下载文档原格式
Verilog-HDL与CPLD/FPGA设计应用讲座主编: 常晓明第 1 讲 Verilog-HDL与CPLD/FPGA设计1.1 从模拟世界到数字世界1.2 数字电路的不同设计过程1.3 用HDL描述数字电路1.4 HDL有几种？1.5 硬件实现的承担者---CPLD/FPGA1.6 Xilinx公司的CPLD--XC9500系列1.7 结语1.1 从模拟世界到数字世界在70年代初期，家用电子产品末过于晶体管收音机、电唱机、扩大器了。
那时，笔者所在的一个小城市销售3管晶体管收音机。
她一上市就优先供应农村，为的是让中央人民广播电台的声音直达有线广播不能到达的山区。
开始时城市人是较难得到这样的家电产品的。
笔者当时常出差于上海，为了自己能装一台梦寐以求的收音机，节省每天的2角钱出差补助，吃的是阳春面，用节省的钱去买晶体管等元器件。
当时的元件市场可以说是"一片模拟世界"。
到了1974年前后，笔者所在的电信单位搞技术革新，用晶体管代替继电器，研制晶体管交换机。
当时我对豆粒大的晶体管能代替形如打火机大的继电器而震撼不已，加之没有震动声音、耗电低等优点，更是使我着迷。
当时，看到老技术员用晶体管搭建门电路，实现"与""或"等功能。
业余时间自己也自费购买元件，搭建一些功能电路。
到了1975年以后，中小规模集成电路逐步上市。
之后的几年，在大学里也开始讲授集成电路的课程。
1979年以后，日本的荧光显示式计算器开始在中国市场出现；1983年前后，微处理器的学习形成高潮。
1986年，在数字技术的进步与微处理器技术的影响下，笔者开始动手制作Z80单片机。
在不用任何调试设备的情况下，自己编写机器代码，组装编程器，……直到制作出第一台最简单的单板机。
第一次感受数字技术和微处理器，使笔者兴奋不已。
近几年来，随着IT业的高速发展，整个电子世界都朝着数字化、小型化、多功能化、低耗电的方向发展，学习数字电路的条件与过去相比也发生了巨大的变化。
FPGA课程设计Verilog一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握FPGA的基本原理，熟练使用Verilog硬件描述语言进行FPGA设计和开发。
通过本课程的学习，学生应能够理解FPGA的工作原理，熟悉FPGA的编程环境和工具，掌握Verilog语言的基本语法和常用语句，能够编写符合要求的FPGA程序，并能够进行简单的FPGA电路设计和调试。
具体来说，知识目标包括：1.掌握FPGA的基本原理和结构。
2.熟悉Verilog硬件描述语言的基本语法和常用语句。
3.了解FPGA设计和开发的基本流程。
技能目标包括：1.能够使用Verilog语言编写简单的FPGA程序。
2.能够使用FPGA开发工具进行电路设计和仿真。
3.能够进行简单的FPGA电路调试和优化。
情感态度价值观目标包括：1.培养学生的创新意识和实践能力。
2.培养学生的团队合作意识和沟通能力。
3.培养学生的自主学习和解决问题的能力。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括FPGA的基本原理、Verilog硬件描述语言、FPGA设计和开发流程。
具体包括以下几个方面：1.FPGA的基本原理和结构：介绍FPGA的工作原理、特点和应用领域，熟悉FPGA的基本结构和组成部件。
2.Verilog硬件描述语言：学习Verilog语言的基本语法、数据类型、运算符、控制语句等，掌握常用的Verilog模块编写方法。
3.FPGA设计和开发流程：了解FPGA设计的的基本流程，包括需求分析、逻辑设计、硬件描述语言编写、综合、布局布线、下载和调试等步骤。
4.FPGA编程和调试：学习如何使用FPGA编程工具进行编程，掌握常用的调试技巧和方法。
三、教学方法为了达到本课程的教学目标，将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
