基於FPGA的數字係統研究與設計 楊軍,餘江 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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楊軍，餘江 著

圖書標籤:

• FPGA
• 數字係統設計
• VHDL
• Verilog
• 硬件描述語言
• 數字電路
• 嵌入式係統
• 可編程邏輯器件
• 楊軍
• 餘江

店鋪： 北京群洲文化專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030382931

商品編碼：29332911155

包裝：平裝

齣版時間：2016-05-01

基本信息

書名：基於FPGA的數字係統研究與設計

定價：99.00元

作者：楊軍,餘江

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2016-05-01

ISBN：9787030382931

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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導語_點評_推薦詞

內容提要

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本書從實用的角度齣發，選擇係統級的FPGA實現為書寫對象，全書詳細介紹瞭從雙核FFT算法的基本原理到雙核FFT核心的FPGA實現，從單純FFT處理器的實現過渡到FFT應用實例的開發，從簡單的數字係統的設計到復雜數字係統的設計。全書共分8章，從簡單的數字係統到復雜數字係統的開發，幫助讀者快速入門，同時提高讀者嵌入式係統開發的能力。

目錄

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作者介紹

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文摘

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序言

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書籍簡介：FPGA技術在現代嵌入式係統中的深度探索與實踐應用 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入且實用的FPGA（Field-Programmable Gate Array）技術學習平颱。在當今數字係統設計領域，FPGA以其高度的靈活性、可重構性和並行處理能力，扮演著越來越重要的角色。從高性能計算、通信係統到人工智能加速，再到工業自動化和消費電子産品，FPGA的身影無處不在。本書將帶領讀者係統地掌握FPGA的設計流程、關鍵技術以及在實際應用中的落地方法。 第一部分：FPGA基礎理論與核心概念 本部分將從FPGA的本質齣發，為讀者構建堅實的理論基礎。我們將詳細介紹FPGA的內部結構，包括邏輯單元（LUT, Flip-Flops）、可編程互連網絡（Routing Resources）、時鍾管理模塊（Clock Management Tiles）、DSP Slice（數字信號處理單元）以及豐富的I/O接口等。通過剖析這些核心組件的功能和工作原理，讀者將能夠深刻理解FPGA如何實現其“可編程”的特性。 在此基礎上，我們將深入探討FPGA的設計流程。這包括需求分析、係統架構設計、硬件描述語言（HDL）的選擇與掌握（重點關注Verilog HDL，並輔以VHDL的介紹）、綜閤（Synthesis）、布局布綫（Place & Route）以及時序約束與分析（Timing Constraints and Analysis）。每一步都將詳細闡述其重要性、常用工具以及潛在的挑戰。例如，在綜閤階段，我們將討論如何優化代碼以獲得更優的資源利用率和時序性能；在時序分析部分，我們將解釋建立時間（Setup Time）、保持時間（Hold Time）等關鍵概念，以及如何通過時序報告來診斷和解決時序違例問題。 此外，本部分還將介紹FPGA開發中不可或缺的工具鏈。我們將詳細介紹主流FPGA廠商（如Xilinx和Intel/Altera）提供的集成開發環境（IDE），如Vivado和Quartus Prime。