我大學(xué)本科學(xué)的是測(cè)控專(zhuān)業(yè),2012年考取首都師范大學(xué)物理系研究生.我從未學(xué)習(xí)過(guò)數(shù)字電路設(shè)計(jì),對(duì)FPGA 和Verilog語(yǔ)言沒(méi)有任何概念,更沒(méi)有設(shè)計(jì)數(shù)字電路系統(tǒng)的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn),也從未自己動(dòng)手裝配和完成過(guò)一臺(tái)能實(shí)際運(yùn)行的電子系統(tǒng).但我從小就對(duì)電子設(shè)計(jì)有濃厚的興趣.為什么小小的計(jì)算器按幾下就能完成非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算,一直困惑著我,激起我年輕的好奇心.大學(xué)四年里,雖然學(xué)習(xí)過(guò)“數(shù)字電路”和“模擬電路”課程,考試成績(jī)也很不錯(cuò),但對(duì)我而言,計(jì)算器是如何設(shè)計(jì)的,仍舊是一頭霧水.
　　聽(tīng)同學(xué)們說(shuō),如果掌握了FPGA 設(shè)計(jì),這個(gè)謎就能找到答案.我用關(guān)鍵字“FPGGA 培訓(xùn)”在百度搜索,發(fā)現(xiàn)一個(gè)公司正在開(kāi)設(shè)FPGA 就業(yè)培訓(xùn)(100天)班,也知道這個(gè)班由北京航空航天大學(xué)的夏宇聞教授親自講授和管理.于是下定決心抽出3個(gè)月時(shí)間,認(rèn)真學(xué)習(xí)一下FPGA.經(jīng)過(guò)100天的學(xué)習(xí)和練習(xí),我初步掌握了如何用FPGGA芯片設(shè)計(jì)和搭建復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng).現(xiàn)在我有充分的信心,只要設(shè)計(jì)需求明確,我完全有能力獨(dú)立設(shè)計(jì)并完成一個(gè)較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng),并能可靠地完成預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)處理任務(wù).這個(gè)階段的學(xué)習(xí)給了我很多啟發(fā),也增強(qiáng)了我的信心,很想把自己的感受和學(xué)習(xí)心得編寫(xiě)成小冊(cè)子與大家分享.我的想法得到夏宇聞教授的支持.于是我把學(xué)習(xí)期間的心路歷程和學(xué)到的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)略加整理,以日記的形式寫(xiě)出來(lái),與大家分享,希望能給打算學(xué)習(xí)Verilog和FPGA 設(shè)計(jì)的初學(xué)者一些幫助和啟發(fā),起到拋磚引玉的作用.
　　本書(shū)內(nèi)容及閱讀建議
　　全書(shū)共10章,每一章記錄的都是一個(gè)模塊的設(shè)計(jì)或者改進(jìn)過(guò)程,包括數(shù)碼管顯示、鍵盤(pán)掃描、狀態(tài)機(jī)等簡(jiǎn)單的模塊.全書(shū)是按照整個(gè)設(shè)計(jì)流程的順序編排的,各個(gè)章節(jié)的內(nèi)容及工作量大致相同,所以讀者也最好順序閱讀此書(shū),在完成上一章內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行下一章節(jié)的工作,跟隨書(shū)中的進(jìn)度循序漸進(jìn),邊做邊學(xué),最終完成整個(gè)設(shè)計(jì),從中獲取知識(shí).
　　讀者對(duì)象
　　希望通過(guò)實(shí)踐來(lái)學(xué)習(xí)FPGA 設(shè)計(jì)的初學(xué)者.高等院校通信工程、電子工程、計(jì)算機(jī)、微電子與半導(dǎo)體等專(zhuān)業(yè)的老師和學(xué)生.
