本书是根据西北工业大学微电子学院课程体系建设规划的，专门针对FPGA数字系统实验环节。大多数高校在FPGA数字系统设计与开发的教学环节中，多采用Altera的QuartusⅡ环境与Altera的FPGA芯片开发系统板作为学生的实验教学环境平台。为了拓展学生的知识面，使学生了解多种数字系统设计开发环境平台，本书基于Xilinx Vivado环境，在众多的实验案例中，精编了15个实验。 本书根据近年高校一线教学的具体情况，由浅入深、循序渐进地安排每个实验。为初学者紧密衔接"数字电路”与"硬件描述语言”等专业基础课程，逐渐熟悉、掌握数字系统设计基本步骤与方法奠定基础。 本书可作为高校电子信息等专业学生的教材，也可作为高校开放式实践环节的参考用书。

FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）是现代数字系统设计的核心器件，在电路系统、通信工程、工业控制、信息处理等领域，凭借其自身的优良性能（成本低、灵活性、扩展性、开发周期短）得到了广泛应用。Xilinx是全球FPGA的主要供应商之一，也是该领域的开拓者之一。Xilinx于1984年，发明了世界首款FPGA。 高校电子信息类课程体系中，基于FPGA的数字系统设计，已经成为重要的专业基础课程。本书的内容安排如下。 第?1?章：对Xilinx的FPGA及其开发环境Vivado进行了介绍，重点介绍了Vivado的安装步骤和使用方法。 第2章：针对初学者，紧扣“数字电路”与“硬件描述语言”专业基础课程的学习内容，让学生对FPGA数字系统有个基本的了解，并对采用可编程器件设计数字系统，有一个基本概念化的认识。 第?3?章：通过基本的综合性系统设计，使学生深入理解基于FPGA数字系统的设计，为进一步理解与掌握数字系统的设计方法与开发方法奠定基础。 第4章：介绍FPGA嵌入式软核开发等现代系统设计等基本方法，使学生进一步理解并掌握基于IP内核的数字系统设计方法。 在本书编写过程中，得到了依元素科技有限公司Xilinx大学计划的大力支持，夏良波总监、戴昕言工程师对实验的规划提供了技术支持，在此表示感谢！ 由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请读者批评指正。 编 者 2020年6月

目 录 第1章 Xilinx FPGA开发环境 1 1.1 Xilinx FPGA 1 1.1.1 Xilinx公司简介 1 1.1.2 Xilinx的FPGA器件系列 2 1.2 Vivado开发环境及设计流程 3 1.2.1 Vivado功能介绍 3 1.2.2 Vivado开发环境及安装指南 4 1.2.3 Vivado软件环境验证 7 第2章 FPGA开发基础实验 10 实验一：VIVADO软件编译环境 10 一、实验目的 10 二、实验内容 10 三、实验要求 11 四、实验步骤 11 实验二：组合逻辑电路设计 32 一、实验目的 32 二、实验内容 32 三、实验要求 33 四、实验步骤 33 五、实验结果 37 实验三：时序逻辑电路设计 39 一、实验目的 39 二、实验内容 39 三、实验要求 39 四、实验步骤 39 五、实验结果 48 实验四：状态机 49 一、实验目的 49 二、实验内容 49 三、实验要求 49 四、实验步骤 49 五、实验结果 54 实验五：模块化调用 55 一、实验目的 55 二、实验内容 55 三、实验要求 55 四、实验步骤 56 五、实验结果 58 第3章 FPGA开发综合实验 59 实验六：数码管显示 59 一、实验目的 59 二、实验内容 59 三、实验要求 59 四、实验背景知识 60 五、实验步骤 62 六、实验结果 65 实验七：交通灯的设计 65 一、实验目的 65 二、实验内容 65 三、实验要求 65 四、实验步骤 66 五、实验结果 71 实验八：秒表的设计 71 一、实验目的 71 二、实验内容 71 三、实验要求 71 四、实验步骤 71 五、实验结果 74 实验九：音频演奏实验 75 一、实验目的 75 二、实验内容 75 三、实验要求 75 四、实验背景知识 75 五、实验结果 81 实验十：VGA 81 一、实验目的 81 二、实验内容 81 三、实验要求 81 四、实验背景知识 82 五、实验步骤 83 六、实验结果 86 实验十一：PS/2接口控制 86 一、实验目的 86 二、实验内容 86 三、实验要求 87 四、实验背景知识 87 五、实验步骤 89 六、实验结果 94 实验十二：系统IP核的调用 94 一、实验目的 94 二、实验内容 94 三、实验要求 94 四、实验步骤 95 五、实验结果 98 实验十三：手机蓝牙通信实验 98 一、实验目的 98 二、实验内容 99 三、实验要求 99 四、实验步骤 99 五、实验结果 104 第4章 嵌入式软核开发实验 105 实验十四：搭建MICROBLAZE嵌入式软核实验 105 一、实验目的 105 二、实验内容 105 三、实验要求 106 四、实验背景知识 106 五、实验步骤 107 六、实验结果 121 实验十五：封装自定义AXI4接口IP 122 一、实验目的 122 二、实验内容 122 三、实验要求 122 四、实验步骤 122 五、实验结果 142 附录A 安全使用规范 143 参考文献 144