通過實際操作的示例，讀者將學會如何使用這些工具進行項目創建、代碼編寫、功能仿真、綜閤、實現、生成比特流以及下載到FPGA開發闆。我們將強調仿真（Simulation）在設計驗證中的關鍵作用，介紹不同類型的仿真（行為仿真、門級仿真）及其適用場景，並講解如何編寫有效的測試平颱（Testbench）來全麵驗證設計的正確性。 第二部分：硬件描述語言（HDL）高級技巧與設計模式 硬件描述語言是FPGA設計的靈魂。本部分將超越基本的語法教學，深入探討Verilog HDL的高級特性和慣用法。我們將重點講解如何編寫可綜閤（Synthesizable）的代碼，以及哪些編程風格容易導緻不可綜閤的代碼，從而避免在綜閤過程中齣現意外。 模塊化設計與接口設計： 強調將復雜係統分解為更小的、可管理的模塊。講解接口信號的定義、時序和協議，以及如何實現模塊間的有效通信。 狀態機（Finite State Machine, FSM）設計： 詳細介紹Mealy型和Moore型狀態機的設計方法，包括狀態編碼、狀態轉移邏輯和輸齣邏輯的編寫。我們將通過具體的例子（如交通燈控製器、串口通信協議解析器）來演示如何設計和驗證高效的狀態機。 流水綫（Pipelining）技術： 深入講解流水綫在提高吞吐量（Throughput）和降低時序關鍵路徑（Critical Path）方麵的作用。我們將展示如何在Verilog代碼中實現流水綫，以及如何權衡延遲（Latency）和吞吐量。 並行處理與指令級並行： 探討如何利用FPGA的並行性來加速計算密集型任務。介紹如何設計並行結構，例如使用多個處理單元並行執行任務，以及如何利用指令級並行來優化算法的執行效率。 數據路徑與控製路徑分離： 講解這種設計模式如何提高代碼的可讀性和可維護性，並便於對數據處理和控製邏輯進行獨立優化。 參數化設計與宏（Parameters and Macros）： 介紹如何使用參數化設計來創建靈活、可重用的模塊，以及如何利用宏來簡化代碼編寫和提高代碼的可維護性。 同步與異步設計： 詳細討論同步設計（Clocked Design）的原則和優勢，以及在必要時如何處理異步信號。重點講解時鍾域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）問題，並提供有效的解決方案，如握手信號（Handshake Signals）和FIFO（First-In, First-Out）緩衝器。 第三部分：FPGA片上資源利用與優化策略 FPGA的性能很大程度上取決於對片上資源的有效利用。本部分將聚焦於如何充分發揮FPGA的硬件優勢，並進行精細化設計優化。 LUT、FF、DSP Slice的深入理解與高效使用： 詳細介紹不同FPGA係列中這些資源的具體配置和性能特點。例如，瞭解DSP Slice中乘法器、加法器、纍加器等功能單元如何組閤使用，以實現高效的乘纍加（MAC）運算。 內存資源（BRAM, URAM）的閤理配置與訪問： 介紹FPGA內部塊RAM（BRAM）和超大RAM（URAM）的功能、容量和配置選項。講解如何設計高效的內存控製器，以及如何優化內存讀寫操作以避免瓶頸。 串行高速接口（SerDes）的應用： 介紹SerDes技術在高速數據傳輸中的作用，如PCIe、Ethernet等。講解如何配置和使用FPGA內置的SerDes宏，以及相關的協議實現。 時序約束的精細化與時序收斂： 深入講解各種時序約束的類型（如僞路徑、多周期路徑、例外路徑），以及如何利用工具進行時序分析報告的解讀。重點討論時序收斂（Timing Closure）策略，包括代碼優化、資源分配調整、綜閤和布局布綫選項的調整等。 功耗優化技術： 探討在FPGA設計中降低功耗的方法，如時鍾門控（Clock Gating）、多電壓域設計、低功耗IP核的應用等。 麵積優化（Area Optimization）與資源分配： 講解如何在滿足性能要求的前提下，最小化FPGA資源的占用。討論如何通過代碼重構、共享資源等方式來降低設計復雜度。 IP核（Intellectual Property Core）的使用與集成： 介紹如何利用廠商提供的預定義IP核（如HDMI控製器、DDR控製器、ADC/DAC接口核）來快速實現復雜功能，並講解IP核集成過程中需要注意的事項。 第四部分：FPGA在現代嵌入式係統中的典型應用與案例分析 理論與實踐相結閤是掌握FPGA技術的關鍵。本部分將通過一係列具有代錶性的應用案例，展示FPGA在不同領域的強大能力。 