247
8.9 思考題248
第9章 高級邏輯設計思想與代碼風格249
9.1 通用指導原則249
9.1.1 面積和速度的互換原則249
9.1.2 模塊劃分原則250
9.2 代碼風格250
9.2.1 代碼風格的含義251
9.2.2 通用的代碼設計風格251
9.2.3 通用的代碼書寫風格252
9.2.4 Xilinx專用代碼設計風格255
9.3 常用的設計思想與代碼設計風格258
9.3.1 流水線技術原理和VerilogHDL實現(xiàn)258
9.3.2 邏輯復用與邏輯復制原理和VerilogHDL實現(xiàn)264
9.3.3 關鍵路徑提取原理和VerilogHDL實現(xiàn)268
9.3.4 邏輯合并與拆分原理和VerilogHDL實現(xiàn)269
9.3.5 多時鐘域接口設計技巧270
9.4 本章小結282
9.5 思考題282
第10章 可綜合狀態(tài)機開發(fā)實例283
10.1 狀態(tài)機基本概念283
10.1.1 狀態(tài)機工作原理以及分類283
10.1.2 狀態(tài)機描述方式284
10.1.3 狀態(tài)機設計思想286
10.2 可綜合狀態(tài)機設計原則286
10.2.1 狀態(tài)機開發(fā)流程286
10.2.2 狀態(tài)編碼原則287
10.2.3 狀態(tài)機的容錯處理288
10.2.4 常用的設計準則288
10.3 狀態(tài)機的VerilogHDL實現(xiàn)289
10.3.1 狀態(tài)機實現(xiàn)綜述289
10.3.2 Moore狀態(tài)機開發(fā)實例293
10.3.3 Mealy狀態(tài)機開發(fā)實例295
10.4 Xilinx狀態(tài)機設計工具StateCAD298
10.4.1 StateCAD基礎介紹298
10.4.2 編輯狀態(tài)機299
10.4.3 狀態(tài)機優(yōu)化以及HDL代碼生成301
10.4.4 測試狀態(tài)機303
10.5 本章小結305
10.6 思考題305
第11章 常用邏輯的VerilogHDL實現(xiàn)307
11.1 時鐘處理電路的VerilogHDL實現(xiàn)307
11.1.1 整數分頻模塊307
11.1.2 非整數分頻模塊310
11.1.3 同步整形電路313
11.2 乘加運算的VerilogHDL實現(xiàn)315
11.2.1 加法器的VerilogHDL實現(xiàn)315
11.2.2 乘法器的VerilogHDL實現(xiàn)318
11.2.3 數據的截位與擴位324
11.3 數碼管接口電路的VerilogHDL實現(xiàn)325
11.3.1 數碼管簡介325
11.3.2 數碼管顯示電路的VerilogHDL實現(xiàn)326
11.4 按鈕接口電路的VerilogHDL實現(xiàn)328
11.4.1 按鈕掃描電路的VerilogHDL實現(xiàn)328
11.4.2 按鈕防抖電路的VerilogHDL實現(xiàn)332
11.5 CRC編碼器的VerilogHDL實現(xiàn)334
11.5.1 CRC校驗碼的原理334
11.5.2 CRC16編碼器的VerilogHDL實現(xiàn)335
11.6 片內存儲器的VerilogHDL實現(xiàn)337
11.6.1 RAM的VerilogHDL實現(xiàn)337
11.6.2 移位寄存器的VerilogHDL實現(xiàn)341
11.7 SPI接口協(xié)議的VerilogHDL實現(xiàn)343
11.7.1 SPI通信協(xié)議343
11.7.2 SPI協(xié)議的VerilogHDL實現(xiàn)345
11.8 本章小結349
11.9 思考題349
第12章 Xilinx硬核模塊的VerilogHDL調用351
12.1 差分I/O對管腳的VerilogHDL調用351
12.1.1 差分I/O對管腳結構說明351
12.1.2 調用差分I/O的參考設計354
12.2 DCM模塊的VerilogHDL調用356
12.2.1 DCM模塊的說明356
12.2.2 調用DCM模塊的參考設計359
12.3 硬核乘法器的VerilogHDL調用362
12.3.1 硬核乘法器結構說明362
12.3.2 基于IP核調用硬核乘法器363
12.4 塊RAM的VerilogHDL調用365
12.4.1 塊RAM結構說明365
12.4.2 基于IP核調用塊RAM單元368
12.5 本章小結374
12.6 思考題374
第13章 串口接口的VerilogHDL設計375
13.1 串口以及串口通信協(xié)議簡介375
13.1.1 串口接口375
13.1.2 RS-232通信協(xié)議375
13.2 串口通信控制器的VerilogHDL實現(xiàn)377
13.2.1 系統(tǒng)功能說明377
13.2.2 頂層模塊的組成結構和VerilogHDL實現(xiàn)377
13.2.3 波特率發(fā)生器模塊的VerilogHDL實現(xiàn)380
13.2.4 發(fā)送模塊的VerilogHDL實現(xiàn)381
13.2.5 接收模塊的VerilogHDL實現(xiàn)386
13.3 RS-232設計板級調試390
13.3.1 板級調試說明390
13.3.2 配置超級終端391
13.3.3 添加ChipScopePro核392
13.3.4 系統(tǒng)調試結果396
13.4 本章小結398
13.5 思考題398
參考文獻399