FPGA應用技術教程(Xilinx公司大學計劃官方指定教材) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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康桂霞 著

圖書標籤:

• FPGA
• Xilinx
• 應用開發
• 數字電路
• 可編程邏輯
• VHDL
• Verilog
• 硬件設計
• 電子工程
• 大學教材

店鋪： 廣影圖書專營店

齣版社： 人民郵電齣版社

ISBN：9787115310019

商品編碼：29707849813

包裝：平裝

齣版時間：2013-06-01

基本信息

書名:FPGA應用技術教程(Xilinx公司大學計劃官方指定教材)

定價：45.00元

售價：30.6元,便宜14.4元,摺扣68

作者:康桂霞

齣版社：人民郵電齣版社

齣版日期：2013-06-01

ISBN：9787115310019

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.381kg

編輯推薦

1、本書為Xilinx公司大學計劃的官方推薦教材
2、集理論性、工程性和創新性於一體

內容提要

本書以Xilinx公司的FPGA及其開發平颱為基礎，綜閤FPGA和信息通信技術兩個方嚮，以圖文並茂、深入淺齣的方式，全麵、係統地介紹信息通信技術以及FPGA技術的相關發展、FPGA的基本原理、硬件開發流程、開發平颱、VHDL語言，以及在信息通信領域開發中常用的儀器儀錶等。內容涵蓋瞭FPGA開發的主要方麵，並精選瞭信息與通信技術中的常用關鍵模塊，進行詳盡深入的講解指導，增強瞭與讀者的互動性。書中內容結閤作者多年的教學實踐以及實際開發經驗，具有很高的學習參考和實踐指導價值。 本書內容注重係統化詮釋，針對性較強，可滿足學習指導和實際工程開發的需求。本書可作為高等院校通信工程、電子信息工程、計算機、微電子與集成電路等相關專業的本科生以及研究生的教材與學習參考書，也可作為電子信息和通信工程師、可編程邏輯開發人員的實用工具書。

目錄

目 錄

章 信息與通信技術及FPGA開發綜述 1
1.1 信息與通信技術的發展概況 1
1.1.1 計算機技術的發展概況 1
1.1.2 信號處理技術的發展 3
1.1.3 通信技術的發展概況 4
1.2 可編程邏輯器件發展概況 8
1.2.1 CPLD 10
1.2.2 FPGA 10
1.3 未來FPGA技術的發展趨勢 11
1.3.1 芯片工藝的發展趨勢 11
1.3.2 基於FPGA的嵌入式係統(SoPC)技術應用 11
1.3.3 基於IP庫的設計方法 12
1.3.4 動態可重構技術 13
1.4 FPGA在信息與通信領域的應用 13
1.4.1 FPGA在計算機技術中的應用 13
1.4.2 FPGA在數字信號處理中的應用 14
1.4.3 FPGA在無綫通信係統中的應用 14
1.5 本章小結 15

第2章 FPGA設計基礎 16
2.1 可編程邏輯器件結構簡述 16
2.1.1 基於乘積項(Product-Term)的PLD 16
2.1.2 基於查找錶(Look-Up-Table)的PLD 19
2.2 Xilinx FPGA器件 23
2.2.1 Spartan類 23
2.2.2 Virtex類 28
2.2.3 新FPGA簡介 32
2.3 FPGA的一般設計流程 33
2.3.1 設計準備 34
2.3.2 設計輸入 34
2.3.3 功能仿真 35
2.3.4 設計處理 35
2.3.5 時序仿真 36
2.3.6 器件編程與測試 36
2.4 FPGA在DSP領域中的開發 36
2.4.1 利用MATLAB輔助FPGA的邏輯設計 38
2.4.2 Simulink簡介 38
2.4.3 System Generator工具簡介 39
2.4.4 Simulink和System Generator聯閤開發 39
2.5 本章小結 43

第3章 ISE軟件使用指南 44
3.1 Xilinx公司的EDA集成開發工具 44
3.2 ISE 12.2軟件的設計流程 45
3.2.1 創建工程 45
3.2.2 設計輸入 48
3.2.3 仿真 53
3.2.4 綜閤及添加用戶約束 58
3.2.5 實現和編程下載 60
3.3 本章小結 63

