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目录1

第1章　可编程逻辑器件与FPGA1

1.1　可编程逻辑器件概述1

1.1.1　可编程逻辑器件简介1

1.1.2　发展历史1

1.1.3　可编程逻辑器件与设计软件2

1.2　FPGA概述2

1.2.1 FPGA简介2

1.2.2 FPGA的优点3

1.2.3 FPGA的分类和使用4

1.2.4　主要FPGA供应商一览5

1.3　总结6

第2章　VHDL与Verilog HDL7

2.1　VHDL简介7

2.1.1 VHDL的历史7

2.1.2　VHDL的特点7

2.2　VHDL程序基本结构8

2.2.1 实体的申明方法9

2.2.2　结构体的描述方法10

2.2.3　程序包和程序包体15

2.2.4　配置的申明方法16

2.2.5　VHDL程序的库17

2.3　VHDL语言的数据类型和运算符19

2.3.1 VHDL语言的数据对象20

2.3.2 VHDL语言的数据类型21

2.3.3 VHDL语言的运算符25

2.4 VHDL语言的描述语句27

2.4.1 VHDL顺序语句描述方法27

2.4.2 VHDL并行语句描述方法32

2.5 VHDL语言的预定义属性34

2.5.1　值类预定义属性34

2.5.2　函数类预定义属性34

2.5.3　信号类预定义属性35

2.6　Verilog HDL简介36

2.6.1　Verilog HDL的历史36

2.6.2　Verilog HDL的特点36

2.5.5　数据范围类预定义属性36

2.5.4　数据类型类预定义属性36

2.7 Verilog HDL程序基本结构37

2.8 Verilog HDL语言的数据类型和运算符38

2.8.1　标识符38

2.8.2　数据类型38

2.8.3　模块端口39

2.8.4　值集合39

2.8.5　表达式41

2.9　Verilog HDL语言的描述语句42

2.9.1　门级建模形式42

2.9.2　数据流建模形式43

2.9.3　行为建模形式44

2.10　小结50

3.1　ISE简介51

第3章　使用ISE进行FPGA开发51

3.2　ISE和ModelSim的安装52

3.2.1　系统要求52

3.2.2　ISE的安装52

3.2.3　ModelSim安装55

3.2.4　关联ISE和ModelSim56

3.3　ISE的使用方法57

3.3.1　ISE界面介绍57

3.3.2　使用ISE的开发流程60

3.3.3　使用ISE编写HDL模块62

3.3.4　使用语言模版辅助设计68

3.3.5　使用ISE编写测试平台69

3.3.6　使用ISE编写顶层模块75

3.3.7　使用ISE编写约束文件79

3.3.8　设计的综合和实现81

3.3.9　硬件编程和下载82

3.4　小结83

第4章　模拟I2C协议84

4.1　I2C总线解析84

4.1.1 I2C总线概述84

4.1.2 I2C协议的基本概念84

4.1.3 I2C协议的时序要求85

4.2 模拟I2C接口程序的基本框架87

4.3 I2C协议的具体实现89

4.3.1 位传输的实现89

4.3.2 字节传输的实现99

4.3.3 程序主体的实现106

4.4　程序的仿真与测试110

4.4.1 主节点的仿真111

4.4.2　从节点的仿真113

4.4.3　仿真主程序119

4.4.4　仿真结果125

4.5 小结126

第5章　UART控制器127

5.1　计算机接口技术简介127

5.1.1　常用的计算机接口简介127

5.1.2　计算机接口的控制方式128

5.2　RS-232串口通信简介129

5.2.1 串口通信概述129

5.2.2　RS-232协议130

5.2.3　RS-232通信时序和UART133

5.2.4 串口通信实现方案134

5.3　使用FPGA实现UART134

5.3.1 UART实现原理134

5.3.2　UART工作流程136

5.3.3　信号监测器模块的实现137

5.3.4　波特率发生器模块的实现139

5.3.5　移位寄存器模块的实现143

5.3.6　奇偶校验器模块的实现145

5.3.7　总线选择器模块的实现147

5.3.8　计数器模块的实现149

5.3.9　UART内核模块的实现151

5.3.10　UART顶层模块的实现164

5.3.11　测试平台的编写和仿真172

5.4 小结178

第6章　USB接口控制器179

6.1 USB接口简介179

6.1.1 USB发展历史179

