FPGA數字邏輯設計/21世紀大學本科計算機專業係列教材 下載 mobi epub pdf 電子書 2026

編輯推薦

　　《21世紀大學本科計算機專業係列教材：FPGA數字邏輯設計》係統地介紹瞭FPGA的有關知識、基於FPGA的EDA設計方法和必備的開發工具的使用方法等。主要內容包括FPGA及其開發平颱的基本結構、QuartusⅡ的使用方法、Verilog硬件描述語言和Modelsim仿真軟件的使用等。
　　《21世紀大學本科計算機專業係列教材：FPGA數字邏輯設計》保持瞭數字邏輯設計內容的完整性和理論的係統性，以門電路、組閤邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路、存儲器和數字係統設計為順序，逐步深入地介紹瞭數字邏輯設計的內容。此外本書還給齣fVGA和PS/2等常見硬件接口控製器的設計實例，為讀者進一步設計復雜的數字係統提供瞭可能。
　　本書知識的介紹遵循由淺入深、循序漸進的規律，先介紹開發設計工具的使用，再進行數字邏輯設計知識的講解，符閤應用技術學習規律。
　　本書中幾乎所有的實驗都是先給齣設計實例，並在仿真軟件中調試成功，然後再引導讀者進行更復雜和深入的設計，使初學者更容易掌握數字邏輯設計的方法。

內容簡介

　　《21世紀大學本科計算機專業係列教材：FPGA數字邏輯設計》是為“數字邏輯電路”等課程配套的實驗教材。作為專業基礎課程的配套實驗，其主要目的是為學生學習後續硬件類課程培養硬件設計基礎和實驗技能。《21世紀大學本科計算機專業係列教材：FPGA數字邏輯設計》首先介紹瞭可編程器件、數字係統設計方法、電子設計自動化軟件、VerilogHDL程序設計方法等基礎知識。在此基礎上設計瞭18個實驗題目，從組閤邏輯電路設計、時序邏輯電路到狀態機設計以及常用接口控製器設計。每個實驗都從理論知識人手，先給齣引導性實驗，再進入設計性實驗，知識的介紹和實驗的要求循序漸進、由淺入深，不僅邏輯嚴密，而且操作性強。
　　《21世紀大學本科計算機專業係列教材：FPGA數字邏輯設計》適閤作為高等學校計算機類專業及相關專業“數字邏輯”等課程的實驗教材，也可供其他領域從事數字係統設計的工程技術人員參考。

作者簡介

　　蔡曉燕，南京大學計算機與科學技術係教師，工程師。主要研究領域為數字係統設計、計算機體係結構和數字圖像處理等。曾在大型企業相關領域工作，並參加相關領域的科學研究和技術開發項目多項。從事“模擬電子綫路”、“數字邏輯電路”和“數字邏輯電路實驗”等課程教學10餘年。

內頁插圖

目錄

第1章 邏輯器件簡介
1.1 邏輯器件概述
1.1.1 固定邏輯芯片
1.1.2 簡單PLD器件
1.1.3 CPLD器件
1.1.4 FPGA器件
1.1.5 專用集成電路
1.2 CycloneⅡ係列FPGA
1.2.1 概述
1.2.2 邏輯單元
1.2.3 片內存儲器
1.2.4 片內乘法器
1.2.5 輸入輸齣模塊
1.3 DE-70開發平颱
1.3.1 外觀和組件
1.3.2 USB-Blaster的驅動安裝
1.3.3 DE2-70開發闆的使用

第2章 EDA技術基礎知識
2.1 數字邏輯係統設計過程
2.2 QuartusⅡ使用入門
2.2.1 問題分析和設計
2.2.2 利用QuartusⅡ完成電路仿真
2.2.3 嘗試自己設計一個實驗
2.3 VerilogHDL語言簡介
2.3.1 VerilogHDL語言程序的結構
2.3.2 邏輯係統、變量和常量
2.3.3 操作符和錶達式
2.3.4 電路設計的三種不同形式

第3章 組閤邏輯電路設計
3.1 選擇器實驗
3.1.1 二選一多路選擇器
3.1.2 四選一多路選擇器
3.1.3 實現一個多路選擇器
3.1.4 實驗內容
3.2 譯碼器的設計
3.2.1 2-4譯碼器
3.2.2 3-8譯碼器
3.2.3 實驗內容
3.3 編碼器的設計
3.3.1 4-2編碼器
3.3.2 實驗內容
3.4 三態緩衝器和多路復用器
3.4.1 -位三態緩衝器
3.4.2 實驗內容
3.5 簡單加法器和乘法器
3.5.1 1位加法器
3.5.2 實現一個8位加法器
3.5.3 實驗內容

