高性能FPGA系统：时序设计与分析 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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崔嵬，王巍 著

图书标签:

• FPGA
• 高性能计算
• 时序分析
• 数字电路设计
• Verilog
• VHDL
• 嵌入式系统
• 硬件设计
• 电子工程
• 系统设计

出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040398496

版次：1

商品编码：11501310

包装：平装

开本：16开

出版时间：2014-07-01

用纸：胶版纸

页数：217

字数：320000

正文语种：中文

内容简介

　　《高性能FPGA系统：时序设计与分析》全面系统地讨论了高性能FPCA时序设计、分析的基本原理与实现方法。全书共分7章：第1章以Xilinx FPGA为例，对FPCA的设计流程进行了概述；第2章对FPGA时序参数定义、流水线与并行处理设计技术、时序路径分类、时钟的非理想性（时钟偏斜与时钟抖动）等进行了探讨；第3章主要讨论了FPCA时序约束设计要点，包括Xilinx FPCA时序约束语法规则、时序约束分组方法以及不同路径的时序约束方法等；第4章介绍了FP-CA时序约束分析的原理和方法，主要包括周期约束分析、偏移约束分析、时钟偏斜和时钟不确定性分析，此外还介绍了时序分析器Timing Analyzer的基本使用方法；第5章介绍了FPGA时序收敛的流程，分析了代码风格以及逻辑综合优化对时序收敛的影响，指出了有助于提高FPGA性能的设计方法；第6章和第7章分别以XilinxSpartan-3与Virtex-5/6系列FPCA为例，对面向时序性能的FPCA逻辑综合技术进行了深入的探讨。全书条理清晰，内容先进，讲解透彻，便于自学。
　　《高性能FPGA系统：时序设计与分析》可作为信息与通信工程、电子科学与技术、计算机科学与技术、控制科学与工程或相关专业的高年级本科生和研究生的教材，同时也是从事FPGA技术研究与微电子技术研究、生产及应用的工程技术人员的重要参考书。另外，对于其他专业想了解高性能FPGA时序设计与分析的工程技术人员，也是一本很有价值的参考书。

内页插图

目录

第1章 FPGA设计流程概述
1.1 FPGA设计流程
1.1.1 需求定义阶段
1.1.2 结构设计阶段
1.1.3 实现阶段
1.1.4 验证阶段
1.2 基于FPGA的SoPC设计方法
1.2.1 基于FPGA的典型SoPC开发流程
1.2.2 SoPC的开发环境

第2章 FPGA时序参数与时序路径
2.1 时序参数定义与分析
2.1.1 时序电路的基本单元
2.1.2 时序电路的时间参数
2.1.3 同步设计
2.1.4 时钟设计
2.1.5 毛刺消除
2.1.6 稳态和亚稳态
2.1.7 流水线与并行处理
2.1.8 路径与路径延迟
2.2 时钟偏斜的概念及影响
2.2.1 负时钟偏斜
2.2.2 正时钟偏斜
2.2.3 采用时钟分布技术降低时钟偏斜
2.2.4 时钟偏斜的时序分析
2.3 时钟抖动的概念及影响
2.3.1 时钟抖动的概念与产生机理
2.3.2 时钟抖动与相位噪声
2.3.3 时钟抖动对模数转换器性能的影响
2.3.4 降低时钟抖动的方法
2.4 时序路径的分类
2.4.1 Clock-to-Setup路径
2.4.2 Clock-to-Pad路径
2.4.3 Clock Input路径
2.4.4 Pad-to-Setup路径
2.4.5 Setup-to-Clock-at-the-Pad路径
2.4.6 Clock-Pad-to-Output-Pad路径
2.4.7 Pad-to-Pad路径

第3章 FPGA时序约束设计
3.1 时序约束前的设计要点
3.1.1 理解目标器件的结构和资源
3.1.2 理解目标器件的时钟资源
3.1.3 准确定义性能要求
3.1.4 正确使用综合工具及其控制属性
3.1.5 正确使用实现工具及其控制属性
3.1.6 评估关键路径
3.1.7 使用Smart Guide保存设计结果
3.2 时序约束语法规则
3.2.1 FROM-THRU-TO约束
3.2.2 PERIOD约束
3.2.3 TIMESPEC约束
3.2.4 TNM约束
3.2.5 TNM_NET约束
3.2.6 TPSYNC约束
3.2.7 TPTHRU约束
3.2.8 TSidentifier约束
3.2.9 0FFSETIN约束
3.2.10 0FFSETOUT约束
3.2.11 TIG约束
3.3 时序约束分组
3.3.1 分组约束
3.3.2 使用TNM/TNM_NET属性建立用户定义时序分组
3.3.3 约束优先级
3.4 时序约束方法
3.4.1 输入路径时序约束方法
3.4.2 寄存器到寄存器的时序约束方法
3.4.3 输出路径时序约束方法
3.4.4 时序例外
3.4.5 DLL/DCM/PLL/BUFR/PMCD元件的时序约束

