FPGA设计方案及应用(第二版)

1、、封面二、版权书 名FPGA 设计及应用（第二版）丛 书 名 -标准书号ISBN 7-5606-1132-X/TP 0574编目分类TP332.1作 者褚振勇 齐亮 田红心 高楷娟译 者-责任编辑曹昳 臧延新16 开28.75 张684 千字450 页 2002 年 7 月第 1 版 2006 年 12 月第 2 版 2006 年 12 月第 4 次印刷初版时间 2002 年 7 月 本 印次2006 年 12 月定 价 35.00 元三、内容简介本书系统介绍了有关可编程逻辑器件的基本知识以及相关软件的使用方法，讲述了FPGA 电路设计的方法和技巧，并给出了设计实例。本书主要内容包括：FPGA

2、 设计概述；Altera 可编程逻辑器件；VHDL 硬件描述语言；Quartusn6.0 集成环境介绍；Altera 器件配 置与调试；Quartusn中的宏模块；FPGA 设计中的基本问题和 FPGA 电路设计实例。本书内容全面，取材新颖，叙述清楚，理论联系实际，突出实用特色，并使用大量图 表说明问题，便于读者对内容的理解和掌握。本书既可用作高等工科院校电子与通信类各专业高年级本科生和研究生相关课程的教 材和参考书，又可作为广大电子设计人员的设计参考书或使用手册。四、第二版前言自本书第一版出版以来， FPGA 器件的结构及规模飞速发展，设计开发软件不断更 新，应用领域也日益扩大。为了满足广大

3、读者和设计人员的需求，本书在第一版的基础 上，结合最新的软硬件资料，对书中各章节的内容进行了全面的更新和修订。全书共分为 8 章。第 1 章分析了可编程逻辑器件的结构特点、基本设计方法和设计流 程。第 2 章重点介绍了 Altera 公司各个系列器件的特点、结构及功能。第3 章介绍了VHDL 硬件描述语言。第 4 章详细介绍了 Altera 可编程逻辑器件开发软件Quartusn的安装和使用方法。第 5 章主要讲述 Altera 公司可编程逻辑器件的配置方式和调试技术。第 6 章 主要讲述Quartusn集成设计环境中的宏模块及其应用。第7 章详细介绍了 FPGA 设计时需要注意的一些基本问题

4、，例如数的表示方法、时钟、逻辑竞争和冒险、信号的时延和歪 斜、流水线操作等问题。第 8 章给出了几个 FPGA 电路设计实例，这些设计实例均来源于 科研实践和工程设计工程，其中包括序列产生器、数字相关器、汉明距离的电路计算、交织编译码器、直接数字频率合成器、奇偶数分频器、串并/并串变换器、 FFT/IFFT 和 FIR 滤波器等。在本书的撰写过程中，得到了空军工程大学电讯工程学院和西安电子科技大学综合业 务网理论及关键技术国家重点实验室的领导、老师和同事们的支持，特别是西安电子科技 大学的易克初教授、田斌副教授、王勇博士，以及空军工程大学电讯工程学院的黄国策教 授、梁俊副教授和工程学院的向新副

5、教授给予本书大力的支持与帮助。骏龙科技有限公司 的尹志华、宋士权、胡晟工程师和 Altera 公司中文网站（）以及可编程逻辑器件中文网站 （）为本书提供了许多技术资料和技术支持。西安电子科技大学出版社的臧延新编辑、曹 昳编辑以及有关工作人员为本书的出版付出了艰辛的劳动。书中还参考和引用了许多专家 和学者的著作及研究成果。在此向上面提到的所有人员表示衷心的感谢。褚振勇担任本书主编并规划了全书的主要内容。本书的第 1 章由田红心编写，高楷娟 撰写了第 2章和第 5 章的 5.15.7 节，并完成了本书英文资料的翻译和校对工作，刘海和 李倩编写了本书的第 3章，第 4 章和第 5 章的 5.8、5.

