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　　四則運算小計算器設(shè)計過程實錄-Verilog FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計入門學(xué)習(xí)日記
　　本書以日記的形式記錄了一個可實現(xiàn)四則運算計算器的設(shè)計過程,從而達到學(xué)習(xí)FPGA 設(shè)計的目的.全書共10章,講述了從設(shè)計開始到完成的全過程,其中包括數(shù)碼管顯示、鍵盤掃描、狀態(tài)
　　機等基礎(chǔ)模塊的設(shè)計,以及設(shè)計中需要注意的問題等,每一章的最后還有夏宇聞老師對本章內(nèi)容的點評及給讀者的學(xué)習(xí)建議.希望讀者按順序閱讀本書,同時進行實踐操作,并與書中的進度保持一致,最終完成整個設(shè)計.讀者也可以根據(jù)自己的想法來實現(xiàn)想要的功能,做到舉一反三,以達到好的學(xué)習(xí)效果.書中使用的硬件為至芯科技的四代開發(fā)板、AlteraCycloneIV的芯片,軟件為uartusII13．0sp1.
　　本書可作為電子工程類、自動控制類、計算機類的大學(xué)本科高年級學(xué)生及研究生設(shè)計實驗參考用書,亦可供其他工程人員自學(xué)與參考.

第1章　第一天———數(shù)碼管顯示模塊的設(shè)計………………………………………… 1
1．1　設(shè)計需求講解………………………………………………………………… 1
1．2　七段式數(shù)碼管顯示原理講解………………………………………………… 2
1．3　設(shè)計工具使用講解…………………………………………………………… 4
1．3．1　QuartusII工具的配置………………………………………………… 4
1．3．2　數(shù)碼管顯示模塊的可綜合代碼………………………………………… 6
1．3．3　顯示模塊的測試………………………………………………………… 8
1．3．4　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行測試…………………………………… 11
1．3．5　下載程序到開發(fā)板進行調(diào)試…………………………………………… 13
1．4　今天工作總結(jié)………………………………………………………………… 19
1．5　夏老師評述…………………………………………………………………… 19
第2章　第二天———鍵盤掃描模塊的設(shè)計………………………………………… 21
2．1　設(shè)計需求講解………………………………………………………………… 21
2．2　七段式數(shù)碼管顯示原理講解………………………………………………… 22
2．3　設(shè)計工具使用講解…………………………………………………………… 23
2．3．1　矩陣鍵盤碼掃描分析模塊的可綜合代碼……………………………… 24
2．3．2　矩陣鍵盤碼掃描分析模塊代碼解析…………………………………… 29
2．3．3　矩陣鍵盤掃描分析模塊的測試………………………………………… 35
2．3．4　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行測試…………………………………… 42
2．3．5　下載程序到開發(fā)板進行調(diào)試…………………………………………… 42
2．4　今天工作總結(jié)………………………………………………………………… 46
2．5　夏老師評述…………………………………………………………………… 47
第3章　第三天———輸入狀態(tài)機模塊的設(shè)計……………………………………… 48
3．1　設(shè)計需求講解………………………………………………………………… 48
3．2　我對狀態(tài)機概念的理解……………………………………………………… 48
3．3　設(shè)計工具使用講解…………………………………………………………… 49
3．3．1　范例代碼解析…………………………………………………………… 49
3．3．2　重寫狀態(tài)機代碼………………………………………………………… 61
3．3．3　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行測試…………………………………… 67
3．3．4　下載程序到開發(fā)板進行調(diào)試…………………………………………… 67
3．4　今天工作總結(jié)………………………………………………………………… 71
3．5　夏老師評述…………………………………………………………………… 72
第4章　第四天———BCD 碼與二進制碼轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計………………………… 73
4．1　設(shè)計需求講解………………………………………………………………… 73
4．2　BCD碼轉(zhuǎn)二進制碼………………………………………………………… 74
4．2．1　BCD碼轉(zhuǎn)二進制碼的可綜合代碼…………………………………… 74
4．2．2　BCD碼轉(zhuǎn)二進制碼模塊的測試代碼………………………………… 75
4．2．3　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行測試…………………………………… 76
4．2．4　二進制碼轉(zhuǎn)BCD碼的可綜合代碼…………………………………… 76
4．2．5　二進制碼轉(zhuǎn)BCD碼模塊的測試……………………………………… 80
4．2．6　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行測試…………………………………… 82
4．3　今天工作總結(jié)………………………………………………………………… 83
4．4　夏老師評述…………………………………………………………………… 83
第5章　第五天———計算模塊的設(shè)計……………………………………………… 84
5．1　設(shè)計需求講解………………………………………………………………… 84
5．2　設(shè)計工具使用講解…………………………………………………………… 84
5．2．1　計算模塊的可綜合代碼………………………………………………… 85
5．2．2　計算模塊的測試………………………………………………………… 85
5．2．3　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行仿真…………………………………… 87