　　致老師和學(xué)生
　　實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn).本書(shū)完整地記錄了一次FPGA 的小實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)工作量小,內(nèi)容基礎(chǔ),適合作為高等院校電子設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教材.學(xué)生通過(guò)自學(xué)此書(shū),可完成書(shū)上的實(shí)驗(yàn).相信期間會(huì)不斷地遇到問(wèn)題,但在解決問(wèn)題的過(guò)程中一定會(huì)積累很多的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),同時(shí)對(duì)FPGA 設(shè)計(jì)的基本知識(shí)和設(shè)計(jì)流程會(huì)有更深的理解.
　　致謝
　　這本書(shū)的完成并不是我一個(gè)人的勞動(dòng)成果,夏宇聞老師從始至終給予我莫大的幫助.夏老師已年過(guò)七旬,仍心系國(guó)內(nèi)電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展并傾情培養(yǎng)下一代優(yōu)秀人才,花費(fèi)大量時(shí)間和精力在這本書(shū)上,不斷地幫忙校對(duì)和修改本書(shū),同時(shí)在每章的最后給FPGA 的初學(xué)者提出了寶貴的學(xué)習(xí)建議,特在此向默默奉獻(xiàn)和付出的夏宇聞老師表示深深的敬意和感謝!
　　同時(shí)還要感謝我讀研究生時(shí)的導(dǎo)師張存林教授以及趙源萌老師對(duì)我這次培訓(xùn)學(xué)習(xí)的大力支持,感謝實(shí)驗(yàn)室的鄧朝、段國(guó)騰、辛濤、梁美彥、張鏡水、劉婧、李晨毓、武阿妮、張磊巍、韓雪、寇寬、王洪昌等人不遺余力地給予我大量幫助,感謝201404期FPGGA就業(yè)培訓(xùn)班的老師和同學(xué)們的相伴,當(dāng)然也要感謝父母對(duì)我這個(gè)小作者的肯定.感謝北京航空航天大學(xué)的編輯們對(duì)本書(shū)的付出.感謝所有幫助過(guò)我的朋友們.由于時(shí)間和學(xué)識(shí)原因,書(shū)中錯(cuò)誤在所難免,不當(dāng)之處,懇請(qǐng)讀者指正。
　　趙　然
　　2015．8．20




2014年3月，首都師范大學(xué)物理系碩士研究生趙然同學(xué)報(bào)名參加了由我執(zhí)教的FPGA設(shè)計(jì)就業(yè)培訓(xùn)班。在培訓(xùn)班上，他仔細(xì)聆聽(tīng)老師的講解，積極提問(wèn)、思考，按照老師建議的進(jìn)度要求，認(rèn)真設(shè)計(jì)并驗(yàn)證每個(gè)小模塊，并逐步把它們整合成可以在FPGA上運(yùn)行的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)，終于在十天內(nèi)用純數(shù)字邏輯電路在培訓(xùn)班提供的小開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)能做4位整數(shù)加、減、乘、除運(yùn)算的計(jì)算器。這臺(tái)計(jì)算器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是他學(xué)習(xí)Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一階段的全過(guò)程。
在我的鼓勵(lì)和幫助下，趙然花了半年時(shí)間把他的學(xué)習(xí)日記整理成一本值得一讀的小冊(cè)子。我讀后認(rèn)為本書(shū)對(duì)于想學(xué)習(xí)Verilog數(shù)字設(shè)計(jì)、有志進(jìn)入FPGA和集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)的年輕人定會(huì)有很大的幫助，所以鄭重地推薦給每一位想掌握Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同學(xué)。
