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

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周鹏 著

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• 设计实现
• 嵌入式系统

店铺： 博学精华图书专营店

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111429845

商品编码：29702008949

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

售价：19.0元,便宜9.0元,折扣67

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

《精通FPGA：从原理到实践的完整指南》 内容概要： 本书是一部深入浅出的FPGA设计与实现专著，旨在为读者构建扎实的FPGA理论基础，并提供丰富实用的设计实践指导。全书以循序渐进的方式，从FPGA的基本概念、硬件架构讲起，逐步深入到Verilog/VHDL硬件描述语言、设计流程、高级时序约束、IP核利用、嵌入式系统设计以及实际项目开发等各个方面。通过大量的实例分析和代码演示，本书力求帮助读者掌握FPGA设计与实现的完整流程，培养解决复杂工程问题的能力，最终能够独立完成高质量的FPGA项目。 第一部分：FPGA基础与入门 第一章：FPGA概述与发展历程 FPGA的定义与核心优势： 详细阐述FPGA（Field-Programmable Gate Array）的本质，解析其“现场可编程”特性如何赋予设计灵活性和快速迭代能力。对比FPGA与ASIC、CPLD等其他数字集成电路的优劣，重点突出FPGA在原型验证、小批量生产、教育和快速原型开发领域的独特价值。 FPGA内部结构剖析： 深入介绍FPGA最核心的组成单元，包括查找表（LUT）、触发器（Flip-Flop）、可编程互连线（Programmable Interconnect）、输入/输出块（IOB）等。通过类比和图示，清晰地展示这些单元如何协同工作，实现任意逻辑功能的定制。 主流FPGA厂商与器件系列： 简要介绍Xilinx（赛灵思）和Intel/Altera（英特尔/阿尔特拉）这两大FPGA巨头的核心产品线，如Xilinx的Spartan、Artix、Kintex、Virtex系列，以及Intel/Altera的Cyclone、Arria、Stratix系列。分析不同系列器件在性能、功耗、成本和功能上的差异，指导读者根据项目需求进行器件选型。 FPGA设计流程概览： 首次呈现完整的FPGA设计流程，从需求分析、逻辑设计、仿真验证、综合、布局布线，到时序分析、比特流生成、硬件下载和调试。为后续章节的学习奠定整体认识框架。 第二章：Verilog/VHDL硬件描述语言基础 硬件描述语言（HDL）的重要性： 强调HDL在现代数字逻辑设计中的不可或缺性，解释HDL如何抽象硬件行为，实现逻辑功能的描述和验证。 Verilog入门： 基本语法与数据类型： 讲解Verilog的基本语法结构，包括模块（module）、端口（port）、信号（wire, reg）、参数（parameter）、运算符等。详细介绍各种数据类型及其应用场景。 行为级建模： 演示如何使用`always`块、`assign`语句、`if-else`、`case`语句等描述组合逻辑和时序逻辑。重点区分`reg`和`wire`在行为级建模中的作用。 结构级建模： 介绍如何通过实例化其他模块来构建更复杂的系统，以及如何使用门级原语（如`and`, `or`, `not`）进行实例化。 任务（task）与函数（function）： 讲解任务和函数的概念及其在代码复用和逻辑封装中的应用。 仿真与测试激励（Testbench）： 介绍如何编写Verilog Testbench来对设计进行功能仿真和验证，包括信号驱动、时延控制、输出检查等。 VHDL入门： 基本语法与数据类型： 讲解VHDL的基本结构，如实体（entity）、架构（architecture）、端口（port）、信号（signal）、常量（constant）、类型（type）等。 行为级建模： 演示如何使用进程（process）、`if-then-elsif-else`、`case`语句、`loop`语句等描述组合逻辑和时序逻辑。 结构级建模： 介绍组件（component）的声明与实例化，以及如何通过组件实例化来构建层次化设计。 