内容简介
EDA 是当今世界上最先进的电子电路设计技术，其重要作用逐步被我国的产业界、科技界和教育界认可。《FPGA应用技术及实践》共7章，第1章EDA技术概述，主要讲EDA的含义，常用的EDA工具及EDA设计流程、发展趋势及应用；第2章可编程逻辑器件及FPGA开发简介，主要讲可编程逻辑器件的含义、发展历程及其基本结构，CPLD和FPGA的基本结构、特点及开发应用的不同，Xilinx新型系列器件；第3章基于ISE的开发环境使用指南，主要讲基于ISE的FPGA开发流程，ISE 11。1设计输入、综合、实现及下载等基本操作方法，ISE 11。1的在线逻辑分析仪的使用；第4章第三方工具介绍，主要讲Modelsim和Synplify Pro的安装过程、利用Modelsim进行功能和时序仿真的流程、利用Synplify Pro进行综合的流程；第5章简单数字逻辑电路的设计，主要讲基于Xilinx FPGA的简单数字逻辑电路设计、基于ISim的数字逻辑电路仿真；第6章EDA技术综合设计应用，主要讲基于Xilinx FPGA的复杂数字逻辑电路的设计方法，数字逻辑电路的仿真方法；第7章基于FPGA的嵌入式系统开发，主要讲基于FPGA的可编程嵌入式系统开发、EDK嵌入式设计流程、EDK嵌入式设计的操作方法。
《FPGA应用技术及实践》在编写过程中邀请相关企业一线工程师参与编写工作，突出实用性、针对性，《FPGA应用技术及实践》可作为高职本科和高职专科院校工科电子信息类、通信类、自动化类专业师生及相关工程技术人员、FPGA/CPLD初学者的参考用书。
精彩书摘
第1章 EDA技术概述
【知识目标】
（1）了解EDA的含义；
（2）掌握常用的EDA工具及EDA设计思想；
（3）了解EDA技术的发展趋势及应用。
【技能目标】
（1）熟练使用EDA的相关工具；
（2）熟练掌握EDA的设计流程。
【素养目标】
（1）培养学习新技术和新知识的自主学习能力；
（2）培养“爱岗敬业、互帮互助、团结友善”的良好品质；
（3）树立正确的劳动观，崇尚劳动、尊重劳动、热爱劳动；
（4）培养科技报国的家国情怀和使命担当。
【重点难点】
（1）熟练使用EDA工具；
（2）利用EDA工具进行相关设计。
【参考学时】
6学时。
课程引入
我们为什么要学习FPGA应用技术？
除了CPU（中央处理器）和GPU（图形处理器）之外，芯片家族还有另一名“成员”——FPGA。比起前面两位兄弟，FPGA的知名度相对较低，但这并不妨碍它成为民用领域和军用领域的“宠儿”。它不仅在时下流行的5G通信、大数据、物联网领域有重大的潜力，就连很多军用电子设备、航空航天设备也对FPGA十分依赖。
据统计，目前在电路设计领域，ASSP和ASIC的设计数量在逐年减少，FPGA设计数量不断增加，随着集成电路工艺节点进一步缩小，FPGA的设计优势更加明显。当前的经济形势加速了FPGA向传统ASIC领域进军的步伐。先进的ASIC生产工艺用于FPGA的生产，高端FPGA芯片嵌入了越来越多的处理器内核，基于FPGA的开发成为系统级设计工程。随着半导体工艺的不断提高，FPGA的集成度将不断提高，制造成本不断降低，其作为替代ASIC实现电子系统的前景将日趋光明。
可见，FPGA技术在各类关键核心技术和战略性新兴产业中都有着广泛的应用，FPGA技术正是我们科技报国的“阵地”，也可以是毕生事业。
1.1 EDA技术及其发展
人类已进入高度发达的信息社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越快，实现这些进步的主要推动因素是生产制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表，目前已发展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管；后者的核心就是EDA（Electronic Design Automation）技术。EDA是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新成果研制而成的CAD（Computer Aided Design）通用软件包，它主要辅助进行三方面的设计工作：IC（Integrated Circuit）设计、电子电路设计以及PCB（Printed Circuit Board）设计。本书主要讨论利用EDA技术进行电子电路设计这一方面。没有EDA技术的支持，要完成超大规模集成电路的设计制造是不可想象的；反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。
20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革。在电子电路设计领域，可编程逻辑器件的应用已经广泛普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。它可以通过软件编程对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使硬件设计可以像软件设计那样方便快捷。这极大地改变了传统数字系统的设计方法、过程和观念，促进了EDA技术的迅速发展。
