HDL（硬件描述語(yǔ)言）和FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）器件可以使設(shè)計(jì)者很快地完成復(fù)雜數(shù)字電路的開發(fā)和仿真，并在樣機(jī)器件上實(shí)現(xiàn)，隨后對(duì)器件電路的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行檢查。隨著工藝的成熟，HDL和FPGA已經(jīng)成為設(shè)計(jì)實(shí)踐的主流。利用PC機(jī)和普通的FPGA開發(fā)板就能構(gòu)造出十分復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。本書采用實(shí)際操作的學(xué)習(xí)方法，利用豐富的示例來闡述FPGA和HDL的開發(fā)和設(shè)計(jì)過程。書中包含了大量實(shí)例，從簡(jiǎn)單的門級(jí)電路，到帶有8位軟核處理器和定制I/O外設(shè)的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)。所有這些例子都可以被綜合成具體電路，并在開發(fā)板上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。
　　本書關(guān)注要點(diǎn)：
　　本書關(guān)注的重點(diǎn)是綜合后生成硬件的優(yōu)劣，而不是HDL語(yǔ)法。本書只關(guān)注一小部分可綜合子集，并使用少量的代碼模板為不同類型的電路提供框架，而不是解釋每一個(gè)語(yǔ)句的結(jié)構(gòu)。這些模板都是通用的，很容易綜合到復(fù)雜的系統(tǒng)中。雖然這種方法限制了語(yǔ)法表達(dá)的“自由”，但并不妨礙我們開發(fā)創(chuàng)新性的硬件結(jié)構(gòu)。由于HDL語(yǔ)言的通用性和適應(yīng)性，同一個(gè)電路通�？梢杂枚喾N語(yǔ)言結(jié)構(gòu)和代碼風(fēng)格表達(dá)。其中許多代碼是用于建模的。這些代碼綜合后可能導(dǎo)致不必要的復(fù)雜硬件實(shí)現(xiàn)，有時(shí)還根本不可能綜合成任何具體電路。這種模板方式實(shí)際上能夠促使我們更多地去思考硬件電路本身，養(yǎng)成良好的編碼習(xí)慣。由于我們的主要興趣是在硬件上，所以花一些時(shí)間研究如何使用同一個(gè)代碼模板來開發(fā)多種不同的硬件結(jié)構(gòu)，而不是用多種不同版本的代碼來描述同一個(gè)電路是十分有價(jià)值的。
　　目前有兩種流行的HDL語(yǔ)言，它們分別是VHDL和Verilog。這兩種語(yǔ)言都得到廣泛的應(yīng)用，并且都是IEEE標(biāo)準(zhǔn)。本書使用Verilog，而另一本標(biāo)題類似的書使用VHDL。盡管兩者的語(yǔ)法差異較大，但它們的功能卻非常相似，都能很好地達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)我們掌握了一種語(yǔ)言的設(shè)計(jì)實(shí)踐和編碼方法后，再學(xué)習(xí)另一種語(yǔ)言就會(huì)變得非常簡(jiǎn)單。
　　雖然本書是為初學(xué)者編寫的，但書中的示例都嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，可為讀者今后的工作打下良好的基礎(chǔ)。編碼和設(shè)計(jì)方法是“向上兼容的”，意思是：
　　同樣的方法可應(yīng)用于未來的大型設(shè)計(jì)之中。
　　同樣的方法能夠有助于其它的系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)，包括仿真，時(shí)序分析，驗(yàn)證和測(cè)試。
　　同樣的方法能夠被應(yīng)用到ASIC技術(shù)和不同類型的FPGA器件中。
　　代碼能夠被不同廠家的綜合軟件綜合。
　　總之，本書是一本實(shí)用的、以硬件為核心的教材，其內(nèi)容涉及用最簡(jiǎn)潔的HDL、遵循規(guī)范的設(shè)計(jì)和編碼原則，最大限度地實(shí)現(xiàn)向上兼容。
