基于FPGA的数字系统设计与实践/电子信息科学与工程类专业规划教材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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杨军，蔡光卉，黄倩 等 著

图书标签:

• FPGA
• 数字系统设计
• 电子信息科学与工程
• 实践教学
• VHDL
• Verilog
• 可编程逻辑器件
• 数字电路
• 教材
• 专业规划教材

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121222610

版次：1

商品编码：11396609

包装：平装

丛书名： 电子信息科学与工程类专业规划教材

开本：16开

出版时间：2014-01-01

用纸：胶版纸

页数：280

正文语种：中文

内容简介

　　《基于FPGA的数字系统设计与实践/电子信息科学与工程类专业规划教材》内容分为基础篇和综合实践篇两部分，基础篇细致地讲解了FPGA开发过程中使用的硬件描述语言VHDL、设计软件Quartus II 8.0、专业仿真工具 Modelsim 6.0的使用，并对设计综合实验平台、常用基本器件的设计做了介绍；为了帮助读者更好地理解和掌握相关理论知识，在综合实践篇中介绍了FPGA开发常用的设计方法，包括消除毛刺设计技巧、触发器、锁存器、时延电路、时钟设计等典型的基础入门实例，同时，提供了矩阵键盘扫描接口设计等4个综合设计实例，以及基于Avalon总线的PWM控制器等3个面向SOPC的嵌入式项目开发实例。
　　《基于FPGA的数字系统设计与实践/电子信息科学与工程类专业规划教材》的配套教学资源中包含了各章节的电子教案、习题参考答案，丰富的实例原图文件和程序源代码，以及程序执行步骤和结果分析。读者通过举一反三，即可轻松地将其应用于自己的工作和课题研究中。