第4章 VHDL介紹及實例 64
4.1 VHDL的基本概念 64
4.1.1 什麼是VHDL 64
4.1.2 VHDL的曆史 64
4.1.3 VHDL的優點 65
4.2 VHDL的語法基礎 66
4.2.1 VHDL的對象 66
4.2.2 VHDL的數據類型 67
4.2.3 VHDL的運算操作符 69
4.2.4 VHDL的主要描述語句 71
4.3 VHDL的基本結構 81
4.3.1 實體說明 81
4.3.2 結構體(構造體) 83
4.3.3 庫、程序包及配置 84
4.4 VHDL設計實例簡析 86
4.4.1 組閤邏輯電路的設計 86
4.4.2 VHDL在通信係統中的應用 112
4.5 本章小結 133

第5章 實驗裝置與儀錶 137
5.1 實驗開發平颱 137
5.1.1 Spartan-3E開發套件 137
5.1.2 模塊簡介與管腳映射 138
5.2 實驗儀錶 156
5.2.1 脈衝信號發生器 156
5.2.2 數字示波器 158
5.2.3 邏輯分析儀 162
5.2.4 誤碼儀 166
5.3 本章小結 170

第6章 實驗指導 171
實驗1 OFDM係統中FFT的VHDL實現 171
一、實驗目的 171
二、實驗原理 171
三、實驗儀器 174
四、實驗內容 174
五、實驗擴展 175
實驗2 數字頻率計的設計與實現 175
一、實驗目的 175
二、實驗原理 175
三、實驗儀器 176
四、實驗內容 176
五、實驗擴展 177
實驗3 FIR的VHDL實現 178
一、實驗目的 178
二、實驗原理 178
三、實驗儀器 180
四、實驗內容 180
五、實驗擴展 182
實驗4 PS2鍵盤接口的VHDL實現 182
一、實驗目的 182
二、實驗原理 183
三、實驗儀器 185
四、實驗內容 185
五、實驗擴展 186
實驗5 簡單計算器的VHDL實現 186
一、實驗目的 186
二、實驗原理 186
三、實驗儀器 188
四、實驗內容 188
五、實驗擴展 189
實驗6 16QAM調製解調的VHDL實現 189
一、實驗目的 189
二、實驗原理 189
三、實驗儀器 192
四、實驗內容 192
五、實驗擴展 193
實驗7 綫性分組碼和CRC校驗碼編譯碼的VHDL實現 193
一、實驗目的 193
二、實驗原理 193
三、實驗儀器 195
四、實驗內容 195
五、實驗擴展 196
實驗8 捲積碼編譯碼的VHDL實現 196
一、實驗目的 196
二、實驗原理 196
三、實驗儀器 200
四、實驗內容 200
五、實驗擴展 201
實驗9 實現一個用於CDMA 2000係統的短幀交織器 201
一、實驗目的 201
二、實驗原理 201
三、實驗儀器 204
四、實驗內容 205
五、實驗擴展 205
實驗10 QPSK信號的匹配接收機 205
一、實驗目的 205
二、實驗原理 206
三、實驗儀器 208
四、實驗內容 208
五、實驗擴展 209
實驗11 哈達碼矩陣的相關接收機的VHDL實現 209
一、實驗目的 209
二、實驗原理 210
三、實驗儀器 212
四、實驗內容 212
五、實驗擴展 212
實驗12 WCDMA係統擴頻碼(OVSF碼)和下行擾碼發生器的VHDL實現 212
一、實驗目的 212
二、實驗原理 213
三、實驗儀器 216
四、實驗內容 216
五、實驗擴展 217

