数字电路的FPGA设计与实现(应用篇) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

周鹏 著

图书标签:

• FPGA
• 数字电路
• Verilog
• VHDL
• 可编程逻辑器件
• 硬件设计
• 电子工程
• 实践应用
• 设计实现
• 数字系统

店铺： 夜语笙箫图书专营店

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111429845

商品编码：29679878869

包装：平装

出版时间：2015-01-01

基本信息

书名：数字电路的FPGA设计与实现(应用篇)

定价：28.0元

作者：周鹏

出版社：机械工业出版社

出版日期：2015-01-01

ISBN：9787111429845

字数：217000

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

---

内容提要

---

FPGA是数字电路或系统设计的通用技术，利用FPGA芯片可以实现数字电路的各种功能。本书有针对性地介绍了数字电路应用系统的FPGA设计与实现过程，全书共5章，主要内容包括：基于FPGA的数字频率计设计；频率合成技术及DDS设计；基于FPGA的信号发生器设计；基于FPGA的CORDIC数字计算机设计；数字电路应用系统设计。本书提供了较为丰富的FPGA的设计例程，让学习者通过实验和设计更加深入地了解数字电路的工作原理，并且逐步掌握FPGA的设计与应用技术。本书中的所有例程均是在Xilinx的11.1版本仿真环境下进行的，本书所附的光盘为学习者提供了相应的程序和工程文件。本书深入浅出，实例丰富，取材新颖，图文并茂，叙述详尽清晰，可作为电子信息类本科生和硕士研究生学习FPGA应用技术的教材，也可供从事电子电路系统设计的工程技术人员学习参考。

