Xilinx FPGA伴你玩转USB3.0与LVDS/电子设计与嵌入式开发实践丛书 pdf epub mobi txt 电子书下载 2025

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吴厚航著

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FPGA
USB3
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电子设计
嵌入式开发
Xilinx
接口技术
高速接口
开发实践
硬件设计

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出版社：清华大学出版社

ISBN：9787302491811

版次：1

商品编码：12346412

包装：平装

开本：16开

出版时间：2018-04-01

用纸：胶版纸

页数：268

字数：439000

具体描述

内容简介

本书主要使用Xilinx公司的Artix��7 FPGA器件（引出自带的LVDS接口）和Cypress公司的USB 3.0控制器芯片FX3，以及一些常见的DDR3存储器、UART电路、扩展接口等，由浅入深地引导读者从板级设计、软件工具、相关驱动安装到基础的FPGA实例,从基于FPGA的UART、DDR3、USB 3.0、LVDS传输实例入手，掌握FPGA各种片内资源的应用以及接口时序的设计。

本书基于特定的FPGA开发平台，既有足够的理论知识深度进行支撑，也有丰富的例程进行实践讲解，并且穿插着笔者多年FPGA学习和开发过程中的各种经验和技巧。对于希望基于FPGA实现USB 3.0和LVDS开发的工程师，本书提供的很多实例都是很好的参考原型，可以帮助其实现快速系统原型的开发。

精彩书摘

本章导读

本章通过5个基础实例，熟悉使用Xilinx FPGA对LED指示灯、拨码开关、UART外设的控制，以及使用FPGA实现PLL、MicroBlaze处理器、IP核定制等。希望通过这些例程，读者可以掌握基于Xilinx Artix��7系列FPGA器件和Vivado开发工具的使用。

5.1拨码开关的LED控制实例

本实例对应工程at7_ex02，如图5.1所示，AT7板子板载8个LED指示灯和8个拨码开关与FPGA相连。本实例所要实现的功能很简单，每个拨码开关对应控制一个LED指示灯的亮灭状态。

图5.1拨码开关与LED原理图

本实例的功能：每个时钟周期，将最新的拨码开关输入赋值给LED指示灯，代码如下所示。

module at7(

input sys_clk_i,//外部输入50MHz时钟信号

input ext_rst_n,　　//外部输入复位信号，低电平有效

input［7:0］ switch,　　//8个拨码开关输入，ON——低电平；OFF——高电平

output reg［7:0］ led　　//8个LED指示灯亮灭控制

);

//-------------------------------------

always @(posedge sys_clk_i or negedge ext_rst_n)

if(!ext_rst_n) led <= 8'd0;

else led <= switch;

endmodule

前言/序言

Foreword

前言

FPGA技术在当下各种电子设计应用中越来越火热，它的成本虽然还是高高在上，但是它给电子系统带来的不可限量的速度和带宽，以其在灵活性、小型性方面的优势，越来越被各种对性能要求高、偏重定制化需求的开发者所青睐。而使用LVDS、USB接口进行高速数据传输也是很多大数据采集应用的必然选择。

因此，笔者结合实际工程项目的需求，在本书中讲述基于Xilinx Artix��7 FPGA器件+LVDS+USB 3.0的开发,通过实例讲解，相信可以帮助读者快速掌握这个原型系统，甚至将其移植到具体的项目或产品中。

本书共8章。

第1章阐释FPGA、USB和LVDS的一些基本概念和应用背景。

第2章从FPGA开发平台的电路板设计入手，介绍FPGA板级硬件电路设计要点，以及本书配套开发平台的外围电路的设计。

第3章讲述开发环境的搭建，包括Xilinx FPGA集成开发环境Vivado、文本编辑器Notepad++、下载器驱动、UART驱动、USB 3.0控制器芯片FX3对应的SDK和驱动安装，帮助读者迅速解决这些最棘手的“软”问题。

