本书分基础与应用两部分，系统介绍了Altera FPGA的开发应用知识。基础部分包括FPGA开发流程、硬件描述语言VHDL、Quartus Prime设计开发环境、基本电路的VHDL设计、基于IP的设计等内容； 应用部分包括人机交互接口设计、数字信号处理电路设计、密码算法设计、基于Nios Ⅱ的SOPC系统开发等内容，并在最后一章给出了24个常用设计实例。全书语言简明易懂，逻辑清晰，向读者提供了不同领域的FPGA应用实例以及完整的设计源程序。
本书可作为高等学校电子信息、计算机、自动化等专业的本科生教材，也可供从事电子系统设计的工程技术人员参考。

前言
现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)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，基于FPGA的设计方法是电子设计领域的一大变革。不同于传统的电子设计方法，基于FPGA的现代电子系统设计采用自顶向下的设计方法，使设计师可以把更多的精力和时间放在电路方案的设计上，很大程度上缩短了电子产品的上市时间； FPGA的可编程性，使得在不改变硬件电路设计的前提下，产品性能的提升成为可能； 硬件软件化，以及不断增长的可编程门阵列的规模，使得产品在小型化的同时，可靠性也得到提升。IP核的广泛使用，特别是嵌入式处理器IP核的使用，使FPGA的市场占有量大大增加。因此对于广大的电子系统设计人员，以及电子工程专业的学生来说，掌握基于FPGA的开发技术是非常必要的。
参与本书编写的教师多年从事EDA课程的教学和相关科研工作，也可以说是作者的教学和科研经验成就了本书。全书系统地介绍了FPGA的开发技术，内容涵盖FPGA可编程逻辑器件的基本知识及相关软件的使用方法，可编程逻辑器件的硬件描述语言，以及基于FPGA的电路设计，着重讲述了FPGA电路设计的方法和技巧，并给出了设计实例。
全书共10章。第1章分析了FPGA开发的基本设计方法和设计流程，并以Altera公司Altera公司现已被Intel公司收购，书中涉及Altera的产品均为Intel的产品。的FPGA芯片为例，介绍了可编程逻辑器件的结构特点。第2章介绍了可编程逻辑器件的硬件描述语言： VHDL。第3章以Quartus Prime 16．0为例，介绍了可编程逻辑器件开发软件的安装和使用方法。第4章介绍了基本电路的VHDL设计，讲解了VHDL设计时需要注意的基本问题。第5章介绍了基于IP的设计方法。第6章以键盘扫描和液晶驱动设计为例，介绍了人机交互接口设计。第7章介绍了几种基本的数字信号处理电路的VHDL设计。密码算法的设计实现是FPGA在信息安全设计领域的一个重要应用，因此本书的第8章以分组密码、流密码及HASH算法为例，给出了三个密码算法的VHDL设计的实例。第9章涉及FPGA高端开发技术，介绍了基于Nios Ⅱ的Qsys系统开发的流程和设计方法。第10章给出了24个常用基于VHDL的FPGA设计实例。

全书由李莉组织编写并统稿。其中，第1章、第3章、第6章、第10章以及附录部分由李莉编写，第8章由李雪梅和张磊共同编写，第5章、第7章、第9章由李莉和董秀则共同编写，第2章、第4章由李莉和李雪梅共同编写。北京电子科技学院路而红教授不辞辛苦地认真审阅了全部书稿，并为本书提出了许多宝贵的建议和意见。硕士研究生杨凤、王子榛参与了本书相关程序的调试工作。借此机会也向所有关心、支持和帮助本书编写、修改、出版、发行的老师和朋友们致以诚挚的谢意。
由于作者水平有限，书中难免有不妥之处，欢迎各位读者批评、指正。
作者2020年2月于北京