目录

---

作者介绍

---

文摘

---

序言

---

《数字电路的FPGA设计与实现（应用篇）》是一本面向数字逻辑设计爱好者、硬件工程师以及相关专业学生的实践性指南。本书聚焦于如何将理论知识转化为实际可工作的FPGA（Field-Programmable Gate Array）设计，旨在帮助读者深入理解FPGA开发的整个流程，并掌握将复杂数字系统成功部署到硬件上的关键技术和方法。 本书内容概要： 本书的编写理念是“理论联系实际，学以致用”，因此，我们避开了对基础数字逻辑原理和FPGA基本概念的冗长阐述。读者在阅读本书之前，应已具备一定的数字电路基础知识，并对FPGA有初步的认识。本书将直接切入FPGA设计中最核心、最具挑战性的环节，通过一系列精心设计的应用案例，带领读者一步步攻克实际项目中的难题。 第一部分：FPGA设计流程与高级技巧 详实的开发环境配置与项目管理： 我们将深入介绍当前主流FPGA开发工具链（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）的安装、配置和使用技巧。这包括如何高效地创建和组织工程文件，理解工程的各个组成部分，以及如何在不同版本和操作系统下进行无缝切换。同时，也会讲解项目管理的最佳实践，例如版本控制（Git）、模块化设计思路的引入，以及如何建立清晰的设计层次结构，为复杂项目的开发奠定坚实基础。 Verilog/VHDL高级编程范式： 本章将超越基本的语法介绍，着重于编写高效、可综合、可读性强的HDL（Hardware Description Language）代码。我们会探讨状态机设计的各种高级模式（如摩尔型、米利型及其混合应用），有限状态机（FSM）的优化与状态编码策略。此外，还将深入讲解参数化设计、生成式编程（generate statements）以及如何利用宏定义和自定义IP核来提高代码的复用性和灵活性。对于面试和实际项目中常见的异步FIFO、同步FIFO的设计与原理，以及它们的关键参数（如深度、读写时序）和实现细节，本书将进行详细剖析。 时序约束与优化： 时序是FPGA设计中至关重要的一环。本章将系统介绍时序约束的语法和概念，包括时钟定义、多时钟域交互（CDC - Clock Domain Crossing）的识别与处理，以及各种时序路径（Setup Time, Hold Time）的分析方法。我们将通过实际案例，讲解如何使用静态时序分析（STA）工具来定位时序违例，并提供多种有效的时序优化策略，如流水线技术、寄存器复制、扇出优化、关键路径重构等，确保设计能够稳定运行在目标时钟频率下。 综合、布局布线与功耗优化： 本章将深入分析FPGA设计流程中的综合（Synthesis）、布局（Place）和布线（Route）等关键阶段。我们会解释不同综合选项对资源利用率和性能的影响，讲解布局布线过程中可能遇到的挑战，如拥塞（Congestion）问题，并提供相应的解决思路。此外，还会探讨FPGA的功耗管理技术，包括低功耗模式的实现、时钟门控（Clock Gating）的应用，以及如何通过设计优化来降低动态和静态功耗。 IP核的集成与IP Catalog的应用： 现代FPGA设计高度依赖IP核（Intellectual Property Cores）。本书将详细介绍如何有效地利用FPGA厂商提供的IP Catalog，选择和配置各种预置IP，如DDR控制器、PCIe控制器、SerDes、DSP Slice等。同时，也会讲解第三方IP核的集成方法，以及如何根据具体需求设计自定义IP核，并将其封装和实例化到主设计中。 第二部分：典型FPGA应用项目实战 本部分将通过一系列贴近实际应用的案例，将前面章节介绍的设计方法和技巧融会贯通，使读者能够深刻理解FPGA在不同领域的应用潜力和设计挑战。 高速数据采集与处理系统： ADC接口设计与数据流处理： 介绍如何驱动高性能模数转换器（ADC），例如通过LVDS接口接收高速模拟信号。详细讲解ADC输出数据的格式转换、时钟域匹配，以及如何设计一个高效的数据采集管道，将原始数据存储到片内或片外存储器中。 DMA（Direct Memory Access）控制器设计： 讲解DMA的工作原理，以及如何设计一个DMA控制器，实现CPU与存储器之间的高效数据传输，减轻CPU负担，提升系统吞吐量。这包括DMA请求、传输模式、地址管理等关键细节。 FPGA在图像处理中的应用： 通过一个简单的图像处理算法（如边缘检测、灰度化）作为案例，演示如何在FPGA上实现图像数据的实时处理。这涉及到图像数据的读取、像素操作、二维卷积等算法的硬件化实现，以及如何管理图像帧缓冲。 通信接口设计与协议实现： UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）/I2C/SPI接口开发： 精细讲解这三种常用串行通信协议的FPGA实现。从波特率生成、数据帧构建、校验位计算，到收发状态机设计，都将进行详细的剖析。我们会重点关注在设计中如何处理不同通信速率、如何实现中断机制以及如何处理数据包的完整性。 Ethernet MAC层设计与UDP/IP协议栈基础： 深入探讨以太网MAC层（Media Access Control）的FPGA实现，包括帧的发送、接收、CRC校验、前导码和帧间隙的生成与检测。在此基础上，将介绍UDP/IP协议栈的基本概念，并展示如何在FPGA上实现一个简单的UDP/IP数据包的发送与接收功能，为构建网络应用打下基础。 PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）接口基础与应用： 讲解PCIe的基本架构，包括事务层（TLP）、数据链路层、物理层。通过一个简化的PCIe Endpoint设计案例，演示如何在FPGA上实现与主机的通信，进行数据读写操作。这部分内容将引导读者理解如何在高性能计算、嵌入式系统等领域中利用PCIe的强大能力。 嵌入式系统中的FPGA应用： FPGA与ARM硬核/软核的协同设计： 详细介绍如何将FPGA与ARM处理器（如ZYNQ平台的PS部分）进行集成，实现软硬件协同设计。讲解如何构建AXI（Advanced eXtensible Interface）总线接口，实现FPGA可编程逻辑与ARM处理器之间的高效通信与数据交换。 FPGA在电机控制中的应用： 以步进电机或无刷直流电机（BLDC）的控制为例，演示FPGA如何生成精确的PWM（Pulse Width Modulation）信号，实现电机速度、位置的闭环控制。会涉及编码器的接口设计、PID控制器在FPGA上的实现。 FPGA作为专用协处理器： 讲解如何将FPGA设计成一个高性能的专用协处理器，加速CPU在特定计算密集型任务上的处理速度。例如，在信号处理（FFT）、机器学习推理等场景下的应用。 测试与验证的实践： Testbench（激励器）的设计与编写： 强调高质量Testbench的重要性，介绍如何使用Verilog/VHDL编写有效的Testbench来验证设计的正确性。这包括如何生成激励信号、如何监控内部信号、如何设置仿真时间以及如何实现自动化的回归测试。 功能仿真与时序仿真： 区分功能仿真和时序仿真的目的与方法，讲解如何利用仿真工具进行验证，找出设计中的逻辑错误。 形式验证（Formal Verification）简介： 简要介绍形式验证的基本概念和优势，以及它在提高设计可靠性方面的作用。 硬件调试技术： 介绍FPGA在线调试工具（如ILA - Integrated Logic Analyzer）的使用方法，如何捕获和分析实际硬件运行时的信号，从而快速定位和解决实际部署中出现的问题。 本书的特色： 案例驱动，循序渐进： 全书围绕实际应用案例展开，每一个技术点都通过具体的项目实现来讲解，避免空泛的理论说教。 实战经验总结： 作者将多年FPGA设计与开发经验融入书中，分享在实际项目中遇到的常见问题及其解决方案，帮助读者少走弯路。 代码示例丰富： 提供大量可运行、可移植的Verilog/VHDL代码示例，并附有详细的注释，方便读者理解和参考。 工具链指导： 结合主流FPGA开发工具，提供详细的操作指导和技巧分享。 面向进阶读者： 假设读者已具备基本FPGA知识，直接切入高级设计技巧和应用开发，内容紧凑而深入。 本书的最终目标是让读者不仅理解FPGA设计的方法论，更能掌握在实际工程项目中独立完成高质量FPGA设计的能力，为从事嵌入式系统开发、高性能计算、通信设备、消费电子等领域的工作打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