目录

第1章 概述
1．1 CPLD/ FPGA简介
1．1．1 CPLD/FPGA的结构与工作原理
1．1．2 CPLD/FPGA的发展趋势
1．2 CPLD/FPGA产品概述
1．2．1 Lattice的CPLD器件系列
1．2．2 Xilinx的CPLD/FPGA器件系列
1．2．3 Altera的CPLD/FPGA器件系列
1．2．4 Altera的FPGA配置方式与配置器件
习题与思考题
第2章 VHDL语言基础
2．1 硬件描述语言特点
2．2 VHDL程序基本结构
2．3 VHDL程序主要构件
2．3．1 库
2．3．2 实体
2．3．3 结构体
2．3．4 包集合
2．3．5 配置
2．4 VHDL数据类型
2．4．1 标准数据类型
2．4．2 IEEE定义的逻辑位与矢量
2．4．3 用户自定义数据类型
2．4．4 数据类型转换
2．5 运算符
2．5．1 算术运算符
2．5．2 逻辑运算符
2．5．3 关系运算符
2．5．4 其他运算符
2．5．5 运算优先级
2．6 VHDL数据对象
2．6．1 常量
2．6．2 变量
2．6．3 信号
2．6．4 信号与变量的比较
2．7 VHDL基本语句
2．7．1 并行语句
2．7．2 顺序语句
2．7．3 属性描述语句
2．8 测试基准
2．9 其他语句和有关规定的说明
2．9．1 命名规则和注解的标记
2．9．2 ATTRIBUTE（属性）描述与定义
2．9．3 GENERATE语句
2．10 VHDL程序的其他构件
2．10．1 块
2．10．2 函数
2．10．3 过程
2．10．4 程序包
2．11 结构体的描述方法
习题与思考题
第3章 项目开发环境介绍
3．1 软件平台
3．1．1 系统设计软件Quartus II 8．0
3．1．2 ModelSim 6．0仿真工具
3．1．3 Nios II IDE 8．0 软件集成环境
3．2 硬件平台
3．2．1 DE2平台介绍
3．2．2 DE2板上资源及硬件布局
3．2．3 DE2原理
3．2．4 DE2平台的开发环境
3．2．5 DE2开发板测试说明
习题与思考题
第4章 常用基本器件设计
4．1 寄存器设计
4．1．1 寄存器原理图设计
4．1．2 寄存器工作原理
4．1．3 寄存器程序描述
4．1．4 寄存器仿真
4．2 移位运算器设计
4．2．1 移位运算器原理图设计
4．2．2 移位运算器程序描述
4．2．3 移位运算器仿真
4．3 加减法运算器设计
4．3．1 加减法单元原理图设计
4．3．2 加减单元编码
4．3．3 多位加减法单元连接
4．3．4 加减法运算器原理图设计
4．3．5 加减法运算器程序描述
4．3．6 加减法运算器仿真
4．4 乘法器设计
4．4．1 乘法阵列原理图设计
4．4．2 乘法阵列编码
4．4．3 有符号数乘法运算器
4．5 同步计数器设计
4．5．1 设备同步工作
4．5．2 程序计数器
4．5．3 通用计数器
4．6 节拍器设计
4．6．1 节拍器电路设计
4．6．2 节拍器程序描述
4．6．3 节拍器工作原理
4．7 译码器设计
4．7．1 译码器电路设计
4．7．2 译码器程序描述
4．7．3 选择与通断控制电路
4．8 标志线设计
4．8．1 累加器标志线设计
4．8．2 数据监测标志设计
4．9 存储器设计
4．9．1 地址译码器电路设计
4．9．2 存储单元设计
4．9．3 包含256个存储单元的存储器设计
习题与思考题
综合实践篇
第5章 FPGA开发常用设计方法
5．1 消除毛刺
5．2 几种逻辑器件及信号处理方法
5．2．1 触发器及锁存器
5．2．2 消除及置位信号处理
5．3 FPGA中的同步设计
5．4 FPGA时延电路产生及用法
5．5 FPGA中的时钟设计
5．5．1 全局时钟
5．5．2 门控制时钟
5．5．3 多级逻辑时钟
5．5．4 行波时钟
5．5．5 多时钟系统
5．6 FPGA电路优化方法
习题与思考题
第6章 综合数字系统实例
6．1 矩阵键盘扫描接口设计
6．1．1 实例内容说明
6．1．2 设计思路与原理
6．1．3 程序设计与验证
6．1．4 实例总结
6．2 交通灯控制的设计
6．2．1 实例内容说明
6．2．2 设计思路与原理
6．2．3 程序设计与注释
6．2．4 实例总结
6．3 6层电梯控制器的设计
6．3．1 实例内容说明
6．3．2 设计思路与原理
6．3．3 程序设计与验证
6．3．4 实例总结
6．4 快速傅里叶变换FFT处理器的设计
6．4．1 FFT算法特点
6．4．2 旋转因子算法
6．4．3 蝶形处理器
6．4．4 实例总结
习题与思考题
第7章 面向SOPC的FPGA设计实例
7．1 SOPC系统设计流程
7．2 基于Avalon总线的PWM控制器
7．2．1 实例介绍
7．2．2 设计思路与原理
7．2．3 硬件设计
7．2．4 软件设计
7．2．5 实例总结
7．3 基于SOPC的SD卡音乐播放器
7．3．1 实例介绍
7．3．2 设计思路与原理
7．3．3 硬件设计
7．3．4 软件设计
7．3．5 实例总结
7．4 基于AES算法的实时加/解密系统
7．4．1 实例介绍
7．4．2 设计思路与原理
7．4．3 硬件设计
7．4．4 软件设计与综合测试
7．4．5 实例总结
习题与思考题
附录A
参考文献