6、9 节由齐亮撰写，褚振勇编写了第68 章及附录，并对全书统稿。另外，空军工程大学的高晶、王轶、吴华新和刘雄也为本书 做了大量的工作。FPGA 设计技术发展极其迅速，而作者又希望将最新的技术介绍给读者，因而在内容 的选取、组织和叙述方面可能会存在诸多不足和问题，加之作者水平有限，书中难免有不 妥甚至错误之处，恳请各位读者和同行批评指正。同时也建议广大读者在FPGA 学习和设计过程中，能够不断地从 PLD 生产厂商、销售商和各种 EDA 网站上获取更新的资料信息 和技术支持，以保证实现最佳的设计。作者2006 年 6 月于西安五、第一版前言现场可编程门阵列（ FPGA， Field Program

7、mable Gate Array ）的出现是超大规模集成电 路（ VLSI ）技术和计算机辅助设计（ CAD ）技术发展的结果。 FPGA 器件集成度高、体积 小，具有通过用户编程实现专门应用的功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平 台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的结果。使用FPGA 器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入。更吸引人的是，采用FPGA 器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对设 计进行在线修改，成为研制开发的理想器件，特别适合于产品的样机开发和小批量生产。因此有时人们也把 FPGA称为可编程的

8、 ASIC 。近年来， FPGA 市场发展十分迅速，各大 FPGA 厂商不断采用新技术来提高 FPGA 器 件的容量，增强软件的性能。如今， FPGA 器件广泛应用于通信、自动控制、信息处理等 诸多领域，越来越多的电子设计人员在使用FPGA，熟练掌握 FPGA 设计技术已经是对电子设计工程师的基本要求。本书的作者较早接触 FPGA 技术，并将其应用于科研和工程实践，深切感受到 FPGA 技术是数字电路设计的利器，从中受益颇深。但是，目前专门讲述FPGA 设计及应用方面的书籍还很少，更多情况下需要设计人员直接查找和阅读英文资料，以获取所需信息。同 时，FPGA 设计技术是一项实践性非常强的专业技

9、术，需要一定的经验积累，这就给许多 迫切需要了解和掌握 FPGA设计技术的人员带来一定的困难。为了能使更多的人尽快掌握 FPGA 设计技术，并能应用于实际，作者在阅读和参考大量中英文资料的基础上，结合科 研和工程实践经验，写成此书。全书系统地介绍了有关可编程逻辑器件的基本知识以及相关软件的使用方法，着重讲述了 FPGA 电路设计的方法和技巧，并给出了设计实例。本书共分为 9 章。第 1 章分析了 可编程逻辑器件的结构特点、基本设计方法和设计流程。第 2 章重点介绍了 ALTERA 公司 各个系列器件的特点、结构及功能。第 3 章详细介绍了 ALTERA 可编程逻辑器件开发软件 MAX+PLUS

10、n和 Quartusn的安装和使用方法。第4 章主要介绍第三方工具软件，特别是目前较为常用的 FPGA Express 和 LeonardoSpectrum 软件的特点、设计流程及使用方法。第 5 章介绍了 ALTERA 公司 PLD 器件的命名方法，以及 PLD 器件的多种编程和配置方式。 第 6 章详细介绍了 FPGA 设计时需要注意的一些基本问题，例如数的表示方法、时钟、逻 辑竞争和冒险、信号的时延等问题。第7 章主要讲述 MAX+PLUSn开发软件中的宏模块及其应用，详细介绍了时序电路、运算电路和存储器三大类宏模块的组成和使用方法。第8章给出了几个 FPGA 电路设计实例，这些设计实例

11、均来源于科研实践和工程设计工程，其 中包括序列产生器、数字相关器、汉明距离的电路计算、交织编译码器、直接数字频率合 成器等，本章最后以误码率在线测试电路为例，给出了一个完整的FPGA 设计。第 9 章涉及 FPGA 高端开发技术，主要包括可再配置计算、可编程单芯片系统（SOPC）以及 IP 模块。本书的三个附录分别给出了MAX+PLUSn文件的后缀、相关网址检索和光盘文件索引。本书附赠的光盘上主要包含第 8 章设计实例的源程序以及 ALTERA 公司全线产品的技 术资料和MAX+PLUSn10.1 基本版、Quartusn2.0 Web 版等开发软件。FPGA 技术发展日新月异，新技术、新方法

12、、新器件层出不穷。本书在撰写时虽加入 了目前最新的资料，但是读者在阅读本书时，可能又出现了更新的器件。所以本书主要是 向大家提供有关 FPGA 设计与应用方面较为基础的内容，读者可以从 EDA 厂商的网站上获 取更新的资料，也可以从销售商或可编程逻辑器件中文网站（& ）上获取相关的信息和技术支持。在本书的撰写过程中，得到了空军工程大学电讯工程学院和西安电子科技大学综合业 务网理论及关键技术国家重点实验室的领导、老师和同事们的支持，特别是西安电子科技 大学易克初教授，空军工程大学电讯工程学院谢德芳教授、黄国策副教授、梁俊副教授以 及西北工业大学何明一教授给予了本书大力的支持与帮助。西安电