函数（function）与过程（procedure）： 讲解函数和过程的作用，以及它们在代码模块化和复用中的优势。 仿真与测试激励（Testbench）： 介绍VHDL Testbench的编写方法，包括实体声明、架构实现、时钟生成、激励输入和结果验证。 Verilog与VHDL对比与选择： 简要对比两种HDL语言的风格、语法和常用范例，为读者提供选择依据，并强调掌握其中一种语言即可进行FPGA开发。 第三章：FPGA设计与实现流程详解 需求分析与规格定义： 强调在设计之初明确功能需求、性能指标、接口规范、功耗限制等关键要素，为后续设计提供明确方向。 HDL代码编写与模块化设计： 讲解编写高质量HDL代码的原则，包括可读性、可综合性、可重用性。强调模块化设计的概念，将复杂系统分解为若干个独立的、功能明确的模块，便于开发、测试和维护。 逻辑综合（Synthesis）： 综合的概念与目的： 解释综合过程是将HDL代码转化为门级网表（netlist）的过程，目标是生成符合目标FPGA器件架构的逻辑。 综合工具介绍与基本操作： 介绍常见的综合工具（如Vivado Synthesis, Quartus Prime Synthesis），讲解项目创建、源文件添加、目标器件设置、约束文件应用等基本操作。 综合约束（Constraints）： 重点讲解综合阶段的时钟频率、输入输出延迟等约束，说明它们如何影响综合结果，以及如何通过Tcl脚本等方式进行约束设置。 仿真与验证（Simulation & Verification）： 功能仿真（Functional Simulation）： 讲解在综合前进行的仿真，验证HDL代码是否正确实现了设计的功能。 后仿真（Post-Synthesis Simulation）： 讲解在综合后进行的仿真，使用生成的网表文件，可以更准确地反映硬件实际运行情况，但通常速度较慢。 仿真工具的使用： 介绍常见的仿真器（如ModelSim, QuestaSim, Vivado Simulator），讲解波形查看、断点设置、信号监控等调试技巧。 布局布线（Place & Route）： 布局（Placement）： 解释布局过程是将网表中的逻辑单元映射到FPGA内部的物理资源（LUTs, Flip-Flops）上的过程。 布线（Routing）： 解释布线过程是连接这些逻辑单元以及输入/输出引脚之间的物理互连线。 布局布线工具与策略： 介绍FPGA开发套件中的布局布线工具，以及各种优化策略（如区域约束、时序优化）对性能的影响。 时序分析（Timing Analysis）： 时序约束（Timing Constraints）： 详细讲解时钟周期（Clock Period）、输入/输出延迟（Input/Output Delay）、伪路径（False Path）、多周期路径（Multi-Cycle Path）等时序约束的设置方法，以及它们在确保电路稳定运行中的作用。 时序报告解读： 讲解如何分析时序报告，识别时序违例（Timing Violations），如建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）问题。 时序优化技术： 介绍常用的时序优化方法，如流水线（Pipelining）、逻辑重组、寄存器复制、调整布局布线策略等。 比特流生成（Bitstream Generation）： 解释比特流是将设计配置信息打包成FPGA可以加载的文件格式。 硬件实现与调试（Hardware Implementation & Debugging）： FPGA配置方法： 介绍JTAG、SPI、BPI等常见的FPGA下载方式。 在线调试工具： 讲解FPGA开发套件提供的在线调试工具，如ILA（Integrated Logic Analyzer）/ChipScope，如何嵌入到设计中，实时观测内部信号，进行硬件调试。 常见硬件问题排查： 总结FPGA上电不工作、功能异常、时钟不稳定等常见硬件问题的排查思路和方法。 第二部分：FPGA设计进阶与应用 第四章：高级Verilog/VHDL设计技巧 状态机（Finite State Machine, FSM）设计： 有限状态机的原理与分类： 详细介绍Moore型和Mealy型状态机的区别与联系。 状态机编码： 讲解二进制编码、格雷码编码、独热码编码等对状态机性能（如速度、功耗、面积）的影响。 状态机的Verilog/VHDL实现： 提供使用同步复位和异步复位实现状态机的多种典型写法，强调代码的可读性和综合友好性。 状态机的面试与调试： 给出状态机设计中的常见陷阱和调试技巧。 