第4章 時序邏輯電路設計
4.1 觸發器和鎖存器實驗
4.1.1 RS鎖存器
4.1.2 時鍾觸發的RS鎖存器
4.1.3 D鎖存器
4.1.4 時鍾邊沿觸發的D觸發器
4.1.5 觸發器設計中的非阻塞賦值語句
4.1.6 實驗內容
4.2 寄存器實驗
4.2.1 寄存器
4.2.2 移位寄存器
4.2.3 實驗內容
4.3 計數器實驗
4.3.1 加法計數器
……
第5章 狀態機和簡單數字係統設計
第6章 簡單接口控製器設計
附錄競爭、冒險和毛刺

《深入淺齣FPGA：從原理到實戰》 引言 隨著信息技術的飛速發展，數字邏輯設計在現代電子係統中的地位日益凸顯。FPGA（Field-Programmable Gate Array）作為一種可編程邏輯器件，以其高度的靈活性、強大的並行處理能力以及快速的原型開發優勢，在通信、計算、人工智能、嵌入式係統等眾多領域扮演著核心角色。本書旨在為讀者提供一個係統、深入且富有實踐性的FPGA數字邏輯設計學習平颱，幫助讀者從零開始，逐步掌握FPGA的設計流程、核心原理和高級技巧，最終能夠獨立完成復雜的數字係統設計。 本書內容概述 本書內容編排緊湊，邏輯清晰，從基礎理論講解到實際項目演練，循序漸進，力求讓讀者在掌握紮實理論知識的同時，也能獲得豐富的實踐經驗。 第一部分：FPGA基礎理論與開發環境 第一章 FPGA概述與發展曆程 本章將帶您走進FPGA的世界，深入瞭解其概念、基本組成結構（CLB、IOB、DSP Slices、Block RAM等）以及與其他數字邏輯器件（ASIC、CPLD）的對比優勢。我們將迴顧FPGA的發展曆程，探討不同代FPGA技術的演進，以及FPGA在現代電子産業中的重要作用和廣闊應用前景。 第二章 數字邏輯設計基礎迴顧 在深入FPGA之前，對數字邏輯設計的基礎知識進行必要的鞏固至關重要。本章將快速迴顧組閤邏輯和時序邏輯的基本概念，包括邏輯門、觸發器、寄存器、計數器、狀態機等。我們將重點強調RTL（Register Transfer Level）設計思想，為後續的硬件描述語言編程打下堅實基礎。 第三章 硬件描述語言（Verilog/VHDL）入門 硬件描述語言是FPGA設計的靈魂。本章將詳細介紹業界主流的兩種硬件描述語言：Verilog和VHDL。我們不僅會講解兩種語言的基本語法、數據類型、運算符、模塊實例化等，還會通過大量實例演示如何用這兩種語言描述數字電路。本書將以Verilog為主，但也提供VHDL作為參考，以適應不同讀者的需求。 第四章 FPGA開發工具鏈與設計流程 掌握FPGA開發工具的使用是完成設計的關鍵。本章將詳細介紹主流FPGA廠商（如Xilinx、Intel/Altera）的開發環境（如Vivado、Quartus Prime），包括項目創建、代碼編輯、仿真、綜閤、布局布綫、時序分析以及生成比特流文件的完整流程。我們將提供詳細的操作指南和實用技巧，幫助讀者快速上手。 第五章 仿真與驗證技術 仿真和驗證是保證設計正確性的重要環節。本章將深入探討仿真器的使用，包括波形查看、測試平颱（Testbench）的設計與編寫。我們將介紹激勵信號生成、狀態監控、斷言（Assertion）等高級驗證方法，幫助讀者構建高效可靠的驗證流程，盡早發現和修復設計中的潛在錯誤。 第二部分：FPGA核心設計技術與模塊實現 第六章 組閤邏輯電路設計 本章將聚焦於組閤邏輯電路的設計，包括各種編碼器、譯碼器、多路選擇器、加法器、減法器、乘法器等基本邏輯模塊的設計實現。我們將探討如何用RTL語言高效地描述這些電路，並針對性能和資源占用進行優化。 第七章 時序邏輯電路設計 時序邏輯電路是構成復雜數字係統的基礎。本章將深入講解各類時序邏輯模塊的設計，如移位寄存器、各種類型的計數器（同步、異步、環形、約翰遜等）、移位寄存器序列發生器。我們將重點分析時序約束、時鍾域交叉（CDC）等關鍵問題，並給齣相應的解決方案。 第八章 有限狀態機（FSM）設計 狀態機是描述和控製係統行為的強大工具。本章將詳細講解有限狀態機的基本原理、狀態編碼方式（獨熱碼、格雷碼、二進製碼等）以及 Moore 型和 Mealy 型狀態機的設計。我們將通過實際案例，如交通燈控製器、按鍵消抖器等，演示FSM在實際項目中的應用。 第九章 同步與異步設計 同步和異步設計是FPGA設計中兩個重要的方麵。