5．2．4　模塊連接關(guān)系…………………………………………………………… 88
5．2．5　下載程序到開發(fā)板進行調(diào)試…………………………………………… 95
5．3　今天工作總結(jié)………………………………………………………………… 95
5．4　夏老師評述…………………………………………………………………… 95
第6章　第六天———可進行連續(xù)運算的狀態(tài)機改進……………………………… 97
6．1　設(shè)計需求講解………………………………………………………………… 97
6．2　狀態(tài)機設(shè)計講解……………………………………………………………… 97
6．2．1　狀態(tài)機的編碼形式……………………………………………………… 97
6．2．2　狀態(tài)機的分類…………………………………………………………… 98
6．2．3　狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(STD) …………………………………………………… 102
6．3　設(shè)計工具使用講解………………………………………………………… 103
6．3．1　狀態(tài)機模塊的可綜合代碼…………………………………………… 103
6．3．2　狀態(tài)機模塊的測試…………………………………………………… 107
6．3．3　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行仿真………………………………… 111
6．3．4　下載程序到開發(fā)板進行調(diào)試………………………………………… 111
6．4　今天工作總結(jié)……………………………………………………………… 113
6．5　夏老師評述………………………………………………………………… 114
第7章　第七天———面積優(yōu)化……………………………………………………… 115
7．1　設(shè)計需求講解……………………………………………………………… 115
7．2　面積與速度………………………………………………………………… 116
7．3　模塊改進…………………………………………………………………… 118
7．3．1　計算模塊的可綜合代碼……………………………………………… 118
7．3．2　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行測試………………………………… 121
7．3．3　下載程序到開發(fā)板進行調(diào)試………………………………………… 123
7．4　今天工作總結(jié)……………………………………………………………… 125
7．5　夏老師評述………………………………………………………………… 126
第8章　第八天———二進制碼轉(zhuǎn)BCD 碼模塊的優(yōu)化…………………………… 127
8．1　設(shè)計需求講解……………………………………………………………… 127
8．2　算法實現(xiàn)…………………………………………………………………… 128
8．3　模塊改進…………………………………………………………………… 129
8．3．1　二進制碼轉(zhuǎn)BCD碼模塊的可綜合代碼……………………………… 129
8．3．2　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行測試………………………………… 132
8．3．3　下載程序到開發(fā)板進行調(diào)試………………………………………… 134
8．4　今天工作總結(jié)……………………………………………………………… 138
8．5　夏老師評述………………………………………………………………… 140
第9章　第九天———去“0”模塊的設(shè)計…………………………………………… 141
9．1　設(shè)計需求講解……………………………………………………………… 141
9．2　算法實現(xiàn)…………………………………………………………………… 141
9．3　模塊改進…………………………………………………………………… 142
9．3．1　去“0”模塊的可綜合代碼……………………………………………… 142
9．3．2　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行測試………………………………… 144
9．3．3　下載程序到開發(fā)板進行調(diào)試………………………………………… 146
9．4　今天工作總結(jié)……………………………………………………………… 150
9．5　夏老師評述………………………………………………………………… 151
第10章　第十天———負數(shù)計算…………………………………………………… 152
10．1　設(shè)計需求講解……………………………………………………………… 152
10．2　二進制數(shù)表示法…………………………………………………………… 152
10．3　補碼原碼轉(zhuǎn)換模塊………………………………………………………… 153
10．3．1　補碼轉(zhuǎn)原碼模塊的可綜合代碼……………………………………… 154
10．3．2　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行測試………………………………… 154
10．3．3　原碼轉(zhuǎn)補碼模塊的可綜合代碼……………………………………… 155
10．3．4　轉(zhuǎn)到ModelSim 仿真工具進行測試………………………………… 155
10．4　其他模塊的修改…………………………………………………………… 156
10．4．1　顯示模塊的修改……………………………………………………… 156
10．4．2　消“0”模塊的修改…………………………………………………… 159
10．4．3　BCD碼和二進制碼轉(zhuǎn)換模塊的修改……………………………… 160
10．4．4　計算模塊的修改……………………………………………………… 163
10．4．5　按鍵狀態(tài)機模塊的修改……………………………………………… 165
10．4．6　頂層模塊的修改……………………………………………………… 169
10．5　下載程序到開發(fā)板進行調(diào)試……………………………………………… 171
10．6　今天工作總結(jié)……………………………………………………………… 171
10．7　夏老師評述………………………………………………………………… 172
參考文獻……………………………………………………………………………… 174

