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第1章 浅谈FPGA技术、优势、学习途径1

1.1 FPGA的诞生、发展1

1.1.1 FPGA的诞生1

1.1.2 FPGA的发展与未来4

1.1.3 博弈，在入门之前7

1.2 Altera FPGA介绍及发展、应用8

1.2.1 Altera公司介绍8

1.2.2 Altera产品介绍9

1.2.3 Altera FPGA的开发平台15

1.2.4 Altera FPGA的动态与应用17

1.2.5 Altera FPGA的应用20

1.2.6 对比ARM与DSP，认清FPGA23

1.3 善用网络资源，不断总结自我26

第2章 Quartus Ⅱ 13.0套件的下载及安装29

2.1 写在前面的话29

2.2 Quartus Ⅱ 13.0软件下载30

2.3 Quartus Ⅱ 13.0组件安装32

2.4 Quartus Ⅱ 13.0 Device安装36

2.5 USB Blaster下载器驱动程序的安装39

第3章 Verilog HDL语法简介43

3.1 What is Verilog HDL？43

3.2 设计层次44

3.3 设计流程44

3.4 基本语法介绍46

3.4.1 模块module46

3.4.2 注 释47

3.4.3 大小写47

3.4.4 参数声明parameter48

3.4.5 预处理指令48

3.4.6 常量49

3.4.7 变量50

3.4.8 运算符51

3.5 Verilog HDL建模54

3.5.1 结构建模54

3.5.2 数据流建模56

3.5.3 行为建模57

3.5.4 关于状态机66

第4章 MAX Ⅱ CPLD/Cyclone Ⅱ/Ⅳ FPGA设PCB Layout设计76

4.1 浅谈PCB Layout76

4.2 MAX Ⅱ CPLD核心电路设计77

4.2.1 MAX ⅡCPLD背景及简介77

4.2.2 EPM240T100C5N设计需求研究及分析79

4.2.3 EPM240T100C5N核心板原理图设计83

4.2.4 EPM240T100C5N核心板布局布线87

4.3 Cyclone Ⅱ FPGA核心电路设计88

4.3.1 Cyclone Ⅱ FPGA背景及简介88

4.3.2 Cyclone Ⅱ数据手册解读与EP2C8Q208C8N的设计研究89

4.3.3 EP2C8Q208C8N核心板原理图设计101

4.3.4 FPGA核心板Layout注意事项110

4.4 Cyclone Ⅳ FPGA核心电路设计113

4.4.1 Cyclone Ⅳ FPGA简介113

4.4.2 Cyclone Ⅳ FPGA数据手册分析与EP4CE6E22C8N的设计研究115

4.4.3 Cyclone Ⅳ FPGA核心电路设计121

4.5 FPGA/CPLD电路焊接、调试经验总结124

4.6 本书配套FPGA开发平台硬件介绍128

4.6.1 VIPBoard 3.0硬件资源介绍128

4.6.2 VIPBoard 3.0相关外设实物介绍130

第5章 Verilog HDL设计与Testbench文件架构134

5.1 Verilog HDL设计134

5.1.1 Verilog HDL与VHDL的对比134

5.1.2 Verilog HDL的发展135

5.1.3 Verilog HDL代码设计风格136

5.2 Testbench文件架构141

5.2.1 Testbench 的介绍141

5.2.2 Testbench代码设计风格142

5.3 Quartus Ⅱ工程目录文件夹的定制145

第6章 4位计数器的设计与仿真验证147

6.1 写在前面的话147

6.2 FPGA/CPLD开发流程147

6.3 基于Quartus Ⅱ 13.0的4位计数器设计流程149

6.3.1 Quartus Ⅱ 工程的创建149

6.3.2 4位计数器的逻辑电路设计152

6.3.3 Quartus Ⅱ编译流程与工程设置分析155

6.4 基于Modelsim-Altera 10.1d的4位计数器仿真验证流程166

6.4.1 关于FPGA设计的各种仿真概念分析167

