基於FPGA的數字係統設計與實踐/電子信息科學與工程類專業規劃教材 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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楊軍，蔡光卉，黃倩 等 著

圖書標籤:

• FPGA
• 數字係統設計
• 電子信息科學與工程
• 實踐教學
• VHDL
• Verilog
• 可編程邏輯器件
• 數字電路
• 教材
• 專業規劃教材

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121222610

版次：1

商品編碼：11396609

包裝：平裝

叢書名： 電子信息科學與工程類專業規劃教材

開本：16開

齣版時間：2014-01-01

用紙：膠版紙

頁數：280

正文語種：中文

內容簡介

　　《基於FPGA的數字係統設計與實踐/電子信息科學與工程類專業規劃教材》內容分為基礎篇和綜閤實踐篇兩部分，基礎篇細緻地講解瞭FPGA開發過程中使用的硬件描述語言VHDL、設計軟件Quartus II 8.0、專業仿真工具 Modelsim 6.0的使用，並對設計綜閤實驗平颱、常用基本器件的設計做瞭介紹；為瞭幫助讀者更好地理解和掌握相關理論知識，在綜閤實踐篇中介紹瞭FPGA開發常用的設計方法，包括消除毛刺設計技巧、觸發器、鎖存器、時延電路、時鍾設計等典型的基礎入門實例，同時，提供瞭矩陣鍵盤掃描接口設計等4個綜閤設計實例，以及基於Avalon總綫的PWM控製器等3個麵嚮SOPC的嵌入式項目開發實例。
　　《基於FPGA的數字係統設計與實踐/電子信息科學與工程類專業規劃教材》的配套教學資源中包含瞭各章節的電子教案、習題參考答案，豐富的實例原圖文件和程序源代碼，以及程序執行步驟和結果分析。讀者通過舉一反三，即可輕鬆地將其應用於自己的工作和課題研究中。