前言/序言

FPGA时代的设计语言：从理论到实践的全面探索 在信息技术飞速发展的今天，数字系统已渗透到我们生活的方方面面，从智能手机的芯片到高性能计算集群，再到自动驾驶汽车的控制器，无一不依赖于复杂而高效的数字电路设计。而现场可编程门阵列（FPGA）作为一种高度灵活、可重构的硬件平台，正以前所未有的力量推动着数字系统设计的边界。它不仅为快速原型验证提供了强大的支持，更在诸多新兴领域，如人工智能、通信、图像处理等，展现出巨大的潜力。 本书旨在为电子信息科学与工程类专业的学生以及相关领域的从业者，提供一套系统、深入的FPGA数字系统设计与实践指南。我们坚信，掌握FPGA的设计与实现，是理解并驾驭现代数字世界的关键一步。因此，本书将理论知识与实际应用紧密结合，力求让读者在理解FPGA工作原理的基础上，能够独立完成复杂的数字系统设计项目。 第一部分：FPGA基础理论与架构剖析 在深入实践之前，扎实的理论基础是不可或缺的。本部分将从最基本的数字逻辑概念出发，逐步引导读者进入FPGA的宏观世界。 数字逻辑基础回顾与升华： 我们将简要回顾二进制、逻辑门、布尔代数等基础知识，并重点讲解时序逻辑、状态机等更高级的概念，这些是构建复杂数字系统的基石。内容将侧重于其在实际电路设计中的应用，而非纯粹的理论推导。 FPGA概述与发展历程： 了解FPGA的出现背景、发展演变，以及其相对于ASIC（专用集成电路）和CPLD（复杂可编程逻辑器件）的优势与劣势，有助于我们从更高的维度理解FPGA的定位和价值。我们将探讨不同代FPGA的架构演进，以及它们在性能、功耗、集成度等方面的提升。 FPGA内部架构深度解析： 这是本书的核心内容之一。我们将详细剖析FPGA的核心组成部分，包括： 可配置逻辑块（CLB）： 深入讲解查找表（LUT）、触发器（Flip-Flops）、多路选择器（Muxes）等基本逻辑单元的工作原理，以及它们如何组合实现任意组合逻辑和时序逻辑功能。我们将分析不同厂商（如Xilinx和Intel Altera）的CLB架构差异。 输入/输出块（IOB）： 介绍FPGA引脚的功能、电气特性、时序要求，以及如何配置IOB以满足不同的接口标准（如LVCMOS、LVDS、DDR等）。 布线资源： 探讨FPGA内部的开关矩阵、导线资源如何连接CLB和IOB，以及布线延迟对系统性能的影响。我们将简要介绍布线算法的基本思想。 其他关键模块： 详细介绍包括块RAM（BRAM）、DSP Slice（数字信号处理单元）、时钟管理单元（MMCM/PLL）、高速串行收发器（SerDes）等硬核IP模块的功能和应用。理解这些模块将极大地拓展我们设计的可能性，并能显著提升设计效率和性能。 硬件描述语言（HDL）入门与进阶： FPGA的设计离不开HDL。本书将重点介绍Verilog HDL，并辅以VHDL的必要内容，作为两种主流的硬件描述语言。 Verilog HDL基础： 从数据类型、运算符、行为级建模、结构级建模、过程语句（always、initial）、数据流建模等方面系统讲解Verilog。 Verilog进阶技巧： 讲解如何编写可综合（synthesizable）的代码，避免使用不可综合的语句（如延时语句``在某些情况下）。介绍任务（task）、函数（function）、参数化（parameter）、生成语句（generate）等高级特性，以提高代码的可读性和复用性。 常用HDL结构设计： 示范如何用HDL实现常见的数字电路模块，如加法器、减法器、寄存器、计数器、移位寄存器、优先级编码器、多路选择器等。 第二部分：FPGA设计流程与工具链应用 理论知识需要借助强大的工具链才能转化为实际的硬件。本部分将带领读者深入理解FPGA的设计流程，并熟练掌握主流的设计软件。 