1.1.1 EDA技术的含义
20世纪末，数字电子技术的飞速发展有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化的提高，数字电子技术的应用也已经渗透人类生活的各个方面。从计算机到手机，从数字电话到数字电视，从家用电器到军用设备，从工业自动化到航天技术，都广泛采用数字电子技术。微电子技术的进步是现代数字电子技术发展的基础。目前，在硅片单位面积上集成的晶体管数量越来越多，在1978年推出的8086微处理器芯片集成的晶体管数是4万只，在2000年推出的Pentium4微处理器芯片的集成度达4200万只晶体管。原来需要成千上万只电子元件组成的一台计算机主板或彩色电视机电路，现在仅用几片超大规模集成电路就能代替，现代集成电路已经能够实现单片电子系统（System on a Chip，SoC）的功能。
现代电子系统设计技术的核心是EDA技术。EDA技术依靠功能强大的电子计算机，在EDA软件平台上对以硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）为系统逻辑描述手段所完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、仿真等操作，直至下载到可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）/FPGA（FieldProgrammable Gate Array）或专用集成电路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）芯片中，实现既定的电子电路设计功能。EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台
目录
第1章 EDA技术概述 1
课程引入 我们为什么要学习FPGA应用技术？ 11
1.1 EDA技术及其发展 2
1.1.1 EDA技术的含义 2
1.1.2 EDA技术的发展历程 3
1.2 EDA技术的主要内容 4
1.2.1 自顶向下的设计方法 4
1.2.2 ASIC设计 5
1.2.3 硬件描述语言 6
1.2.4 主要PLD厂商概述 7
1.3 常用的EDA工具 8
1.3.1 设计输入编辑器 8
1.3.2 HDL综合器 9
1.3.3 仿真器 9
1.3.4 适配器 10
1.3.5 下载器 10
1.4 EDA设计流程 10
1.4.1 设计输入 10
1.4.2 综合 11
1.4.3 适配 12
1.4.4 时序仿真与功能仿真 12
1.4.5 编程下载 13
1.4.6 硬件测试 13
1.5 EDA技术的发展趋势 13
1.6 EDA技术的应用 14
1.6.1 EDA技术的应用形式 14
1.6.2 EDA技术的应用场合 15
本章小结 15
课程拓展 16
一、知识图谱绘制 16
二、EDA技术应用调研 16
三、以证促学 16
四、以赛促练 16
第2章 可编程逻辑器件及FPGA开发简介 18
课程引入 木之就规矩，在梓匠轮舆 18
2.1 可编程逻辑器件基础 19
2.1.1 可编程逻辑器件简介 19
2.1.2 可编程逻辑器件的发展历史 20
2.1.3 可编程逻辑器件的基本结构 21
2.1.4 可编程逻辑器件的分类 21
2.2 CPLD的基本结构及特点 22
2.3 FPGA的基本结构及特点 30
2.4 FPGA和CPLD的性能比较和开发应用选择 36
2.4.1 FPGA和CPLD的性能比较 36
2.4.2 FPGA和CPLD的开发应用选择 37
2.5 Xilinx新型系列器件简介 38
2.5.1 Spartan系列 38
2.5.2 Virtex系列 42
本章小结 47
课程拓展 47
一、知识图谱绘制 47
二、器件发展调研 47
三、以证促学 47
四、以赛促练 48
第3章 基于ISE的开发环境使用指南 49
课程引入 工欲善其事，必先利其器 49
3.1 ISE的安装与基本操作 50
3.1.1 ISE软件介绍 50
3.1.2 ISE软件的安装 51
3.1.3 ISE软件的基本操作 55
3.2 ISE的工程建立与设计输入 61
3.2.1 ISE的工程建立 61
3.2.2 基于ISE的HDL代码输入 65
3.2.3 基于ISE代码模板的使用 68
3.2.4 基于ISE的原理图输入法 70
3.2.5 基于ISE的IPCore的使用 73
3.3 基于ISE的仿真 78
3.4 基于ISE的综合与实现 82
3.4.1 基于XilinxXST的综合 82
3.4.2 基于ISE的实现 90
3.5 FPGA配置与编程 101
3.5.1 XilinxFPGA配置电路综述 101
3.5.2 iMPACT的基本操作 105
3.5.3 使用iMPACT创建配置文件 108
3.6 约束文件的编写 117
3.6.1 约束文件的定义 118
3.6.2 UCF文件的语法说明 118