第4章以一个最基本的FPGA实例引领读者掌握一个完整的FPGA开发流程，包括FPGA的下载配置和代码固化操作。

第5章为基础外设实例，包含基本的LED流水灯、拨码开关控制、PLL配置、用户自定义IP、UART和搭建基于MicroBlaze处理器的嵌入式系统，通过这些基本的实例确保读者能够快速掌握基于Xilinx FPGA的开发。

第6章主要介绍DDR3 SDRAM的配置、仿真和板级调试。

第7章集中在USB 3.0控制器芯片FX3相关的实例上，既有单独FX3和PC的USB 3.0传输实例，也有FPGA + FX3和PC之间的USB 3.0数据传输实例。

第8章讲解如何使用FPGA实现LVDS接口应用，包括LVDS基本的收发设计以及包含CRC校验的LVDS收发设计。

吴厚航（网名：特权同学）

2017年12月于上海

Xilinx FPGA伴你玩转USB 3.0与LVD

《 FPGA工程师的进阶之路：高速接口与嵌入式系统实战解析》书籍简介在当今快速发展的电子行业中，FPGA（现场可编程门阵列）作为一种高度灵活且功能强大的硬件平台，正扮演着越来越重要的角色。从高性能计算到通信系统，从工业自动化到消费电子，FPGA的应用领域不断拓展，对工程师的技能要求也日益提高。本书旨在为广大FPGA工程师，特别是那些希望在高速接口设计和嵌入式系统开发领域深入发展的专业人士，提供一套系统、实用的学习指南。本书将聚焦于FPGA工程师在实际工作中经常遇到的关键技术和挑战，并以深入浅出的方式进行解析。我们不会仅仅停留在理论层面，而是强调与实际项目相结合，通过丰富的工程实践案例，帮助读者真正掌握FPGA的设计流程、性能优化技巧以及与其他硬件和软件系统的协同工作方法。第一部分：深入理解FPGA内部机制与设计流程在正式踏入高速接口和嵌入式系统之前，扎实的FPGA基础知识至关重要。本部分将带领读者从FPGA的内部架构出发，理解其工作原理，包括查找表（LUT）、触发器、布线资源以及时钟管理模块等核心组成部分。我们将详细介绍不同FPGA供应商（如Xilinx和Intel/Altera）的产品系列特点，帮助读者根据项目需求选择最合适的FPGA器件。随后，本书将系统性地阐述FPGA的设计流程，从需求分析、高层设计、HDL（硬件描述语言）编码、综合、布局布线，到时序约束、时序分析、仿真验证以及最终的比特流生成和下载。我们将重点讲解如何撰写高效、可读性强的HDL代码（Verilog和VHDL），以及如何利用综合和布局布线工具来优化设计性能和资源利用率。时序分析是FPGA设计中最具挑战性的环节之一，我们将深入剖析静态时序分析（STA）的原理，讲解各种时序约束的设定方法，以及如何定位和解决时序违例问题，确保设计在目标频率下稳定运行。第二部分：精通高速接口设计原理与实践高速接口是现代电子系统中的“生命线”，其设计难度和重要性不言而喻。本部分将围绕FPGA工程师必须掌握的高速接口设计展开深入探讨。 2.1 通用串行高速接口协议解析我们将首先介绍当前主流的通用串行高速接口协议，例如PCI Express (PCIe)。PCIe作为PC和服务器领域的核心总线，其高速、低延迟的特性使其在高性能计算、数据采集等领域应用广泛。本书将深入解析PCIe的物理层、数据链路层和事务层，重点讲解PCIe的通道（Lane）、速率（Gen1/Gen2/Gen3/Gen4/Gen5）、报文（Transaction Layer Packet, TLP）和握手协议。通过实际的PCIe IP核（Intellectual Property Core）配置和使用示例，读者将学习如何在FPGA中实现PCIe接口，并掌握相关的配置和调试技巧。 2.2 以太网（Ethernet）高速接口设计以太网作为数据通信的基石，其在FPGA中的应用也极为普遍，尤其是在网络设备、通信系统和嵌入式系统中的网络互联。我们将重点介绍10/100/1000 Mbps以太网的MAC层和PHY层工作原理，以及在FPGA中实现千兆以太网（Gigabit Ethernet）的常见方案，包括使用MAC IP核和外部PHY芯片的协同设计。