13、子科技大学田斌副教 授、田红心讲师和王凯东博士生为本书提出了很好的改进意见。骏龙科技公司上海办事处 的胡晟工程师，西安办事处的董祥、杨晓云工程师和可编程逻辑器件中文网站为本书提供 了许多技术资料和技术支持。西安电子科技大学出版社的臧延新编辑和有关工作人员也为 本书的出版付出了艰辛的劳动。书中还参考和引用了许多专家和学者的著作及研究成果。 在此向上面提到的所有人员表示衷心的感谢。本书的第 14 章、第 5 章的 5.35.7 节以及第 8 章的 8.7 节主要由翁木云撰写，第 69 章、第5 章的 5.15.2 节以及附录主要由褚振勇撰写，第6 章的 6.3 节由胡晟工程师整理提供。本书所附光盘

14、由褚振勇整理。空军工程大学电讯工程学院外语室的高楷娟老师 完成了本书大量的英文翻译和校对工作。全书最后由褚振勇统稿。由于作者水平有限，书中难免有不妥甚至错误之处，欢迎各位读者和同行批评指正。作者2002 年 5 月于西安六、目录第 1 章绪论 错误！未定义书签。1.1 EDA 发展历程 错误！未定义书签。1.2 可编程逻辑器件 41.2.1 ASIC 的分类 41.2.2 SPLD . 51.2.3 EPLD 和 CPLD . 91.2.4 FPGA . 错误！未定义书签。1.2.5 FPGA 与 CPLD 的比较 错误！未定义书签。1.2.6 PLD 厂商介绍 错误！未定义书签。1.3 PL

15、D 的设计 231.3.1 设计方法 231.3.2 设计流程 错误！未定义书签。1.3.3 基于 IP 的设计错误！未定义书签。第 2 章 ALTERA 可编程逻辑器件 312.1 概述 312.2 FPGA . 332.2.1 Stratix 器件 33222 Stratixn器件 382.2.3 Cyclone 器件 442.2.4 Cyclonen器件 462.2.5 Stratix GX 器件 502.2.6 StratixnGX 器件 552.3 CPLD . 612.3.1 MAX3000A 器件 612.3.2 MAXn器件 632.4 结构化 ASIC. 672.4.2 简述

16、 672.4.2 HardCopyn器件 682.5 成熟器件 712.5.1 FLEX10K 系列 722.5.2 FLEX8000 系列 742.5.3 FLEX6000 系列 752.5.4 ACEX1K 系列 752.5.5 APEX20K 系列 762.5.6 Mercury 系列 782.5.7 Excalibur 系列 802.5.8 MAX9000 系列 812.5.9 MAX7000 系列 832.5.10 MAX5000 系列 832.5.11 Classic 系列 832.6 器件选型指南 83第 3 章硬件描述语言 923.1 硬件描述语言概述 923.2 VHDL 程

17、序的基本结构 943.2.1 实体说明 953.2.2 结构体 973.2.3 配置 1073.2.4 库 1093.2.5 程序包 1103.3 VHDL 的描述方法 1113.3.1 标识符 1113.3.2 词法单元 1123.3.3 数据对象 1153.3.4 数据类型 1193.3.5 操作运算符 错误！未定义书签。3.4 VHDL 的常用语句 1273.4.1 并行语句 1273.4.2 顺序语句 132第 4 章 QUARTUSH集成环境 错误！未定义书签。4.1 概述 错误！未定义书签。4.2 Quartusn的安装错误！未定义书签。4.3 Quartusn6.0 图形用户界面

18、介绍 错误！未定义书签。4.3.1 工程导航区 错误！未定义书签。4.3.2 状态区 错误！未定义书签。4.3.3 信息区 错误！未定义书签。4.3.4 工作区 错误！未定义书签。4.3.5 快捷命令工具条 错误！未定义书签。4.3.6 菜单命令区 错误！未定义书签。4.4 设计输入 错误！未定义书签。4.4.1 功能描述及模块的层次划分 错误！未定义书签。4.4.2 工程的设计实现 错误！未定义书签。4.5 配置设计工程的编译约束 错误！未定义书签。4.5.1 使用 Assignment Editor . 错误！未定义书签。4.5.2 使用引脚分配器 错误！未定义书签。4.5.3 使用 Se