3.6.3 ISE中UCF文件的编写 119
3.7 集成化逻辑分析仪 124
3.7.1 Chipscope Pro（集成化逻辑分析工具）简介 124
3.7.2 Chipscope Pro的使用流程 125
3.7.3 Chipscope Pro Inserter的操作和使用 125
3.7.4 Chipscope Pro逻辑分析仪使用流程 131
本章小结 136
课程拓展 136
一、知识图谱绘制 136
二、技能图谱绘制 136
三、以证促学 136
四、以赛促练 137
第4章 第三方工具介绍 139
课程引入 纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行 139
4.1 Modelsim SE 6.2软件的使用 140
4.1.1 Modelsim SE 6.2软件的安装 140
4.1.2 利用Modelsim进行功能仿真 141
4.1.3 利用Modelsim进行时序仿真 144
4.2 Synplify Pro软件的使用 148
4.2.1 Synplify Pro 9.0.1软件的安装 149
4.2.2 Synplify Pro 9.0.1软件的使用 150
本章小结 156
课程拓展 156
一、知识图谱绘制 156
二、技能图谱绘制 156
三、以证促学 156
四、以赛促练 157
第5章 简单数字逻辑电路的设计 159
课程引入
试读
第1章 EDA技术概述
【知识目标】
（1）了解EDA的含义；
（2）掌握常用的EDA工具及EDA设计思想；
（3）了解EDA技术的发展趋势及应用。
【技能目标】
（1）熟练使用EDA的相关工具；
（2）熟练掌握EDA的设计流程。
【素养目标】
（1）培养学习新技术和新知识的自主学习能力；
（2）培养“爱岗敬业、互帮互助、团结友善”的良好品质；
（3）树立正确的劳动观，崇尚劳动、尊重劳动、热爱劳动；
（4）培养科技报国的家国情怀和使命担当。
【重点难点】
（1）熟练使用EDA工具；
（2）利用EDA工具进行相关设计。
【参考学时】
6学时。
课程引入
我们为什么要学习FPGA应用技术？
除了CPU（中央处理器）和GPU（图形处理器）之外，芯片家族还有另一名“成员”——FPGA。比起前面两位兄弟，FPGA的知名度相对较低，但这并不妨碍它成为民用领域和军用领域的“宠儿”。它不仅在时下流行的5G通信、大数据、物联网领域有重大的潜力，就连很多军用电子设备、航空航天设备也对FPGA十分依赖。
据统计，目前在电路设计领域，ASSP和ASIC的设计数量在逐年减少，FPGA设计数量不断增加，随着集成电路工艺节点进一步缩小，FPGA的设计优势更加明显。当前的经济形势加速了FPGA向传统ASIC领域进军的步伐。先进的ASIC生产工艺用于FPGA的生产，高端FPGA芯片嵌入了越来越多的处理器内核，基于FPGA的开发成为系统级设计工程。随着半导体工艺的不断提高，FPGA的集成度将不断提高，制造成本不断降低，其作为替代ASIC实现电子系统的前景将日趋光明。
可见，FPGA技术在各类关键核心技术和战略性新兴产业中都有着广泛的应用，FPGA技术正是我们科技报国的“阵地”，也可以是毕生事业。
1.1 EDA技术及其发展
人类已进入高度发达的信息社会，信息社会的发展离不开电子产品的进步。现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格一直呈下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越快，实现这些进步的主要推动因素是生产制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表，目前已发展到深亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管；后者的核心就是EDA（Electronic Design Automation）技术。EDA是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新成果研制而成的CAD（Computer Aided Design）通用软件包，它主要辅助进行三方面的设计工作：IC（Integrated Circuit）设计、电子电路设计以及PCB（Printed Circuit Board）设计。本书主要讨论利用EDA技术进行电子电路设计这一方面。没有EDA技术的支持，要完成超大规模集成电路的设计制造是不可想象的；反过来，生产制造技术的不断进步又必将对EDA技术提出新的要求。
20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革。在电子电路设计领域，可编程逻辑器件的应用已经广泛普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。它可以通过软件编程对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使硬件设计可以像软件设计那样方便快捷。这极大地改变了传统数字系统的设计方法、过程和观念，促进了EDA技术的迅速发展。
