数字系统设计与verilog HDL 王金明

【实例简介】
《数字系统设计与verilog HDL》 王金明的经典教材，学FPGA verilog必备
内容简介 本书主要鯛述数字系统设计方法和 Verilog H语言的应用,着眼于猕合开发能力的提高。 本书按照“器件-设计软件一设坤活言”的顺序系统介绍数字系统设计的方法、PID器件、流行的EDA设 计软件和HL设计语言等,力求涵盖数字系轨开发所涉及的主要方面,并在内容上进行取舍,作了辅心的编 排。本书重点对用 Verilog HDL设计开发常用的数字电路和数字系统进行具体阐述,并配以大量的设计实例, 所有实例均经过了综合和验证。相关器件和开发上具主要选取了国内广泛使用的Ae公司的PLD器件及 其开发工具MAX+HI 本书可供电于和通信等额域从事硬件设计和系统开发的工程技术人员和教师阅读参考,也可以作为相 关专业研究生和高年纸本科生的教材 未经许可,不得以任何方式复制成抄袭本书之部分或全部内容。 版板所有,翻版必究。 习书在版麴目〔c数据 效字系统设计与 Verilog HDL王金明等编著北京:电子工业出版杜,20 EDA工具应用丛书 IsBN7-5053-69l21 I.数…日王「.①数字电踏一系统设计②硬件描述诒言, verilog HDL ly.TNr 中国版本图书馆C数据核字(200)第0807号 丛书名:FDA工具应用丛书 书名:敵宇系統设计与 Verilog HILL 编著者:王金明杨吉斌 审校者:张雄伴 策划编辑:段额 實任绱辑:杨逢仪 待约縞辑:印晓芬 排版制作:电子工业出版社计算机排版宰帖制 印刷者:北东人卫印刷厂 装订者:三河市双峰装订厂 出版发行:电子工业出版社hp://w.phei,com,em 北京市海淀区万寿路173信箱邮编10003 经销:各地新华书店 井本;87x10921.16印张:20宇数512千字 版次20年1月第1版2002年1月第1次印刷 书号 sBN7553-6912-1 TN+1460 印数:5000册定价:28.00元 凡购买电子工北岀版社的图书,如有缺页、倒页、脱頁、所附盘或光盘有问题者,请向购买书店调换 若书店售缺,请与本社发行部襄系調换。电话6827977 前言 微电于技术利计算机技术的飞速发展,使得现代电子系统的设计和应用进入了一个全新 的时代。芯片制作工艺已达到了深亚微米级,系统芯片S0C( System On Chip)从一个慨念 变成为现实,电子设计自动化(EDA)技术已成为支撑电子设计的通用平台,并逐步向支持系统 级的设计发展。JP( ntellectual Property)复用技术,基于平台的设计技术也越来越引起人们的 关注。可编程逻辑器件(PLD的发展也是惊人的,以 Altera和lnx公司为代表的PLD生产 商不断推出新一代的￠PLD/FFGA,其集成度早已突破了百万门级。 本书力求反映当前数字系统设计领域新的设计埋念和设计技术,对PLD器件的发展、流 行的EDA设计软件既从总体上进行概述同时还选取具有代表性的产品进行具体闻述,并配 以大量的应用实例。 Verilog hDl是一种优秀的硬件描述悟言,尤其在ASFC设计领域更是占据主导地位 Verilog hDl在美国、日本等国家是最为流行的ID语言,在国内的使用也越来越广泛 Verilog hDl语言风格简练,易学易用,功能全面,是理想的硬件摘述语言。4书选取该语言 作为电路设计的主要工具,详细展示了如何使用Ⅴ erilog hDl来设计和开发常用的数字电路 与数字系统 着眼于实用性是本书的出发点。书中列举了大量的开发实例,这些实例全部在MAX+ PLUS山或 Synplify软件上编译通过,绝大部分进行了功能仿真或时序仿真,大多数还在附录 所介绍的EDA实验开发板上进行过实际验证。 本书分为数字系统设计和 erilog hdL两个部分,共分8章 第1草介绍有关数字系统的概念、数字系统设计的思想、EDA技术、IP复用技术的发展和 应用以及数字系统设计的方式和方法等。 第2章主要是关于PLD器件的内容。介绍了PLD器件的发展演变、分类结构以及 CPLD和FPGA的异问,还介绍了在系统編程技术和迈界扫插测试技术以及主要的PI器件 供应商 Lattice、 Altera和Kinx的器件系列第3章重点以Alea的PLD器件为例,详细介绍 了APEX20K、FLEX10 KACEX IK和MAX7000等具有代長性的PLD器件的结构和功能 以及EFC配置器件的使用 第4章简要介绍数宇系统设计的流程以及一些流行的EDA设计软件,包括 Synopsys ynplif y、 ispDesignEXPER'T、 Panda20和MAX+PLUS山等。