6.1.2　USB特点和应用179

6.2　USB体系结构180

6.2.1　USB系统描述180

6.2.2　USB物理接口181

6.2.3　USB电源管理182

6.2.5　USB主机183

6.3　USB通信原理183

6.2.4　USB设备183

6.3.1　USB传输模型184

6.3.2　USB设备检测过程188

6.4　USB系统开发196

6.4.1　USB硬件系统196

6.4.2　USB接口芯片PDIUSBD12197

6.5　USB设计实例210

6.5.1　设计需求分析210

6.5.2　设计方案211

6.6　FPGA固件开发211

6.6.1 固件模块划分211

6.6.2 自定义包编写212

6.6.3　分频器模块的实现215

6.6.4　沿控制模块的实现216

6.6.5　输入／输出切换模块的实现217

6.6.6　请求处理模块的实现219

6.6.7　设备收发器模块的实现222

6.6.8　测试平台的编写233

6.7　USB驱动和软件开发235

6.7.1　USB驱动编写235

6.7.2　USB软件编写241

6.8　小结243

第7章　数字视频信号处理器245

7.1　视频信号概述245

7.1.1 视频信号处理的基本过程246

7.1.2　数字图像处理技术概念246

7.1.3 数字视频信号的格式247

7.2　视频信号处理的框架248

7.2.1　视频信号转换模块248

7.2.2　视频数据计算模块249

7.2.3　通信模块249

7.3　视频信号处理的电路250

7.3.1 中央控制器FPGA250

7.3.2 电视信号转换模块电路250

7.3.3　图像缓存部分电路253

7.4　视频处理程序的具体实现254

7.4.1　主体程序的实现254

7.4.2　视频图像数据采集程序的实现256

7.4.3　SRAM的读写控制263

7.5.1　测试程序266

7.5　程序测试与运行266

7.5.2　测试结果273

7.6 小结274

第8章　VGA/LCD显示控制器275

8.1　VGA显示原理275

8.1.1 图像显示原理275

8.1.2　常用视频显示标准276

8.2　VGA/LCD显示控制器的基本框架276

8.3　VGA/LCD显示控制器程序的实现277

8.3.1　顶层程序——vga_top277

8.3.2　颜色查找表——Color Lookup Table278

8.3.3　颜色处理器——Color Processor285

8.3.4　光标处理器——Cursor Processor295

8.3.5　视频定时产生器——Video Timing Generator301

8.3.6　输出FIFO306

8.4　程序的仿真与测试309

8.5　小结322

第9章　CAN总线控制器323

9.1　CAN总线协议解析323

9.1.1　CAN总线通信模型324

9.1.2　CAN总线协议中的基本概念324

9.1.3　报文的数据结构325

9.1.4　位时序（Bit Timing）327

9.1.5 同步（Synchronization）328

9.2　CAN通信控制器程序基本框架328

9.2.1　SJA1000CAN通信控制器328

9.2.2　CAN通信控制器程序框架329

9.3　CAN通信控制器的具体实现330

9.3.1 顶层控制程序——TOP331

9.3.2　寄存器控制332

9.3.3 位时序逻辑——Bit Timing Logic339

9.3.4 位数据流处理器——Bit Stream Processor342

9.3.5　CRC校验357

9.3.6　FIFO357

9.4　程序的仿真与测试360

9.5　小结365

第10章 以太网控制器（MAC）366

10.1 以太网基本原理366

10.1.1 以太网协议的参考模型366

10.1.2　MAC子层368

10.1.3　媒体无关接口（Media Independent Interface）369

10.2　以太网控制器（MAC）的基本框架370

10.3　以太网控制器（MAC）程序的实现371

10.3.1　顶层程序——eth_top371

10.3.2　媒体无关接口模块（Media Independent Interface Module）373

10.3.3　数据发送模块379

10.3.4　数据接收模块392

10.3.5　控制模块399

10.4　程序的仿真与测试405

10.4.1　顶层程序405

10.4.2　外部PHY芯片模拟程序408

10.4.3　仿真结果418

10.5　小结419