第1章 數字電路、FPGA與HDL 1
1.1 數字電路 1
1.2 FPGA 3
1.2.1 可編程邏輯器件(PLD) 3
1.2.2 FPGA的基本結構 4
1.3 硬件描述語言(HDL) 5
1.3.1 VHDL 6
1.3.2 Verilog HDL 7

第2章 Verilog HDL基礎 8
2.1 Verilog HDL概述 8
2.1.1 數字電路的設計方法 8
2.1.2 Verilog HDL程序結構 9
2.2 Verilog HDL的模塊 9
2.2.1 模塊的結構 9
2.2.2 模塊的聲明與內容 10
2.2.3 模塊實例與調用 12
2.2.4 時間單位與時延 13
2.3 詞法約定 15
2.3.1 標識符 15
2.3.2 關鍵字 15
2.3.3 注釋 16
2.3.4 格式 16
2.4 數據類型 16
2.4.1 常量 17
2.4.2 變量 19
2.4.3 標量與向量 22
2.4.4 參數 22
2.5 表達式與操作符 23
2.5.1 表達式與操作數 23
2.5.2 操作符 23
2.5.3 操作符優先級 28
2.6 繫統任務和函數 29
2.6.1 $display和?$write 29
2.6.2 繫統任務?$monitor 31
2.6.3 繫統函數?$time和?$realtime 32
2.6.4 繫統任務?$finish和?$stop 33
2.6.5 繫統任務?$readmem 33
2.6.6 繫統任務?$random 34
2.7 Verilog HDL建模方式 34
2.7.1 建模方式概述 34
2.7.2 結構建模方式 36
2.7.3 數據流建模方式 40
2.7.4 行為建模方式 42

第3章 實驗繫統 53
3.1 Nexys3教學開發板簡介 53
3.2 Nexys3實驗板硬件繫統 54
3.2.1 主芯片 54
3.2.2 FPGA配置電路 55
3.2.3 存儲模塊 56
3.2.4 電源模塊 57
3.2.5 時鐘模塊 58
3.2.6 USB PROG接口 58
3.2.7 USB A型接口 59
3.2.8 USB-UART接口(串口) 60
3.2.9 基本I/O設備 60
3.2.10 以太網口 62
3.2.11 VGA接口 63
3.2.12 Pmod連接器 64
3.2.13 VHDC連接器 64

第4章 繫統開發平臺 66
4.1 開發平臺簡介 66
4.2 ISE Design Suite 66
4.2.1 ISE簡介 66
4.2.2 ISE Design Suite功能 67
4.2.3 ISE Design Suite安裝 67
4.3 Digilent Adept調試工具 73
4.3.1 Digilent Adept 簡介 73
4.3.2 Digilent Adept 安裝 73
4.4 項目開發流程 75
4.4.1 創建工程 75
4.4.2 編寫代碼 78
4.4.3 語法檢查 80
4.4.4 編寫測試代碼 81
4.4.5 仿真 83
4.4.6 邏輯綜合 84
4.4.7 查看電路 85
4.4.8 配置管腳 87
4.4.9 下載代碼 89
4.4.10 板卡實驗 91

第5章 基礎實驗項目 92
5.1 實驗1：五輸入表決器設計 92
5.1.1 實驗目的 92
5.1.2 實驗內容與原理 92
5.1.3 實驗要求 92
5.1.4 實驗步驟 93
5.1.5 思考與探索 93
5.2 實驗2：多路數據選擇器設計 94
5.2.1 實驗目的 94
5.2.2 實驗內容與原理 94
5.2.3 實驗要求 94
5.2.4 實驗步驟 94
5.2.5 思考與探索 95
5.3 實驗3：譯碼器設計 95
5.3.1 實驗目的 95
5.3.2 實驗內容與原理 95
5.3.3 實驗要求 96
5.3.4 實驗步驟 96
5.3.5 思考與探索 97
5.4 實驗4：二進制優先級編碼器設計 97
5.4.1 實驗目的 97
5.4.2 實驗內容與原理 97
5.4.3 實驗要求 98
5.4.4 實驗步驟 99
5.4.5 思考與探索 99
5.5 實驗5：數值比較器設計 99
5.5.1 實驗目的 99
5.5.2 實驗內容與原理 99
5.5.3 實驗要求 100
5.5.4 實驗步驟 100
5.5.5 思考與探索 101
5.6 實驗6：加法器設計 101
5.6.1 實驗目的 101
5.6.2 實驗內容與原理 101
5.6.3 實驗要求 101
5.6.4 實驗步驟 102
5.6.5 思考與探索 102
5.7 實驗7：加/減法運算器設計 102
5.7.1 實驗目的 102
5.7.2 實驗內容與原理 103
5.7.3 實驗要求 103
5.7.4 實驗步驟 103
5.7.5 思考與探索 104
5.8 實驗8：基本RS觸發器設計 105
5.8.1 實驗目的 105
5.8.2 實驗內容與原理 105
5.8.3 實驗要求 105
5.8.4 實驗步驟 106
5.8.5 思考與探索 106
5.9 實驗9：D觸發器設計 106
5.9.1 實驗目的 106
5.9.2 實驗內容與原理 106
5.9.3 實驗要求 107
5.9.4 實驗步驟 107
5.9.5 思考與探索 108
5.10 實驗10：JK觸發器設計 108
5.10.1 實驗目的 108
5.10.2 實驗內容與原理 108
5.10.3 實驗要求 109
5.10.4 實驗步驟 109
5.10.5 思考與探索 109
5.11 實驗11：同步二進制計數器設計 110
5.11.1 實驗目的 110
5.11.2 實驗內容與原理 110
5.11.3 實驗要求 111
5.11.4 實驗步驟 111
5.11.5 思考與探索 111
5.12 實驗12：十進制計數器設計 112
5.12.1 實驗目的 112
5.12.2 實驗內容與原理 112
5.12.3 實驗要求 112
5.12.4 實驗步驟 113
5.12.5 思考與探索 113
5.13 實驗13：可逆計數器設計 113
5.13.1 實驗目的 113
5.13.2 實驗內容與原理 113
5.13.3 實驗要求 114
5.13.4 實驗步驟 114
5.13.5 思考與探索 115
5.14 實驗14：基本寄存器設計 115
5.14.1 實驗目的 115
5.14.2 實驗內容與原理 115
5.14.3 實驗要求 116
5.14.4 實驗步驟 116
5.14.5 思考與探索 116
5.15 實驗15：移位寄存器設計 117
5.15.1 實驗目的 117
5.15.2 實驗內容與原理 117
5.15.3 實驗要求 118
5.15.4 實驗步驟 118
5.15.5 思考與探索 119