第5章主要是MAX+PLUS Ⅱ软件的使用,结合设计实例介绍如何用MAX+PLUs进行数字系统的设计和开发。此 外,还介绍了一些设计技巧,如LPM宏单元库的使用和EAB单元的使用等。 第6章的重点是介绍 Verilog hDL的语法,还介绍了语句的顺序执行和并行执行阻塞赋 值和非阻塞赋值等柢念。第7章通过具体实例说明如何用 Verilog hdl设计一些常用的数字 电路。然后,用数字跑表、频率计等设计实例展示了数字系统设计的完整过程,还有共他些 典型数字电路的设计举例。第8章首先讨论了如何提高所设计电路的性能,然后以快速乘法 器、F滤波器、高速数字相关器及线性码、循环码和卷积码编译码器的设计为例,详细展示了 在数字信号处理和数字通信等领域经常用到的一些数字模块的设计思路与实现方法 本书第12、4、6、7章由王全明编写,第5章由杨吉斌编写第38章由杨吉减和王金明编 写。张雄伟教授对全书进行了审校。本书是作者在多年EDA教学的基础上,汇集了科研开发 的实践经验综合整理而成的,力求涵盖数字系统开发所涉及的主要方面,包括器件、EDA轼件 和HDL等,并选择其中应用比较广泛的典型系统作为讲述的重点。 在本书的写作过程中,待别要感谢张雄伟教授和徐志军副教授的热情鼓励和大力帮助。 他们对本书的写作提出了许多宝贵的意见和建议,张雄伟教授对本书的写作自始至终给予支 持和具体帮坳,并对全书进行了审校。 其次感谢杭州电子工业学院的潘松剧教授所给予的支持和帮助,以及研究生谢波、东 旭和刘定芳等同志的协助。 最后,还要对 Altera, Lattic等公司及有关机构的热情支持一并表示感谢。 由于编著者水平所限,加上时间仓促,书中的疏漏和错误在所难免,恳请广大读者给予批 评指正 作者电子邮件地址: XWZhang@ publicl.ptn.js.n 编著者 2001年6月 l EDA工具应用丛书 CPLDFPGA的开发与应用 徐志军徐光辉编著 数字系统投计与 Verilog hdl 王金明杨吉斌编著 VHDL数字系统设计与高层次综合 林敏方颖立编著 Electronics workbench应用教程 韩力吴海霞齐春东编著 若需了解更详细的内容,欢迎访问如下网址: www.phei.con.cia 目录 第1章数字系统与数宇系统设计 引言 12数字系统的设计…… (2 1.2.1百上而下的设计 (2 1.2,2自下而上的设计… (3 1.23正向设计与逆向设计… (3) 1.3EDA技术及其应用 ■吾b ……………(4 13.IEDA技术的发展 1.3.2现代EDA技术的特点及应用 (5 4IP核复用技术与SOC……… 『昏■甲昏俨■晋俨 1.4.1TP复用投术 1.4.2系统芯片(S0C)………… 幽中會曾·中中冒『中曾4冒■曾平?『『”中冒■ 1.4.3深亚微米技术带来的挑战……… ………………(9 1.4.4基于平台的设计方法(PBD)… ……(10) 1.5数字系统的实现方式 中·····血中平會中■日P『■■會■『■會會P■1平曾■■IL曾■』』最 1.5,1全定制方式…… ■●司D咖 ·喜↓晷■』↓日↓■郾↓↓昌■斗↓郾昌晶ψ 2 1.52门阵列( Gate Array) ■卓●啁 (12 1.53PLD实现方式… 早十十m dτ: 1.6效字系统的没计方式……… ■■中加中··和申·即司甲甚 ↓晷郾■』↓郾亠晷↓L晶▲乌 (I3 1.6.1图形设计方式 ……………(13) 1.6.2基于HDL的设计 ■■L■4·■■4L■ 4』■■ (13 1.6.3高速、高密度PCB的设计 中■●■·鲁■呻·■中■■咖●帽中聊●卓即■申申口和聊卓『咖■聊咖●●咖即司申■,即■.电看 1.7小结 ●冒中··■ …∴…………(l8) 第2章ASC与PID ↓k+↓中■↓↓七eL司↓ (19 2.1概述 p.q郾↓ 晷■↓bd矿郾十↓郾晶●◆·。