以后我們還將繼續(xù)整理其他同學(xué)的學(xué)習(xí)日記，把在培訓(xùn)班學(xué)習(xí)期間由學(xué)員們獨(dú)立完成的其他小項(xiàng)目設(shè)計(jì)的全過(guò)程和分階段代碼陸續(xù)介紹給各位讀者。這些小冊(cè)子將按照完成的先后順序出版，希望它們能成為理工類(lèi)學(xué)生自學(xué)Verilog數(shù)字設(shè)計(jì)、參加課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的最好參考資料。同學(xué)們只要購(gòu)買(mǎi)一塊開(kāi)發(fā)板，利用暑假、寒假、課設(shè)或畢設(shè)時(shí)間段，按這些小冊(cè)子中介紹的步驟，走一遍設(shè)計(jì)的全過(guò)程，認(rèn)真思考作者提出的每個(gè)問(wèn)題，通過(guò)自己動(dòng)腦又動(dòng)手，來(lái)解決這些問(wèn)題，就能真正掌握這門(mén)技術(shù)。這一過(guò)程對(duì)想進(jìn)入高技術(shù)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)行業(yè)的同學(xué)是十分必要的。
趙然同學(xué)在本書(shū)中用日記的形式詳細(xì)記錄了每天的學(xué)習(xí)過(guò)程。在日記中，他用生動(dòng)的文字記錄了老師布置的設(shè)計(jì)要求、進(jìn)度和講解、學(xué)習(xí)中遇到的困惑、解決問(wèn)題的方法和過(guò)程、模塊代碼的演化過(guò)程以及每天的喜怒哀樂(lè)，真實(shí)地反映了一位聰明、勤奮、好學(xué)的年輕人在學(xué)習(xí)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的艱難過(guò)程中的思想歷程。本書(shū)不但是一本數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)入門(mén)書(shū)籍，也是年輕人勵(lì)志的優(yōu)秀書(shū)籍。
在我看來(lái)，趙然的FPGA設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)日記充分體現(xiàn)了“實(shí)踐是最好的老師”的真理。學(xué)習(xí)Verilog數(shù)字設(shè)計(jì)沒(méi)有捷徑可走，在掌握了基本方法后，唯有不怕困難勇于攀登，才能逐步達(dá)到別人不敢逾越的高峰。
我們貧窮多難的祖國(guó)經(jīng)過(guò)三十多年的改革開(kāi)放，國(guó)民經(jīng)濟(jì)已有了很大的發(fā)展，但高科技產(chǎn)業(yè)仍非常落后，特別在集成電路工業(yè)和尖端國(guó)防工業(yè)方面更是如此。阻擋我國(guó)進(jìn)入世界技術(shù)強(qiáng)國(guó)的主要障礙之一就是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的落后。望有志改變我國(guó)技術(shù)落后面貌的年輕人通過(guò)閱讀這本小冊(cè)子，刻苦努力自學(xué)，加入日益壯大的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)師隊(duì)伍，為振興祖國(guó)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)一份力量。
本書(shū)語(yǔ)言通俗易懂，從實(shí)用的角度詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)過(guò)程的每個(gè)細(xì)節(jié)。最難能可貴的是作者的分享精神，通過(guò)簡(jiǎn)單明了的描述，我能體會(huì)到作者想與讀者交流、分享的真誠(chéng)愿望。相信各位讀者通過(guò)認(rèn)真閱讀本書(shū)，認(rèn)真上機(jī)操作，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)能力會(huì)更上一層樓。
當(dāng)然，任何人都不可能只讀一本小冊(cè)子就完全掌握利用Verilog HDL的FPGA設(shè)計(jì)，但是我可以肯定地說(shuō)，即將逐步推出的《Verilog FPGA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自學(xué)叢書(shū)》確實(shí)是每個(gè)想進(jìn)一步學(xué)習(xí)Verilog數(shù)字設(shè)計(jì)，并希望進(jìn)入數(shù)字設(shè)計(jì)行業(yè)的年輕人的最好選擇。本書(shū)針對(duì)的讀者群是已有Verilog基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)生，以及想進(jìn)入數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的年輕電子工程師們。相信本書(shū)和以后將陸續(xù)出版的系列叢書(shū)定會(huì)受到更多讀者的喜愛(ài)。
夏宇聞
北京航空航天大學(xué)退休教授
2015年9月10日