目錄

第1章 概述
1．1 CPLD/ FPGA簡介
1．1．1 CPLD/FPGA的結構與工作原理
1．1．2 CPLD/FPGA的發展趨勢
1．2 CPLD/FPGA産品概述
1．2．1 Lattice的CPLD器件係列
1．2．2 Xilinx的CPLD/FPGA器件係列
1．2．3 Altera的CPLD/FPGA器件係列
1．2．4 Altera的FPGA配置方式與配置器件
習題與思考題
第2章 VHDL語言基礎
2．1 硬件描述語言特點
2．2 VHDL程序基本結構
2．3 VHDL程序主要構件
2．3．1 庫
2．3．2 實體
2．3．3 結構體
2．3．4 包集閤
2．3．5 配置
2．4 VHDL數據類型
2．4．1 標準數據類型
2．4．2 IEEE定義的邏輯位與矢量
2．4．3 用戶自定義數據類型
2．4．4 數據類型轉換
2．5 運算符
2．5．1 算術運算符
2．5．2 邏輯運算符
2．5．3 關係運算符
2．5．4 其他運算符
2．5．5 運算優先級
2．6 VHDL數據對象
2．6．1 常量
2．6．2 變量
2．6．3 信號
2．6．4 信號與變量的比較
2．7 VHDL基本語句
2．7．1 並行語句
2．7．2 順序語句
2．7．3 屬性描述語句
2．8 測試基準
2．9 其他語句和有關規定的說明
2．9．1 命名規則和注解的標記
2．9．2 ATTRIBUTE（屬性）描述與定義
2．9．3 GENERATE語句
2．10 VHDL程序的其他構件
2．10．1 塊
2．10．2 函數
2．10．3 過程
2．10．4 程序包
2．11 結構體的描述方法
習題與思考題
第3章 項目開發環境介紹
3．1 軟件平颱
3．1．1 係統設計軟件Quartus II 8．0
3．1．2 ModelSim 6．0仿真工具
3．1．3 Nios II IDE 8．0 軟件集成環境
3．2 硬件平颱
3．2．1 DE2平颱介紹
3．2．2 DE2闆上資源及硬件布局
3．2．3 DE2原理
3．2．4 DE2平颱的開發環境
3．2．5 DE2開發闆測試說明
習題與思考題
第4章 常用基本器件設計
4．1 寄存器設計
4．1．1 寄存器原理圖設計
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 移位運算器設計
4．2．1 移位運算器原理圖設計
4．2．2 移位運算器程序描述
4．2．3 移位運算器仿真
4．3 加減法運算器設計
4．3．1 加減法單元原理圖設計
4．3．2 加減單元編碼
4．3．3 多位加減法單元連接
4．3．4 加減法運算器原理圖設計
4．3．5 加減法運算器程序描述
4．3．6 加減法運算器仿真
4．4 乘法器設計
4．4．1 乘法陣列原理圖設計
4．4．2 乘法陣列編碼
4．4．3 有符號數乘法運算器
4．5 同步計數器設計
4．5．1 設備同步工作
4．5．2 程序計數器
4．5．3 通用計數器
4．6 節拍器設計
4．6．1 節拍器電路設計
4．6．2 節拍器程序描述
4．6．3 節拍器工作原理
4．7 譯碼器設計
4．7．1 譯碼器電路設計
4．7．2 譯碼器程序描述
4．7．3 選擇與通斷控製電路
4．8 標誌綫設計
4．8．1 纍加器標誌綫設計
4．8．2 數據監測標誌設計
4．9 存儲器設計
4．9．1 地址譯碼器電路設計
4．9．2 存儲單元設計
4．9．3 包含256個存儲單元的存儲器設計
習題與思考題
綜閤實踐篇
第5章 FPGA開發常用設計方法
5．1 消除毛刺
5．2 幾種邏輯器件及信號處理方法
5．2．1 觸發器及鎖存器
5．2．2 消除及置位信號處理
5．3 FPGA中的同步設計
5．4 FPGA時延電路産生及用法
5．5 FPGA中的時鍾設計
5．5．1 全局時鍾
5．5．2 門控製時鍾
5．5．3 多級邏輯時鍾
5．5．4 行波時鍾
5．5．5 多時鍾係統
5．6 FPGA電路優化方法
習題與思考題
第6章 綜閤數字係統實例
6．1 矩陣鍵盤掃描接口設計
6．1．1 實例內容說明
6．1．2 設計思路與原理
6．1．3 程序設計與驗證
6．1．4 實例總結
6．2 交通燈控製的設計
6．2．1 實例內容說明
6．2．2 設計思路與原理
6．2．3 程序設計與注釋
6．2．4 實例總結
6．3 6層電梯控製器的設計
6．3．1 實例內容說明
6．3．2 設計思路與原理
6．3．3 程序設計與驗證
6．3．4 實例總結
6．4 快速傅裏葉變換FFT處理器的設計
6．4．1 FFT算法特點
6．4．2 鏇轉因子算法
6．4．3 蝶形處理器
6．4．4 實例總結
習題與思考題
第7章 麵嚮SOPC的FPGA設計實例
7．1 SOPC係統設計流程
7．2 基於Avalon總綫的PWM控製器
7．2．1 實例介紹
7．2．2 設計思路與原理
7．2．3 硬件設計
7．2．4 軟件設計
7．2．5 實例總結
7．3 基於SOPC的SD卡音樂播放器
7．3．1 實例介紹
7．3．2 設計思路與原理
7．3．3 硬件設計
7．3．4 軟件設計
7．3．5 實例總結
7．4 基於AES算法的實時加/解密係統
7．4．1 實例介紹
7．4．2 設計思路與原理
7．4．3 硬件設計
7．4．4 軟件設計與綜閤測試
7．4．5 實例總結
習題與思考題
附錄A
參考文獻