6.4.2 Modelsim 版本的简要介绍168

6.4.3 Modelsim 工程的创建168

6.4.4 Testbench激励文件的编写171

6.4.5 Modelsim波形的仿真与分析174

6.5 设计思路的验证与总结182

第7章 LED驱动电路设计183

7.1 LED驱动电路设计方案1——入门183

7.1.1 LED驱动电路设计方案183

7.1.2 8位LED的自加显示实验185

7.2 LED 驱动电路设计方案2——升级196

7.2.1 LED 电路设计方案196

7.2.2 74HC595驱动分析与实现198

7.3 8位LED跑马灯显示实验208

7.4 LED特效呼吸灯的设计215

7.4.1 PWM协议的基本介绍215

7.4.2 LED呼吸灯的设计216

第8章 独立按键与矩阵键盘的FPGA驱动电路实现227

8.1 按键及其工作模式介绍227

8.1.1 按键抖动原理分析228

8.1.2 硬件消抖动228

8.1.3 软件消抖动230

8.2 独立按键的FPGA驱动电路设计230

8.2.1 独立按键电路设计230

8.2.2 FSM状态机的Verilog HDL介绍231

8.2.3 FPGA按键驱动设计方案1234

8.2.4 FPGA按键驱动设计方案2248

8.3 矩阵键盘的FPGA驱动电路设计252

8.3.1 工作原理及电路设计252

8.3.2 FPGA矩阵键盘驱动设计255

第9章 “Hello World”的LCD1602显示驱动实现267

9.1 LCD1602介绍及硬件设计267

9.1.1 LCD1602字符液晶介绍267

9.1.2 LCD1602 硬件电路设计268

9.1.3 LCD1602的时序及初始化分析271

9.2 LCD 1602 的FPGA驱动电路实现275

9.2.1 LCD1602的C语言实现方案276

9.2.2 LCD1602的Verilog HDL实现方案277

第10章 优化设计FPGA全局时钟管理模块290

10.1 异步复位，同步释放机制290

10.1.1 组合电路中的竞争-冒险291

10.1.2 时序电路中的竞争-冒险292

10.2 无PLL的全局时钟管理模块设计296

10.3 Quartus Ⅱ IP核介绍及PLL的定制305

10.3.1 Quartus Ⅱ IP核的介绍305

10.3.2 PLL IP核的定制与分析311

10.4 带PLL的全局时钟管理模块设计319

第11章 基于FPGA与MCU通信的SPI协议设计325

11.1 SPI总线协议介绍及硬件的设计325

11.1.1 SPI总线协议介绍325

11.1.2 STM8的硬件电路设计327

11.1.3 SPI总线协议时序分析329

11.2 SPI总线协议的通信实现330

11.2.1 STM8的SPI总线收发设计330

11.2.2 边沿检测电路的 FPGA实现332

11.2.3 SPI通信的数据接收模块设计334

11.2.4 SPI通信的数据发送模块设计343

第12章 基于FPGA与PC通信的UART串口设计351

12.1 追根溯源透析串口通信351

12.1.1 串口通信简介351

12.1.2 串口波特率354

12.1.3 串口协议分析354

12.2 串口电路的设计355

12.2.1 TTL转RS-232 电路的设计355

12.2.2 USB→UART转换电路设计356

12.2.3 UART 电路的调试357

12.3 细说真正的任意分频358

12.3.1 分频电路的重要性358

12.3.2 任意频率发生器原理358

12.3.3 任意频率发生器的验证360

12.4 串口通信的硬件实现364

12.4.1 uart receiver接收模块的设计364

12.4.2 uart transfer发送模块的设计372

12.4.3 PC2FPGA UART 联调测试376

第13章 基于FPGA的VGA驱动显示设计383

13.1 VGA接口、时序及驱动电路设计383

13.1.1 VGA接口介绍383

13.1.2 VGA 时序分析385

13.1.3 RGB三原色模型388

