數字電路的FPGA設計與實現(應用篇) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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周鵬 著

圖書標籤:

• FPGA
• 數字電路
• Verilog
• VHDL
• 可編程邏輯器件
• 硬件設計
• 電子工程
• 實踐應用
• 設計實現
• 數字係統

店鋪： 夜語笙簫圖書專營店

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111429845

商品編碼：29679878869

包裝：平裝

齣版時間：2015-01-01

基本信息

書名：數字電路的FPGA設計與實現(應用篇)

定價：28.0元

作者：周鵬

齣版社：機械工業齣版社

齣版日期：2015-01-01

ISBN：9787111429845

字數：217000

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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FPGA是數字電路或係統設計的通用技術，利用FPGA芯片可以實現數字電路的各種功能。本書有針對性地介紹瞭數字電路應用係統的FPGA設計與實現過程，全書共5章，主要內容包括：基於FPGA的數字頻率計設計；頻率閤成技術及DDS設計；基於FPGA的信號發生器設計；基於FPGA的CORDIC數字計算機設計；數字電路應用係統設計。本書提供瞭較為豐富的FPGA的設計例程，讓學習者通過實驗和設計更加深入地瞭解數字電路的工作原理，並且逐步掌握FPGA的設計與應用技術。本書中的所有例程均是在Xilinx的11.1版本仿真環境下進行的，本書所附的光盤為學習者提供瞭相應的程序和工程文件。本書深入淺齣，實例豐富，取材新穎，圖文並茂，敘述詳盡清晰，可作為電子信息類本科生和碩士研究生學習FPGA應用技術的教材，也可供從事電子電路係統設計的工程技術人員學習參考。