　　購(gòu)買本書得益處：
　　本書包含三大部分：
　　基本數(shù)字電路，外設(shè)模塊和嵌入式微控制器。針對(duì)的讀者群除了正在學(xué)習(xí)入門級(jí)或者高級(jí)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的學(xué)生外，還包括想要學(xué)習(xí)FPGA和基于HDL開發(fā)的在職工程師。對(duì)于書中前兩部分內(nèi)容，需要讀者具有數(shù)字系統(tǒng)的基本知識(shí)，而數(shù)字系統(tǒng)通常是電子工程和計(jì)算機(jī)工程專業(yè)課程中的必修課。對(duì)于第三部分的內(nèi)容而言，如果之前學(xué)習(xí)過匯編語(yǔ)言編程會(huì)很有幫助。
　　本書所采用的工具：
　　雖然本書的主要目標(biāo)是教會(huì)讀者如何編寫與開發(fā)工具和FPGA器件無(wú)關(guān)的HDL代碼，但我們必須得選擇一種開發(fā)工具（即軟件包）和一套FPGA開發(fā)板來進(jìn)行綜合和實(shí)現(xiàn)這些示例。本書使用了Xilinx公司的綜合工具和FPGA器件，Xilinx公司是一家在該領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位的公司。
　　軟件：
　　使用的綜合軟件是Xilinx ISE開發(fā)套件的網(wǎng)絡(luò)版。與完全版的套件相比，網(wǎng)絡(luò)版除了支持的器件數(shù)量受限外，功能與完全版是類似的。大多數(shù)入門級(jí)開發(fā)板都使用便宜的Spartan-3系列FPGA器件。由于網(wǎng)絡(luò)版支持Spartan-3器件，因此它符合我們的需求。本書使用的仿真軟件是Mentor Graphics公司的 ModelSim XE III入門版。它是ModelSim的定制版。這兩個(gè)軟件包都是免費(fèi)的，并且能夠從Xilinx網(wǎng)站上下載。
　　FPGA開發(fā)板：
　　使用由Digilent Inc公司生產(chǎn)的幾款入門級(jí)FPGA開發(fā)板，其中包括Spartan-3 Starter，Nexys-2和Basys等開發(fā)板，它們都包含一個(gè)Spartan-3/3E FPGA芯片和相似的外圍電路。書中的設(shè)計(jì)示例是基于Spartan-3 Starter開發(fā)板（或簡(jiǎn)稱為S3板）的，但大多數(shù)示例也能在其他開發(fā)板上直接使用。HDL代碼的適用性總結(jié)如下：
　　Spartan3 Starter (S3)開發(fā)板。 S3開發(fā)板包含所有的外圍器件，不需要其他的附屬模塊。所有的HDL代碼和相關(guān)討論能夠直接應(yīng)用在這塊開發(fā)板上。
　　Nexys-2開發(fā)板。 Nexys-2開發(fā)板是一塊比較新的開發(fā)板，包含了一片較大型的FPGA芯片和存儲(chǔ)芯片。外圍器件與S3開發(fā)版相似。與S3開發(fā)板有兩處不同：第一，其VGA接口的\"顏色深度\"由3位擴(kuò)展到8位。因此第13和14章討論的VGA接口電路的輸出需要根據(jù)情況進(jìn)行相應(yīng)的修改。第二，Nexys-2板包含更復(fù)雜的外部存儲(chǔ)器。盡管能夠配置為異步SRAM，但其時(shí)序特性與S3開發(fā)板上的存儲(chǔ)芯片是不同的，因此第11章描述的存儲(chǔ)控制器HDL代碼便不能直接使用。但同樣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則依然可以應(yīng)用于新的控制器的構(gòu)造。
　　Basys開發(fā)板 Basys開發(fā)板是一個(gè)簡(jiǎn)易的開發(fā)板。缺少RS-232連接器。為了實(shí)現(xiàn)第8章描述UART模塊和串行接口，我們需要Digilent的RS-232轉(zhuǎn)換器外設(shè)模塊。Basys開發(fā)板沒有外部存儲(chǔ)器件，因此第11章描述的存儲(chǔ)控制器無(wú)法應(yīng)用。