數字信號處理（DSP）應用： 濾波器設計： FIR（Finite Impulse Response）和IIR（Infinite Impulse Response）濾波器的FPGA實現，包括硬件實現結構、係數的存儲和更新、流水綫加速等。 FFT（Fast Fourier Transform）算法的FPGA實現： 講解FFT算法的基本原理，以及如何在FPGA上實現高效的FFT硬件單元，應用於頻譜分析、通信解調等領域。 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）調製與解調： 在通信係統中，OFDM是寬帶無綫通信的核心技術。本書將介紹OFDM係統關鍵模塊（如FFT/IFFT、星座映射/解映射、循環前綴添加/去除）的FPGA實現。 圖像與視頻處理： 圖像預處理： 邊緣檢測（Sobel算子、Canny算子）、圖像增強（直方圖均衡化）、圖像濾波（高斯濾波、中值濾波）等算法的FPGA實現。 視頻采集與顯示接口： 使用FPGA實現MIPI CSI-2、HDMI等視頻輸入輸齣接口，結閤圖像處理算法，構建簡單的視頻處理係統。 運動檢測與目標跟蹤： 基於FPGA的實時視頻分析，實現運動目標檢測和初步的跟蹤功能。 通信係統設計： AXI（Advanced eXtensible Interface）總綫協議： 詳細講解AMBA AXI協議的各組成部分（AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream），以及如何在FPGA係統中實現AXI總綫的主設備（Master）和從設備（Slave）。 高性能數據采集與迴放係統： 利用FPGA的高速I/O和處理能力，設計能夠采集和迴放高速數據流的係統，應用於測試測量、科學儀器等領域。 自定義通信協議的實現： 針對特定應用場景，設計並實現定製化的通信協議，增強係統的靈活性和效率。 嵌入式係統加速： CPU協處理器設計： 將計算密集型任務卸載到FPGA上，作為CPU的協處理器，大幅提升係統整體性能。例如，為CPU設計一個圖像加速協處理器或一個數學運算加速器。 AI推理加速： 介紹如何將預訓練的深度學習模型（如CNN、RNN）部署到FPGA上進行推理加速，分析模型在FPGA上的量化、剪枝和硬件映射策略。 控製係統與工業自動化： 步進電機/伺服電機控製： 基於FPGA實現精確的電機驅動和位置控製，應用於機器人、數控機床等。 傳感器數據采集與處理： 高速、多通道傳感器數據的同步采集，並進行實時分析和濾波。 實時控製係統的FPGA實現： 針對需要極低延遲和高可靠性的應用，構建基於FPGA的實時控製係統。 第五部分：高級主題與未來趨勢 為瞭使讀者對FPGA技術有更前瞻的認識，本部分將探討一些更高級的主題和行業發展趨勢。 軟核（Soft-core）與硬核（Hard-core）處理器在FPGA上的集成： 介紹Altera Nios II、Xilinx MicroBlaze等軟核處理器，以及ARM硬核（如Zynq SoC）與FPGA fabric的結閤。討論不同處理器架構在FPGA上的應用場景和設計考量。 高層次綜閤（High-Level Synthesis, HLS）： 介紹如何使用C/C++/SystemC等高級語言來生成HDL代碼，從而極大地提高設計效率，尤其適用於算法開發和快速原型驗證。 片上調試（On-Chip Debugging）與邏輯分析儀： 講解如何使用FPGA廠商提供的調試工具（如ChipScope Pro, ILA）來監視和調試FPGA內部信號，以及如何利用ILA（Integrated Logic Analyzer）進行實時在綫調試。 時序驅動（Timing-Driven）設計流程的深入理解： 強調在整個設計流程中，始終以時序為核心進行優化和驗證的重要性。 FPGA在雲計算、邊緣計算和物聯網中的角色： 探討FPGA在這些新興領域的應用潛力，例如作為可編程加速器、實現定製化硬件邏輯等。 麵嚮未來的FPGA設計方法學： 展望FPGA技術的發展方嚮，如更強大的計算能力、更高效的功耗管理、更易用的開發工具和更開放的設計生態係統。 本書結構清晰，內容循序漸進，兼顧理論深度與工程實踐。通過本書的學習，讀者不僅能夠掌握FPGA設計的核心技術，更能培養解決復雜數字係統設計問題的能力，為他們在數字邏輯設計、嵌入式係統開發、硬件加速等領域的工作和學習打下堅實的基礎。本書適閤高等院校相關專業學生、電子工程師、嵌入式係統開發者以及對FPGA技術感興趣的廣大讀者。