包括：1.讲授法：通过讲解FPGA的基本原理、Verilog语言的语法和FPGA设计的流程等内容，使学生掌握基本概念和理论知识。
2.案例分析法：通过分析具体的FPGA设计案例，使学生了解FPGA设计的实际应用，培养学生的实践能力。
hdl的课程设计一、教学目标本课程的教学目标是让学生掌握HDL（硬件描述语言）的基本语法、编写方法和应用技巧。
通过本课程的学习，学生将能够熟练使用HDL进行数字电路的设计和仿真，提高他们在电子工程领域的实际操作能力。
具体来说，知识目标包括：1.理解HDL的基本概念和特点。
2.掌握HDL的基本语法和编写规则。
3.了解HDL在数字电路设计中的应用。
技能目标包括：1.能够独立编写HDL代码，实现简单的数字电路功能。
2.能够使用HDL进行电路仿真，验证电路的正确性。
3.能够分析HDL代码的性能，进行优化和改进。
情感态度价值观目标包括：1.培养学生对电子工程的兴趣和热情。
2.培养学生团队合作精神和自主学习能力。
3.培养学生对新技术的敏感性和创新意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括HDL的基本语法、编写方法和应用技巧。
具体安排如下：第1-2章：HDL的基本概念和特点，介绍HDL的发展历程、基本语法和编写规则。
第3-4章：HDL的基本数据类型和运算符，讲解HDL中的基本数据类型、运算符及其使用方法。
第5-6章：HDL的控制语句和函数，介绍HDL中的条件语句、循环语句、函数和过程等控制语句的使用。
第7-8章：HDL的模块化和层次化设计，讲解如何使用模块化和层次化设计方法进行数字电路的设计。
第9-10章：HDL的仿真和测试，介绍HDL仿真工具的使用方法，以及如何进行电路的测试和验证。
第11-12章：HDL在实际项目中的应用，分析HDL在实际项目中的应用案例，提高学生的实际操作能力。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法，包括：1.讲授法：教师讲解HDL的基本概念、语法和编写规则，引导学生理解和掌握相关知识。
2.案例分析法：分析实际项目中的应用案例，让学生了解HDL在实际工作中的应用。
3.实验法：安排实验室实践环节，让学生动手编写HDL代码，进行电路仿真和测试。
4.讨论法：学生进行分组讨论，分享学习心得和经验，提高团队合作精神和自主学习能力。
西安邮电大学课程教案课程名称：VerilogHDL与FPGA设计基础授课教师：李哲授课教师所在学院：电子工程学院授课班级：电路1201~02授课学期：2014-2015-01学期一、基本信息课程名称VerilogHDL与FPGA设计基础课程性质○必修⊙限选○选修○素拓○跨学科授课专业班级学生人数：67所处年级○一年级○二年级⊙三年级○四年级总学时64 理论课时40 实验课时24 学分 4 课程教材VerilogHDL与FPGA设计基础上课时间2014-2015-1上课地点A337、A322答疑时间答疑地点2#112先修课程本课程在授课对象所学专业人才培养中的作用与地位本课程是集成电路设计与系统集成专业的一门专业基础课程，学生在先修课程数字电路基础上，掌握使用VerilogHDL进行数字电路设计、仿真，并在Fpga器件上实现数字逻辑。
初步掌握集成电路和数字系统的设计方法，培养学生从事集成电路设计技能，对学生进入集成电路设计领域有很重要作用。
本课程在知识传授、能力提升、素质培养各方面的教学目标掌握基于FPGA Verilog HDL实现数字电路仿真的方法。
一方面可以使学生掌握一种适合产品样机和小批量生产的理想手段，另一方面也为进一步学习专用集成电路芯片设计打下了良好基础。
通过本课程的学习可以使学生掌握1）自顶向下的全正向设计思想；2）可编程逻辑器件的基本知识和相关软件的使用方法；3）FPGA电路设计的方法和技巧。
基本具备中小规模可编程逻辑器件的设计开发能力。