·ψp↓即↓b_p↓ …(19 2.1.1 ASIC ■“●■·目··●P日··命命中司中·■·P中會命血中鲁噜●曾中中中·中中會号·中會即鲁中申中嘈中曾4普『P中■鲁冒P中暨 (19 2.1.2PLD的发展演变 …(19 22PLD的分类…… 晷斗晶b晶↓弄昌 20 22.1按集成度分类……… ··日中 4■中鲁 争中自卓鲁身中中冒中P平●鲁PP中中曾冒中中自平P冒中4P冒-冒P (20) 2.2.2按结构特点分类………… 21) 2.2.3按繃程特点分类 …(2 3PLD的基本结构………………………………(22) 2.3.1PLD转构原理 ……………(22) 23.2PLD电路的表示方法 2.3.3SPLD的结构………424 Ⅲ 2,4CPLD的结构与特点……… (26) 2.4.1宏单元 (27) 4.2可编程I/Q单元 28 2,4.3叫绵程连线阵列(PIA) ……………………(29) 2.5FPGA的结构与特点… …………;(29) 25.1可配置逻辑块(CEB)……………………………………(30) 252输入/输出模块(10B)…………… 4自●日·兽平司中鲁 ……………:(3]) 2.5.3可编程互连线(PI)…… 口甲甲■■■ ……(31) 2.5.4片内RAM ……(32 2.6在系统编程与边界扫描测试技术 …………………………(33) 26.1在系统编程(ISP)技术 ……………………………(33) 26.2边界扫插测试(BST)技术 (35) 27PLD产品概述……… P甲中中·目吾晋看·+P4吾bA“h如 …(37) 2.7.1 Lattice公司的PLD… ■晕翟督晋如 2.72 Xilinx公可的PLD 2.7.3 Altera公司的PLD 4 2.8PED的发展趋势… 子中日··日+D· ……(45) 9小结 甲■↓↓卧鼻↓ ………………………·(46) 第3章 Altera的CPD/NTGA ……(47) 3,1概述… …""t"(47) 番件系列… ……………………(47) 3.1.2结构与特点…" (48) 3.1.3宏功能模块及IP核…… (49) 3.14 Altera的开发工具 (50) 3.2APEX20K器件系列………………-……… ……………(51) 3.2.系统级芯片——APEX20K器件 ………(51) 322APEX20K器件的结构……………………………(53) 323嵌入式系统块(EsB)…… °(58) 324APEX20K器件的I/0结构… ………………………(61) 3.3FLEX10K器件系列…………… t子·自自日自4· 33.1概述 332结树亏功能…………………*……(64) 33.3蕃件特性设定………………………………………………(71) 3.34数据配置与下载……… …………………(71) 34 ACEX IK器件系列…………………………………………………(T1 3.4.1概述……………………………………………………(71) 3.4,2 ACEX 1K器件结构………………………………………(73) 3.5MAX7Q0器件系列…… 76) 3,5,1桃述 ·“日日D·4如日t日··即4 (76 3.5.2结构与功能 (78) Ⅳ 3.5.3其他功能和特性… (8) 3.6EPG配置器件… ……*,…(3) 3.6.1镄述………………………………"………τ∵……………"(83) 3.6.2常用的EPC配置器件… (83 36.3典型的配置电路…… 画b■d画 85 3.6.4最大的配置器件EPC16… ■甲卩十酽■■甲『■十甲甲早昏甲订昏門甲↓■■冒卜■■■十■4昏山山啬晋士d (87 3.7小结 (89) 第4章常用的EDA设计软件……… 4吾甲冒吾卜如甲+通■吾1吾吾d日吾b吾晶b吾吾鹵女吾如‘≌日b西。·幽 90) 4.1数宇系统设计的流程 (90) 4.2常用的LDA工具软件 t中1t『斷冒 鲁自■會自■1申幽督 ……(92) 4.2.1 Synopsys……… (92 4.2.2 (93) 42.3 ispDesignEXPER'T……… 哈即··咖甲·· …(95 4.2.4 Panda200 嚼■1■』I 97) 2.5MAX+PLEsⅡ (100 4.3小结 ………"…"…………………………(101) 第5章MAX+PLUI使用指南……… ……………(102) 5.1MAX+PLUSⅡ的安装与配置… ■L■ (02) 5.1.1推的系统配置 中:.日4·.·*‘◆· 中■↓↓晷↓▲吾d▲ ……(102) 5.12MAX+PLUs的安装 …………s…"r……(102) 5.2基于MAX+PUSⅡ的设计过程… **·→中日+ (103) 5.2.1设汁輸入……… ●甲···甲导导·目日中P·自P中命■血中 晋晋d·普■■晋普山画晶·■■ …(104) 5.22设计处理 …………:∴(105) 52,3设计校验 ▲中罪甲幽申即卩■着晷■着↓↓ ↓◆k郾◆↓。