　　其他FPGA開發(fā)板 本書描述的大部分外設(shè)器件其實(shí)都是工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的器件，并且相應(yīng)的HDL代碼能夠被用于開發(fā)板上，只要開發(fā)板提供類似的接口和連接器。除了Xilinx特定的部分外，這些代碼也能夠應(yīng)用于其他廠商設(shè)計(jì)的基于FPGA器件的開發(fā)板上。
　　PC的附件：
　　設(shè)計(jì)示例包含了用于連接PC外圍設(shè)備的接口。鍵盤，鼠標(biāo)和VGA顯示器是必需的，還需要一條用于連接UART模塊的普通串行數(shù)據(jù)線。這些外設(shè)使用廣泛，通�？梢栽谝慌_(tái)舊的PC上找到。
　　本書的結(jié)構(gòu)：
　　本書分為三個(gè)主要部分。第一部分介紹基礎(chǔ)的HDL結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)硬件，并示范如何用這些結(jié)構(gòu)來搭建基本的數(shù)字電路。本書由六章組成：
　　第一章介紹了HDL程序的結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)語(yǔ)法和邏輯操作符。根據(jù)這些語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，可以推導(dǎo)出相應(yīng)的門級(jí)組合電路。
　　第二章介紹FPGA器件、原型板和開發(fā)流程。借助于Xilinx ISE綜合軟件教程和Mentor Graphics ModelSim仿真軟件教程進(jìn)行開發(fā)過程的示范。
　　第三章介紹與HDL語(yǔ)言相關(guān)的操作符和算法操作符及其電路的結(jié)構(gòu)。它們與中規(guī)模元件（如比較器，加法器和多路復(fù)用開關(guān)等元件）對(duì)應(yīng)。模塊級(jí)組合電路就是由這些語(yǔ)言結(jié)構(gòu)得到的。
　　第四章介紹存儲(chǔ)元件和構(gòu)造簡(jiǎn)單時(shí)序電路的代碼，例如計(jì)數(shù)器和移位寄存器，這些電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表現(xiàn)為簡(jiǎn)單的有序模式。
　　第五章討論有限狀態(tài)機(jī)（FSM）的構(gòu)建，有限狀態(tài)機(jī)也是一種時(shí)序電路，但它的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表現(xiàn)為復(fù)雜的非有序模式。
　　第六章介紹了帶有數(shù)據(jù)路徑的有限狀態(tài)機(jī)（FSMD）的構(gòu)建。FSMD用于實(shí)現(xiàn)寄存器傳輸（RT）方法學(xué)，通過數(shù)據(jù)在寄存期間的傳輸和操作，描述系統(tǒng)的運(yùn)行。
　　第七章介紹關(guān)于語(yǔ)言構(gòu)造和編碼技術(shù)方面的若干高級(jí)話題，并介紹更加復(fù)雜測(cè)試平臺(tái)的開發(fā)技術(shù)。讀者可以跳過該章，不會(huì)影響對(duì)其他章節(jié)的理解。
　　第二部分是應(yīng)用第一部分的技術(shù)為原型板設(shè)計(jì)一系列外圍模塊。每章介紹一個(gè)單獨(dú)外設(shè)的開發(fā)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。可以將這些模塊組成一個(gè)更大的工程。該部分包括七個(gè)章節(jié)：
　　第八章介紹了普通的異步收發(fā)送器(UART)的設(shè)計(jì)，用于提供原型板上的RS-232接口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的串行鏈路。
　　第九章介紹了鍵盤接口的設(shè)計(jì)，可以從鍵盤上讀取掃描碼。鍵盤通過開發(fā)板上的PS2接口與其連接。