学生情况分析注：本栏目建议各位老师通过与学生深入沟通、向前续课程授课教师和辅导员老师了解情况等各种方式，充分了解授课学生的实际情况，积极有效地开展教学。
二、课程大纲《VerilogHDL与FPGA设计基础》课程教学大纲The fundamental of FPGA Design with Verilog HDL课程编号：DZ140340适用专业：集成电路设计与系统集成先修课程：数字电路，电路分析学分数：4总学时数：64 实验（上机）学时：24考核方式：考试执笔者：李哲编写日期：2014年7月7日一、课程性质和任务本课程是集成电路设计与系统集成专业的一门院定选修专业基础课程。
fpga数字电路设计与verilog hdl编程FPGA（现场可编程逻辑门阵列）数字电路设计是一种高度灵活的硬件设计方法，它允许工程师在芯片上实现复杂的数字逻辑电路。
Verilog HDL（硬件描述语言）编程是一种用于描述数字电路行为和结构的语言，它可以用于编写FPGA数字电路的设计。
FPGA数字电路设计与Verilog HDL编程的主要步骤如下：1. 设计需求分析：首先，明确设计的目标和功能需求，例如实现特定的逻辑功能、控制算法等。
2. 设计输入：将需求转换为数字电路逻辑，可以使用硬件描述语言（如Verilog或VHDL）编写。
编写过程中，需要遵循一定的编程规范，如模块化设计、良好注释等。
3. 逻辑仿真：在设计完成后，需要对电路进行逻辑仿真，以验证其功能是否正确。
仿真工具可以将Verilog代码转换为数字电路，并模拟其实际运行情况。
通过观察仿真结果，可以发现并修复设计中的问题。
4. 综合：将编写好的Verilog代码综合为具体的FPGA芯片配置文件。
综合工具会将逻辑电路优化，以便在FPGA上实现。
这一步骤会生成硬件描述文件，包括布局、布线信息等。
5. 下载与测试：将生成的FPGA配置文件下载到目标FPGA芯片上，并进行实际测试。
测试过程中，可以通过观察输出结果、与预期结果对比等方式，验证设计功能的正确性。
6. 优化与迭代：根据测试结果，对设计进行优化。
这可能包括修改Verilog代码、调整布局布线等。
经过多次迭代，直至达到满意的性能。
7. 交付与生产：完成设计验证后，可以将优化后的FPGA设计交付给生产环节，用于实际应用。
总之，FPGA数字电路设计与Verilog HDL编程是一种灵活且高效的设计方法。
通过编写Verilog代码，可以实现复杂的数字逻辑电路，并在FPGA芯片上实时运行。
在设计过程中，需要关注编程规范、逻辑仿真、综合与优化等方面，以保证电路功能的正确性和性能。
veriloghdl课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解Verilog HDL的基本语法和结构，掌握数字电路设计的基本原理；2. 学会使用Verilog HDL进行简单的数字电路设计和仿真；3. 掌握Verilog HDL中的模块化设计方法，能够阅读和分析中等难度的Verilog代码；4. 了解FPGA的基本原理，能够将Verilog HDL代码在FPGA开发板上实现硬件编程。
技能目标：1. 能够运用Verilog HDL编写基本的组合逻辑和时序逻辑电路；2. 独立完成简单的数字信号处理系统的设计、仿真和硬件测试；3. 掌握使用Verilog HDL进行代码调试和优化的基本技巧；4. 培养学生的团队合作能力和问题解决能力，能够在项目中进行有效的沟通与协作。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对数字电路设计的兴趣，激发学生的创新意识和探索精神；2. 培养学生严谨、细致的学习态度，树立良好的工程伦理观念；3. 增强学生的国家意识，认识到我国在集成电路领域的发展现状和重要性，激发学生的爱国情怀；4. 引导学生树立正确的价值观，认识到科技进步对国家和社会发展的贡献。