第6章 擴展實驗項目 120
6.1 實驗16：定時與分頻實驗 120
6.1.1 實驗目的 120
6.1.2 實驗內容與原理 120
6.1.3 實驗要求 122
6.1.4 實驗步驟 122
6.1.5 思考與探索 122
6.2 實驗17：流水燈實驗 123
6.2.1 實驗目的 123
6.2.2 實驗內容與原理 123
6.2.3 實驗要求 125
6.2.4 實驗步驟 125
6.2.5 思考與探索 126
6.3 實驗18：數碼管掃描顯示 126
6.3.1 實驗目的 126
6.3.2 實驗內容與原理 126
6.3.3 實驗要求 129
6.3.4 實驗步驟 130
6.3.5 思考與探索 130
6.4 實驗19：數字鐘設計 130
6.4.1 實驗目的 130
6.4.2 實驗內容與原理 131
6.4.3 實驗要求 131
6.4.4 實驗步驟 131
6.4.5 思考與探索 132
6.5 實驗20：小鍵盤掃描實驗 132
6.5.1 實驗目的 132
6.5.2 實驗內容與原理 132
6.5.3 實驗要求 135
6.5.4 實驗步驟 136
6.5.5 思考與探索 136
6.6 實驗21：串口通信實驗 137
6.6.1 實驗目的 137
6.6.2 實驗內容與原理 137
6.6.3 實驗要求 144
6.6.4 實驗步驟 145
6.6.5 思考與探索 146

第7章 綜合實驗項目 147
7.1 實驗22：寄存器堆設計 147
7.1.1 實驗目的 147
7.1.2 實驗內容與原理 147
7.1.3 實驗要求 148
7.1.4 實驗步驟 148
7.1.5 思考與探索 148
7.2 實驗23：按鍵消抖與單脈衝
產生實驗 149
7.2.1 實驗目的 149
7.2.1 實驗內容與原理 149
7.2.3 實驗要求 151
7.2.4 實驗步驟 151
7.2.5 思考與探索 152
7.3 實驗24：出租車計費器設計 152
7.3.1 實驗目的 152
7.3.2 實驗內容與原理 152
7.3.3 實驗要求 153
7.3.4 實驗步驟 153
7.3.5 思考與探索 153
7.4 實驗25：交通燈設計 154
7.4.1 實驗目的 154
7.4.2 實驗內容與原理 154
7.4.3 實驗要求 155
7.4.4 實驗步驟 155
7.4.5 思考與探索 156
7.5 實驗26：自動售貨機設計 156
7.5.1 實驗目的 156
7.5.2 實驗內容與原理 156
7.5.3 實驗要求 157
7.5.4 實驗步驟 158
7.5.5 思考與探索 158

附錄A Nexys4-DDR實驗板卡 159
A.1 Nexys4-DDR實驗板卡概況 159
A.2 Nexys4-DDR部件 160
A.2.1 電源供電 160
A.2.2 FPGA配置 161
A.2.3 基本I/O設備 161
A.2.4 USB-UART接口 162
A.2.5 Pmod連接器 162
A.2.6 VGA接口 163
A.2.7 振蕩器/時鐘 164
A.2.8 以太網接口 164
A.2.9 溫度傳感器 164
附錄B 實驗報告模板 165
參考文獻 168