附錄 英文縮略語 218
參考文獻 220

作者介紹

文摘

序言

從數字邏輯的基石到硬件實現的藝術：深入淺齣FPGA應用技術 在當今飛速發展的電子技術浪潮中，現場可編程門陣列（FPGA）以其獨特的靈活性、高效能和高度可定製性，已然成為硬件設計領域的核心驅動力。它不僅是電子工程師手中強大的設計工具，更是創新科技得以落地實現的關鍵平颱。從通信網絡到人工智能，從嵌入式係統到工業自動化，FPGA的身影無處不在，深刻地改變著我們生活和工作的方方麵麵。 本書並非一本簡單的入門指南，而是旨在引領讀者，特彆是那些對數字邏輯設計、硬件實現充滿熱情，或者在實際工程項目中需要高效解決方案的工程師、學生及研究人員，踏上一段深入理解FPGA應用技術的旅程。我們將不局限於理論的陳述，而是通過由淺入深的講解，結閤實際應用場景的分析，構建一個全麵而紮實的FPGA知識體係。 一、 夯實基礎：理解數字邏輯設計的本質 在深入FPGA的廣闊天地之前，牢固的數字邏輯基礎是必不可少的。我們將從最基本的邏輯門（AND, OR, NOT, XOR等）齣發，循序漸進地介紹組閤邏輯和時序邏輯電路的設計原理。在這裏，組閤邏輯電路的輸齣僅取決於當前的輸入，而時序邏輯電路則引入瞭“記憶”的概念，其輸齣會受到曆史輸入狀態的影響，這對於構建復雜的計數器、寄存器、狀態機等至關重要。 本書將詳細解析二選一多路選擇器、編碼器、譯碼器、加法器、減法器等基本組閤邏輯模塊的設計思路與實現方法，並通過深入探討觸發器（D觸發器、JK觸發器、T觸發器等）、寄存器、移位寄存器、計數器等時序邏輯單元的工作原理，幫助讀者理解它們在數字係統中扮演的角色。我們還會重點講解有限狀態機（FSM）的設計，它能夠描述和控製係統按照預設的順序執行任務，是實現復雜控製邏輯的核心。通過對這些基礎知識的透徹理解，讀者將為後續的FPGA設計打下堅實的基礎。 二、 FPGA技術縱覽：揭開其神秘麵紗 FPGA之所以能夠實現如此強大的功能，得益於其獨特的內部結構和工作機製。我們將深入剖析FPGA的核心組成部分，包括邏輯單元（Logic Elements/Blocks）、可編程互連綫（Programmable Interconnects）、輸入/輸齣塊（I/O Blocks）以及時鍾管理單元（Clock Management Tiles）。 邏輯單元是FPGA實現邏輯功能的基本單元，通常包含查找錶（Look-Up Tables, LUTs）和觸發器。我們將詳細講解查找錶的原理，它如何通過存儲預設的真值錶來實現任意布爾函數的組閤邏輯功能。同時，我們也會探討觸發器在構成寄存器和狀態機中的作用。 可編程互連綫是FPGA實現靈活連接的關鍵，它允許用戶根據設計需求，動態地配置邏輯單元之間的連接關係。我們將分析不同類型的互連結構，以及它們如何影響信號的傳輸延遲和設計的性能。 輸入/輸齣塊則負責FPGA與外部世界的接口，支持多種標準和電壓，確保FPGA能夠與其他器件無縫集成。我們還會介紹時鍾管理單元（如PLL, MMCM）在提供穩定、可配置時鍾信號方麵的作用，這對同步數字電路的正常運行至關重要。 三、 HDL語言：描述硬件的設計利器 硬件描述語言（HDL）是現代數字邏輯設計的基石，它允許工程師以文本化的方式描述硬件電路的行為和結構。本書將聚焦於業界主流的HDL語言，特彆是Verilog HDL。我們將從最基本的語法、數據類型、運算符講起，逐步深入到模塊實例化、端口連接、always塊、賦值語句、任務和函數等核心概念。 我們將通過大量的實例，演示如何使用Verilog HDL來描述組閤邏輯電路（如加法器、多路選擇器）和時序邏輯電路（如寄存器、計數器、狀態機）。更重要的是，我們將強調“行為級”和“結構級”描述的區彆，以及如何從高層次的抽象描述逐步細化到能夠被綜閤工具理解的低層次網錶。 對於熟悉VHDL的讀者，我們也會提供必要的參考和對比，幫助理解兩種語言在設計理念和語法上的異同，但核心在於強調HDL作為一種“硬件描述”語言的特性，而非傳統的“軟件編程”語言。 四、 FPGA設計流程：從概念到實現的完整鏈條 掌握瞭FPGA的硬件結構和HDL語言之後，理解完整的FPGA設計流程至關重要。我們將詳細介紹從需求分析、係統設計、HDL編碼、功能仿真、綜閤、適配（Placement & Routing）、時序仿真，直到最終生成比特流文件並下載到FPGA芯片的每一個環節。 功能仿真 (Functional Simulation): 這是設計過程中最重要的一步，通過仿真工具驗證HDL代碼是否按照設計者的意圖正確實現瞭功能，確保邏輯的正確性。 綜閤 (Synthesis): 將HDL代碼轉換成FPGA器件能夠理解的門級網錶的過程。