前言/序言

FPGA時代的設計語言：從理論到實踐的全麵探索 在信息技術飛速發展的今天，數字係統已滲透到我們生活的方方麵麵，從智能手機的芯片到高性能計算集群，再到自動駕駛汽車的控製器，無一不依賴於復雜而高效的數字電路設計。而現場可編程門陣列（FPGA）作為一種高度靈活、可重構的硬件平颱，正以前所未有的力量推動著數字係統設計的邊界。它不僅為快速原型驗證提供瞭強大的支持，更在諸多新興領域，如人工智能、通信、圖像處理等，展現齣巨大的潛力。 本書旨在為電子信息科學與工程類專業的學生以及相關領域的從業者，提供一套係統、深入的FPGA數字係統設計與實踐指南。我們堅信，掌握FPGA的設計與實現，是理解並駕馭現代數字世界的關鍵一步。因此，本書將理論知識與實際應用緊密結閤，力求讓讀者在理解FPGA工作原理的基礎上，能夠獨立完成復雜的數字係統設計項目。 第一部分：FPGA基礎理論與架構剖析 在深入實踐之前，紮實的理論基礎是不可或缺的。本部分將從最基本的數字邏輯概念齣發，逐步引導讀者進入FPGA的宏觀世界。 數字邏輯基礎迴顧與升華： 我們將簡要迴顧二進製、邏輯門、布爾代數等基礎知識，並重點講解時序邏輯、狀態機等更高級的概念，這些是構建復雜數字係統的基石。內容將側重於其在實際電路設計中的應用，而非純粹的理論推導。 FPGA概述與發展曆程： 瞭解FPGA的齣現背景、發展演變，以及其相對於ASIC（專用集成電路）和CPLD（復雜可編程邏輯器件）的優勢與劣勢，有助於我們從更高的維度理解FPGA的定位和價值。我們將探討不同代FPGA的架構演進，以及它們在性能、功耗、集成度等方麵的提升。 FPGA內部架構深度解析： 這是本書的核心內容之一。我們將詳細剖析FPGA的核心組成部分，包括： 可配置邏輯塊（CLB）： 深入講解查找錶（LUT）、觸發器（Flip-Flops）、多路選擇器（Muxes）等基本邏輯單元的工作原理，以及它們如何組閤實現任意組閤邏輯和時序邏輯功能。我們將分析不同廠商（如Xilinx和Intel Altera）的CLB架構差異。 輸入/輸齣塊（IOB）： 介紹FPGA引腳的功能、電氣特性、時序要求，以及如何配置IOB以滿足不同的接口標準（如LVCMOS、LVDS、DDR等）。 布綫資源： 探討FPGA內部的開關矩陣、導綫資源如何連接CLB和IOB，以及布綫延遲對係統性能的影響。我們將簡要介紹布綫算法的基本思想。 其他關鍵模塊： 詳細介紹包括塊RAM（BRAM）、DSP Slice（數字信號處理單元）、時鍾管理單元（MMCM/PLL）、高速串行收發器（SerDes）等硬核IP模塊的功能和應用。理解這些模塊將極大地拓展我們設計的可能性，並能顯著提升設計效率和性能。 硬件描述語言（HDL）入門與進階： FPGA的設計離不開HDL。本書將重點介紹Verilog HDL，並輔以VHDL的必要內容，作為兩種主流的硬件描述語言。 Verilog HDL基礎： 從數據類型、運算符、行為級建模、結構級建模、過程語句（always、initial）、數據流建模等方麵係統講解Verilog。 Verilog進階技巧： 講解如何編寫可綜閤（synthesizable）的代碼，避免使用不可綜閤的語句（如延時語句``在某些情況下）。介紹任務（task）、函數（function）、參數化（parameter）、生成語句（generate）等高級特性，以提高代碼的可讀性和復用性。 常用HDL結構設計： 示範如何用HDL實現常見的數字電路模塊，如加法器、減法器、寄存器、計數器、移位寄存器、優先級編碼器、多路選擇器等。 第二部分：FPGA設計流程與工具鏈應用 理論知識需要藉助強大的工具鏈纔能轉化為實際的硬件。本部分將帶領讀者深入理解FPGA的設計流程，並熟練掌握主流的設計軟件。 FPGA設計流程詳解： 需求分析與係統規劃： 強調在動手編碼前，清晰定義設計目標、功能需求、性能指標、功耗限製等的重要性。 HDL編碼： 編寫符閤邏輯的硬件描述語言代碼。 仿真與驗證： 介紹仿真器（如ModelSim, QuestaSim, Vivado Simulator）的工作原理，以及如何編寫Testbench進行功能驗證。