《Verilog HDL与FPGA数字系统设计》书籍试读体验

前言

最近参加一个面包板社区的图书试读活动：《Verilog HDL与FPGA数字系统设计》书籍试读，有幸从众多申请者中得到这次试用机会，非常感谢面包板社区和机械工业出版社的支持。

收到这本书的过程，中间还有一些小插曲。

这本书是由面包板社区官方通过京东快递从深圳发出，为到付方式。6月10日，在手机上看到有一个京东快递正在派送，那天正好周末，在家收到了一个京东快递，是一个文件袋，很薄，感觉不像是图书，像是几张纸，打开一看果然不是，是几张发往西安的发票。

我赶紧联系了面包板社区的小编，幸好之前加过小编的微信，很快就联系上了，了解到原来是深圳那边的京东小哥搞错了，将这两个快递单贴错了，导致我的图书发往了西安。之后深圳的快递小哥联系了我，让我把这个寄错的发票发到西安的客户那边，快递费由他来出，而我的图书也会在周一从西安发出，一切都进行的很顺利，终于在6月15日收到了这本书！

我们一般在选择技术图书时，会关注图书的作者是否有一定的影响力，比如行业内资深的工程师，或者是知名大学的老师，这样的书籍才有一定的含金量。

本次申请到的这本书：《Verilog HDL与FPGA数字系统设计》，是由华中科技大学的罗杰教授主编，罗杰老师不仅是华中科技大学电子信息与通信工程学院的教授，还是全国大学生电子设计竞赛湖北赛区的专家组成员。

从书中的前言部分得知，这本书自2015年出版以来，得到了广大读者的支持，已经重印了9次，本次拿到的是第2版本，相比与第1版本，更新了如下内容：

• 新增了SoPC的软硬件开发
• 改写了示例代码，所有代码均经过DE1/DE2开发平台下载验证。
• 软件版本升级到Quartus Prime 18.1和Modelsim 10.5b。

这本书收到有一段时间了，最近几天利用下班后的时间，粗略看了文章内容。这本书主要是介绍数字电路和可编程器件基础、Verilog语法、以及基于Intel FPGA的实战项目。、

说起Intel，几年前还是叫Altera，在大学期间EDA课程用过几次他家的FPGA芯片，当时学习的是VHDL，使用的还是Quartus II 9.0版本，那时对FPGA完全没有概念，只记得实验室有个很大的实验箱，资源很丰富，只可惜在学校时没有好好利用起来。

现在大学毕业也有几年了，因为工作需要自学了FPGA，工作涉及逻辑和片上处理器编程，常用的是Xilinx的Spartan-6和Artix-7平台。

早就听说Altera也有自己的软核处理器NiosII，正好这本书有相关介绍，所以这次试读的重点是Altera NiosII软核处理器的使用。

这本书共分为三大部分：数字系统基础、数字系统设计实践和可编程片上系统，三部分的内容占比大概是3：2：1，也可以认为是理论知识、实践项目和软核处理器应用的比例。

图书背面的赠阅尊享标记，表示这是一本非商业售卖的书籍。

第一部分：数字系统基础

这部分主要介绍数字电路的基础知识，不同进制的概念以及不同进制相互转换的方法，最常用的三种进制表示方法：**二进制、十进制、和十六进制。**以及常用的几种编码方式：8421码、余3码、格雷码、奇偶校验码、ASCII字符编码。

其他还有数字电路简介，重点介绍了芯片或电路的常用技术参数，比如Vcc/Vdd的含义，DC参数VOH，VOL，VIH，VIL，IOH，IOL，VNH，VNL等等，这些都是非常重要的概念，有些工作了几年的工程师可能都不了解这些参数的定义，在阅读一些FPGA芯片或其他外围芯片的Datasheet时，这些参数都会明确标注，在设计电路或者是遇到问题查找原因时非常重要。

理论的数字电平0=GND，1=VCC，但是实际电路中可能是高于80%的VCC认为是高电平，低于20%的VCC认为是低电平。还有一些时序相关的参数，比如信号的上升和下降时间Tr/Tf，实际电路中电平的变化需要一定的时间，这个时间就可以大致认为是这颗芯片的最大工作频率，其他还有信号的建立保持时间Tsu/Thd，也是设计芯片的驱动时序逻辑时要重点关注的参数。

后续还有逻辑代数的计算，有的书籍会称为布尔代数，都是一个概念，逻辑代数的化简方法，摩根定理，卡诺图等等。

现有的一些FPGA集成开发环境中都已经具备了逻辑代数自动化简的功能，比如如果我们写了一个非常复杂的组合逻辑表达式，综合出来的电路就是已经化简之后的，所以这部分介绍的化简方法在实际项目中用的不是很多。