我們將探討綜閤工具的選擇、約束文件的作用，以及如何通過優化策略獲得更優的性能和資源利用率。 適配 (Placement & Routing): 將綜閤後的邏輯網錶映射到FPGA芯片的物理資源（如邏輯單元、互連綫）上，並確定它們之間的具體連接。這一步直接影響到設計的時序性能和功耗。 時序仿真 (Timing Simulation): 在適配完成後，利用實際的物理布綫延遲信息進行仿真，驗證設計是否滿足時序要求，即是否能在設定的時鍾頻率下穩定工作。 本書將貫穿介紹這些流程中的關鍵技術點、常見問題及解決方法，幫助讀者建立起一套完整、高效的設計方法論。 五、 深入FPGA高級特性與應用 在掌握瞭基礎設計流程後，我們將進一步探討FPGA的一些高級特性和實際應用場景，讓讀者能夠設計齣更復雜、更強大的係統。 狀態機設計進階: 除瞭基本的有限狀態機，我們還將深入探討Moore狀態機和Mealy狀態機的區彆與應用，以及如何設計更復雜的同步/異步狀態機，以應對更具挑戰性的控製需求。 數據通路與控製通路: 如何將數據處理單元（如算術邏輯單元、存儲器）與控製單元（如狀態機）有機結閤，構建高效的數據通路和控製通路，是實現復雜功能的關鍵。 IP核的應用與開發: 許多常用的數字模塊（如UART、SPI、I2C控製器，DDR控製器，DSP模塊等）已被封裝成IP核，可以直接調用。我們將介紹如何集成和使用這些IP核，並探討如何根據自身需求開發定製化的IP核。 時序約束與時序優化: 深入理解時序約束文件的編寫，如時鍾定義、輸入輸齣延遲等，以及如何分析時序報告，找齣設計中的時序瓶頸，並采取相應的優化措施（如代碼重構、管綫化、改變綜閤/適配策略）以滿足高時鍾頻率要求。 低功耗設計: 在功耗日益重要的今天，我們將探討FPGA的低功耗設計技術，包括時鍾門控、電源管理等。 實時操作係統（RTOS）與FPGA的結閤: 對於嵌入式係統而言，RTOS與FPGA的結閤能夠實現復雜的任務調度和管理。我們將探討如何將RTOS移植到FPGA係統中，並實現軟硬件協同設計。 片上係統（SoC）設計基礎: 現代FPGA設計日益趨嚮於SoC，將處理器（如ARM核）與可編程邏輯相結閤。我們將簡要介紹SoC的設計理念、架構以及軟硬件接口的設計。 DSP應用與FPGA: FPGA在數字信號處理（DSP）領域具有天然的優勢。我們將介紹如何利用FPGA實現FFT、濾波器、各種調製解調等DSP算法，並探討其在通信、雷達、圖像處理等領域的應用。 AI加速與FPGA: 隨著人工智能的飛速發展，FPGA憑藉其並行處理能力，在AI推理加速方麵展現齣巨大的潛力。我們將介紹如何利用FPGA實現神經網絡的加速，以及在邊緣計算、自動駕駛等領域的應用。 六、 實踐案例分析與項目指導 理論學習離不開實踐的檢驗。本書將精選一係列典型的FPGA應用案例，涵蓋從簡單的LED閃爍、數碼管顯示，到復雜的UART通信、SDRAM控製器、簡單的圖像處理模塊，甚至一個基礎的嵌入式係統框架。通過對這些案例的詳細分析，讀者可以學習到如何將所學的理論知識應用於實際問題，並掌握解決實際設計挑戰的技巧。 我們將不僅提供設計思路和代碼實現，還會強調問題分析、調試方法以及性能評估。對於學生和初學者，我們將提供清晰的指導，幫助他們完成從零開始的項目。對於有經驗的工程師，這些案例也將帶來新的啓發和思考。 結語 FPGA技術的發展日新月異，其應用領域也在不斷拓展。本書旨在為讀者提供一個全麵、深入且實用的學習平颱，幫助您掌握FPGA的設計精髓，領略硬件實現的藝術，並最終能夠獨立完成復雜的FPGA項目，成為新一代的硬件創新者。我們相信，通過本書的學習，您將能夠自信地應對未來電子設計領域的各種挑戰，並用FPGA的力量創造齣無限可能。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和印刷質量簡直讓人眼前一亮，拿到手裏就感覺物有所值。紙張厚實，色彩還原度很高，尤其是那些復雜的電路圖和代碼示例，細節清晰可見，一點都不含糊。這對於我們這些初學者來說太重要瞭，很多教程的圖例模糊不清，看得人一頭霧水，但這本教材在這方麵做得非常到位。翻閱過程中，能明顯感覺到編者在細節上的用心，每一個章節的邏輯結構都經過瞭精心設計，從基礎概念的引入到高級應用的展開，過渡得非常自然流暢，讓人很容易跟上思路。我特彆喜歡它對一些關鍵概念的深入剖析，不是簡單地羅列公式，而是結閤實際應用場景進行講解，比如並行處理和時序邏輯的設計，都有非常生動的例子。而且，隨書附帶的配套資源也相當豐富，光是那些設計案例的代碼注釋就非常詳盡，對於快速上手項目開發提供瞭極大的便利。總的來說，這是一本在硬件呈現和內容組織上都堪稱一流的教材，讓人願意花時間去細細品讀和實踐。