第4章 FPGA时序约束分析
4.1 时序约束分析概述
4.2 PERIOD约束时序分析
4.2.1 PERIOD约束时序分析概述
4.2.2 PERIOD约束时序分析
4.3 FROM:TO约束时序分析
4.3.1 FROM:TO约束时序分析概述
4.3.2 FROM：TO约束时序分析规范
4.4 0FFSET约束时序分析
4.4.1 0FFSET约束时序分析概述
4.4.2 0FFSETIN约束时序分析
4.4.3 0FFSETOUT约束时序分析
4.5 时钟偏斜分析
4.6 时钟不确定度分析
4.7 改善性能的时序约束设计方法
4.8 利用时序分析器分析时序约束
4.8.1 Timing Analyzer概述
4.8.2 输入偏移约束时序分析
4.8.3 创建和浏览时序分析报告
4.8.4 同步元件时序分析
4.8.5 输出时序分析
4.8.6 时序例外约束分析
4.8.7 不受约束路径分析
4.8.8 交叉探查分析
……
第5章 FPGA时序收敛流程
第6章 面向时序性能的Spartan -3FPGA综合技术
第7章 面向时序性能的Virtex - 5/6FPGA综合技术

高性能FPGA系统：深入浅出，驾驭时序的奥秘 在当今快速发展的电子工程领域，FPGA（现场可编程门阵列）凭借其高度的灵活性和并行处理能力，已成为高性能计算、通信、人工智能等众多前沿技术的核心驱动力。然而，要充分释放FPGA的潜力，实现真正的高性能，时序的精准控制与深入的分析是不可或缺的关键。本书旨在为读者提供一个全面而深入的FPGA时序设计与分析的知识体系，帮助开发者从容应对复杂的时序挑战，构建稳定、高效的FPGA系统。 本书并非仅仅罗列枯燥的技术术语和工具操作，而是着眼于“为何”和“如何”，从设计理念、工程实践到问题解决，层层递进，带领读者踏上一场探索FPGA时序奥秘的深度之旅。我们相信，只有理解了底层原理，掌握了有效的分析方法，才能在实际项目中游刃有余，实现设计目标。 第一部分：时序设计的基础与理念 在深入复杂的时序约束和分析之前，理解FPGA内部结构以及时序产生的根源至关重要。本部分将从最基础的概念出发，为读者打下坚实的理论基础。 FPGA架构与时序路径的形成： 我们将首先剖析FPGA的核心组件，如逻辑单元（LUTs）、触发器（Flip-flops）、时钟网络、布线资源等。理解这些元素如何协同工作，以及信号在其中传播的物理路径，是理解时序延迟和抖动的起点。我们将详细阐述从输入端口到寄存器、寄存器到寄存器、寄存器到输出端口等不同类型时序路径的构成，以及它们各自的特点。 时钟的本质与挑战： 时钟是FPGA系统跳动的脉搏，其质量直接决定了系统的稳定性和性能。本部分将深入探讨理想时钟的特性，以及在实际FPGA系统中，时钟信号会遇到的各种非理想因素，如时钟抖动（Jitter）、时钟歪斜（Skew）、占空比失真（Duty Cycle Distortion）等。我们将分析这些因素对数据传输的影响，以及它们是如何成为时序收敛的“绊脚石”。 建立时间（Setup Time）与保持时间（Hold Time）的深度解析： 这是FPGA时序设计的两个最基本、也是最重要的概念。本书将不仅仅是解释它们的定义，而是深入剖析其背后的电路机制。我们将通过图示和详细的文字描述，展示数据需要在时钟沿到达触发器之前稳定多久（建立时间），以及在时钟沿过后需要保持多久（保持时间）。我们将详细讲解时序违例（Timing Violation）是如何产生的，以及它们对系统功能造成的直接影响，例如数据错误、状态丢失等。 