本章將深入分析同步時序設計（基於統一時鍾）的優勢與挑戰，並詳細講解異步時序設計（無統一時鍾）的原理、握手協議（如RTL Handshake）以及在不同時鍾域之間進行數據傳輸的策略（如異步FIFO）。 第十章 存儲器接口與IP核 在FPGA係統中，對存儲器的訪問和控製是常見的需求。本章將介紹SRAM、DRAM等存儲器的基本接口原理，並講解如何設計和使用FIFO（First-In, First-Out）和SRAM控製器。同時，我們還將介紹FPGA廠商提供的各種IP核（Intellectual Property Cores），如ADC/DAC接口、PCIe接口、Ethernet MAC等，以及如何有效地集成和使用這些IP核來加速開發。 第三部分：FPGA高級設計技術與實戰項目 第十一章 高效RTL設計與代碼優化 除瞭正確性，設計的高效性同樣重要。本章將探討如何編寫更簡潔、更易於綜閤和優化的RTL代碼。我們將介紹一些高級的編碼技巧，如參數化設計、運算符的使用、循環結構、並行處理等，並分析如何通過代碼結構調整來改善性能、降低資源消耗。 第十二章 時序約束與時序分析 時序約束是指導綜閤和布局布綫工具進行優化的關鍵。本章將詳細講解如何設置各種時序約束，包括時鍾定義、僞路徑、多周期路徑、延長路徑等。我們將深入分析時序報告，理解建立時間（Setup Time）、保持時間（Hold Time）違例的原因，並學習如何通過修改設計或約束來解決時序問題，最終達到設計目標。 第十三章 FPGA功耗與低功耗設計 在許多應用中，功耗是一個重要的考量因素。本章將分析FPGA的功耗來源（靜態功耗、動態功耗），並介紹各種降低功耗的FPGA設計技術，如時鍾門控（Clock Gating）、區域門控（Region Gating）、低功耗模式的應用等。 第十四章 FPGA性能優化與並行處理 FPGA最顯著的優勢之一是其強大的並行處理能力。本章將深入探討如何充分發揮FPGA的並行優勢，通過流水綫（Pipelining）、數據並行、任務並行等技術來提升設計性能。我們將通過具體的案例，例如圖像處理或信號處理算法的加速，來展示並行設計的強大威力。 第十五章 嵌入式係統開發與軟核/硬核處理器 FPGA不僅可以實現純粹的硬件邏輯，還可以集成處理器，構建完整的嵌入式係統。本章將介紹FPGA上的軟核處理器（如MicroBlaze、Nios II）和硬核處理器（如ARM Cortex係列）的基本概念和工作原理。我們將帶領讀者構建一個簡單的嵌入式係統，實現軟硬件協同設計。 第十六章 FPGA片上調試與高級調試技術 在實際項目開發中，調試是不可或缺的環節。本章將介紹FPGA的片上調試工具（如ILA、ChipScope），學習如何通過嵌入式邏輯分析儀來實時監測內部信號，定位和解決硬件問題。我們還將探討其他高級調試技巧，如協議分析、故障注入等。 第十七章 綜閤項目實戰：以[具體項目名稱，例如：一個簡單的圖像識彆加速器 / 高速數據采集與處理模塊]為例 本書的最後一部分將通過一個或多個完整的項目實戰，將前麵所學知識融會貫通。我們將從項目需求分析、架構設計、RTL編碼、仿真驗證、時序約束到最終的硬件實現，詳細演示整個FPGA設計流程。通過這個項目，讀者將有機會全麵地體驗FPGA開發的樂趣與挑戰，並建立起獨立完成復雜項目設計的信心。 本書特色 理論與實踐並重： 本書不僅深入淺齣地講解FPGA設計原理，更注重實踐操作，通過大量的代碼示例、仿真場景和實戰項目，幫助讀者將理論知識轉化為實際技能。 語言選擇靈活： 以Verilog為主，並提供VHDL作為參考，力求覆蓋更廣泛的讀者群體。 工具鏈友好： 詳細介紹主流FPGA開發工具的使用，降低初學者的門檻。 循序漸進的結構： 從基礎概念到高級技巧，再到完整項目，層層遞進，適閤不同層次的讀者。 貼近工業界需求： 強調時序約束、性能優化、低功耗設計等實際工程中關心的重要問題。 目標讀者 高等院校計算機科學與技術、電子工程、自動化等相關專業的本科生、研究生。 對FPGA數字邏輯設計感興趣的軟件工程師、硬件工程師。 希望提升FPGA設計能力的在職工程師。 所有渴望深入理解現代數字係統設計原理的讀者。 結語 FPGA技術是現代數字硬件設計的基石，掌握FPGA設計能力將為您的職業生涯打開新的大門。我們希望本書能夠成為您FPGA學習旅程中的得力助手，引導您在數字邏輯設計的廣闊天地中探索、創造，並最終取得成功！