本课程针对高年级学生，以项目为导向，注重理论与实践相结合。
在教学过程中，教师需关注学生的学习特点，充分调动学生的主观能动性，培养学生的实际操作能力和创新能力。
课程目标旨在使学生能够掌握Verilog HDL的基本知识和技能，为今后在集成电路设计和开发领域的发展奠定基础。
通过本课程的学习，学生将能够独立完成数字电路的设计和实现，为我国集成电路产业的发展贡献自己的力量。
二、教学内容1. Verilog HDL基础语法：包括数据类型、运算符、赋值语句、控制结构等，对应教材第一章内容；2. 数字电路设计原理：介绍组合逻辑电路和时序逻辑电路设计方法，对应教材第二章内容；3. Verilog HDL模块化设计：学习模块定义、端口声明、模块调用等，对应教材第三章内容；4. 常用数字电路设计实例：分析并实践触发器、计数器、状态机等设计，对应教材第四章内容；5. 仿真与调试技巧：掌握ModelSim仿真工具的使用，学习代码调试和优化方法，对应教材第五章内容；6. FPGA硬件编程：了解FPGA基本原理，学习将Verilog HDL代码烧写到FPGA开发板，对应教材第六章内容；7. 项目实践：分组进行项目设计，包括数字信号处理系统、通信系统等，综合运用所学知识，对应教材第七章内容。
西安邮电大学课程教案课程名称：VerilogHDL与FPGA设计基础授课教师：**授课教师所在学院：电子工程学院授课班级：电路1201~02授课学期：2014-2015-01学期一、基本信息二、课程大纲《VerilogHDL与FPGA设计基础》课程教学大纲The fundamental of FPGA Design with Verilog HDL课程编号：DZ140340适用专业：集成电路设计与系统集成先修课程：数字电路，电路分析学分数：4总学时数：64 实验（上机）学时：24考核方式：考试执笔者：李哲编写日期：2014年7月7日一、课程性质和任务本课程是集成电路设计与系统集成专业的一门院定选修专业基础课程。
学生通过本课程学习之后应当熟悉Verilog HDL语言的基本语法和语义、自顶向下的设计方法学、能用Verilog HDL语言在不同的抽象层次上描述数字电路、掌握用Verilog HDL实现数字电路仿真的方法；同时能够应用Verilog HDL语言进行基于FPGA的电路设计。
一方面可以使学生掌握一种适合产品样机和小批量生产的理想手段，另一方面也为进一步学习专用集成电路芯片设计打下了良好基础。
通过本课程的学习可以使学生掌握1）自顶向下的全正向设计思想；2）可编程逻辑器件的基本知识和相关软件的使用方法；3）FPGA电路设计的方法和技巧。
基本具备中小规模可编程逻辑器件的设计开发能力。
二、课程教学内容和要求本课程系统的介绍用VerilogHDL设计和验证数字硬件电路，重点讨论综合VerilogHDL子集在设计数字电路中的应用，讨论FPGA现场可编程阵列器件的结构、特点和相应的集成环境的使用以及目前工业界最常用的仿真工具Modelsim 的使用。
重点讲授基于FPGA的数字电路设计流程中的基本概念、所采用的步骤和应该遵循的原则，包括模块划分原则、可综合VerilogHDL编码风格、验证程序的编写方法和静态时序分析等。
第一章 VerilogHDL数字设计综述主要内容：复习数字逻辑电路的相关概念；VerilogHDL的发展历史与语言特点；Verilog语言与FPGA之间的关系；FPGA设计流程，自底向上和自顶向下；。
基本要求：了解VerilogHDL特点及与FPGA关系，理解数字电路设计流程第二章 FPGA介绍主要内容： FPGA基本概念，现场可编程门阵列FPGA结构、配置、选型。
基本要求：理解FPGA结构，掌握FPGA配置。
第三章 VerilogHDL语法及层次建模概念主要内容：数字系统抽象描述层次；Verilog模块的基本概念；赋值语句；模块的结构、模块组成，端口连接规则，标示符层次引用；数据类型、常量、变量和基本运算符号；模块实例及逻辑仿真的构成。