流水线（Pipelining）技术： 流水线的设计原理与优势： 解释流水线如何通过分解计算任务，提高电路的吞吐量（Throughput）和工作频率。 流水线的设计实例： 通过一个具体的计算密集型任务（如乘法器、FIR滤波器）的流水线设计，演示如何添加寄存器来划分流水级。 流水线中的时序考虑： 分析流水线设计对时序约束的影响，以及如何确保流水级之间的同步。 亚稳态（Metastability）与同步（Synchronization）： 亚稳态的产生原因： 深入剖析异步时钟域交叉（Asynchronous Clock Domain Crossing, CDC）是亚稳态产生的主要根源。 同步电路设计： 讲解双D触发器同步器、握手信号同步器等常用的CDC同步电路设计方法，以及其背后的原理。 CDC验证的策略： 强调CDC设计的验证难度，以及如何通过静态时序分析（STA）和动态仿真来尽可能覆盖CDC问题。 异步FIFO（First-In, First-Out）设计： 异步FIFO的工作原理： 解释异步FIFO如何实现不同时钟域之间的数据传递，重点讲解读写指针的格雷码转换和读写同步信号生成。 异步FIFO的Verilog/VHDL实现： 提供一个完整的异步FIFO模块代码，并详细解读其核心逻辑。 异步FIFO的使用注意事项： 强调填充/空标志的正确使用，以及数据有效性信号的处理。 多时钟域设计（Multi-Clock Domain Design）： 时钟域划分与管理： 探讨系统中如何存在多个时钟，以及如何合理划分和管理这些时钟域。 时钟同步与互斥： 进一步讲解在多时钟域交互时，除了数据同步，时钟的同步或互斥机制也至关重要。 第五章：FPGA IP核的利用与接口设计 IP核（Intellectual Property Core）的概念与价值： 解释IP核是预先设计好的、可复用的硬件模块，能够显著缩短开发周期，提高设计质量。 IP核的分类与来源： 介绍IP核的种类（如处理器IP、通信接口IP、DSP IP、存储器IP等）和获取方式（厂商提供的IP、第三方IP、自研IP）。 IP核的集成与配置： IP核生成工具的使用： 以Xilinx Vivado IP Catalog和Intel Quartus Prime IP Catalog为例，演示如何生成和配置常用的IP核（如RAM、ROM、DDR控制器、AXI Interconnect）。 IP核接口协议： 讲解AXI4、AXI-Lite、AHB等常用的片上总线协议，理解IP核之间如何通过这些协议进行互联。 标准接口设计： DDR/DDR2/DDR3/DDR4控制器设计： 详细阐述DDR内存接口的工作原理，包括时序要求、初始化流程、读写命令时序。介绍如何使用FPGA厂商提供的DDR IP核，以及需要注意的关键参数配置。 PCIe接口设计： 讲解PCIe的基本概念、协议栈（物理层、链路层、事务层），以及如何在FPGA上实现PCIe的接口（通常通过PCIe IP核）。 Ethernet（以太网）接口设计： 介绍10/100/1000Mbps以太网MAC层和PHY层的基本工作原理，以及如何利用FPGA实现以太网接口。 HDMI/MIPI接口设计： 讲解高清视频和移动设备常用接口的工作原理，以及其在FPGA实现中的挑战（如高数据率、时序精确性）。 第六章：嵌入式FPGA系统设计 软核处理器（Soft-core Processor）介绍： RISC-V/MicroBlaze/Nios II： 详细介绍FPGA上实现的一些流行的软核处理器，分析其架构、性能、功耗和指令集。 软核处理器的优势与局限： 讨论软核处理器在灵活性、定制化方面的优势，以及相比于硬核处理器在性能和功耗上的局限。 硬核处理器（Hard-core Processor）与FPGA的协同设计（SoC）： Zynq/Arria V SoC/Stratix 10 SoC等SoC器件： 介绍集成了ARM硬核处理器和FPGA fabric的SoC器件，及其在高性能计算、实时控制等领域的应用。 ARM与FPGA的协同工作模式： 讲解ARM如何控制FPGA，FPGA如何加速ARM的任务，以及两者之间的高速通信接口（如AXI）。 嵌入式系统的软件与硬件协同开发： Bootloader与操作系统： 介绍嵌入式系统中Bootloader的作用，以及如何加载和运行RTOS（如FreeRTOS, Linux）等操作系统。 驱动程序开发： 讲解如何为FPGA上的自定义外设编写软件驱动程序，使之能够被CPU访问和控制。 中断处理机制： 阐述CPU如何响应FPGA产生的硬件中断，以及中断优先级和处理流程。 