FPGA芯片架构设计与实现 电子与通信 书籍 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121306105

商品编码：19243466977

商品基本信息，请以下列介绍为准
商品名称：	FPGA芯片架构设计与实现 电子与通信 书籍
作者：	余乐
定价：	56.0
出版社：	电子工业出版社
出版日期：	2017-07-01
ISBN：	9787121306105
印次：
版次：	1
装帧：	平装-胶订
开本：	16开

内容简介

可编程通用逻辑门阵列芯片简称FPGA，与CPU，DSP并列为三大通用数字处理芯片，广泛应用于通信、航空航天、、国防军工以及安防视频监控等领域。通过本书的学习，读者可以全面了解一颗FPGA芯片从设计、验证到流片的全部开发过程。 本书共分10章，采取“总—分”的编排方式。第1章从架构的总体设计入题对FPGA进行介绍。第2~10章，分别对其中的各个重要模块逐一介绍，包括：时钟网络、电源/地线网络和漏电流、可编程逻辑单元、可编程I/O模块、DDR存储器接口、数字延时锁定环、连线连接盒、互连线段长度分布以及配置模块。 本书适合从事集成电路设计的工程师、微电子专业研究生以及从事微电子专业教学研究的教师和科研人员阅读。本书还可以作为高等院校教授集成电路设计的辅助资料。

目录

第1 章 FPGA 架构总体设计 ········································································· 1 1.1 FPGA 芯片研制流程·········································································· 1 1.2 FPGA 架构设计流程·········································································· 7 1.3 FPGA 规模和资源划分 ····································································· 17 1.4 FPGA 中功能模块划分 ····································································· 20 本章参考文献 ······················································································ 26 第2 章 FPGA 中时钟网络 ·········································································· 30 2.1 简介 ···························································································· 30 2.2 FPGA CDN 建模 ············································································· 33 2.3 时钟网络设计方法 ·········································································· 43 2.4 时钟网络的灵活性 ·········································································· 48 2.5 路由级联 ······················································································ 51 2.6 仿真实验 ······················································································ 55 2.7 时钟网络热学建模 ·········································································· 61 2.8 仿真实验 ······················································································ 62 本章参考文献 ······················································································ 66 第3 章 FPGA 中电源/地线网络和漏电流 ··