1.1.1 EDA技术的含义
20世纪末，数字电子技术的飞速发展有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化的提高，数字电子技术的应用也已经渗透人类生活的各个方面。从计算机到手机，从数字电话到数字电视，从家用电器到军用设备，从工业自动化到航天技术，都广泛采用数字电子技术。微电子技术的进步是现代数字电子技术发展的基础。目前，在硅片单位面积上集成的晶体管数量越来越多，在1978年推出的8086微处理器芯片集成的晶体管数是4万只，在2000年推出的Pentium4微处理器芯片的集成度达4200万只晶体管。原来需要成千上万只电子元件组成的一台计算机主板或彩色电视机电路，现在仅用几片超大规模集成电路就能代替，现代集成电路已经能够实现单片电子系统（System on a Chip，SoC）的功能。
现代电子系统设计技术的核心是EDA技术。EDA技术依靠功能强大的电子计算机，在EDA软件平台上对以硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）为系统逻辑描述手段所完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、仿真等操作，直至下载到可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）/FPGA（FieldProgrammable Gate Array）或专用集成电路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）芯片中，实现既定的电子电路设计功能。EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台
前言/序言
党的二十大报告提出完整、准确、全面贯彻新发展理念，着力推动高质量发展，主动构建新发展格局。基础研究和原始创新不断加强，一些关键核心技术实现突破，战略性新兴产业发展壮大，进入创新型国家行列。建设现代化产业体系，推进新型工业化，加快建设制造强国、数字中国等，推动制造业高端化、智能化、绿色化发展，推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术、人工智能等一批新的增长引擎。EDA是当今世界上最先进的电子电路设计技术，其重要作用逐步被我国的产业界、科技界和教育界认可。
2021年全国职业教育大会明确指出，推动“岗课赛证融通”综合育人，提高教育质量。FPGA应用技术及实践教材以“岗课赛证融通”四位一体的育人理念进行编写，“岗”是教材编写标准，以集成电路类企业具体岗位需求为目标；“课”是教材服务对象，对接集成电路职业标准和工程过程的岗位核心职业能力培养；“赛”是全国职业院校“集成电路开发及应用”技能大赛、全国大学生电子设计大赛等，以赛促练、以赛促学提升技能水平；“证”是“1＋X”集成电路设计与验证职业技能等级证书，以职业技能等级证书评价课程学习，使读者通过学习具备企业岗位需求的职业能力。
本书根据电子信息类专业不同类型的人才培养目标、国家高等教育发展方向和教学质量要求及企业需求，以就业为导向、以职业需求为目标、以“岗课赛证”一体化设计为原则选取内容。现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA/CPLD以其功能强大、开发过程投资少、周期短、可反复修改、保密性能好、开发工具智能化等特点，成为当今硬件设计的首选方式之一。目前FPGA在数字系统、通信系统、网络开发及汽车电子方面得到了深入应用。在编写过程中明确读者对象，以知识够用为原则，融入实用技术和先进技术说明等，旨在更好地指导读者今后的工作，更好地为高等学校教学改革、人才培养与精品课程建设服务。
本书以全球著名的可编程逻辑器件供应商Xilinx公司的产品为背景，全面系统地介绍该公司的CPLD/FPGA产品的结构原理、性能特点、设计方法以及相应的EDA工具软件。本书内容充实，立足于工程实践和技能培养，突出工程性和实用性，易学易懂。本书力求语言简练、图例形象，以FPGA基本设计和常见问题为主体，不拘泥于枯燥的语法解释，让读者以一种循序渐进的方式掌握FPGA设计基础，同时，对一些常见的工程问题有针对性地进行剖析，由浅入深，每章开头列出目标及重点，先建立概念，然后引出图例，以实例阐述各个内容点，最后总结重点，突出整体构架，并配以习题使读者加深理解。
本书由校企合作共同编写，由重庆电子科技职业大学刘睿强担任主编，重庆电子科技职业大学冀云、尹洪剑、毛弋担任副主编。电子科技集团公司第二十四研究所、重庆吉芯科技有限公司等相关著名企业的高级工程师全程参与审核，突出实用性、针对性，助力培养EDA技术卓越工程师、大国工匠、高技能人才。本书可作为高职本科、高职专科院校工科电子信息类、通信类、自动化类专业师生及相关工程技术人员、FPGA/CPLD初学者的参考用书。
由于编者水平有限，不妥之处在所难免，诚请广大读者不吝赐教。
编者