总线协议在嵌入式系统中的应用： AXI总线协议详解： 深入分析AXI4、AXI-Lite、AXI Stream等协议的握手机制、传输模型，以及它们在SoC系统中实现CPU与FPGA fabric之间高效通信的关键作用。 SPI/I2C/UART等外设接口： 介绍这些标准外设接口在嵌入式FPGA系统中的应用，以及如何通过FPGA实现这些接口的驱动逻辑。 第七章：FPGA设计流程的优化与高级应用 低功耗FPGA设计技术： 功耗的来源分析： 讲解FPGA的动态功耗（开关功耗）和静态功耗（漏电功耗）。 降低功耗的策略： 介绍多种低功耗设计方法，如降低时钟频率、采用时钟门控（Clock Gating）、数据门控（Data Gating）、优化状态机编码、选择低功耗器件等。 高性能FPGA设计技术： 时钟频率优化： 探讨如何通过流水线、寄存器复制、优化布线策略来提高最高工作时钟频率。 并行计算设计： 讲解如何利用FPGA强大的并行性，将计算任务分解为多个并行处理单元，实现超高性能。 DSP（数字信号处理）优化： 介绍FPGA在DSP领域的应用，如CORDIC算法、FFT（快速傅里叶变换）的FPGA实现，以及如何利用FPGA的DSP Slice资源。 FPGA设计中的设计检查与形式验证： 代码风格检查（Linting）： 介绍Lint工具如何静态检查HDL代码中的潜在错误和不符合编码规范的地方。 形式验证（Formal Verification）： 讲解形式验证的概念，如何利用工具证明设计的某个属性在所有可能的输入组合下都成立，从而提供比仿真更强的验证能力。 静态时序分析（STA）的高级应用： 深入讲解STA在验证设计是否满足所有时序约束、发现潜在时序问题、指导布局布线等方面的作用。 FPGA原型验证（Prototyping）的应用： ASIC/SoC原型验证： 介绍FPGA如何作为ASIC或SoC芯片设计前的硬件原型，用于功能验证、软件开发和系统集成。 快速原型开发： 阐述FPGA在产品研发过程中，实现快速原型验证，缩短开发周期的优势。 FPGA在特定领域的应用案例分析： 通信领域： 高速信号处理、误码率测试、协议栈实现。 图像处理领域： 图像滤波、边缘检测、图像缩放、实时视频处理。 计算领域： 加密/解密加速、科学计算、AI推理。 工业控制领域： 实时传感器数据采集、电机控制、工业自动化。 第八章：实际项目开发实战 项目选题与规划： 提供一些具有代表性的FPGA项目选题，指导读者如何进行项目规划、功能分解和任务分配。 项目案例分析（示例）： UART通信模块设计： 从零开始，设计一个可配置波特率的UART发送/接收模块，包含HDL代码、Testbench和仿真结果分析。 VGA显示控制器设计： 实现一个简单的VGA显示控制器，能够输出固定图像或动态文字，涉及时序生成、像素处理等。 SD卡读写接口设计： 讲解SD卡（SPI模式）的通信协议，并实现一个基本的SD卡读写模块，能够读出SD卡中的文件。 数码管/LCD显示驱动设计： 设计数码管或字符型LCD的驱动程序，并在FPGA上实现。 项目开发流程总结： 结合项目案例，回顾整个FPGA设计与实现流程，强调各个环节的协同作用。 常见问题与解决思路： 汇总实际项目开发中可能遇到的各种问题，并提供相应的解决思路和调试方法。 持续学习与职业发展： 鼓励读者通过参与开源项目、参加比赛、阅读最新技术文档等方式，不断提升FPGA设计能力，为未来的职业发展打下坚实基础。 本书特点： 理论与实践深度结合： 不仅讲解FPGA设计的基础理论，更侧重于如何将其应用于实际工程项目。 语言全面： 涵盖Verilog和VHDL两种主流硬件描述语言，满足不同读者的学习需求。 案例丰富： 配备大量由浅入深的实例代码和详细的工程案例分析，帮助读者快速上手。 流程完整： 遵循从概念到实现，从基础到高级的完整FPGA设计流程，形成清晰的学习路径。 工具引导： 结合主流FPGA开发套件（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）进行讲解，具有很强的实践指导意义。 前沿技术： 涵盖了嵌入式FPGA系统、IP核利用、低功耗/高性能设计等当前热点技术。 适用人群： 电子工程、计算机科学、自动化等相关专业的本科生、研究生。 希望从事FPGA设计、ASIC验证、嵌入式系统开发等工作的初学者。 已有数字电路基础，但希望系统学习FPGA设计的工程师。 希望深入理解FPGA内部机制，提升设计能力的资深工程师。 需要进行FPGA原型验证或快速产品开发的研发人员。 通过本书的学习，读者将能够掌握FPGA设计的完整技术栈，自信地应对各种复杂的数字系统设计挑战，并在快速发展的数字技术领域中脱颖而出。