时序约束的语言与艺术： 时序约束是指导FPGA工具进行综合、布局布线，并最终进行时序分析的核心指令。本部分将系统地介绍主要的时序约束命令，如`create_clock`、`set_input_delay`、`set_output_delay`、`set_false_path`、`set_max_delay`等。我们将详细阐述每个命令的语法、参数含义以及在不同设计场景下的应用。更重要的是，我们将强调“约束的艺术”，即如何根据实际需求和设计目标，编写既能满足功能要求，又能驱动工具实现高性能的时序约束。这将包括如何处理异步复位、多时钟域交互、伪路径等复杂情况。 第二部分：时序分析的工具与方法 理论知识需要工具的支撑才能转化为工程实践。本部分将聚焦于FPGA主流EDA工具提供的时序分析功能，指导读者如何有效地利用这些工具来诊断和解决时序问题。 综合与布局布线过程中的时序考量： 许多时序问题并非在代码编写阶段就能完全预见，而是在综合（Synthesis）和布局布线（Place & Route）过程中逐渐显现。我们将深入探讨这两个关键阶段对时序的影响。例如，综合的策略选择（如优化目标）会影响逻辑的实现方式，进而影响延迟；布局布线则直接决定了信号的布线长度和绕线方式，对布线延迟影响巨大。我们将提供如何在这些阶段进行有效干预的策略，比如调整综合选项、优化布局布线策略等。 静态时序分析（STA）的原理与实践： 静态时序分析是FPGA设计中不可或缺的验证手段。本书将深入解析STA的底层原理，包括时序图（Timing Diagrams）的绘制与解读、计算时序路径的延迟（逻辑延迟与布线延迟）、确定时序裕量（Timing Slack）。我们将详细介绍如何在EDA工具中运行STA，并重点讲解如何解读STA报告。读者将学会识别关键路径、负时序裕量、正时序裕量，以及理解不同类型的时序违例报告。 报告的深度解读： STA报告是时序分析的“体检报告”，其内容繁多且细节丰富。本部分将带领读者逐一剖析STA报告中的重要信息，包括： 关键路径分析： 如何找出影响系统最高时钟频率的关键路径，并分析其组成部分的延迟贡献。 时序违例报告： 如何准确理解建立时间违例和保持时间违例的详细信息，包括违例的路径、违例的时序值、以及可能导致违例的逻辑和布线。 时钟报告： 如何检查时钟树的状况，评估时钟歪斜和抖动的影响。 端口时序报告： 如何分析输入/输出端口的时序，确保与外部器件的接口匹配。 时序波形与仿真（Timing Simulation）的辅助作用： 虽然STA是静态的，但对于理解动态时序行为和调试特定时序问题，时序仿真仍然扮演着重要角色。我们将探讨如何在仿真环境中引入时序模型（Timing Models），以观察信号在时序约束下的行为，并配合STA结果，进行更细致的问题定位。 第三部分：高性能FPGA系统的时序设计策略与优化 掌握了基础理论和分析工具，接下来的挑战是如何主动地设计出高性能的时序。本部分将分享一系列行之有效的时序设计策略和优化技巧。 时钟域规划与同步： 在复杂系统中，往往存在多个时钟域。不同时钟域之间的数据传输是时序设计的难点之一。本书将详细阐述各种跨时钟域（CDC）信号的同步技术，如两级寄存器同步、FIFO同步、握手信号同步等，并分析它们的优缺点和适用场景。我们将强调设计健壮的CDC电路，以避免亚稳态（Metastability）的发生，确保系统稳定性。 流水线（Pipelining）设计： 流水线是提高FPGA系统吞吐量（Throughput）和最高工作频率的常用方法。我们将深入讲解流水线的设计原理，如何将一个复杂的组合逻辑任务分解成多个阶段，并在每个阶段之间插入寄存器。