FPGA设计流程详解： 需求分析与系统规划： 强调在动手编码前，清晰定义设计目标、功能需求、性能指标、功耗限制等的重要性。 HDL编码： 编写符合逻辑的硬件描述语言代码。 仿真与验证： 介绍仿真器（如ModelSim, QuestaSim, Vivado Simulator）的工作原理，以及如何编写Testbench进行功能验证。强调验证在整个设计流程中的关键作用。 综合（Synthesis）： 讲解综合工具（如Vivado Synthesis, Quartus Prime Synthesis）如何将HDL代码转化为门级网表。介绍综合选项对性能、资源利用率的影响。 实现（Implementation）： 详细阐述布局（Place）和布线（Route）过程，以及它们如何将网表映射到FPGA的物理资源上。介绍时序约束（Timing Constraints）的设置，如时钟周期、输入输出延迟等。 时序分析（Timing Analysis）： 讲解静态时序分析（STA）的基本原理，以及如何解读时序报告，识别并解决时序违例。 比特流生成（Bitstream Generation）： 说明如何生成FPGA配置文件（比特流），用于编程FPGA。 硬件调试与集成： 介绍使用片上调试工具（如ILA in Vivado, SignalTap in Quartus）在实际硬件上调试设计的方法。 主流FPGA设计工具链实操： Xilinx Vivado Suite： 详细介绍Vivado的安装、项目创建、IP Catalog的使用、HDL编辑器、仿真器、综合与实现工具、时序分析工具、ILA调试工具等。通过实例演示，带领读者完成一个小型设计项目。 Intel Quartus Prime Suite： 介绍Quartus Prime的安装与使用，重点讲解其在设计流程各阶段的功能，并对比其与Vivado的异同。 IP核（IP Core）的设计与集成： 介绍IP核的概念，以及如何利用FPGA厂商提供的预 IP核（如AXI总线接口、PCIe控制器、DDR控制器等）来加速开发。同时，指导读者如何对现有IP核进行定制化配置。 第三部分：FPGA核心应用技术与实践案例 在掌握了基本理论和工具链之后，本部分将聚焦于FPGA在各个领域的实际应用，并通过丰富的实例来巩固和拓展读者的设计能力。 高性能计算与加速： 并行计算原理在FPGA上的实现： 讲解如何利用FPGA的并行性来加速计算密集型任务，例如图像处理中的卷积、矩阵运算等。 DSP Slice的深入应用： 演示如何高效利用FPGA内置的DSP Slice实现乘法累加（MAC）、滤波器、FFT等算法。 高速数据接口设计： 介绍如何使用高速串行收发器（SerDes）和标准接口协议（如PCIe、Ethernet）实现FPGA与外部高速设备的数据交换。 通信系统设计： 数字调制解调器（Modem）设计： 介绍FPGA在软件定义无线电（SDR）中的应用，例如实现ASK、FSK、PSK等调制解调算法。 滤波器设计与实现： 讲解FIR（有限脉冲响应）和IIR（无限脉冲响应）滤波器的原理，以及如何在FPGA上高效实现。 错误纠正码（ECC）技术： 介绍RS码、Turbo码等在通信系统中的应用，以及FPGA如何实现这些编码和解码算法。 图像与视频处理： 像素级操作与图像增强： 演示如何在FPGA上实现图像的灰度化、二值化、亮度调整、对比度增强等操作。 滤波器（Sobel, Prewitt, Canny）在边缘检测中的应用： 讲解这些经典图像处理算法的原理，并指导读者用FPGA实现。 视频流处理： 介绍如何处理视频流，例如帧率转换、分辨率调整、色彩空间转换等。 视频接口（HDMI, MIPI DSI/CSI）设计： 介绍如何使用FPGA实现与视频显示设备或传感器的接口。 