評分☆☆☆☆☆

第五段評價 這本書給我最大的感受是，它不僅僅是一本關於FPGA的書，更是一本關於“如何思考”和“如何解決問題”的書。作者在講解每個設計模塊時，都展現齣瞭對底層硬件原理的深刻理解，以及對整個係統架構的宏觀把握。書中對於不同設計策略的優劣分析，以及在不同場景下應該如何權衡取捨，都提供瞭非常理性的指導。我特彆喜歡書中關於“可重用IP核設計”的章節，這對於提升開發效率和保證産品質量至關重要。作者還分享瞭許多關於“調試”的經驗，這一點在實際項目中尤為寶貴，因為我們總會遇到各種各樣奇怪的問題，而書中提供的調試思路和方法，能夠幫助我們更快地找到問題的根源。這本書讓我認識到，FPGA設計不僅僅是編寫代碼，更是一門藝術，需要邏輯思維、係統觀念和實踐經驗的結閤。

評分☆☆☆☆☆

第四段評價 我是一名剛剛踏入FPGA世界的學生，在尋找學習資料時，偶然發現瞭這本書。剛開始有些擔心內容會過於晦澀難懂，但齣乎意料的是，作者的講解風格非常親切，即使是一些非常基礎的概念，也解釋得條理清晰，循序漸進。書中大量的代碼示例，不僅能夠幫助我理解Verilog HDL語言的語法，更能讓我體會到如何將算法轉化為實際的硬件邏輯。特彆是書中關於“片上係統”（SoC）的介紹，讓我對FPGA的潛力有瞭更直觀的認識。作者還非常注重實踐，提供瞭很多可以動手實踐的實驗項目，讓我能夠在理論學習的同時，也能獲得寶貴的實踐經驗。我從書中學會瞭如何搭建開發環境，如何編寫測試激勵，以及如何進行初步的仿真和綜閤。這本書讓我對FPGA開發不再感到畏懼，反而充滿瞭學習的動力和興趣。

評分☆☆☆☆☆

第二段評價 這本《基於FPGA的數字係統研究與設計》是一本非常紮實的教科書，它並沒有刻意去迎閤讀者，而是用一種嚴謹的態度，係統地闡述瞭FPGA的設計方法論。從邏輯綜閤的原理，到物理實現的流程，本書都進行瞭詳細的剖析。書中對於不同類型的FPGA器件的特性分析，以及如何根據項目需求選擇閤適的器件，都給齣瞭非常有價值的參考。我尤其欣賞作者在討論復雜的算法實現時，能夠將算法邏輯巧妙地轉化為硬件描述語言，並通過詳細的時序分析來確保設計的正確性和高效性。在閱讀過程中，我常常會停下來思考書中提齣的各種設計技巧，例如流水綫技術、並行處理等，這些都是提升FPGA係統性能的關鍵。本書的排版和插圖也非常專業，清晰的圖示能夠幫助讀者更好地理解抽象的設計概念。盡管部分章節的理論深度較高，需要讀者具備一定的數字電路基礎，但總體而言，這是一本能夠讓你從“會寫代碼”提升到“會設計係統”的優秀讀物。

評分☆☆☆☆☆

第一段評價 這本書我是一口氣讀完的，雖然我不是FPGA領域的專傢，但作者用清晰易懂的語言，將復雜的數字係統設計原理娓娓道來。從最基礎的邏輯門電路，到Verilog HDL語言的精髓，再到各種常用IP核的設計與應用，本書幾乎涵蓋瞭FPGA數字係統設計的全貌。尤其讓我印象深刻的是，書中不僅講解瞭理論知識，還提供瞭大量的實例，這些實例貼近實際工程應用，讓我能夠邊學邊練，快速掌握FPGA的開發流程。書中對時序約束和優化的講解更是點睛之筆，對於任何想要設計高性能FPGA係統的工程師來說，這部分內容都價值連城。我特彆喜歡作者在講解某個模塊時，會追溯到最底層的硬件實現，這樣的講解方式讓我對數字電路有瞭更深刻的理解，也避免瞭“知其然不知其所以然”的睏境。我個人認為，對於初學者而言，本書無疑是一本不可多得的入門教材；對於有一定基礎的開發者，本書也能提供新的思路和解決問題的有效方法。

評分☆☆☆☆☆

第三段評價 作為一名在FPGA領域摸爬滾打多年的老兵，我一直緻力於尋找能夠啓發我新思路的書籍。這本《基於FPGA的數字係統研究與設計》給我帶來瞭不少驚喜。作者在探討高級應用，如圖像處理、通信係統等時，能夠深入到具體的硬件實現層麵，而不是停留在概念層麵。書中對於這些復雜係統的模塊化設計方法，以及如何有效地進行驗證，都進行瞭詳細的闡述。我尤其關注書中關於低功耗設計和高可靠性設計的部分，這些內容在實際工程中至關重要，而本書在這方麵的講解非常到位。作者還分享瞭一些在實際項目中遇到的典型問題和解決方案，這些經驗之談對於我這樣的從業者來說，簡直是無價之寶。總的來說，這本書更適閤有一定FPGA開發經驗，希望進一步提升設計能力和拓展應用範圍的讀者。它能夠幫助你從“做齣來”到“做得好”，甚至“做得更齣色”。