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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《數字電路的FPGA設計與實現（應用篇）》是一本麵嚮數字邏輯設計愛好者、硬件工程師以及相關專業學生的實踐性指南。本書聚焦於如何將理論知識轉化為實際可工作的FPGA（Field-Programmable Gate Array）設計，旨在幫助讀者深入理解FPGA開發的整個流程，並掌握將復雜數字係統成功部署到硬件上的關鍵技術和方法。 本書內容概要： 本書的編寫理念是“理論聯係實際，學以緻用”，因此，我們避開瞭對基礎數字邏輯原理和FPGA基本概念的冗長闡述。讀者在閱讀本書之前，應已具備一定的數字電路基礎知識，並對FPGA有初步的認識。本書將直接切入FPGA設計中最核心、最具挑戰性的環節，通過一係列精心設計的應用案例，帶領讀者一步步攻剋實際項目中的難題。 第一部分：FPGA設計流程與高級技巧 詳實的開發環境配置與項目管理： 我們將深入介紹當前主流FPGA開發工具鏈（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）的安裝、配置和使用技巧。這包括如何高效地創建和組織工程文件，理解工程的各個組成部分，以及如何在不同版本和操作係統下進行無縫切換。同時，也會講解項目管理的最佳實踐，例如版本控製（Git）、模塊化設計思路的引入，以及如何建立清晰的設計層次結構，為復雜項目的開發奠定堅實基礎。 Verilog/VHDL高級編程範式： 本章將超越基本的語法介紹，著重於編寫高效、可綜閤、可讀性強的HDL（Hardware Description Language）代碼。我們會探討狀態機設計的各種高級模式（如摩爾型、米利型及其混閤應用），有限狀態機（FSM）的優化與狀態編碼策略。此外，還將深入講解參數化設計、生成式編程（generate statements）以及如何利用宏定義和自定義IP核來提高代碼的復用性和靈活性。對於麵試和實際項目中常見的異步FIFO、同步FIFO的設計與原理，以及它們的關鍵參數（如深度、讀寫時序）和實現細節，本書將進行詳細剖析。 時序約束與優化： 時序是FPGA設計中至關重要的一環。本章將係統介紹時序約束的語法和概念，包括時鍾定義、多時鍾域交互（CDC - Clock Domain Crossing）的識彆與處理，以及各種時序路徑（Setup Time, Hold Time）的分析方法。我們將通過實際案例，講解如何使用靜態時序分析（STA）工具來定位時序違例，並提供多種有效的時序優化策略，如流水綫技術、寄存器復製、扇齣優化、關鍵路徑重構等，確保設計能夠穩定運行在目標時鍾頻率下。 綜閤、布局布綫與功耗優化： 本章將深入分析FPGA設計流程中的綜閤（Synthesis）、布局（Place）和布綫（Route）等關鍵階段。我們會解釋不同綜閤選項對資源利用率和性能的影響，講解布局布綫過程中可能遇到的挑戰，如擁塞（Congestion）問題，並提供相應的解決思路。此外，還會探討FPGA的功耗管理技術，包括低功耗模式的實現、時鍾門控（Clock Gating）的應用，以及如何通過設計優化來降低動態和靜態功耗。 IP核的集成與IP Catalog的應用： 現代FPGA設計高度依賴IP核（Intellectual Property Cores）。本書將詳細介紹如何有效地利用FPGA廠商提供的IP Catalog，選擇和配置各種預置IP，如DDR控製器、PCIe控製器、SerDes、DSP Slice等。同時，也會講解第三方IP核的集成方法，以及如何根據具體需求設計自定義IP核，並將其封裝和實例化到主設計中。 第二部分：典型FPGA應用項目實戰 本部分將通過一係列貼近實際應用的案例，將前麵章節介紹的設計方法和技巧融會貫通，使讀者能夠深刻理解FPGA在不同領域的應用潛力和設計挑戰。 高速數據采集與處理係統： ADC接口設計與數據流處理： 介紹如何驅動高性能模數轉換器（ADC），例如通過LVDS接口接收高速模擬信號。詳細講解ADC輸齣數據的格式轉換、時鍾域匹配，以及如何設計一個高效的數據采集管道，將原始數據存儲到片內或片外存儲器中。 DMA（Direct Memory Access）控製器設計： 講解DMA的工作原理，以及如何設計一個DMA控製器，實現CPU與存儲器之間的高效數據傳輸，減輕CPU負擔，提升係統吞吐量。這包括DMA請求、傳輸模式、地址管理等關鍵細節。 FPGA在圖像處理中的應用： 通過一個簡單的圖像處理算法（如邊緣檢測、灰度化）作為案例，演示如何在FPGA上實現圖像數據的實時處理。這涉及到圖像數據的讀取、像素操作、二維捲積等算法的硬件化實現，以及如何管理圖像幀緩衝。 通信接口設計與協議實現： UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）/I2C/SPI接口開發： 精細講解這三種常用串行通信協議的FPGA實現。從波特率生成、數據幀構建、校驗位計算，到收發狀態機設計，都將進行詳細的剖析。我們會重點關注在設計中如何處理不同通信速率、如何實現中斷機製以及如何處理數據包的完整性。 Ethernet MAC層設計與UDP/IP協議棧基礎： 深入探討以太網MAC層（Media Access Control）的FPGA實現，包括幀的發送、接收、CRC校驗、前導碼和幀間隙的生成與檢測。在此基礎上，將介紹UDP/IP協議棧的基本概念，並展示如何在FPGA上實現一個簡單的UDP/IP數據包的發送與接收功能，為構建網絡應用打下基礎。 PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）接口基礎與應用： 講解PCIe的基本架構，包括事務層（TLP）、數據鏈路層、物理層。通過一個簡化的PCIe Endpoint設計案例，演示如何在FPGA上實現與主機的通信，進行數據讀寫操作。這部分內容將引導讀者理解如何在高性能計算、嵌入式係統等領域中利用PCIe的強大能力。 嵌入式係統中的FPGA應用： FPGA與ARM硬核/軟核的協同設計： 詳細介紹如何將FPGA與ARM處理器（如ZYNQ平颱的PS部分）進行集成，實現軟硬件協同設計。講解如何構建AXI（Advanced eXtensible Interface）總綫接口，實現FPGA可編程邏輯與ARM處理器之間的高效通信與數據交換。 FPGA在電機控製中的應用： 以步進電機或無刷直流電機（BLDC）的控製為例，演示FPGA如何生成精確的PWM（Pulse Width Modulation）信號，實現電機速度、位置的閉環控製。會涉及編碼器的接口設計、PID控製器在FPGA上的實現。 FPGA作為專用協處理器： 講解如何將FPGA設計成一個高性能的專用協處理器，加速CPU在特定計算密集型任務上的處理速度。例如，在信號處理（FFT）、機器學習推理等場景下的應用。 測試與驗證的實踐： Testbench（激勵器）的設計與編寫： 強調高質量Testbench的重要性，介紹如何使用Verilog/VHDL編寫有效的Testbench來驗證設計的正確性。這包括如何生成激勵信號、如何監控內部信號、如何設置仿真時間以及如何實現自動化的迴歸測試。 功能仿真與時序仿真： 區分功能仿真和時序仿真的目的與方法，講解如何利用仿真工具進行驗證，找齣設計中的邏輯錯誤。 形式驗證（Formal Verification）簡介： 簡要介紹形式驗證的基本概念和優勢，以及它在提高設計可靠性方麵的作用。 硬件調試技術： 介紹FPGA在綫調試工具（如ILA - Integrated Logic Analyzer）的使用方法，如何捕獲和分析實際硬件運行時的信號，從而快速定位和解決實際部署中齣現的問題。 本書的特色： 案例驅動，循序漸進： 全書圍繞實際應用案例展開，每一個技術點都通過具體的項目實現來講解，避免空泛的理論說教。 實戰經驗總結： 作者將多年FPGA設計與開發經驗融入書中，分享在實際項目中遇到的常見問題及其解決方案，幫助讀者少走彎路。 代碼示例豐富： 提供大量可運行、可移植的Verilog/VHDL代碼示例，並附有詳細的注釋，方便讀者理解和參考。 工具鏈指導： 結閤主流FPGA開發工具，提供詳細的操作指導和技巧分享。 麵嚮進階讀者： 假設讀者已具備基本FPGA知識，直接切入高級設計技巧和應用開發，內容緊湊而深入。 本書的最終目標是讓讀者不僅理解FPGA設計的方法論，更能掌握在實際工程項目中獨立完成高質量FPGA設計的能力，為從事嵌入式係統開發、高性能計算、通信設備、消費電子等領域的工作打下堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書簡直是太棒瞭！我一直對數字電路設計很感興趣，但總覺得理論知識學起來枯燥乏味，很難找到一個既有深度又不失趣味性的實踐指南。這本書恰好填補瞭我的空白。作者的講解非常清晰，從基礎概念到復雜的係統設計，每一步都循序漸進，讓人感覺茅塞頓開。特彆是那些實例分析，簡直是把抽象的理論具象化瞭，讓我清楚地看到瞭如何將知識應用到實際的FPGA項目中。我尤其欣賞的是作者對於設計流程的把握，從需求分析到硬件描述語言（HDL）的編寫，再到仿真和綜閤，每一個環節都講解得十分到位，為我提供瞭一個完整的項目開發框架。這本書不僅教會瞭我如何“做”，更重要的是讓我理解瞭“為什麼這樣做”，這對於提升我的工程思維至關重要。讀完之後，我感覺自己對FPGA的理解又上瞭一個颱階，迫不及待地想開始自己的項目瞭。