我们将讨论流水线的级数选择、流水线寄存器的放置时机，以及如何分析流水线设计的时序。 数据路径优化： 数据路径的延迟直接决定了组合逻辑的计算时间。本部分将介绍多种数据路径优化技术，包括： 逻辑门的折叠与展开： 如何通过调整逻辑门的组合方式来减少关键路径延迟。 并行处理： 如何利用FPGA的并行性，将串行计算转化为并行计算，大幅缩短处理时间。 查找表（LUT）的优化使用： 如何根据不同逻辑功能，合理分配和使用LUT资源，以优化时序。 布线优化策略： 即使逻辑设计优良，糟糕的布线也可能导致时序不达标。我们将探讨如何与布局布线工具协同工作，进行布线优化。这包括： 物理综合（Physical Synthesis）的应用： 在布局布线早期就引入时序驱动的优化。 时序约束的调整： 如何根据布线结果，微调时序约束，引导工具进行更优的布线。 区域约束（Region Constraints）与时序导向（Timing Directives）： 如何通过控制逻辑的物理位置，来优化布线延迟。 时序收敛（Timing Closure）的迭代过程： 时序收敛不是一次性的工作，而是一个持续迭代、不断优化的过程。本书将详细描述典型的时序收敛流程，从初步设计、综合、布局布线，到STA报告的分析，再到设计修改、约束调整，直至达到设计目标。我们将分享一些“秘诀”，帮助读者更高效地完成时序收敛，避免陷入“无休止”的调试循环。 低功耗与时序的权衡： 在高性能设计中，功耗往往也是一个重要的考量因素。我们将探讨高性能与低功耗之间的权衡关系，以及如何在追求高频率的同时，采取措施降低功耗，例如通过时钟门控（Clock Gating）等技术。 第四部分：高级时序议题与前沿展望 随着FPGA技术的不断进步，更复杂的时序挑战也不断涌现。本部分将触及一些高级议题，并展望未来的发展趋势。 高速接口的时序设计： 如DDR、PCIe、SerDes等高速接口，对时序有着极其严苛的要求。我们将讨论这些接口的时序特性，以及如何针对性地进行设计与分析。 嵌入式处理器与FPGA的时序交互： 在SoC（System on Chip）设计中，ARM核等嵌入式处理器与FPGA逻辑的时序交互是设计中的重点和难点。我们将分析其时序约束和验证方法。 误码率（BER）与时序裕量： 在通信系统中，时序裕量与数据传输的可靠性（误码率）息息相关。我们将探讨如何通过时序分析来评估和改善系统的BER。 机器学习在时序分析中的应用： 探讨机器学习技术在预测时序行为、自动优化时序约束方面的潜在应用。 面向未来的时序设计： 随着工艺节点的不断缩小和新的FPGA架构的出现，时序设计将面临新的挑战和机遇。我们将对未来FPGA时序设计的发展方向进行展望。 本书特色： 理论与实践并重： 每一个概念的提出都辅以工程实践中的实际应用和案例分析。 图文并茂： 大量精心绘制的示意图和时序图，帮助读者直观理解抽象的时序概念。 工具无缝对接： 介绍和分析的时序报告格式与主流EDA工具（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）紧密结合，读者可立即上手。 循序渐进的讲解： 从基础概念到高级议题，结构清晰，便于不同水平的读者学习。 强调设计思维： 引导读者培养解决时序问题的系统性思维和工程判断能力，而非仅仅局限于工具的使用。 本书的读者对象包括但不限于：FPGA硬件工程师、数字逻辑设计者、嵌入式系统开发者、对高性能计算与数字信号处理感兴趣的研究生和工程师。通过本书的学习，您将能够更自信地驾驭FPGA的时序挑战，设计出更稳定、更高效、更具竞争力的FPGA系统。