《数字集成电路设计导论》 简介 本书旨在为读者提供一个全面而深入的数字集成电路设计基础。从晶体管级别的物理原理出发，逐步过渡到复杂的逻辑门电路、组合逻辑和时序逻辑电路的设计方法，最终涵盖标准单元库的应用、逻辑综合、静态时序分析等现代集成电路设计流程中的关键技术。本书内容严谨，逻辑清晰，理论与实践相结合，力求为电子工程、微电子学、计算机体系结构等相关领域的学生和工程师奠定坚实的理论基础和实践能力。 第一部分：数字电路基础与晶体管模型 在深入探讨集成电路设计之前，理解构成一切的基础——晶体管——至关重要。本部分将从半导体材料的物理特性入手，介绍 PN 结的形成机理及其特性，为理解 MOS 晶体管的工作原理打下基础。 半导体物理基础： 介绍本征半导体和杂质半导体的载流子特性，以及空穴和电子的概念。深入分析费米能级、禁带宽度等关键概念，以及它们如何影响半导体的导电性。 PN 结的形成与特性： 讲解 PN 结的形成过程，包括扩散和迁移过程，以及由此产生的内建电场和耗尽层。分析 PN 结在正偏、反偏和零偏下的电流-电压特性，以及二极管的整流作用。 MOS 晶体管模型： 详细阐述 MOS 晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的工作原理，包括 NMOS 和 PMOS 两种类型。讲解阈值电压、跨导、漏极电流等关键参数。介绍各种 MOS 晶体管模型，从简单的理想模型到更复杂的 EKV 模型、BSIM 模型，分析它们在不同工作区域（截止区、线性区、饱和区）下的行为。理解不同工艺参数（如栅长、栅宽）对晶体管性能的影响。 CMOS 反相器： 以最基本的 CMOS 反相器为例，深入分析其工作原理。讲解其电压传输特性（VTC），以及阈值电压、噪声容许度等重要指标。分析反相器在逻辑“0”和逻辑“1”状态下的功耗和延迟。 第二部分：逻辑门与组合逻辑电路设计 在掌握了晶体管的构建块之后，本部分将引导读者将它们组合成执行基本逻辑运算的逻辑门，并进一步设计出实现复杂逻辑功能的组合逻辑电路。 基本逻辑门： 详细介绍与门（AND）、或门（OR）、非门（NOT）、与非门（NAND）、或非门（NOR）、异或门（XOR）和同或门（XNOR）的逻辑功能、真值表和电路实现。分析不同逻辑门在 CMOS 工艺下的具体实现方式，以及它们的输入输出电平标准。 布尔代数与逻辑化简： 介绍布尔代数的基本定理和定律，如交换律、结合律、分配律、德摩根定律等。讲解使用卡诺图（Karnaugh Map）和奎恩-麦克拉斯基（Quine-McCluskey）算法进行逻辑函数的化简，以最小化电路的复杂度和功耗。 组合逻辑电路设计： 讲解如何根据逻辑功能描述设计组合逻辑电路。涵盖多路选择器（Multiplexer）、译码器（Decoder）、编码器（Encoder）、加法器（Adder）、减法器（Subtractor）等典型组合逻辑模块的设计方法。深入分析二进制加法器的原理，包括半加器、全加器，以及行波进位加法器（Ripple Carry Adder）和超前进位加法器（Carry Lookahead Adder）等不同进位方式的优劣。 竞争与冒险现象： 分析组合逻辑电路中可能出现的竞争（Race Condition）和冒险（Hazard）现象，理解它们的产生原因（如门延迟不一致）和危害。介绍消除冒险的常用方法，如引入冗余项、使用锁存器等。 第三部分：时序逻辑电路设计 时序逻辑电路是数字系统设计的核心组成部分，它们具有记忆功能，电路的输出不仅取决于当前输入，还与过去的状态有关。本部分将深入探讨时序电路的设计方法。 触发器（Flip-Flop）： 详细介绍各种类型的触发器，包括 SR 触发器、D 触发器、JK 触发器和 T 触发器。分析它们的结构、工作原理、状态转移图和特性方程。重点讲解 D 触发器在现代数字设计中的广泛应用。 时钟（Clock）信号： 介绍时钟信号在同步时序电路中的作用，包括时钟周期、时钟频率、占空比等参数。分析时钟偏斜（Clock Skew）和时钟抖动（Clock Jitter）等时钟信号的质量问题及其对电路性能的影响。 寄存器（Register）： 讲解寄存器作为一组触发器的集合，用于存储并行数据。介绍移位寄存器（Shift Register）的功能和应用，如串并转换和数据移位。 计数器（Counter）： 介绍同步计数器和异步计数器的设计方法。分析不同进制计数器（如二进制计数器、十进制计数器）的实现。讲解可预置计数器（Preset Counter）和可置零计数器（Clear Counter）等通用计数器模块。 有限状态机（Finite State Machine, FSM）： 介绍 Moore 型和 Mealy 型有限状态机的设计概念。讲解如何根据状态转移图和输出逻辑表设计 FSM。分析 FSM 在序列检测、控制器设计等领域的应用。 第四部分：集成电路设计流程与工具 现代集成电路设计是一个复杂而精密的工程，涉及多个阶段和专业的EDA（Electronic Design Automation）工具。本部分将概览这一流程，并介绍常用的设计方法和工具。 设计层次： 介绍集成电路设计的不同抽象层次，从算法级（Architecture Level）、寄存器传输级（Register Transfer Level, RTL）、门级（Gate Level）到物理级（Physical Level）。 