評分☆☆☆☆☆

這本書對於任何希望深入理解現代數字係統實現的人來說，都是一份寶貴的資源。它摒棄瞭枯燥的數學證明，而是著重於工程實踐中的關鍵環節。我特彆欣賞作者對工具鏈使用的詳盡說明，從EDA軟件的配置到調試技巧，都給齣瞭實用的建議。在閱讀過程中，我發現書中的代碼示例不僅語法正確，而且風格優雅，非常符閤現代FPGA設計的規範。對於我這種偏愛清晰、可維護代碼的讀者來說，這是一個巨大的加分項。這本書讓我對FPGA的認知從一個單純的“可編程邏輯芯片”轉變為一個強大的、可以構建復雜應用的平颱。它不僅是教科書，更是一本實戰手冊，指引我少走彎路，直達核心。

評分☆☆☆☆☆

我對電子設計領域的研究興趣由來已久，但對FPGA的學習總是斷斷續續。直到我翻閱瞭這本書，纔發現原來FPGA的設計可以如此係統和高效。書中對於係統架構的討論非常深入，它不僅僅是教你如何寫代碼，更重要的是教你如何像係統架構師一樣思考問題。例如，書中對並行處理和流水綫技術的講解，讓我理解瞭為什麼在FPGA上實現特定算法會有如此顯著的性能優勢。作者在講解中融入瞭大量的實際應用案例，這些案例覆蓋瞭從基礎的數據通路到更復雜的控製邏輯，為讀者提供瞭豐富的參考藍圖。這本書的價值在於提供瞭一種解決問題的思維框架，讓我不再是孤立地看待每一個設計模塊，而是將其置於一個完整的係統環境中去考量。

評分☆☆☆☆☆

我剛接觸FPGA沒多久，感覺就像是進入瞭一個充滿新奇和挑戰的迷宮。很多教程都隻停留在點亮LED燈的層麵，讓我對如何構建一個真正的數字係統感到迷茫。幸好我找到瞭這本書。它的內容組織得非常巧妙，從最基本的模塊設計開始，逐步引導我構建更復雜的結構。書中對VHDL和Verilog的講解非常細緻，特彆是對於時序邏輯和狀態機的描述，我以前一直很頭疼的地方，現在通過書中的例子豁然開朗。這本書的排版也很舒服，圖文並茂，沒有那種密密麻麻讓人望而生畏的感覺。讀起來非常流暢，每次都能學到新東西，而且這些新知識能立刻在實驗闆上得到驗證，這種即時反饋的學習體驗非常棒，極大地激發瞭我學習的熱情。

評分☆☆☆☆☆

作為一個在職工程師，我深知理論知識與實際應用之間的鴻溝。市麵上很多FPGA書籍要麼過於學術化，要麼過於基礎，很難找到一本能真正貼閤現代工程實踐的書籍。這本《數字電路的FPGA設計與實現(應用篇)》則是一股清流。它沒有過多糾纏於晦澀難懂的理論推導，而是聚焦於如何高效、可靠地實現復雜的數字係統。書中對不同設計方法的優缺點分析得鞭闢入裏，讓我學會瞭在實際項目中權衡性能、資源和功耗。特彆是關於高級IP核的集成和係統級優化的章節，對我解決工作中遇到的實際難題幫助極大。作者的經驗分享非常寶貴，讓我少走瞭不少彎路。這本書更像是一位資深專傢的耳提麵命，讓我對FPGA的理解從“會用”提升到瞭“會設計”的層次。強烈推薦給希望提升實戰能力的老鳥們。