19、ttings 对话框 1984.6 综合设计 2024.7 布局布线 2044.7.1 完整的渐进式编译 2054.7.2 分析布局布线结果 2054.7.3 布局布线的优化 2104.8 时序分析 2144.8.1 在 Quartusn软件中进行时序分析 2164.8.2 进行前期的时序评估 错误！未定义书签。4.8.3 查看时序分析结果 错误！未定义书签。4.8.4 使用第三方 EDA 工具进行时序分析 错误！未定义书签。4.9 Quartusn的完整编译错误！未定义书签。4.10 仿真错误！未定义书签。4.10.1 建立波形输入文件 错误！未定义书签。4.10.2 设置节点的验证时序 错

20、误！未定义书签。4.10.3 设置仿真参数 错误！未定义书签。4.10.4 分析仿真结果 错误！未定义书签。4.11 基于 LogicLock 的设计方法 错误！未定义书签。4.11.1 Quartusn基于模块化的设计流程 错误！未定义书签。4.11.2 使用 LogicLock 区域错误！未定义书签。4.11.3 在自上而下渐进式编译流程中使用区域逻辑锁 错误！未定义书签。4.11.4 自下而上的 LogicLock 流程错误！未定义书签。4.11.5 在 EDA 工具集中使用 LogicLock . 错误！未定义书签。4.12 时序逼近 错误！未定义书签。4.12.1 使用 Timing

21、 Closure 平面布局图 错误！未定义书签。4.12.2 使用时序优化顾问 错误！未定义书签。4.12.3 使用网表优化实现时序逼近 错误！未定义书签。4.12.4 使用 LogicLock 区域实现时序逼近 错误！未定义书签。4.12.5 使用渐进式编译实现时序逼近 错误！未定义书签。4.13 功耗分析 错误！未定义书签。4.13.1 PowerPlay Power Analyzer . 错误！未定义书签。4.13.2 PowerPlay Early Power Estimator . 错误！未定义书签。4.14 MAX + PLUSn工程转换 错误！未定义书签。4.14.1 界面风格的

22、转换 错误！未定义书签。4.14.2 MUX+PLUSn工程转换错误！未定义书签。第 5 章 ALTERA 器件的配置与调试 错误！未定义书签。5.1 PLD 器件测试电路板 错误！未定义书签。5.2 PLD 器件的配置方式 错误！未定义书签。5.3 下载电缆 错误！未定义书签。5.3.1ByteBlastern并口下载电缆错误！未定义书签。5.3.2ByteBlasterMV 并口下载电缆 错误！未定义书签。5.3.3MasterBlaster 串行 /USB 通信电缆 错误！未定义书签。5.3.4USB-Blaster 下载电缆 错误！未定义书签。5.3.5EthernetBlaster

23、通信电缆 错误！未定义书签。5.3.6ByteBlaster 并口下载电缆 错误！未定义书签。5.3.7BitBlaster 串行下载电缆 错误！未定义书签。5.4 配置芯片 错误！未定义书签。5.5 PS 模式错误！未定义书签。5.6 JTAG 模式 错误！未定义书签。5.7 AS 模式错误！未定义书签。5.8 Quartusn编程器的使用方法3045.9 调试 3065.9.1 使用 SignalTapn逻辑分析仪 3065.9.2使用 SignalProbe 信号探针 3135.9.3使用 In-System Memory Content Editor . 错误！未定义书签。5.9.4使

24、用芯片编辑器 错误！未定义书签。5.9.5使用外部逻辑分析仪接口工具 错误！未定义书签。第 6 章 QUARTUSn中的宏模块错误！未定义书签。6.1 Megafunction 库 错误！未定义书签。6.1.1 算术运算模块库 错误！未定义书签。6.1.2 逻辑门库 错误！未定义书签。6.1.3 I/O 模块库 3326.1.4 存储模块库 3336.2 Maxplus2 库 错误！未定义书签。6.2.1 时序电路宏模块 错误！未定义书签。6.2.2 运算电路宏模块 错误！未定义书签。6.3 Primitives 库 错误！未定义书签。6.3.1 存储单元库 错误！未定义书签。6.3.2 逻辑门库 错误！未定义书签。6.3.3 缓冲器库 错误！未定义书签。6.3.4 引脚库 错误！未定义书签。6.3.5 其它模块 错误！未定义书签。第 7 章 FPGA 设计中的基本问题 错误！未定义书签。7.1 数的表示方法 错误！未定义书签。7.1.1 无符号整数 错误！未定义书签。7.1.2 二进制补码 错误！未定义书签。7.1.3 无符号小数 错误！未定义书签。7.1.4 带符号小数的二进制补码 错误！未定义书签。7.1.5 格雷码 错误！未定义书签。7.1.6 带符号整数 错误！未定义书签。7