本书将讲解以太网帧的结构、MAC地址、IP地址、TCP/UDP协议栈的基本概念，并提供在FPGA中实现简单的以太网数据收发模块的工程实践。对于更高带宽的需求，我们将简要介绍10GbE、40GbE等高速以太网接口的设计挑战和通用实现方法。 2.3 DDR/DDR2/DDR3/DDR4/LPDDR SDRAM接口设计高速DRAM（动态随机访问存储器）是FPGA系统中数据存储和交换的关键。本部分将详细介绍DDR SDRAM的内部结构、读写时序、初始化流程以及各种模式（如自刷新、低功耗模式）。我们将重点讲解如何在FPGA中设计DDR PHY（物理接口）和DDR控制器，以实现对DRAM的高效访问。本书将通过大量的时序图和参数讲解，帮助读者理解DDR接口设计的难点，例如信号完整性、时钟相位对齐、数据眼（Data Eye）的打开以及如何通过IP核（如Xilinx MIG）进行优化配置。同时，我们也会介绍LPDDR（低功耗DDR）接口在移动设备和嵌入式领域的应用特点。 2.4 USB 3.0 接口设计 USB（通用串行总线）是目前最普及的外部接口之一，而USB 3.0（SuperSpeed USB）提供了远超USB 2.0的传输速度，对FPGA设计提出了新的挑战。本书将深入解析USB 3.0的物理层（SuperSpeed信号，如Tx/Rx数据对，差分信号）、链路层和协议层。我们将重点讲解USB 3.0的传输模式（如Bulk、Interrupt、Isochronous）、包结构、握手协议和错误检测机制。读者将学习如何利用FPGA资源实现USB 3.0主机端（Host）或设备端（Device）的控制器，并了解如何通过USB 3.0 IP核来简化设计。书中将提供USB 3.0数据传输的原理演示，以及在FPGA系统中实现USB 3.0设备的工程实践案例，包括数据缓冲、协议解析和与应用层的数据交互。第三部分：嵌入式系统开发与FPGA的深度融合 FPGA在嵌入式系统中的应用越来越广泛，尤其是在需要高性能数据处理、实时控制或定制化接口的场景。本部分将聚焦于FPGA与嵌入式系统的深度融合，帮助读者构建功能强大、性能卓越的嵌入式解决方案。 3.1 嵌入式处理器与FPGA的协同设计许多现代嵌入式系统采用“软核”或“硬核”处理器与FPGA相结合的架构。我们将探讨如何在FPGA中集成软核处理器（如Xilinx MicroBlaze、Intel Nios II）或利用硬核处理器（如ARM Cortex-A系列，集成在Xilinx Zynq SoC或Intel Arria/Stratix SoC系列器件中）来构建完整的嵌入式系统。本书将详细介绍处理器系统与FPGA逻辑之间的数据通路（如AXI总线、Wishbone总线）设计，以及如何进行高效的软硬件协同开发。读者将学习如何在FPGA中设计定制化的外设，并将其集成到嵌入式处理器系统中，实现特定功能。 3.2 实时操作系统（RTOS）在FPGA嵌入式系统中的应用在复杂的嵌入式系统中，实时操作系统（RTOS）能够有效地管理任务、资源和中断，提高系统的实时性和可靠性。本书将介绍RTOS的基本概念，如任务调度、进程间通信（IPC）、中断处理和内存管理。我们将重点讲解如何在基于FPGA的嵌入式系统中集成和应用RTOS，例如FreeRTOS、Zephyr等。读者将学习如何为RTOS编写驱动程序，如何将FPGA中的中断服务程序（ISR）与RTOS进行集成，以及如何利用RTOS来管理FPGA中的各种功能模块，实现更复杂的嵌入式应用。 3.3 FPGA在图像处理与计算机视觉中的嵌入式应用图像处理和计算机视觉是FPGA在嵌入式领域的热门应用方向。本部分将介绍FPGA在加速图像处理算法方面的优势，例如边缘检测、滤波、特征提取等。我们将重点讲解如何在FPGA中实现图像信号处理流水线，如何处理不同格式的图像数据（如RAW、YUV、RGB），以及如何与嵌入式处理器协同工作，实现实时的图像分析和识别。本书将提供一些基础的图像处理算法在FPGA上的实现案例，并探讨如何将这些算法集成到嵌入式系统中，用于安防监控、无人机、工业视觉等领域。 3.4 FPGA在通信协议栈实现中的应用在嵌入式通信系统中，FPGA常用于实现底层的通信协议栈，以满足实时性和高性能的要求。