基本要求：理解数字电路设计方法：理解模块和模块实例之间关系；理解抽象层次：行为级、数据流级、门级和开关级；理解VerilogHDL词法约定；学习数据类型、系统任务等。
重点：模块连接规则，VerilogHDL语法，数据类型。
第四章仿真模型与仿真环境主要内容： Verilog HDL构建仿真模块；仿真模块的一般结构；仿真环境。
基本要求： VerilogHDL设计、验证与仿真之间关系；仿真环境与工具。
重点：测试平台。
第五章不同抽象级别建模方法主要内容：门级建模、数据流建模、行为级建模，不同级别建模逻辑设计的差别及作用。
门级原语、表达式、结构化语句。
基本要求：不同建模级别概念，理解门级原语，电路逻辑图用VerilogHDL 描述；使用数据流结构对数字电路建模，表达式、各种结构化语句。
重点：数据流建模、行为级建模方法第六章任务与函数主要内容：任务、函数、任务与函数的区别、系统函数、实用建模技术。
基本要求：理解任务和函数之间区别，掌握任务、函数的声明和调用。
第七章设计验证主要内容：验证综述；功能验证的技术；时序验证相关概念。
基本要求：掌握验证的基本方法。
第八章FPGA设计实例主要内容：以实例形式从逻辑设计、仿真、FPGA选型、资源利用、下载、验证与测试等方面全面阐述基于VerilogHDL的FPGA数字电路设计。
基本要求：掌握基于VerilogHDL的FPGA数字电路设计基本方法。
三、各教学环节的学时分配四、实验部分教学内容和要求：1、实验项目及学时分配其中：演示性实验0 %，验证性实验16.7 %，五、本课程与其它课程的联系先修课：数字电路逻辑设计；后续课：数字集成电路设计；六、建议教材及参考资料建议教材：1.《VerilogHDL数字设计与综合》（第二版），Samir Palnitkar 著夏宇闻等译，电子工业出版社，2013年1月2.《基于verilog的FPGA设计基础》杜慧敏、李宥谋等，西安电子科技大学出版社出版，2006年2月第1版。
参考资料1.Verilog数字系统设计教程》（第二版），夏宇闻，北京航天航空大学出版社，2008年6月2.《Verilog HDL硬件描述语言》J.Bhasker著，徐振林等译，机械工业出版社，2000年7月第一版3.《FPGA设计及应用》，褚振勇、翁木云编著，西安电子科技大学出版社出版，2002年7月第1版。
4. 《CPLD/FPGA的开发与应用》，徐志军、徐光辉编著，电子工业出版社出版，2002年1月第1版。
三、教学日历注：教学日历务请于开学的第二周前交教务办任课教师：系、部主任：院长：四、学生作业及平时考核情况记录表五、课堂教学设计方案第一讲（2）课程简介（第一章）1、本次课教学目标：使学生对该课程有一个总体认识：1.1 课程的预期目标：⏹掌握VerilogHDL及数字电路设计方法⏹掌握基于FPGA的数字电路实现方法⏹掌握数字集成电路设计的一般流程⏹初步掌握系统集成的设计方法。
1.2 本课程与先修课程、后续课程的关系1.3 VerilogHDL的发展1.4 EDA技术简介及设计流程2、本次课教学重点：2.1 EDA技术是数字电路设计的发展方向，从IC制造工艺、电路设计、仿真验证、系统设计、测试等都实现电子设计自动化。
2.2 VerilogHDL发展3、本次课教学难点：3.1 学生理解与以前所学知识的区别：VerilogHDL与C语言区别：前者硬件电路描述与设计，并发执行；后者编译后在CPU中运行代码，逐条执行。
3.2 传统设计与EDA设计流程区别：学生本身对传统设计没有经验，也不是十分理解，因此很难体会到EDA 设计带来的优势。
4、本次课教学方法：讲授法5、本次课教学过程设计分两部分讲述，首先对本课程要求及总体讲述：重要性、预期目标、学习方法，VerilogHDL与FPGA概述；其次，讲述VerilogHDL发展；第三，讲解本课程在本专业培养方案中的地位：专业基础、工具。
