前　言筆者2004年開(kāi)始學(xué)習(xí)FPGA，并被其強(qiáng)大的靈活性所吸引，從此一切成本不敏感的項(xiàng)目能用FPGA的，則不會(huì)考慮其他方案。從簡(jiǎn)單的邏輯控制、MCU替代到高速的信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)與通信應(yīng)用，沒(méi)有什么是一片F(xiàn)PGA（或含有處理器核）不能駕馭的，“一片不行，那就兩片！”在成本不敏感的領(lǐng)域，如科研、產(chǎn)品或芯片原型研發(fā)和驗(yàn)證中，F(xiàn)PGA扮演了極其重要的角色，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域往往包含大量特殊的、創(chuàng)新的定制邏輯和功能，或者具備極高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，并非MCU、MPU（DSP是MPU的一種）或應(yīng)用處理器所能勝任。
即使是MCU或MPU能夠勝任的工作，若使用FPGA來(lái)完成，你可以肆意揮灑自己的創(chuàng)意，構(gòu)建符合自己習(xí)慣的邏輯接口和功能，創(chuàng)造符合特殊要求的功能模塊和處理器外設(shè)，而不必像使用通用MCU或MPU那樣，需要學(xué)習(xí)為了功能通用而設(shè)置的紛繁復(fù)雜的接口、控制寄存器或API函數(shù)。當(dāng)然，一切的前提是項(xiàng)目成本不敏感，并且你具備深厚的FPGA開(kāi)發(fā)功力——這比MCU或MPU開(kāi)發(fā)要難很多。
但終端產(chǎn)品領(lǐng)域是FPGA尚無(wú)法觸及的，主要限制是成本、功耗和開(kāi)發(fā)難度。在成本和功耗上，F(xiàn)PGA靈活的本質(zhì)決定了它無(wú)法與MCU或MPU抗衡，同時(shí)終端產(chǎn)品往往出貨量也很大，因而在高帶寬或特殊定制邏輯方面，也可以由ASIC勝任——ASIC在量大時(shí)成本極低。
而開(kāi)發(fā)難度大則源于多個(gè)方面。在理論方面，想要學(xué)好FPGA，甚至說(shuō)想要入門(mén)FPGA，都必須掌握扎實(shí)的數(shù)字邏輯基礎(chǔ)知識(shí)。在語(yǔ)言方面，用于FPGA開(kāi)發(fā)的硬件描述語(yǔ)言（HDL）描述的數(shù)字邏輯電路是并行的，與人類(lèi)思維的串行性（即一步一步的思考）不符，而MCU等開(kāi)發(fā)使用的程序語(yǔ)言則符合人類(lèi)思維的串行性，相對(duì)易于入門(mén)和掌握。依筆者淺見(jiàn)，“程序”一詞含有“依序執(zhí)行的過(guò)程”之意，與可綜合的硬件描述語(yǔ)言的并行性不符，因而本書(shū)盡量避免使用“程序”一詞指代可綜合的硬件描述語(yǔ)言代碼。
開(kāi)發(fā)困難還源于FPGA技術(shù)近年來(lái)的快速發(fā)展和FPGA相關(guān)教育的滯后。
筆者自六年前開(kāi)始面向華中科技大學(xué)啟明學(xué)院電工電子科技創(chuàng)新中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“創(chuàng)新中心”）的學(xué)生開(kāi)設(shè)與FPGA應(yīng)用相關(guān)的選修課，并為他們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)板，無(wú)論課程內(nèi)容還是開(kāi)發(fā)板，每年都可能會(huì)變動(dòng)以跟進(jìn)新的技術(shù)發(fā)展。
創(chuàng)新中心的學(xué)生主要來(lái)自全校各電類(lèi)相關(guān)院系，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的考核選入，都是理論成績(jī)和實(shí)踐能力兼優(yōu)并對(duì)電子技術(shù)有著濃厚興趣的學(xué)生。即便如此，筆者依然感受到FPGA應(yīng)用教學(xué)的困難，特別是在引導(dǎo)和幫助他們使用FPGA實(shí)現(xiàn)具備一定難度和深度的功能的時(shí)候，或者在實(shí)現(xiàn)一個(gè)完備的電子電路系統(tǒng)，比如將FPGA用作大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽作品主控或者各類(lèi)研究、雙創(chuàng)項(xiàng)目的主要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的時(shí)候。