本部分将探讨FPGA在实现TCP/IP协议栈、CAN总线、Modbus等通信协议方面的应用。我们将讲解协议栈的分层结构，以及如何在FPGA中实现MAC层、IP层、TCP/UDP层等关键模块。通过实际案例，读者将学习如何设计高效的通信接口，如何处理大量的网络数据包，以及如何优化FPGA的设计以满足通信系统的性能需求。第四部分：工程实践、调试与性能优化理论结合实践是掌握FPGA技术的关键。本部分将分享丰富的工程实践经验，并深入探讨FPGA设计的调试与性能优化。 4.1 FPGA项目开发流程与工具链我们将概述一个典型的FPGA项目开发流程，从需求定义、方案设计、模块划分，到代码开发、集成验证、系统测试。本书将重点介绍主流FPGA开发工具链的使用，例如Xilinx Vivado、Intel Quartus Prime等，并讲解其主要功能模块，包括项目管理、HDL编辑器、IP库、综合器、布局布线器、时序分析工具和调试器。 4.2 FPGA系统级调试技术 FPGA的调试往往比软件调试更具挑战性。本部分将详细介绍FPGA的系统级调试技术，包括使用逻辑分析仪、ILA（Integrated Logic Analyzer）或SignalTap II进行在线信号探测，以及如何利用JTAG接口进行在线仿真和调试。我们将讲解如何有效地定位硬件故障和设计错误，以及如何利用调试工具来分析时序问题和功能异常。 4.3 FPGA设计性能优化策略性能优化是FPGA设计中永恒的主题。本书将系统性地介绍各种性能优化策略，包括：算法优化：如何选择或设计更适合硬件实现的算法。 HDL编码优化：编写更高效、资源占用更少的HDL代码。流水线（Pipelining）技术：通过增加级联寄存器来提高时钟频率。并行处理（Parallelism）技术：利用FPGA的大规模并行计算能力。资源共享与复用：合理利用FPGA的有限资源。时钟域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）处理：解决不同时钟域之间的数据传输问题。低功耗设计技术：在保证性能的同时，降低FPGA的功耗。 4.4 实际工程案例分析本书将通过一系列详实的工程案例，将前面章节所介绍的理论知识和技术融会贯通。这些案例将涵盖不同领域的应用，例如：高性能数据采集与处理系统：利用FPGA实现高速ADC数据采集和实时信号处理。嵌入式网络通信模块：基于FPGA实现定制化的网络协议栈和接口。 FPGA加速的图像/视频处理单元：实现复杂的图像算法，并与嵌入式处理器协同工作。 USB 3.0 外设接口设计：构建一个完整的USB 3.0设备端，实现高速数据传输。 LVDS/SerDes接口在高速数据传输中的应用：讲解LVDS（低压差分信号）等接口在FPGA之间的点对点高速通信中的设计与实现。通过对这些案例的深入剖析，读者将能够学习到在实际工程中遇到的各种问题及其解决方案，从而快速提升工程实践能力。目标读者本书适用于以下人群：希望系统性学习FPGA设计，并深入掌握高速接口和嵌入式系统开发的在校本科生、研究生。有一定FPGA基础，希望提升技术水平，拓展职业发展方向的初中级FPGA工程师。从事嵌入式系统、通信、数字信号处理、计算机体系结构等相关领域的工程师，需要掌握FPGA技术以解决实际工程问题。对硬件设计和低功耗计算感兴趣的技术爱好者。本书的价值本书的独特之处在于其“理论与实践并重”的编写理念。我们不仅会讲解核心的技术概念，更会通过大量的工程实践案例，帮助读者理解这些概念在实际项目中的应用。书中提供的代码示例、调试技巧和优化策略，将是读者在日常工作中宝贵的参考。通过学习本书，读者将能够：建立坚实的FPGA设计基础，掌握高效的HDL编码和工具使用。精通多种高速接口协议的原理与FPGA实现，满足系统对数据传输速度的要求。深入理解嵌入式系统与FPGA的协同工作方式，构建复杂的嵌入式解决方案。掌握FPGA系统的调试与性能优化技术，提高设计的鲁棒性和效率。通过丰富的工程案例，获得宝贵的实践经验，缩短从理论到实践的距离。我们相信，通过本书的学习，广大FPGA工程师将能够更加自信地应对当前及未来电子行业的技术挑战，并在高速接口和嵌入式系统开发领域取得更大的成就。

