Xilinx FPGA零基础系统化入门教程

成电少年学教研室 著

第一部分 认知建构：打开硬件编程思维

1.1 FPGA技术全景认知（硬件可编程的本质特征）
1.2 数字电路设计范式迁移（从PCB到HDL）
1.3 Verilog与VHDL哲学对比（C-like vs 强类型）
1.4 Vivado设计流程革命（与传统MCU开发的差异性）

第二部分 能力跃迁：五重关卡突破实战

2.1 新手村：LED点灯仪式（开发板认知+工具链初探）
2.2 逻辑之门：跑马灯中的组合/时序逻辑分水岭
2.3 状态之舞：花式跑马灯揭示FSM设计精髓
2.4 模块之力：数码管显示中的层次化设计方法论
2.5 生态之钥：呼吸灯背后的IP核复用哲学

第三部分 工程思维：从实验到产品的跨越

3.1 需求分析：如何将问题转化为硬件架构
3.2 验证策略：Testbench编写与覆盖率驱动验证
3.3 调试艺术：ILA与VIO调试技巧实战

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本教程为FPGA入门基础教程，内容包括Verilog基本语法、数字电路基础、和Vivado基本使用方法等内容。整本书分为两个部分，第一部分介绍FPGA和Verilog基本概念，第二部分介绍具体FPGA编程方法。

第一部分首先通过介绍FPGA的基本概念、梳理其发展历程和对比FPGA和其他数字集成电路的优缺点，让学生弄清楚什么是FPGA以及其优势；紧接着通过对比Verilog和VHDL，让学生了解硬件编程语言（HDL）的基本概况；最后介绍使用Verilog进行编程的基本方法和思路，让学生从总体上认识到Verilog的编程过程。

第二部分的编程方法介绍中，通过5个大的实例带领初学者从入门到逐渐掌握状态机等基本FPGA编程方法。

第一个实验“点亮LED灯”通过手把手带领学生点亮FPGA开发板上的LED灯，让学生掌握基本的Vivado的使用、最简单的Verilog语法和基础原理图阅读方法，同时让学生初步认识课程使用的FPGA开发板并建立掌握FPGA的基本自信心。

第二个实验“跑马灯”带领学生掌握经常使用的Verilog语法，让学生逐渐能够用Verilog实现自己的想法，并分享基本的FPGA编程思路。

第三个实验“花式跑马灯”在基本Verilog语法基础之上，让学生开始使用状态机和了解时序电路设计方法，能够更加灵活的实现自己的想法。

### 实验3 花式跑马灯：状态机的交响乐章  
#### 技术焦点：有限状态机(FSM)的范式革命  
- **Moore型 vs Mealy型**：在流水灯模式切换中的性能差异  
```verilog
// Moore型状态机模板  
always @(posedge clk) begin  
    case(current_state)  
        S0: begin  
            led_pattern <= 8'b0000_0001;  
            if(cnt == MAX) next_state = S1;  
        end  
        // 状态迁移逻辑...  
    endcase  
end

第四个实验“数码管显示”在综合发挥前面学习内容基础之上，让学生掌握模块例化的方法，了解大型FPGA编程方法。

第五个实验“呼吸灯”介绍了基本的PWM原理和IPCore调用方法，是对前面所学知识的巩固和进一步拓展。

本教程的安排由浅入深、循序渐进，带领零基础的学生逐渐掌握Verilog基本语法、数字电路基础、状态机编程思路、Vivado基本使用方法、电路原理图基本阅读技巧和FPGA基本编程技巧等知识。通过本教程的学习，学生真正可以进入FPGA的精彩世界。

建立"知识-能力-岗位"对应矩阵  

| 实验模块       | 对应知识域           | 企业级能力认证          | 目标岗位                  |  
|----------------|----------------------|-------------------------|--------------------------|  
| LED点灯        | 工具链操作           | Vivado工程创建能力      | FPGA测试工程师           |  
| 数码管显示     | 模块化设计           | IP核封装规范            | 逻辑设计工程师           |  
| 呼吸灯         | 系统集成             | 跨时钟域处理能力        | 芯片验证工程师           |  

本教程由成电少年学教研室编写，在编写过程中参考了夏宇闻老师的《数字系统设计教程》、阎石老师的《数字电子技术基础》、Xillinx官方技术文档及网络上的多个博客及相关的技术分享，在此表示感谢。本教程的编写过程中得到了教研室的陶鑫、郭佳鹏、钱伟恺三位工程师的协助，也得到了成电少年学的王璐博士的支持。此外，本教程的编写中得到了重庆邮电大学光电学院杨虹书记的大力支持。对所有上述的支持，在此由衷的感谢！由于水平有限，教程编写过程中难免会出现一些错误和不足，希望得到大家的批评和指正。

成电少年学 教研室

2021年11月12日