评分☆☆☆☆☆

从写作风格上讲，这本书的语言极其精准且富有画面感。它避免了过多的学院派术语堆砌，而是采用了工程师之间交流时最常用的那种清晰、直接的表达方式。举例来说，当它描述一个流水线结构时，往往会配上一个清晰的流程图，并用简洁的语言解释数据如何在各个阶段中传递和延迟，让人一目了然。书中大量的代码示例（我相信是有的），并非那种孤立的、教科书式的测试代码，而是具备实际工程意义的模块化设计。我个人在实践中，经常会遇到各种“黑盒”模块，不理解其内部结构就无法有效集成。这本书似乎深谙此道，它提供的不只是“怎么做”，更是“为什么这么做”，将晦涩的硬件同步机制和异步FIFO的交互细节，都阐述得井井有条，极大地提高了阅读的流畅度和理解的深度。

评分☆☆☆☆☆

这本书对于高级数字信号处理（DSP）模块在FPGA上的映射，提供了非常深入的探讨。在我看来，FPGA设计的核心竞争力之一就在于其并行处理能力，尤其是在滤波、傅里叶变换等计算密集型任务上。我非常期待这本书能在这方面有所建树。它是否深入探讨了CORDIC算法在定点和浮点表示下的资源消耗与精度平衡？是否详细对比了并行乘法器阵列与分布式 RAM 结构在实现 FIR 滤波器时的性能差异？优秀的实践书籍，理应对这些具体的资源优化策略给出量化的分析和实例支撑。如果它能够详细展示如何设计一个高效的并行累加器，或者如何利用 FPGA 内部的 DSP Slice 资源来加速矩阵运算，那么这本书的价值将远远超越普通的设计指南，成为我工作台上不可或缺的参考宝典。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计非常吸引人，色彩搭配和版式布局都透露出一种严谨而又充满活力的气息。尤其是那个略带磨砂质感的封皮，握在手里有一种沉甸甸的实在感，让人对里面的内容充满了期待。我记得我是在一个阳光明媚的下午，偶然在书店的角落里发现了它。当时我正在寻找一些关于嵌入式系统和硬件描述语言（HDL）结合的实践案例，而这本书的名字——《数字电路的FPGA设计与实现(应用篇)》——立刻就抓住了我的眼球。通常理论书籍会显得有些枯燥，但“应用篇”这三个字暗示了本书将更侧重于实际操作和工程化思维的培养。我翻开扉页，看到作者的简介，发现他对行业有着深刻的理解，这进一步增强了我购买的决心。这本书的装帧质量也相当不错，纸张厚实，印刷清晰，即便是长时间阅读，眼睛也不会感到疲劳。这种对细节的关注，往往也预示着内容本身的扎实程度。从外在给人的感觉来说，它绝不是那种应付了事的教材，而更像是一本精心打磨的工具书，适合那些真正想将数字电路知识转化为实际产品开发的工程师或高级学生。它的存在，本身就是对“理论指导实践”这一理念的最好诠释。

评分☆☆☆☆☆

我花了大量时间研究这本书的章节安排，发现其逻辑组织极为精妙。它似乎没有采用传统的先理论后实践的线性结构，而是更倾向于以项目驱动的方式展开。比如，它可能从一个实际的系统需求出发，例如高速数据采集或实时的图像处理模块，然后逐步拆解所需的数字逻辑模块，并演示如何使用FPGA平台将其高效实现。这种“问题导向”的学习路径，对于我这种喜欢动手实践的工程师来说，无疑是最高效的。我特别留意了其中关于时序约束和布局布线的章节，那部分内容写得极其详尽，不仅解释了为什么要做这些优化，更给出了很多业界常用的约束模板和调试技巧。很多其他参考书往往只是泛泛而谈，但这本书深入到了综合和布局阶段的具体参数调整对最终性能的影响，这种深度在市面上非常罕见。我感觉作者真的是把这些年踩过的“坑”都总结并展示出来了，读起来像是跟一位经验丰富的前辈在交流心得，而不是被动地接受知识灌输。

评分☆☆☆☆☆

这本书在软件工具链的介绍上表现出了极大的包容性和前瞻性。我们都知道，FPGA的开发环境更新换代非常快，不同厂商的工具链各有侧重。这本书显然没有局限于某一家特定的EDA供应商，而是提供了一个更宏观的视角。它可能在介绍设计流程时，会同时对比Xilinx Vivado和Intel Quartus Prime在特定功能模块上的实现差异和各自的优势点。对于初学者来说，这避免了过早地被单一工具绑定；而对于资深工程师而言，这有助于他们在面对多平台项目时，能够迅速切换思维模式。更让我欣赏的是，书中对“软核处理器”与“硬核处理器”的对比分析，讲解了在何种场景下选择NIOS II或MicroBlaze的权衡。这种中立且基于工程效益的分析，体现了作者对整个半定制化SoC设计生态系统的深刻洞察力，而非仅仅停留在 RTL 编码层面。