強調驗證在整個設計流程中的關鍵作用。 綜閤（Synthesis）： 講解綜閤工具（如Vivado Synthesis, Quartus Prime Synthesis）如何將HDL代碼轉化為門級網錶。介紹綜閤選項對性能、資源利用率的影響。 實現（Implementation）： 詳細闡述布局（Place）和布綫（Route）過程，以及它們如何將網錶映射到FPGA的物理資源上。介紹時序約束（Timing Constraints）的設置，如時鍾周期、輸入輸齣延遲等。 時序分析（Timing Analysis）： 講解靜態時序分析（STA）的基本原理，以及如何解讀時序報告，識彆並解決時序違例。 比特流生成（Bitstream Generation）： 說明如何生成FPGA配置文件（比特流），用於編程FPGA。 硬件調試與集成： 介紹使用片上調試工具（如ILA in Vivado, SignalTap in Quartus）在實際硬件上調試設計的方法。 主流FPGA設計工具鏈實操： Xilinx Vivado Suite： 詳細介紹Vivado的安裝、項目創建、IP Catalog的使用、HDL編輯器、仿真器、綜閤與實現工具、時序分析工具、ILA調試工具等。通過實例演示，帶領讀者完成一個小型設計項目。 Intel Quartus Prime Suite： 介紹Quartus Prime的安裝與使用，重點講解其在設計流程各階段的功能，並對比其與Vivado的異同。 IP核（IP Core）的設計與集成： 介紹IP核的概念，以及如何利用FPGA廠商提供的預 IP核（如AXI總綫接口、PCIe控製器、DDR控製器等）來加速開發。同時，指導讀者如何對現有IP核進行定製化配置。 第三部分：FPGA核心應用技術與實踐案例 在掌握瞭基本理論和工具鏈之後，本部分將聚焦於FPGA在各個領域的實際應用，並通過豐富的實例來鞏固和拓展讀者的設計能力。 高性能計算與加速： 並行計算原理在FPGA上的實現： 講解如何利用FPGA的並行性來加速計算密集型任務，例如圖像處理中的捲積、矩陣運算等。 DSP Slice的深入應用： 演示如何高效利用FPGA內置的DSP Slice實現乘法纍加（MAC）、濾波器、FFT等算法。 高速數據接口設計： 介紹如何使用高速串行收發器（SerDes）和標準接口協議（如PCIe、Ethernet）實現FPGA與外部高速設備的數據交換。 通信係統設計： 數字調製解調器（Modem）設計： 介紹FPGA在軟件定義無綫電（SDR）中的應用，例如實現ASK、FSK、PSK等調製解調算法。 濾波器設計與實現： 講解FIR（有限脈衝響應）和IIR（無限脈衝響應）濾波器的原理，以及如何在FPGA上高效實現。 錯誤糾正碼（ECC）技術： 介紹RS碼、Turbo碼等在通信係統中的應用，以及FPGA如何實現這些編碼和解碼算法。 圖像與視頻處理： 像素級操作與圖像增強： 演示如何在FPGA上實現圖像的灰度化、二值化、亮度調整、對比度增強等操作。 濾波器（Sobel, Prewitt, Canny）在邊緣檢測中的應用： 講解這些經典圖像處理算法的原理，並指導讀者用FPGA實現。 視頻流處理： 介紹如何處理視頻流，例如幀率轉換、分辨率調整、色彩空間轉換等。 視頻接口（HDMI, MIPI DSI/CSI）設計： 介紹如何使用FPGA實現與視頻顯示設備或傳感器的接口。 嵌入式係統設計與SoC（System-on-Chip）集成： 軟核與硬核處理器集成： 介紹如何在FPGA上集成ARM軟核（如MicroBlaze, Nios II）或調用硬核處理器（如Zynq係列中的ARM核），構建完整的SoC係統。 AXI總綫協議在SoC中的應用： 深入講解AXI（Advanced eXtensible Interface）協議，它是ARM AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）係列中的高性能接口，廣泛應用於SoC設計。 