采用提问形式，引起学生好奇心，再逐步对所提问题剖析，加强学生的理解很认识。
⏹什么是FPGA？⏹什么是VerilogHDL？⏹什么是基于VerilogHDL的FPGA设计？1、外部硬件系统2、内部逻辑系统⏹FPGA与常用数字逻辑器件关系FPGA：可编程、灵活、系统体积小⏹HDL与其他高级语言（C语言等）区别HDL—PLD、FPGA；C等—CPU⏹VerilogHDL与FPGA设计基础1、 VerilogHDL和FPGA基本知识2、基于FPGA、HDL设计方法3、设计验证工具4、数字电路系统设计方法在讲述VerilogHDL发展时，主要简述，提示学生自己看书。
同时，提示学生：关于VerilogHDL与FPGA方面的知识，书籍很多、网上资料也非常多。
需要深入学习，多看、多练、多思考。
第二讲（2+2）可编程逻辑器件PLD___FPGA基础知识（第二章）1、本次课教学目标：使学生对FPGA深入认识：1.1 FPGA是可编程逻辑器件（PLD）之一：其特点使其成为最广泛的数字电路设计支撑器件：用于ASIC前期验证或者直接作为小批量专用集成电路直接应用。
1.2 FPGA内部结构和专用资源：内部结构只要由可编程逻辑块（CLB）、可编程输入/输出（IOB）和可编程内部互联资源（PIR）；嵌入式阵列块（EAB）既可以是RAM、ROM、FIFO等，也可以是DSP、CPU等常用的硬件电路，大大增加了FPGA使用性。
1.3 FPGA设计流程：系统设计——模块设计——设计输入——设计处理——模拟仿真——下载测试。
1.4 FPGA选型及外围电路设计：选型原则，下载电路，与其它电路连接注意事项2、本次课教学重点：2.1 FPGA内部结构与特点2.2 结合EDA工具，深入理解FPGA设计流程（注意与VerilogHDL数字电路设计流程的关系）FPGA设计包含VerilogHDL设计，同时，还要考虑外围电路设计和内部延时等，VerilogHDL设计更偏重数字逻辑。
3、本次课教学难点：使学生建立新的数字电路设计方法，开始可能比较抽象，只有经过实践，应该能够理解和掌握。
4、本次课教学方法：讲授法、演示实验法、自主学习法等5、本次课教学过程设计首先，展示FPGA芯片和FPGA开发/实验板，让学生感性认识FPGA及应用环境。
其次，从可编程逻辑器件（PLD）发展，引导出FPGA的产生。
第三，FPGA内部结构及其特点。
第四，FPGA选型及系统级设计概要第五，FPGA设计流程及下载电路最后，使学生较为深入体会FPGA与VerilogHDL的关系。
此章节要让学生明白FPGA技术发展、作用、主流FPGA公司产品及特点，FPGA 选型，FPGA在数字集成电路设计和嵌入式系统中的用法等。
第三讲（2）VerilogHDL入门___层次建模（第三章）1、本次课教学目标：❖层次建模的概念❖通过简单的例子了解Verilog模块的基本构成❖Verilog模块的组成要素：模块和端口❖Verilog模块的仿真测试2、本次课教学重点：模块的层次结构及组成要素3、本次课教学难点：模块的连接规则：名称对应连接和位置对应连接4、本次课教学方法：讲授法、启发式教学法、自主学习法等5、本次课教学过程设计由于前期学生已经接触到VerilogHDL，了解如何用其描述简单数字逻辑，此节开始系统讲解VerilogHD概念、特点及应用。
如何通过模块化设计构造复杂的数字逻辑或者数字系统。
5.1说明什么是VerilogHDL电路设计模型及模型种类：系统级、算法级、RTL级、门级、开关级5.2 举例最简单电路说明模块的书写及要素：通过实例，直观感受不同级别模型的电路设计，对模块组成要素重点说明。
5.3 模块之间连接规则和层次模型采用4位计数器做层次说明：顶层（计数器）——T触发器——D触发器对顶层计数器测试，采用更高一级模块，测试模块做顶层，实例化计数器。
同时，体会模块之间连接方式。
5.4 简要介绍模块仿真测试体会VerilogHDL设计从顶层到下层的设计流程。