嵌入式系统设计与SoC（System-on-Chip）集成： 软核与硬核处理器集成： 介绍如何在FPGA上集成ARM软核（如MicroBlaze, Nios II）或调用硬核处理器（如Zynq系列中的ARM核），构建完整的SoC系统。 AXI总线协议在SoC中的应用： 深入讲解AXI（Advanced eXtensible Interface）协议，它是ARM AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）系列中的高性能接口，广泛应用于SoC设计。 外设接口设计： 演示如何设计UART、SPI、I2C、SD卡接口等常用外设，并将其集成到SoC系统中。 先进的FPGA设计方法学： 高层次综合（HLS）： 介绍如何使用C/C++/OpenCL等高级语言来描述硬件，并由HLS工具自动生成HDL代码，极大地提高开发效率。 IP复用与IP核开发： 强调IP核在现代FPGA设计中的重要性，并指导读者如何进行IP核的封装和管理。 低功耗设计技术： 介绍在FPGA设计中考虑功耗的策略，例如时钟门控、电源门控、选择低功耗IP等。 时序收敛策略： 总结在实际设计中遇到的时序问题，并提供有效的调试和优化方法。 第四部分：高级主题与前沿展望 本部分将进一步拓展读者的视野，介绍一些更高级的设计概念和FPGA在未来发展中的趋势。 FPGA在人工智能（AI）与机器学习（ML）领域的应用： 神经网络硬件加速： 介绍FPGA如何用于加速深度学习模型的推理，例如卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN）。 自定义AI硬件设计： 演示如何设计定制化的AI加速器，以满足特定应用的需求。 FPGA与AI框架（TensorFlow, PyTorch）的结合： 探讨如何在FPGA上部署和优化AI模型。 片上网络（NoC）与多FPGA系统集成： NoC的基本原理与设计： 介绍NoC如何解决多核处理器或多FPGA系统中通信瓶颈的问题。 多FPGA系统协同工作： 探讨如何通过高速接口将多个FPGA连接起来，构建大规模并行处理系统。 FPGA安全与加密： 硬件安全模块（HSM）设计： 介绍FPGA在实现安全功能方面的应用，例如加密算法的硬件实现、安全启动等。 物理不可克隆函数（PUF）： 探讨PUF技术在FPGA上的应用，以增强硬件安全性。 FPGA未来发展趋势： 展望FPGA在自适应计算、边缘智能、5G/6G通信、量子计算互联等领域的潜在应用，激发读者的创新思维。 本书特色： 理论与实践并重： 每一章都包含丰富的理论讲解和配套的实践案例，让读者在学习中融会贯通。 工具链全面覆盖： 重点介绍Xilinx Vivado和Intel Quartus Prime两大主流设计平台，并提供详细的操作指导。 案例丰富多样： 从基础模块到复杂的系统级设计，涵盖了通信、计算、图像处理等多个热门领域，满足不同读者的学习需求。 循序渐进，由浅入深： 体系结构清晰，从基础概念到高级应用，逐步引导读者掌握FPGA设计精髓。 紧扣行业前沿： 关注FPGA在AI、大数据等新兴技术领域的应用，帮助读者把握技术发展趋势。 通过本书的学习，读者将能够： 深刻理解FPGA的内部架构和工作原理。 熟练掌握Verilog HDL语言，并能编写高效、可综合的HDL代码。 精通FPGA设计流程，并能独立完成从需求分析到硬件实现的整个设计过程。 熟练运用Vivado和Quartus Prime等主流设计工具。 掌握FPGA在通信、计算、图像处理、嵌入式系统等领域的关键应用技术。 具备开发复杂FPGA数字系统的能力，为未来的学习和工作打下坚实基础。 我们希望本书能够成为您在FPGA数字系统设计领域探索之旅的忠实伴侣，助您在日新月异的电子信息科技浪潮中，掌握核心技术，开创无限可能。