用户评价

评分☆☆☆☆☆

这本书真的像一位经验丰富的导师，在我学习FPGA的过程中起到了至关重要的作用。我之前在学习USB3.0时，常常感到无从下手，协议繁多，时序复杂，总是在理论和实践之间难以找到一个有效的连接点。而这本书的出现，彻底改变了我的困境。它没有回避USB3.0的复杂性，而是以一种非常清晰、逻辑严谨的方式，将庞大的协议栈分解成一个个易于理解的部分，并辅以大量的图示和代码示例。让我印象最深刻的是，作者在讲解数据传输流程时，会详细分析每一个阶段的状态机和信号交互，这对于我理解整个流程至关重要。LVDS部分的讲解也同样出色，作者通过对比不同的LVDS应用场景，以及分析信号完整性问题，让我深刻认识到高速信号设计的重要性，并且掌握了一些实用的设计技巧。让我感到惊喜的是，书中关于电子设计与嵌入式开发实践的内容，并不是简单地罗列一些开发板和工具，而是深入探讨了整个开发流程中的一些共性问题，例如如何进行有效的模块化设计，如何进行高效的调试，以及如何优化性能等。这些内容对于提升我的工程实践能力非常有帮助。总之，这本书为我提供了一个非常全面且深入的学习平台，让我能够更自信地去挑战更复杂的FPGA项目。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉就像是一张精美的藏宝图，指引我深入探索FPGA的奇妙世界。在我看来，它的最大价值在于其“实践性”和“启发性”。USB3.0和LVDS这两个主题，本身就具有一定的门槛，但作者通过极其生动且易于理解的方式，将这些复杂的概念娓娓道来。我尤其欣赏书中关于信号完整性分析和优化的章节，这部分内容往往是很多书籍中容易被忽略的，但对于实际的高速接口设计至关重要。作者提供了非常具体的案例和分析方法，让我能够清晰地看到如何通过合理的PCB布局和走线来保证信号质量。而电子设计与嵌入式开发实践的部分，更是锦上添花。书中关于如何进行项目规划、如何选择合适的开发工具、以及如何进行有效的调试策略的讲解，都非常实用。我之前在做嵌入式项目时，常常会遇到一些难以解决的bug，但通过学习书中的调试技巧，我发现很多问题迎刃而解。这本书不仅仅是传授知识，更是培养一种解决问题的能力和一种工程思维。它让我明白了，真正的“玩转”FPGA，不仅仅是掌握技术，更是要将技术融会贯通，并应用于解决实际的工程问题。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，我最大的感受是，它真正做到了“授人以渔”。我之前在学习FPGA的时候，常常会陷入一个误区，就是死记硬背一些API或者寄存器配置，但对底层原理却了解不深。这本书恰恰弥补了这一块的不足。它在讲解USB3.0和LVDS时，并没有仅仅停留在接口的应用层面，而是深入剖析了其背后的硬件原理和设计思想。例如，在讲解USB3.0的物理层时，作者详细介绍了信号编码、时钟恢复等关键技术，让我对高速串行接口的工作机制有了更深刻的认识。而LVDS部分的讲解，同样让我受益匪浅，关于差分信号的产生与接收，以及如何抑制共模噪声的分析，都非常有深度。更让我感到欣喜的是，这本书在电子设计与嵌入式开发实践方面的论述，也充满了智慧。作者分享了许多他在实际项目中积累的宝贵经验，例如如何进行系统级的性能评估，如何进行代码重构以提高可读性和可维护性，以及如何有效地进行团队协作等。这些内容，对于任何希望在嵌入式领域有所建树的开发者来说，都是无价之宝。这本书不仅仅是关于技术，更是关于如何成为一名优秀的工程师。