硬件描述语言（HDL）： 介绍 Verilog 和 VHDL 等主流硬件描述语言的基本语法和特性。讲解如何使用 HDL 进行电路的功能描述、行为建模和结构建模。 逻辑综合（Logic Synthesis）： 讲解逻辑综合的原理和目的。介绍如何将 HDL 描述的代码转换为门级网表（Netlist）。分析综合工具在优化电路面积、速度和功耗方面的作用。 静态时序分析（Static Timing Analysis, STA）： 详细阐述静态时序分析的概念和重要性。讲解建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）违例的危害。介绍 STA 工具如何计算关键路径（Critical Path）延迟，并验证电路的时序性能。 物理设计（Physical Design）： 简要介绍物理设计的基本流程，包括布局（Placement）和布线（Routing）。解释这些过程如何将门级网表映射到实际的硅片上，并考虑连接线延迟和功耗。 验证（Verification）： 强调验证在集成电路设计中的关键作用。介绍功能验证（Functional Verification）和时序验证（Timing Verification）等不同类型的验证方法。 第五部分：面向实际应用的电路设计 在掌握了基本的理论和工具之后，本部分将通过一些实例，展示如何将所学知识应用于实际的数字电路设计中。 算术逻辑单元（ALU）设计： 讲解如何设计一个基本的算术逻辑单元，能够执行加法、减法、逻辑与、逻辑或等基本运算。 存储器结构： 介绍 RAM（Random Access Memory）和 ROM（Read-Only Memory）的基本结构和工作原理。讲解如何使用触发器和逻辑门实现简单的寄存器文件。 接口电路设计： 简要介绍一些常见的接口电路设计考虑，如总线接口、简单的串行接口（如 UART）的基本原理。 低功耗设计基础： 介绍集成电路设计中的功耗问题，以及一些基本的低功耗设计技术，如时钟门控（Clock Gating）、门控（Power Gating）等。 总结 《数字集成电路设计导论》旨在为读者提供一个系统性的学习路径，从微观的晶体管行为到宏观的集成电路设计流程。通过理论讲解、实例分析和对现代设计工具的介绍，本书致力于培养读者理解、设计和验证数字集成电路的能力，为他们在集成电路设计领域进一步的学习和职业发展打下坚实的基础。本书内容丰富，覆盖面广，逻辑严谨，适合作为高等院校电子工程、微电子学、计算机科学等专业的教材，也可作为相关领域工程师的参考书籍。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对数字逻辑设计和计算机体系结构有着浓厚兴趣的学生，我一直在寻找能够系统性地讲解FPGA底层机制的书籍。最近，我偶然发现了一本关于FPGA芯片架构设计的著作，它彻底改变了我对FPGA的认知。这本书的内容极其详实，它并没有停留在HDL语言层面，而是将我们带入了FPGA芯片的“内部世界”。书中详细剖析了FPGA的核心组成部分，包括可编程逻辑阵列（PLA）的演变，如何构建查找表（LUT）和触发器（FF）组成的逻辑单元（Logic Element），以及如何利用精密的布线网络（Routing Network）将这些单元连接起来。我印象最深刻的是，书中对FPGA片上资源（On-Chip Resources）的划分和管理做了非常细致的讲解，例如如何有效地利用Block RAM实现片上存储，以及DSP Slice如何加速数学运算。这本书还探讨了FPGA的设计流程，从逻辑综合到布局布线，以及时序分析的重要性，并解释了这些步骤如何与FPGA的物理架构紧密相关。它不仅讲解了“是什么”，更深入地探讨了“为什么”，例如为什么FPGA的布线会成为性能瓶颈，以及不同的架构设计如何影响功耗和面积。这本书为我打开了通往FPGA底层设计的大门，让我对数字世界的设计原理有了更深刻的理解。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对数字电路和计算原理充满好奇的学生，我一直在寻找能够深入理解现代计算硬件背后机制的书籍。无意中，我接触到了一本关于FPGA芯片架构设计的作品。这本书的视角非常独特，它不像一些教材那样直接堆砌公式和电路图，而是试图从“为什么”的角度来解释FPGA的设计。它首先回顾了半导体技术的发展，解释了为什么会出现FPGA这种可编程逻辑器件，以及它在通用计算和专用计算领域扮演的角色。书中详细分析了FPGA芯片的物理实现，包括不同工艺下的晶体管如何构成查找表（LUT）、寄存器（Flip-Flop）等基本逻辑单元，以及这些单元如何被组织成逻辑块（Logic Block）。更令我印象深刻的是，它深入剖析了FPGA的布线网络（Interconnect Network），解释了为何看似简单的信号传输在FPGA内部会如此复杂，以及不同的布线策略如何影响设计性能和功耗。书中还讨论了FPGA在实现并行计算、硬件加速等方面的优势，并结合了一些典型的应用场景进行分析，例如在图像处理、网络通信和人工智能等领域。读这本书，我感觉自己像是进入了一个数字世界的“制造车间”，了解了那些驱动我们日常使用的电子产品运行的底层逻辑是如何一步步被构建出来的。它极大地拓宽了我对计算机硬件的认知边界，也激发了我对更深入的硬件设计领域探索的兴趣。