序言

2014年3月，首都師范大學(xué)物理系碩士研究生趙然同學(xué)報名參加了由我執(zhí)教的FPGA設(shè)計就業(yè)培訓(xùn)班。在培訓(xùn)班上，他仔細聆聽老師的講解，積極提問、思考，按照老師建議的進度要求，認真設(shè)計并驗證每個小模塊，并逐步把它們整合成可以在FPGA上運行的實際電路結(jié)構(gòu)，終于在十天內(nèi)用純數(shù)字邏輯電路在培訓(xùn)班提供的小開發(fā)板上實現(xiàn)了一臺能做4位整數(shù)加、減、乘、除運算的計算器。這臺計算器的實現(xiàn)過程是他學(xué)習(xí)Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計第一階段的全過程。

在我的鼓勵和幫助下，趙然花了半年時間把他的學(xué)習(xí)日記整理成一本值得一讀的小冊子。我讀后認為本書對于想學(xué)習(xí)Verilog數(shù)字設(shè)計、有志進入FPGA和集成電路設(shè)計行業(yè)的年輕人定會有很大的幫助，所以鄭重地推薦給每一位想掌握Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的同學(xué)。

以后我們還將繼續(xù)整理其他同學(xué)的學(xué)習(xí)日記，把在培訓(xùn)班學(xué)習(xí)期間由學(xué)員們獨立完成的其他小項目設(shè)計的全過程和分階段代碼陸續(xù)介紹給各位讀者。這些小冊子將按照完成的先后順序出版，希望它們能成為理工類學(xué)生自學(xué)Verilog數(shù)字設(shè)計、參加課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計時的最好參考資料。同學(xué)們只要購買一塊開發(fā)板，利用暑假、寒假、課設(shè)或畢設(shè)時間段，按這些小冊子中介紹的步驟，走一遍設(shè)計的全過程，認真思考作者提出的每個問題，通過自己動腦又動手，來解決這些問題，就能真正掌握這門技術(shù)。這一過程對想進入高技術(shù)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計行業(yè)的同學(xué)是十分必要的。

趙然同學(xué)在本書中用日記的形式詳細記錄了每天的學(xué)習(xí)過程。在日記中，他用生動的文字記錄了老師布置的設(shè)計要求、進度和講解、學(xué)習(xí)中遇到的困惑、解決問題的方法和過程、模塊代碼的演化過程以及每天的喜怒哀樂，真實地反映了一位聰明、勤奮、好學(xué)的年輕人在學(xué)習(xí)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的艱難過程中的思想歷程。本書不但是一本數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計入門書籍，也是年輕人勵志的優(yōu)秀書籍。

在我看來，趙然的FPGA設(shè)計學(xué)習(xí)日記充分體現(xiàn)了“實踐是最好的老師”的真理。學(xué)習(xí)Verilog數(shù)字設(shè)計沒有捷徑可走，在掌握了基本方法后，唯有不怕困難勇于攀登，才能逐步達到別人不敢逾越的高峰。

我們貧窮多難的祖國經(jīng)過三十多年的改革開放，國民經(jīng)濟已有了很大的發(fā)展，但高科技產(chǎn)業(yè)仍非常落后，特別在集成電路工業(yè)和尖端國防工業(yè)方面更是如此。阻擋我國進入世界技術(shù)強國的主要障礙之一就是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的落后。望有志改變我國技術(shù)落后面貌的年輕人通過閱讀這本小冊子，刻苦努力自學(xué)，加入日益壯大的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計師隊伍，為振興祖國的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)貢獻一份力量。

本書語言通俗易懂，從實用的角度詳細介紹了設(shè)計過程的每個細節(jié)。最難能可貴的是作者的分享精神，通過簡單明了的描述，我能體會到作者想與讀者交流、分享的真誠愿望。相信各位讀者通過認真閱讀本書，認真上機操作，F(xiàn)PGA設(shè)計能力會更上一層樓。

當然，任何人都不可能只讀一本小冊子就完全掌握利用Verilog HDL的FPGA設(shè)計，但是我可以肯定地說，即將逐步推出的《Verilog FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計自學(xué)叢書》確實是每個想進一步學(xué)習(xí)Verilog數(shù)字設(shè)計，并希望進入數(shù)字設(shè)計行業(yè)的年輕人的最好選擇。本書針對的讀者群是已有Verilog基礎(chǔ)知識的學(xué)生，以及想進入數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的年輕電子工程師們。相信本書和以后將陸續(xù)出版的系列叢書定會受到更多讀者的喜愛。

夏宇聞

北京航空航天大學(xué)退休教授

2015年9月10日

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