評分☆☆☆☆☆

從係統架構的角度來看，這本書的知識體係構建得非常完整和前瞻。它並非隻關注某一個具體的語言特性或者工具操作，而是站在整個數字係統設計的層麵，去講解如何有效地組織一個大型項目。例如，它對模塊化設計、層次化抽象的管理思想進行瞭深入的闡述，這些都是構建大型、可維護FPGA係統的基石。此外，書中對Xilinx生態係統中各個工具模塊之間的協同工作流程，描述得非常清晰，這對於初次接觸該平颱的學習者至關重要，能有效避免因工具鏈不熟悉而産生的挫敗感。總的來說，這本書為讀者構建瞭一個穩固的、麵嚮工業實踐的知識框架，它不僅僅教會瞭我們使用工具，更教會瞭我們如何像一個專業的係統架構師那樣去思考和設計。

評分☆☆☆☆☆

我接觸FPGA已經有一段時間瞭，嘗試過不少市麵上的教程，但說實話，很多都停留在理論的錶麵，或者例子過於陳舊，跟不上現在主流器件的發展。然而，這本教材給我的感覺完全不同，它仿佛帶著你進入瞭Xilinx最前沿的技術世界。它不僅僅是一本“怎麼做”的指南，更是一本“為什麼這麼做”的深度解讀。作者顯然對底層的硬件架構有著深刻的理解，他沒有迴避那些看似晦澀難懂的原理，而是用一種非常務實且富有洞察力的方式將其闡述清楚。比如，關於資源利用率優化和時序收斂的章節，我感覺像是上瞭一堂高階專業課，那些以往在其他地方讀不懂的“黑話”，在這裏都變得通俗易懂，並且立刻能聯係到實際項目中的瓶頸。這種層次感和專業深度，對於希望從“會用”邁嚮“精通”的工程師來說，無疑是雪中送炭。它強迫你去思考設計背後的工程權衡，而不是僅僅停留在仿真和綜閤的錶麵功夫上。

評分☆☆☆☆☆

這本書的敘事風格非常接地氣，沒有那種高高在上的學術腔調，讀起來非常輕鬆，仿佛是一位經驗豐富的前輩在身旁手把手指導。語言錶達直接而精準，尤其是在解釋那些復雜的時序分析報告（如Setup/Hold Time Violations）時，它會用一種非常形象的比喻來描述時鍾信號的“趕路”過程，讓我瞬間茅塞頓開。我尤其欣賞作者在講解IP核集成和AXI總綫通信協議時的處理方式，這些在實際項目中至關重要的部分，往往被其他教材一筆帶過，但在這本書裏卻得到瞭詳盡的展開，不僅講解瞭接口規範，還深入到瞭握手機製的底層邏輯。對於我們這些需要快速將理論轉化為生産力的技術人員來說，這種注重“工程實現細節”的講解，比純理論推導更有指導意義。

評分☆☆☆☆☆

這本書的實戰性是它最吸引我的地方，完全擺脫瞭傳統教材那種“紙上談兵”的弊病。從第一個實驗開始，它就引導讀者使用最新的開發環境，每一個實驗步驟都精確到具體的菜單點擊和參數設置，毫無含糊之處。我按照教程的指引，親手完成瞭一個小型圖像處理模塊的搭建，從HDL代碼的編寫、約束文件的設置，到最終的比特流生成和硬件調試，整個流程一氣嗬成。教程中穿插瞭大量“陷阱”提示，比如哪些操作容易導緻時鍾域交叉問題，哪些設計容易觸發時序違例，這些都是過來人血淚積纍的經驗，對於新手避免走彎路太有價值瞭。更棒的是，它並沒有把所有東西都打包好，而是留有一定的開放性，鼓勵讀者在完成基礎實驗後，嘗試自己去修改參數、替換IP核，這種“牽著走”到“放手飛”的過渡設計，極大地激發瞭我的學習主動性。