之后就是大多数书籍中都有的Verilog语法规则介绍，包括HDL的起源和发展，Verilog模块的基本结构，Verilog的设计、仿真流程，可综合的语句以及不可综合的系统任务、系统函数，以及实用的ModelSim软件的使用方法。

然后就是分层次的设计方法：组合逻辑和时序逻辑的建模思路，如何基于一个现有需求，设计出符合要求的电路，中间还穿插了Verilog的常用语句，如for、repeat、while、forever、generate，模块的例化方式，function和task的使用，这些语句非常有利于我们的编码实现和仿真，可以精简代码，模块化设计，增强可读性。

时序逻辑部分介绍了常用模块的设计，比如寄存器、不同模式的计数器、移位寄存器等，可以说所有的复杂逻辑，都是基于这几种简单逻辑实现的。

本部分还介绍了一种设计模式：有限状态机。无论是FPGA开发，还是其他控制器，如MCU等，这种设计模式都很常用而且实用。

状态机可分为4大要素：现态、条件、动作和次态，毫不夸张的说，所有的时序问题都可以基于有限状态机的设计模式来实现。

这一章节介绍了状态机的两种类型：Mealy型和Moore型。状态机的Verilog描述方法：三段式、两段式和一段式，以及状态机中对状态的三种编码方式：自然二进制、格雷码（Gray）和独热码（One-Hot），并分析了三种编码方式的特点，后续又跟了状态机的两个实战项目：十字路口交通灯和汽车信号灯控制逻辑的设计。

!(https://wcc-blog.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/img/220711/2实战2.JPG)

本部分的最后介绍了FPGA的发展历史，从PLD、PLA到PAL、GAL，再到现在常用的CPLD和FPGA，这部分也很重要，因为有很多初学者学完FPGA之后，对于FPGA是什么、它有什么特点都不知道。

不过按照FPGA的学习路线，这部分内容应该放在本书的开头几章，不知道为何放在了后面的章节。

最后还介绍了Intel FPGA产品线高端（Agilex和Stratix10）、中端（Arriva）和低端（Cyclone）三大系列产品的特点，以及对本书中所使用的FPGA开发板：友晶科技的DE2-115和DE1-SOC两款板子进行了简单介绍，让读者对所配套开发板有个基本了解。

近几年来国产FPGA也有一定的进步，文中提到了几家国产FPGA厂商：复旦微、高云、紫光同创、安路等，这一点值得点赞！

第二部分：数字系统设计实践

第二部分是FPGA的实战项目，按照FPGA的学习路线，学习完Verilog基本语法之后就可以进行FPGA实战练习了，就是基于实际的FPGA开发板，使用所学的Verilog语言，设计一些简单项目。

本部分以Intel FPGA平台为例，使用Quartus Prime开发环境，配套的开发板是友晶科技的DE2-115开发板，这也是一款全球高校实验室广泛使用的开发板。

当然价格也是非常的美丽：6860RMB，学术价格：3690RMB。

找了一些关于这款开发板的资料：基于EP4CE115芯片，板载USB-Blaster下载器，128MB SDRAM，2MB SRAM，8MB Flash，32Kb EEPROM，音频编解码器，2路千兆网口，USB芯片，VGA接口，DB9串口，PS/2鼠标键盘接口，红外接收模块等等。

板载资源非常丰富，用于练习FPGA开发设计足够用了，如果不够的话，还可以通过GPIO连接扩展模块，如LCD、摄像头等。

我还注意到友晶科技还为这块板子开发了测试工具Control Panel，和Quartus工程自动生成工具System Builder，非常不错，值得开发板厂商学习借鉴。

Control Panel，可以通过上位机控制板载外设，测试硬件功能。

System Builder，可以根据选择外设的，自动生成Quartus工程。

一提到板子就收不住了，介绍的有点多了。

我们回到书本内容，本书选择的FPGA开发工具是Altera 2018年推出的Quartus Prime 18.1精简版，详细介绍了Quartus Prime软件的安装、设计的输入、管脚分配、布局布线、下载调试等全流程，以及片上逻辑分析仪SignalTap的使用。

首先介绍了3个比较常用的Altera FPGA IP核的使用：计数器LPM_COUNTER、锁相环ALTPLL和存储器LPM_ROM。

之后就是一些小项目的应用，如分频器、数字时钟、频率计、1602显示、DDS信号发生器、VGA接口等，都是入门FPGA必学的项目，非常锻炼Verilog编码能力和设计、调试能力。