　　第十章介紹了鼠標(biāo)接口的設(shè)計(jì)，可以從鼠標(biāo)上獲得點(diǎn)擊和移動(dòng)信息。鼠標(biāo)也是通過開發(fā)板上的PS2接口與其連接。
　　第十一章討論了存儲(chǔ)控制器的實(shí)現(xiàn)和時(shí)序。該控制器用于對(duì)S3板上的兩個(gè)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）讀取和寫入數(shù)據(jù)。
　　第十二章討論了Spartan-3器件中特定元件的推斷和使用。重點(diǎn)是FPGA的內(nèi)部存儲(chǔ)塊。
　　第十三章介紹了一個(gè)視頻控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。討論的內(nèi)容包括視頻同步信號(hào)的產(chǎn)生并展示了比特映射和對(duì)象映射圖像界面的構(gòu)造。顯示器通過開發(fā)板上的VGA接口進(jìn)行連接。
　　第十四章繼續(xù)介紹視頻控制器的開發(fā)。討論展示了文字界面和常規(guī)分片映射機(jī)制的構(gòu)建。
　　第三部分介紹基于FPGA的軟核微控制器，即PicoBlaze，展示了如何將通用處理器和定制電路進(jìn)行集成。該部分包括四個(gè)章節(jié)：
　　第十五章對(duì)PicoBlaze的結(jié)構(gòu)和指令集進(jìn)行了簡(jiǎn)介。
　　第十六章對(duì)基本的匯編語(yǔ)言編程進(jìn)行了介紹，并提供了一個(gè)總的開發(fā)流程。
　　第十七章討論了PicoBlaze的I/O特性，并展示了如何將其與其他外設(shè)通過定制電路連接起來。
　　第十八章討論了PicoBlaze的中斷性能，并展示了一個(gè)定制的中斷處理電路的構(gòu)建。
　　除了常規(guī)的章節(jié)，附錄部分總結(jié)和列出了所有的代碼模版。
　　特殊標(biāo)識(shí)xilinx specific 本書中我們使用了兩種特殊的段落標(biāo)記：一個(gè)是為了描述Xilinx-specific（Xilinx公司特有的）特性，另一個(gè)是為了描述Verilog-1995的結(jié)構(gòu)。雖然在本書中描述的例子是基于Xilinx開發(fā)板來實(shí)現(xiàn)的，并且代碼也是采用Xilinx ISE軟件進(jìn)行綜合，我們?nèi)栽O(shè)法使HDL代碼不依賴于器件和軟件。本書提到的大多數(shù)內(nèi)容和代碼能夠應(yīng)用到不同的目標(biāo)器件，也可以被不同的綜合軟件綜合。然而，一些代碼或器件特性是Xilinx ISE或者Spartan-3FPGA芯片所獨(dú)有的。我們用Xilinx specific上標(biāo)，表示相應(yīng)的部分或者章節(jié)的內(nèi)容僅是針對(duì)Xilinx公司的器件。
　　同樣，像在這一頁(yè)的邊緣，我們用邊緣標(biāo)記來表明這段的內(nèi)容僅針對(duì)Xilinx。這些標(biāo)記表明代碼或設(shè)計(jì)不可直接移植，需要針對(duì)不同的軟件包或目標(biāo)板對(duì)代碼和設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。1995年Verilog語(yǔ)言第一次得到批準(zhǔn)（被引用作Verilog-1995），并在2001年修訂（被引用作Verilog-2001）。修訂版有很多改進(jìn)。本書中使用的是Verilog-2001。如果一種語(yǔ)言使用了兩種不同版本進(jìn)行構(gòu)建，我們會(huì)將其分開，單獨(dú)對(duì)舊版本進(jìn)行描述，并在頁(yè)邊緣做上標(biāo)記，用于這種類型的討論。這些內(nèi)容“供參考”，目的是幫助讀者理解舊版本的Verilog代碼。
　　指導(dǎo)價(jià)值：
　　本書可作為數(shù)字系統(tǒng)概論或者高級(jí)工程指導(dǎo)的參考書。在數(shù)字系統(tǒng)概論中，本書提供了課程的試驗(yàn)部分。第一部分的章節(jié)基本上都遵循了典型的課程順序，可作為常規(guī)課程的參考。可以選擇一