评分☆☆☆☆☆

这本书绝对是近年来我在FPGA领域遇到的最令人兴奋的读物之一，即使你已经有一些基础，它也能给你带来意想不到的启发。我尤其喜欢作者在讲解USB3.0部分时那种抽丝剥茧般的严谨态度，每一个协议层、每一个时序细节都讲解得绘声绘色，仿佛你正坐在作者身边，由他亲自手把手地指导。让我印象深刻的是，书中不仅仅是理论堆砌，而是大量结合了实际的工程案例，从原理到实现，再到调试过程中可能遇到的各种坑，都一一列举并给出了解决方案。这对于初学者来说，简直是宝藏！我之前尝试过几本关于高速接口的书，但很多都停留在概念层面，要么就是代码片段过于晦涩难懂。这本书的优势在于，它能够将复杂的理论转化为可执行的代码，并且提供了详尽的说明，让你不仅知其然，更知其所以然。读完关于USB3.0的部分，我对高性能数据传输的理解上升了一个新的台阶，甚至开始思考如何在自己的项目中应用这些技术。而LVDS的部分，同样精彩，那些关于信号完整性、阻抗匹配的讲解，让我茅塞顿开，很多之前在实际设计中遇到的信号问题，现在都能找到根源所在。作者的文字功底也非常扎实，没有生涩难懂的专业术语，即使是初学者，也能循序渐进地理解。总而言之，这是一本能够真正帮助你“玩转”高速接口的实战指南。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我一开始对这本书并没有抱太大的期望，毕竟市面上关于FPGA的书籍实在太多了，质量参差不齐。然而，当我翻开它之后，立刻就被深深吸引了。作者的叙事方式非常独特，他没有采用枯燥乏味的教科书式讲解，而是将复杂的概念融入到一个个引人入胜的故事和场景中。例如，在讲解LVDS的时候，他没有直接抛出公式和图表，而是先描绘了一个需要高速、低噪声传输的场景，然后层层深入，解释LVDS是如何在这种场景下大显身手的。这种“故事化”的讲解方式，让原本晦涩的技术变得生动有趣，也更容易被我这样的读者所理解和记忆。更重要的是，书中对实际项目开发流程的描述也非常到位，从需求分析、架构设计，到代码编写、仿真验证，再到硬件调试，每一个环节都进行了详细的阐述，并提供了大量的实用技巧和注意事项。我特别喜欢其中关于嵌入式开发实践的部分，它不仅仅是教你如何写代码，更是教你如何像一个经验丰富的工程师一样去思考和解决问题。那些关于资源优化、功耗管理、时序约束的讲解，对我来说具有极高的参考价值。通过这本书，我不仅掌握了相关的技术知识，更重要的是，培养了一种解决实际问题的思维方式。