这一部分还单独使用一个章节介绍了Quartus的时序分析工具TimeQuest的使用。静态时序分析是实际项目开发中非常重要的基本功。

设计输入完成后，会先进行功能仿真，功能仿真基于理想环境，所有的寄存器都可以在时钟边沿进行锁存，组合逻辑运算的时间为0，建立和保持时间都默认满足需求，但是实际芯片内部运行的电路却不是理想环境，寄存器与寄存器之间存在连线，所有的时钟信号虽然都连接在一起，但是由于传输延时，并不是同时到达每个寄存器，组合逻辑的计算也需要一定的时间，复杂的组合逻辑运算和简单的组合逻辑运算所用的时间不同的。

目前的FPGA开发工具，在综合、布局布线完成之后，都会基本当前的FPGA芯片和片上资源、用户的应用逻辑和所指定的时序要求，生成一份时序分析报告，来告诉用户哪些路径存在时序违规，哪些寄存器的输入信号不满足建立保持时间要求，哪些组合逻辑耗时过长，可能会输出不理想的结果，当需要进行时序优化时，就需要进行静态时序分析了。当然，一般在设计编码阶段就已经开始考虑静态时序了。

本章小结：介绍了Intel FPGA开发工具Quartus Prime安装、使用方法，以实际项目为例，介绍从项目创建、设计输入、管脚分配、综合布局布线到程序下载调试全流程，并介绍了片上逻辑分析仪SingalTap、时序分析工具TimeQuest的使用。

第三部分：可编程片上系统

第三部分是本书第2版本新增的内容，介绍了Altera FPGA软核处理器NiosII的使用，这部分也是我比较感兴趣的，因为我曾经使用过Xilinx（现AMD）FPGA的Microblaze软核和Microsemi（现Microchip）FPGA的ARM Cortex-M3硬核，还没了解过Altera的Nios II处理器。

这一部分以友晶科技的DE1-SoC开发板（也可以用DE2-115）为例，基于5CSEMA5F31C6芯片，这颗芯片有点意思，片上已经集成了ARM Cortex-A9双核处理器，属于硬核处理器，而本书这部分介绍的使用在这颗芯片上运行软核处理器NiosII。

对比Xilinx的软核开发工具：FPGA开发工具ISE、软核搭建工具XPS和软核应用开发工具SDK，Altera也有对应的三大套件：Quartus、Platform Designer（或称Qsys）和Nios II SBT。

和Xilinx的Microblaze一样，NiosII处理器也是32位 RISC处理器，不同于Xilinx的AXI总线，NiosII处理器和外设通过Avalon-MM总线进行通讯。

软核处理器的开发流程和Xilinx基本一致，首先在Quartus Prime建立FPGA工程，然后在Platform Designer中构建嵌入式系统硬件，最后在SBT工具中开发应用程序。

本部分小结：本部分对软核处理器开发介绍的很详细，工具安装使用都有相应的截图说明，应用程序也有完整的代码，文中介绍了几个常用外设的使用：GPIO、外部中断、RTC DS1302驱动等。最后介绍了如何自定义Avalon总线IP组件，详细介绍了Avalon总线规范和7种类型接口。

关于软核和硬核的区别，可以看我之前写的一些文章：

• FPGA硬核和软核处理器的区别
• 带片上处理器的国产FPGA选型
• 手把手教你在FPGA上搭建一个ARM Cortex-M3软核
• 除了ZYNQ还有哪些内嵌ARM硬核的FPGA？

总结

从本书的定位来看，这是一本是面向高等院校电气信息类本、专科生的教材或教学参考书，从课时安排上来看，是理论和实践相结合的。

文章中对于数字电路基础、Verilog语法都很详细，还有几个实战项目用于练习，后面还涉及到静态时序分析这一非常重要的知识点，对于学生入门FPGA是足够用的。

但是也有一些不足之处，比如文章中Verilog代码的风格有2005和2001两种标准，没有进行统一，对于初学者可能会疑惑哪种写法是正确的；对于数字电路基础知识的介绍，缺少原码、反码和补码的概念，而在实际开发中如果涉及到有符号数的使用，需要了解有符号数的存储方式；数据的编码方式实际应用介绍较少，比如格雷码用于状态机状态编码，奇偶校验用于串口通讯的数据校验，ASCII编码用于字符串存储等，如果再增加一些编码方式会扩展读者的知识面，比如归零码、曼彻斯特编码，4B/5B和8B/10B这些；实战项目部分可以增加一些通讯协议的实战应用，比如UART、SPI、I2C等等，这三大协议是电子行业中最常用的三种串行总线，也是很多公司对应届生经常出的面试题目；软核处理器中外设的使用，可能是由于文章篇幅的限制，没有介绍TIMER、UART等这些常用外设的使用。

总的来说，基于本书的定位，作为高校的教材或设计竞赛的参考用书，是一本非常不错的图书，但是用于FPGA从业者用于进阶学习，内容就有些偏基础了。

最后，再次感谢面包板社区和机械工业出版社能提供本次图书试读机会。