评分☆☆☆☆☆

不得不说，这本书在技术深度和实践性方面做得相当出色。它并没有回避一些FPGA设计中比较复杂和关键的技术点，比如时序分析、约束文件的编写以及一些高级的时序优化技巧。对于我这样希望深入理解FPGA内在工作原理的读者来说，这无疑是一大福音。书中对这些内容的阐述清晰易懂，并且通过具体的例子展示了如何应用这些技术来解决实际问题。例如，在讲解时序约束时，它详细列举了各种约束命令的用法，以及如何通过分析时序报告来定位和解决时序违例。这一点非常实用，因为在实际项目开发中，时序问题常常是最大的挑战之一。此外，它还介绍了一些常用的FPGA开发工具链的使用方法，这对于新手来说也是非常宝贵的指导。我个人认为，这本书的价值在于它不仅教你“做什么”，更教你“为什么这样做”，以及“如何做得更好”。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我对FPGA的了解一直停留在书本理论层面，缺乏实际操作的经验。这本书的到来，极大地弥补了这一短板。它将枯燥的理论知识转化为一个个鲜活的工程实践案例，让我仿佛置身于一个真实的FPGA开发环境中。我尝试着跟着书中的步骤，在自己的开发板上实现了几个小项目，比如一个简单的信号发生器。在过程中，我遇到了不少问题，但书中详细的排错指南和调试技巧，帮助我一一克服。尤其是在理解时序分析部分时，书中的图示和解释非常直观，让我茅塞顿开。我逐渐体会到，FPGA设计不仅仅是编写代码，更是一项综合性的工程，需要对硬件、软件以及两者之间的交互有深刻的理解。这本书让我看到了FPGA在现代电子系统中的巨大潜力，也让我对自己的学习方向更加明确。

评分☆☆☆☆☆

这本书我最近刚开始翻阅，它给我最深刻的印象是其内容的系统性和广博性。我之前对FPGA的了解仅限于一些零散的概念和非常初级的应用，而这本书像是为我打开了一个新世界的大门。它从最基础的数字逻辑原理讲起，循序渐进地介绍了FPGA的架构、开发流程以及常用的硬件描述语言（HDL）。我尤其喜欢它在讲解HDL部分时，没有仅仅停留在语法层面，而是深入剖析了不同语句结构在综合后对硬件电路的影响，这对于理解代码与硬件之间的对应关系至关重要。书中的大量实例，从简单的LED闪烁到稍微复杂的计数器和状态机，都非常贴近实际，并且代码的注释也十分详细，使得我能够对照着一步步地去理解和实现。对于初学者来说，这种循序渐进的学习路径和丰富的实践案例，无疑是极大的帮助。我感觉自己不仅仅是在学习理论知识，更是在学习如何将理论转化为实际可运行的数字系统。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对电子信息工程领域充满好奇的在校生，我一直渴望找到一本能够系统性地介绍FPGA数字系统设计的书籍。这本书的出现，可以说正好满足了我的需求。它的内容涵盖了从基本的数字电路基础到复杂的FPGA架构，再到具体的项目实践。让我印象深刻的是，书中在介绍FPGA的底层硬件结构时，用了相当篇幅来阐述其可编程逻辑单元、布线资源等核心组件的原理，这有助于我理解FPGA之所以能够实现各种数字功能的根本原因。在后面的章节中，它通过一系列生动的项目案例，逐步引导读者掌握FPGA的设计流程，包括需求分析、逻辑设计、仿真验证、综合布局布线以及最终的硬件实现。这些案例不仅技术含量高，而且紧密结合了实际应用，例如在通信、控制等领域。这让我对FPGA的应用前景有了更直观的认识，也激发了我进一步深入学习的动力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构和编排方式非常值得称赞。它遵循了由浅入深、由易到难的学习规律，使得不同基础的读者都能从中受益。对于零基础的读者，它提供了扎实的理论基础；对于有一定FPGA经验的读者，它也提供了更深入的技术探讨和更广阔的应用视野。我特别欣赏书中的一些小技巧和最佳实践的分享，这些都是在实际工程中积累下来的宝贵经验，能够帮助读者少走弯路。例如，在讲解调试技巧时，它提到了如何利用FPGA自带的逻辑分析仪来捕获信号，这对于解决硬件问题非常有帮助。此外，书中还讨论了一些关于FPGA设计方法的原则，比如如何提高代码的可读性、可维护性和可重用性，这些都体现了作者在教学和工程实践方面的深厚功底。整体而言，这本书不仅是知识的传授，更是思维方式的引导。