13.1.4 VGA驱动电路设计391

13.2 VGA驱动的FPGA实现396

13.2.1 VGA驱动时序电路的设计396

13.2.2 任意分辨率的VGA显示控制器设计408

13.3 “Hello World”的VGA显示驱动实现411

13.3.1 “Hello World”字模的提取411

13.3.2 C2Mif软件的介绍与Mif文件的生成414

13.3.3 VGA字符显示的FPGA实现418

13.4 彩色图像的VGA显示驱动实现422

13.4.1 彩色图像显示的理论分析422

13.4.2 彩色图像的数据提取423

13.4.3 VGA彩色图像显示的FPGA实现424

第14章 基于SDRAM的VGA显示控制器的设计与实现427

14.1 跨时钟域数据交互427

14.2 SDRAM的介绍及其控制器的移植与优化431

14.2.1 SDRAM的特性及时序驱动介绍431

14.2.2 SDRAM的硬件驱动电路设计435

14.2.3 SDRAM控制器的移植与优化437

14.2.4 Sdram Control 2Port的封装与协议制定454

14.3 基于SDRAM的VGA显示控制器的实现459

第15章 基于OV7725的摄像头视频图像采集系统471

15.1 系统框架设计思路分析472

15.1.1 系统框架分析472

15.1.2 算法的实现流程473

15.2 OV7725摄像头介绍与视频采集实现476

15.2.1 CMOS摄像头的简介476

15.2.2 OV7725的特性介绍及驱动电路设计478

15.2.3 OV7725 SCCB接口及寄存器介绍483

15.2.4 OV7725感光阵列与视频时序分析492

15.2.5 OV7725寄存器I2C初始化设计495

15.2.6 OV7725的视频采集模块设计510

15.3 OV7725视频图像显示的实现527

15.4 本章小结537

第16章 TimeQuest的分析与实践539

16.1 写在前面的话539

16.2 保持裕量和建立裕量的深刻理解539

16.3 时钟约束——内对内模型542

16.3.1 内对内模型公式分析542

16.3.2 约束时钟及PLL543

16.4 output引脚约束——内对外模型553

16.4.1 内对外模型公式分析553

16.4.2 output引脚约束554

16.5 input引脚约束——外对内模型556

16.6 阶段性小总结557

16.7 约束异常557

16.7.1 Set Multicycle Path557

16.7.2 Set False Path562

16.8 决战SDRAM时序约束562

16.9 Altium Designer查看走线报表573

第17章 基于FPGA的系统设计575

17.1 FPGA芯片选型575

17.2 FPGA的与众不同——PCB布局在设计原理图之前582

17.3 存储器的选型583

17.4 FPGA外围器件的选择与设计584

17.4.1 电阻585

17.4.2 电容585

17.4.3 磁珠588

17.4.4 保险丝590

17.5 基于核心板的系统设计592

17.6 基于低功耗系统的电源选型593

17.7 高速系统的PCB设计要点598

17.7.1 结构布局598

17.7.2 电路板的多层设计598

17.7.3 过孔设计要点599

17.7.4 防止串扰的布线原则600

17.7.5 差分线布线原则600

17.7.6 开关电源PCB设计要点601

17.8 本章小结602

第18章 基于高速相机的嵌入式视觉处理系统设计603

18.1 视觉处理系统概述603

18.2 嵌入式视觉处理系统结构设计604

18.3 芯片选型606

18.4 基于Camera Link工业相机接口的硬件设计608

18.5 基于Camera Link接口的 FPGA程序设计要点612

18.6 基于VGA接口的图像的实时缩小与算法结构613

18.7 FPGA与DSP的协同工作模式616

18.8 乒乓操作的进阶——零延时数据传输616

18.9 系统调试617

18.10 本章小结618

缩略语对照表619

符号对照表625