李莉：北京电子科技学院教授，长期从事EDA有可编程逻辑器件的研究与教学工作，“EDA技术”北京市精品课程负责人，北京市优质教学课件奖。

目录



第1章FPGA开发简介

1.1可编程逻辑器件概述

1.2FPGA芯片

1.2.1FPGA框架结构

1.2.2Intel公司的FPGA

1.3FPGA开发工具

1.4基于FPGA的开发流程

1.4.1FPGA设计方法概论

1.4.2典型FPGA开发流程

1.4.3FPGA的配置

1.4.4基于FPGA的SoC设计方法

第2章VHDL硬件描述语言

2.1程序基本结构

2.2VHDL程序语法规则

2.3并行语句

2.4顺序语句

2.5子程序及子程序调用语句

第3章Quartus Prime设计开发环境

3.1Quartus Prime概述

3.2Quartus Prime设计流程

3.2.1设计输入

3.2.2设计处理

3.2.3波形仿真

3.2.4器件编程

3.3嵌入式逻辑分析仪使用

第4章基本电路的VHDL设计

4.1优先编码器

4.2数据选择器

4.3组合逻辑电路与并行语句、进程语句的关系

4.4运算电路

4.5时钟信号

4.6锁存器和触发器

4.7同步、异步信号描述

4.8同步电路设计原则

4.9计数器

4.10分频电路

4.11寄存器

4.12状态机

4.13动态扫描电路

第5章基于IP的设计

5.1IP核

5.2触发器IP核的VHDL设计应用

5.3存储器IP核的VHDL设计应用

5.4锁相环IP核的VHDL设计应用

5.5运算电路IP核的VHDL设计应用

第6章人机交互接口设计

6.1键盘扫描电路的VHDL设计

6.1.1设计原理

6.1.2设计实现

6.1.3仿真验证

6.2液晶驱动电路的VHDL设计

6.2.1设计原理

6.2.2设计实现

6.2.3仿真验证

第7章数字信号处理

7.1差错控制电路的VHDL设计(CRC校验电路)

7.1.1设计原理

7.1.2校验电路的VHDL实现

7.1.3仿真验证

7.2滤波电路的VHDL设计

7.2.1设计原理

7.2.2FIR滤波电路的设计实现

7.2.3仿真验证

7.3HDB3基带信号编译码电路的VHDL设计

7.3.1设计原理

7.3.2设计实现

7.3.3仿真验证

第8章密码算法设计

8.1分组密码算法的VHDL设计(SM4)

8.1.1SM4算法原理

8.1.2设计实现

8.1.3仿真验证

8.2流密码算法的VHDL设计(ZUC)

8.2.1ZUC算法原理

8.2.2设计实现

8.2.3仿真验证

8.3HASH算法的VHDL设计(SM3)

8.3.1SM3算法原理

8.3.2设计实现

8.3.3仿真验证

第9章基于Nios Ⅱ的SOPC系统开发

9.1简介

9.1.1SOPC技术

9.1.2Nios Ⅱ嵌入式处理器

9.1.3Qsys开发工具

9.2SOPC硬件开发

9.2.1启动Qsys

9.2.2添加Nios Ⅱ及外设IP模块

9.2.3集成Nios Ⅱ系统至Quartus Prime

9.3SOPC软件系统开发

9.3.1创建Nios Ⅱ工程

9.3.2设置工程的系统属性

9.3.3程序编写及编译

9.3.4代码调试及运行

第10章基于VHDL的FPGA设计实例

10.1多路选择器

10.2寄存器

10.3移位寄存器

10.4计数器

10.5分频器

10.6元件例化

10.7状态机1

10.8状态机2

10.9DES算法S盒

10.10DES算法初始置换IP

10.11十六进制数的共阴极7段数码显示译码器

10.12七人表决器的设计

10.13动态扫描显示电路

10.14四人抢答器的设计

10.15伪随机数产生器

10.16彩灯控制器1

10.17彩灯控制器2

10.18彩色LED点阵显示电路设计

10.19计算器设计

10.20序列检测器

10.21自动售货机

10.22直流电机转速控制电路

10.23篮球竞赛30秒计时器

10.24电梯控制器

附录1DES算法的S盒

附录2VHDL保留字

参考文献