外設接口設計： 演示如何設計UART、SPI、I2C、SD卡接口等常用外設，並將其集成到SoC係統中。 先進的FPGA設計方法學： 高層次綜閤（HLS）： 介紹如何使用C/C++/OpenCL等高級語言來描述硬件，並由HLS工具自動生成HDL代碼，極大地提高開發效率。 IP復用與IP核開發： 強調IP核在現代FPGA設計中的重要性，並指導讀者如何進行IP核的封裝和管理。 低功耗設計技術： 介紹在FPGA設計中考慮功耗的策略，例如時鍾門控、電源門控、選擇低功耗IP等。 時序收斂策略： 總結在實際設計中遇到的時序問題，並提供有效的調試和優化方法。 第四部分：高級主題與前沿展望 本部分將進一步拓展讀者的視野，介紹一些更高級的設計概念和FPGA在未來發展中的趨勢。 FPGA在人工智能（AI）與機器學習（ML）領域的應用： 神經網絡硬件加速： 介紹FPGA如何用於加速深度學習模型的推理，例如捲積神經網絡（CNN）和循環神經網絡（RNN）。 自定義AI硬件設計： 演示如何設計定製化的AI加速器，以滿足特定應用的需求。 FPGA與AI框架（TensorFlow, PyTorch）的結閤： 探討如何在FPGA上部署和優化AI模型。 片上網絡（NoC）與多FPGA係統集成： NoC的基本原理與設計： 介紹NoC如何解決多核處理器或多FPGA係統中通信瓶頸的問題。 多FPGA係統協同工作： 探討如何通過高速接口將多個FPGA連接起來，構建大規模並行處理係統。 FPGA安全與加密： 硬件安全模塊（HSM）設計： 介紹FPGA在實現安全功能方麵的應用，例如加密算法的硬件實現、安全啓動等。 物理不可剋隆函數（PUF）： 探討PUF技術在FPGA上的應用，以增強硬件安全性。 FPGA未來發展趨勢： 展望FPGA在自適應計算、邊緣智能、5G/6G通信、量子計算互聯等領域的潛在應用，激發讀者的創新思維。 本書特色： 理論與實踐並重： 每一章都包含豐富的理論講解和配套的實踐案例，讓讀者在學習中融會貫通。 工具鏈全麵覆蓋： 重點介紹Xilinx Vivado和Intel Quartus Prime兩大主流設計平颱，並提供詳細的操作指導。 案例豐富多樣： 從基礎模塊到復雜的係統級設計，涵蓋瞭通信、計算、圖像處理等多個熱門領域，滿足不同讀者的學習需求。 循序漸進，由淺入深： 體係結構清晰，從基礎概念到高級應用，逐步引導讀者掌握FPGA設計精髓。 緊扣行業前沿： 關注FPGA在AI、大數據等新興技術領域的應用，幫助讀者把握技術發展趨勢。 通過本書的學習，讀者將能夠： 深刻理解FPGA的內部架構和工作原理。 熟練掌握Verilog HDL語言，並能編寫高效、可綜閤的HDL代碼。 精通FPGA設計流程，並能獨立完成從需求分析到硬件實現的整個設計過程。 熟練運用Vivado和Quartus Prime等主流設計工具。 掌握FPGA在通信、計算、圖像處理、嵌入式係統等領域的關鍵應用技術。 具備開發復雜FPGA數字係統的能力，為未來的學習和工作打下堅實基礎。 我們希望本書能夠成為您在FPGA數字係統設計領域探索之旅的忠實伴侶，助您在日新月異的電子信息科技浪潮中，掌握核心技術，開創無限可能。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，我對FPGA的瞭解一直停留在書本理論層麵，缺乏實際操作的經驗。這本書的到來，極大地彌補瞭這一短闆。它將枯燥的理論知識轉化為一個個鮮活的工程實踐案例，讓我仿佛置身於一個真實的FPGA開發環境中。我嘗試著跟著書中的步驟，在自己的開發闆上實現瞭幾個小項目，比如一個簡單的信號發生器。在過程中，我遇到瞭不少問題，但書中詳細的排錯指南和調試技巧，幫助我一一剋服。尤其是在理解時序分析部分時，書中的圖示和解釋非常直觀，讓我茅塞頓開。我逐漸體會到，FPGA設計不僅僅是編寫代碼，更是一項綜閤性的工程，需要對硬件、軟件以及兩者之間的交互有深刻的理解。這本書讓我看到瞭FPGA在現代電子係統中的巨大潛力，也讓我對自己的學習方嚮更加明確。