筆者以為，F(xiàn)PGA應(yīng)用教學(xué)的困難直接反映了數(shù)字電路應(yīng)用教學(xué)的困難，這與傳統(tǒng)數(shù)字電路課程設(shè)置不無(wú)關(guān)系。在電子技術(shù)子領(lǐng)域日趨細(xì)分、國(guó)內(nèi)大學(xué)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)日趨細(xì)分的當(dāng)代，側(cè)重?cái)?shù)字電路應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)（如通信、電氣、自動(dòng)化等）仍然在深入學(xué)習(xí)SR鎖存器的電路構(gòu)成，深入學(xué)習(xí)如何用74系列IC設(shè)計(jì)異步時(shí)序邏輯電路。筆者并不認(rèn)為這些不重要，但以為這些應(yīng)該是側(cè)重?cái)?shù)字電路理論的專(zhuān)業(yè)（如電子、電信等）才需要深入學(xué)習(xí)的內(nèi)容，畢竟側(cè)重?cái)?shù)字電路應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)的學(xué)生以后一般不需要設(shè)計(jì)IC；不需要在數(shù)字邏輯電路中做晶體管級(jí)的優(yōu)化；也不需要為少數(shù)關(guān)鍵路徑而動(dòng)用異步邏輯、鎖存器邏輯。相應(yīng)地，在側(cè)重?cái)?shù)字電路應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)中，現(xiàn)代數(shù)字電路應(yīng)用中的同步時(shí)序邏輯內(nèi)容并沒(méi)有提升到應(yīng)有的地位，與之相關(guān)的時(shí)鐘概念和知識(shí)、常用的時(shí)序邏輯功能單元、基礎(chǔ)的時(shí)序分析概念和知識(shí)也是比較缺失的。
在本書(shū)中，筆者提煉和擴(kuò)展了傳統(tǒng)數(shù)字電路課程中與FPGA應(yīng)用相關(guān)的部分，形成了本書(shū)的第1章，便于讀者快速?gòu)?qiáng)化FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)所需的數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)，尚未學(xué)習(xí)數(shù)字電路課程的低年級(jí)讀者也可以通過(guò)學(xué)習(xí)第1章來(lái)入門(mén)數(shù)字電路基礎(chǔ)。
第2章則是SystemVerilog（IEEE 1800—2012）簡(jiǎn)明語(yǔ)法講解，主要側(cè)重可綜合（即可以在FPGA中實(shí)現(xiàn)）的語(yǔ)法，最新的IEEE 1800—2012標(biāo)準(zhǔn)較早期版本引入了不少“漂亮”的語(yǔ)法元素，讓筆者急切地想與讀者分享，后果是少數(shù)理應(yīng)可綜合的語(yǔ)法在目前主流開(kāi)發(fā)工具中尚不支持，或許它們還需要一點(diǎn)時(shí)間來(lái)跟進(jìn)，遇到這些特例，書(shū)中均會(huì)給出解決方法。
第3章是使用ModelSim進(jìn)行Verilog功能仿真的簡(jiǎn)單教程。
第4章是Verilog的基本應(yīng)用，這一章主要介紹各種數(shù)字邏輯基本功能單元的描述，并著重介紹了時(shí)鐘、使能的概念和跨時(shí)鐘域處理。從這一章起，我們正式開(kāi)始了FPGA應(yīng)用設(shè)計(jì)之旅。
第5章介紹IO規(guī)范，首先通識(shí)性地介紹了IO連接的常識(shí)和常見(jiàn)電平規(guī)范，而后以四種常見(jiàn)外部邏輯接口規(guī)范為例，介紹了通用接口邏輯的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。希望讀者能在學(xué)習(xí)過(guò)程中領(lǐng)會(huì)到此類(lèi)設(shè)計(jì)的一般思路和處理方法。
第6章介紹片上系統(tǒng)的內(nèi)部互連。片上系統(tǒng)（SoC）結(jié)合了通用處理器和FPGA邏輯的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，是當(dāng)下FPGA應(yīng)用技術(shù)的熱門(mén)。而要充分利用SoC的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮軟硬件協(xié)同的潛力，處理器系統(tǒng)與FPGA邏輯的高速互連至關(guān)重要。此章從一種簡(jiǎn)單的互連接口入手，逐步過(guò)渡到目前應(yīng)用最為廣泛的AXI互連協(xié)議。
第7章介紹Verilog在數(shù)字