评分☆☆☆☆☆

最近在研究信号处理算法，过程中遇到了很多需要高性能硬件加速的场景。传统的CPU在处理大量并行数据时显得力不从心，所以FPGA就成了一个非常自然的选择。我之前接触过一些FPGA的应用，但对底层的架构设计一直知之甚少，总觉得隔着一层纱。偶然的机会，我读到了一本探讨FPGA芯片架构设计的著作。这本书的内容非常深入，它并没有局限于某一种具体的FPGA厂商或者系列，而是着眼于FPGA的通用原理和设计思想。书中详细讲解了FPGA的发展历程，从早期的CPLD到如今大规模的FPGA芯片，技术的演进背后蕴含着怎样的设计哲学，这点我感觉非常有启发。它系统地介绍了FPGA内部的逻辑块（Logic Blocks）是如何实现的，包括查找表（LUT）、触发器（Flip-flops）等基本单元的设计思想，以及如何通过可编程的互连资源（Programmable Interconnects）将这些逻辑块连接起来，构成复杂的数字系统。书中对于各种资源（如DSP Slice、Block RAM）的内部结构和功能也做了详尽的阐述，这些都是实现高性能计算的关键。读完后，我感觉自己对FPGA的“心脏”有了更清晰的认识，也更能理解为什么某些设计在FPGA上运行得比软件快这么多。这本书的价值在于它能够帮助读者建立起从高层次设计到低层次硬件实现的桥梁，从而更好地进行系统级的优化和性能调优。

评分☆☆☆☆☆

作为一名刚入行不久的嵌入式工程师，我对硬件底层的知识一直抱有强烈的学习欲望，特别是FPGA，感觉它就像是一扇通往数字世界核心的大门。最近偶然间翻到一本关于FPGA芯片架构设计的书，虽然封面和标题看起来十分硬核，但我还是抱着试试看的心态入手了。一翻开，我就被书中的内容深深吸引了。它没有直接讲解那些枯燥的逻辑门电路，而是从更宏观的角度，剖析了FPGA芯片的整体构造。我之前总是习惯于直接调用IP核或者写HDL代码，很少去思考这些代码最终是如何映射到物理硬件上的。这本书就填补了我的这一认知空白。它详细介绍了FPGA内部的逻辑单元（LUTs、FFs）、布线资源（Interconnects）、输入输出模块（IOBs）以及全局时钟网络等关键组成部分的工作原理和相互关系。读完之后，我感觉自己仿佛拥有了一张FPGA的“内部地图”，对如何优化代码、提高时序、降低功耗有了更深刻的理解。书中通过大量的图示和实例，将抽象的概念变得生动形象，让我不再觉得FPGA是一个只存在于 datasheet 里的黑盒子。特别是关于时序分析的部分，我以前总是头疼不已，但这本书的讲解条理清晰，从时钟域交叉问题到建立保持时间分析，再到如何利用静态时序分析工具进行调试，都给出了非常实用的方法论。这本书对我来说，不仅仅是技术知识的积累，更是对整个FPGA设计流程的一次系统性梳理和升华。

评分☆☆☆☆☆

近年来，随着人工智能和物联网的飞速发展，对高性能、低功耗的计算硬件的需求日益迫切。FPGA作为一种高度灵活、可重构的计算平台，在这一浪潮中扮演着越来越重要的角色。我最近阅读了一本关于FPGA芯片架构设计的书籍，这本书给了我非常深刻的启示。它不仅仅是罗列FPGA的各种功能模块，而是从设计者和实现者的角度，深入浅出地讲解了FPGA芯片的整体架构。书中详细阐述了FPGA是如何通过配置可编程的逻辑单元和连接资源来实现各种数字功能的。我尤其对书中关于FPGA内部时钟管理系统、全局布线资源以及输入输出接口的讲解印象深刻。它解释了为何FPGA的时序约束如此重要，以及不同的时序模型是如何影响设计的最终性能。此外，书中还对FPGA中的专用硬件加速模块，如DSP Slice和Block RAM，进行了深入的剖析，解释了它们如何被有效地利用来加速特定类型的计算任务。读完这本书，我感觉自己对FPGA的“硬件基因”有了更全面的认识，也更能理解为什么FPGA在需要快速原型开发和灵活功能迭代的场景下如此受欢迎。它为我提供了一个更坚实的理论基础，让我能够更好地去理解和应用FPGA技术，为未来的硬件设计工作打下了坚实的基础。