評分☆☆☆☆☆

這本書我最近剛開始翻閱，它給我最深刻的印象是其內容的係統性和廣博性。我之前對FPGA的瞭解僅限於一些零散的概念和非常初級的應用，而這本書像是為我打開瞭一個新世界的大門。它從最基礎的數字邏輯原理講起，循序漸進地介紹瞭FPGA的架構、開發流程以及常用的硬件描述語言（HDL）。我尤其喜歡它在講解HDL部分時，沒有僅僅停留在語法層麵，而是深入剖析瞭不同語句結構在綜閤後對硬件電路的影響，這對於理解代碼與硬件之間的對應關係至關重要。書中的大量實例，從簡單的LED閃爍到稍微復雜的計數器和狀態機，都非常貼近實際，並且代碼的注釋也十分詳細，使得我能夠對照著一步步地去理解和實現。對於初學者來說，這種循序漸進的學習路徑和豐富的實踐案例，無疑是極大的幫助。我感覺自己不僅僅是在學習理論知識，更是在學習如何將理論轉化為實際可運行的數字係統。

評分☆☆☆☆☆

這本書的結構和編排方式非常值得稱贊。它遵循瞭由淺入深、由易到難的學習規律，使得不同基礎的讀者都能從中受益。對於零基礎的讀者，它提供瞭紮實的理論基礎；對於有一定FPGA經驗的讀者，它也提供瞭更深入的技術探討和更廣闊的應用視野。我特彆欣賞書中的一些小技巧和最佳實踐的分享，這些都是在實際工程中積纍下來的寶貴經驗，能夠幫助讀者少走彎路。例如，在講解調試技巧時，它提到瞭如何利用FPGA自帶的邏輯分析儀來捕獲信號，這對於解決硬件問題非常有幫助。此外，書中還討論瞭一些關於FPGA設計方法的原則，比如如何提高代碼的可讀性、可維護性和可重用性，這些都體現瞭作者在教學和工程實踐方麵的深厚功底。整體而言，這本書不僅是知識的傳授，更是思維方式的引導。

評分☆☆☆☆☆

作為一名對電子信息工程領域充滿好奇的在校生，我一直渴望找到一本能夠係統性地介紹FPGA數字係統設計的書籍。這本書的齣現，可以說正好滿足瞭我的需求。它的內容涵蓋瞭從基本的數字電路基礎到復雜的FPGA架構，再到具體的項目實踐。讓我印象深刻的是，書中在介紹FPGA的底層硬件結構時，用瞭相當篇幅來闡述其可編程邏輯單元、布綫資源等核心組件的原理，這有助於我理解FPGA之所以能夠實現各種數字功能的根本原因。在後麵的章節中，它通過一係列生動的項目案例，逐步引導讀者掌握FPGA的設計流程，包括需求分析、邏輯設計、仿真驗證、綜閤布局布綫以及最終的硬件實現。這些案例不僅技術含量高，而且緊密結閤瞭實際應用，例如在通信、控製等領域。這讓我對FPGA的應用前景有瞭更直觀的認識，也激發瞭我進一步深入學習的動力。

評分☆☆☆☆☆

不得不說，這本書在技術深度和實踐性方麵做得相當齣色。它並沒有迴避一些FPGA設計中比較復雜和關鍵的技術點，比如時序分析、約束文件的編寫以及一些高級的時序優化技巧。對於我這樣希望深入理解FPGA內在工作原理的讀者來說，這無疑是一大福音。書中對這些內容的闡述清晰易懂，並且通過具體的例子展示瞭如何應用這些技術來解決實際問題。例如，在講解時序約束時，它詳細列舉瞭各種約束命令的用法，以及如何通過分析時序報告來定位和解決時序違例。這一點非常實用，因為在實際項目開發中，時序問題常常是最大的挑戰之一。此外，它還介紹瞭一些常用的FPGA開發工具鏈的使用方法，這對於新手來說也是非常寶貴的指導。我個人認為，這本書的價值在於它不僅教你“做什麼”，更教你“為什麼這樣做”，以及“如何做得更好”。