评分☆☆☆☆☆

作为一名刚入行不久的FPGA工程师，我深知时序设计的重要性，但如何在实践中掌握并精通它，一直是我的一个难题。这本书的出现，为我指明了方向。它的内容详尽且结构清晰，从最基础的时序概念讲起，逐步深入到高级的时序分析和优化技术。我最喜欢的部分是书中关于各种时序约束的讲解，这让我理解了如何正确地定义设计目标，并指导工具进行优化。同时，它也提供了许多实用的调试技巧，帮助我在遇到时序违例时，能够快速定位问题并加以解决。书中还穿插了大量的图例和代码示例，这使得理论知识更加生动形象，易于理解和应用。这本书的价值在于它不仅仅教授“是什么”，更重要的是教授“怎么做”。它帮助我建立了一个扎实的时序设计基础，也培养了我解决实际问题的能力。对于初学者来说，这本书绝对是一本非常好的入门和进阶指南。

评分☆☆☆☆☆

在如今对计算速度要求越来越高的时代，FPGA凭借其灵活性和并行处理能力，在许多领域都发挥着至关重要的作用。然而，要真正驾驭FPGA，使其在苛刻的时序要求下稳定运行，却是一项极具挑战的任务。这本书正是直面了这一挑战，为我们提供了一套系统而全面的解决方案。它深入剖析了高性能FPGA系统设计中时序的方方面面，从时钟树综合到数据路径优化，再到时序异常的检测和处理，无不详尽。我尤其对书中关于多时钟域设计的处理策略和风险分析印象深刻，这对于构建大型复杂FPGA系统至关重要。此外，作者对于时序报告的解读和常见问题的分析，也提供了许多独到的见解和实用的技巧，这对于我们实际工作中遇到的各种棘手问题，有着极大的启发和帮助。总而言之，这本书是一部关于高性能FPGA时序设计的百科全书，对于任何希望在FPGA领域深入研究的工程师来说，都具有极高的参考价值。

评分☆☆☆☆☆

这本书在我手中翻阅了不止一遍，每次重读都能发现新的体会和收获。它不仅仅是一本关于FPGA时序设计的技术手册，更像是一位经验丰富的导师，循循善诱地引导我理解时序的精髓。书中对于时序路径分析的讲解，让我深刻认识到每一个信号在电路中的传播路径都会影响最终的性能，也理解了如何通过调整设计来优化这些路径。特别是关于时序裕度（timing margin）的阐释，让我明白了如何评估设计的鲁棒性，以及在设计完成后如何对其进行有效的测试和验证。这本书并没有回避那些复杂和难以理解的细节，而是以一种严谨的态度，将它们一一呈现，并提供了解决问题的思路。对于那些在FPGA设计中追求极致性能的工程师来说，这本书提供的知识和方法，无疑是宝贵的财富，它帮助我将抽象的时序理论转化为切实可行的设计实践。

评分☆☆☆☆☆

我一直对高性能计算和硬件加速有着浓厚的兴趣，而FPGA无疑是实现这些目标的关键技术之一。在接触到这本书之前，我对FPGA的理解主要停留在功能实现的层面，对于如何将其性能发挥到极致，尤其是时序方面，总是感觉隔靴搔痒。这本书的出现，彻底改变了我的认知。它详细阐述了高性能FPGA系统设计的核心挑战，并深入探讨了时序约束的制定、时序收敛的策略，以及如何利用先进的设计技术来满足极高的时钟频率要求。书中对一些复杂的时序问题，如时钟域交叉、跨时钟域信号处理等，给出了非常详尽的解决方案，让我受益匪浅。我还特别欣赏书中关于时序分析工具的高级用法介绍，这使得我能够更有效地利用这些工具来诊断和优化我的设计。这本书不仅仅是关于理论，更多的是一种解决实际问题的思维方式和方法论。它帮助我构建了一个更系统、更全面的FPGA设计知识体系，让我对如何设计出真正高性能的FPGA系统有了更深刻的认识。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我带来了前所未有的惊喜，我一直以来都在FPGA的时序设计和分析领域摸索，虽然有一些零散的知识点，但总觉得缺乏系统性的指导。这本书的出现，简直就像及时雨。它以一种非常深入浅出的方式，将时序设计中的核心概念一一剖析，让我对时钟、约束、路径延迟等有了更清晰的理解。尤其让我印象深刻的是，书中不仅仅是理论的堆砌，而是结合了大量的实际案例和图示，这使得复杂的概念变得可视化，更容易被吸收。作者在讲解时序分析工具的使用上也花了很大的篇幅，从报告的解读到常见问题的排查，都给出了非常实用的指导。我之前在调试一些高性能项目时，经常会因为时序问题而陷入困境，这本书提供的分析方法和优化技巧，让我能够更快速地找到问题的根源，并采取有效的措施。它的内容非常扎实，绝非泛泛而谈，对于想要在FPGA领域有所建树的工程师来说，绝对是一本不可多得的参考书。我强烈推荐给所有从事FPGA设计工作的人，特别是那些在时序优化方面感到力不从心的读者。

评分☆☆☆☆☆

很实用的书，推荐购买

评分☆☆☆☆☆

书收到了，还没看，挺薄的，也不便宜，希望物有所值吧！

评分☆☆☆☆☆

查阅不是很方便 但是感觉市面上仅此一件

评分☆☆☆☆☆

书买回来还带塑料包皮，一是怕脏，二是怕水淋湿，售货员很细心哦！

评分☆☆☆☆☆

很好，很好，很好，很好，不错，不错，不错，不错

评分☆☆☆☆☆

单位购买的，等待专业人员的评价

评分☆☆☆☆☆

很薄，但写的很实际，专业。时序分析确实深入

评分☆☆☆☆☆

好书，专业很强

评分☆☆☆☆☆

看不太明白