普·+画“ ……(06) 524器件编程…………………………………………(107) 52.5在线帮助 ■■b↓ ■口甲甲■ 甲q=甲 (107 5.3设计输入…… ·.····.··*··‘···;··日+.+“4昌 (17 5.3,1建立一个新项 叩ψ·即司■↓罪■中阝十即■↓喜即■↓↓晷↓4↓晶晶p上, (108) 5.3.2图形翰入方式……… F4晋 (109) 5.33文本输人方式 ↓郾↓■▲·命↓ 112 5,34设计的层次 ●口甲·ψ■自鲁导·◆■血ψ■P·幽章會酽P中鲁早P曾■4甲P■P晋普b昌画十普日■b■b山■如〓bb_a■a画 (115) 54设计处理 r了■■p甲P …………(116) 5.4.1设计项目的編译 司山■ …(116) 54.2在平面编辑器中观察适配结果及手动配置…………………(121) 55模拟仿真 ………4(123) 5.5.1项目仿真 ……………(123) 5.5.2定时分析… 』↓_▲■d郾↓ …………………〈125) 5.6编程下载 〓··曾····甲号早··■旱罾q·門q■·■甲昏■■喟昏■■晋晶曾卩冒晋↓h昌↓仙■4晶吾晶k4·pb命 …(127) 56.} Altera器件的绵程立件 (127) 5.6.2器件编程……4… 山■画■■晶b山d■画晶 (128) 5.7MAX+ PLUS I使用提高 (130) 5.7.1使用LPM宏单元库………… (131) 572基于流水线的设计 (134) 5.73使用EAB单元进行说计…………………………………………(]35) 5.74 REPORT文件…………………………………………(138) 5.8 ByteBlaster下载电缆及其使用…… …(140) 581并口下载电缆 ByteBlaster 140) 58.2编程配置方式…… (l50) 5.9小结 (154) 第6章Ⅴ erllog hidl………………… (46) d會●■·■司章。●_■ ●中p血日■D山 ……(146) 6.2ⅴ erilog HDL基本结构 (146) 62简单的 Verilog hDl例子… (46) 622 erilog HDL模块的結构………… (148) 6.23逻辑功能定义 ……r……!(149) 6.3效数据类型及常量、变量………… 6,3,1常量 (L50) 6.3.2变量 ……(52 6.4运算符及表达式… (154) 64.1算术运算符( Arithmetic operators) …(154) 642逻辑运算符( Logical operators)… ………(154) 64.3位运算符( Bit wise operators.y…………………………(4) 64.4关系运算符( Relational operators)… (155 64.5等式运算符( Equality operator)…………(155) 6,46缩减运算符( Reduction operators) (156) 64.7移位运算符( Shift operators)……………… …(156) 648条件运算符( Conditional operators3)………………(156) 4.9位拼接运算符( Concatenation operators)……………… 6.4.10运算符的优先级 ■』』I『『■■■↓■IL中 …(157) 65语句∵……“*…… 中看↓,昌 ……(58) 66赋值语句 ………"4(158) 66.1常用的赋值语句 rt冒;b 冒冒■r可甲■ ……,(158 66.2阻塞值和非阻塞赋值的区别 159 6.7条件语句………………………………(160) 6.7.Iif-else语句…………………………………………(16) 67.2cae语句 中电电中日■■■·■q↓命■↓愚ψ 喟鲁會會申■十自目·p甲自 62) 6.73使用条件语句注意事项………………………… (163) 6.8循环语句… 1···■早■口口·甲■·口早旱甲昏督晋■q十■晶d聊■ ……………(1 68.1for语句 會會肀■ …………(165) 6.8.2 repeat语句… ■↓■d■晶啬b ……(166) Ⅵ 【实例截图】
【核心代码】