我对电子设计领域的研究兴趣由来已久，但对FPGA的学习总是断断续续。直到我翻阅了这本书，才发现原来FPGA的设计可以如此系统和高效。书中对于系统架构的讨论非常深入，它不仅仅是教你如何写代码，更重要的是教你如何像系统架构师一样思考问题。例如，书中对并行处理和流水线技术的讲解，让我理解了为什么在FPGA上实现特定算法会有如此显著的性能优势。作者在讲解中融入了大量的实际应用案例，这些案例覆盖了从基础的数据通路到更复杂的控制逻辑，为读者提供了丰富的参考蓝图。这本书的价值在于提供了一种解决问题的思维框架，让我不再是孤立地看待每一个设计模块，而是将其置于一个完整的系统环境中去考量。

评分☆☆☆☆☆

我刚接触FPGA没多久，感觉就像是进入了一个充满新奇和挑战的迷宫。很多教程都只停留在点亮LED灯的层面，让我对如何构建一个真正的数字系统感到迷茫。幸好我找到了这本书。它的内容组织得非常巧妙，从最基本的模块设计开始，逐步引导我构建更复杂的结构。书中对VHDL和Verilog的讲解非常细致，特别是对于时序逻辑和状态机的描述，我以前一直很头疼的地方，现在通过书中的例子豁然开朗。这本书的排版也很舒服，图文并茂，没有那种密密麻麻让人望而生畏的感觉。读起来非常流畅，每次都能学到新东西，而且这些新知识能立刻在实验板上得到验证，这种即时反馈的学习体验非常棒，极大地激发了我学习的热情。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是太棒了！我一直对数字电路设计很感兴趣，但总觉得理论知识学起来枯燥乏味，很难找到一个既有深度又不失趣味性的实践指南。这本书恰好填补了我的空白。作者的讲解非常清晰，从基础概念到复杂的系统设计，每一步都循序渐进，让人感觉茅塞顿开。特别是那些实例分析，简直是把抽象的理论具象化了，让我清楚地看到了如何将知识应用到实际的FPGA项目中。我尤其欣赏的是作者对于设计流程的把握，从需求分析到硬件描述语言（HDL）的编写，再到仿真和综合，每一个环节都讲解得十分到位，为我提供了一个完整的项目开发框架。这本书不仅教会了我如何“做”，更重要的是让我理解了“为什么这样做”，这对于提升我的工程思维至关重要。读完之后，我感觉自己对FPGA的理解又上了一个台阶，迫不及待地想开始自己的项目了。

评分☆☆☆☆☆

作为一个在职工程师，我深知理论知识与实际应用之间的鸿沟。市面上很多FPGA书籍要么过于学术化，要么过于基础，很难找到一本能真正贴合现代工程实践的书籍。这本《数字电路的FPGA设计与实现(应用篇)》则是一股清流。它没有过多纠缠于晦涩难懂的理论推导，而是聚焦于如何高效、可靠地实现复杂的数字系统。书中对不同设计方法的优缺点分析得鞭辟入里，让我学会了在实际项目中权衡性能、资源和功耗。特别是关于高级IP核的集成和系统级优化的章节，对我解决工作中遇到的实际难题帮助极大。作者的经验分享非常宝贵，让我少走了不少弯路。这本书更像是一位资深专家的耳提面命，让我对FPGA的理解从“会用”提升到了“会设计”的层次。强烈推荐给希望提升实战能力的老鸟们。

评分☆☆☆☆☆

这本书对于任何希望深入理解现代数字系统实现的人来说，都是一份宝贵的资源。它摒弃了枯燥的数学证明，而是着重于工程实践中的关键环节。我特别欣赏作者对工具链使用的详尽说明，从EDA软件的配置到调试技巧，都给出了实用的建议。在阅读过程中，我发现书中的代码示例不仅语法正确，而且风格优雅，非常符合现代FPGA设计的规范。对于我这种偏爱清晰、可维护代码的读者来说，这是一个巨大的加分项。这本书让我对FPGA的认知从一个单纯的“可编程逻辑芯片”转变为一个强大的、可以构建复杂应用的平台。它不仅是教科书，更是一本实战手册，指引我少走弯路，直达核心。