FPGA设计 张义和 9787030376039 pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

基本信息

书名：FPGA设计

定价：52.00元

作者：张义和

出版社：科学出版社

出版日期：2013-07-01

ISBN：9787030376039

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：12k

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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Altium Designer所提供的电路原理图绘图功能（简称电路绘图），一直都是群雄，它提供各种电路图结构的设计，包括单张式电路图、平坦式电路图、阶层式电路图，以及高效能的重复阶层式电路图，等等。
《FPGA设计》的主要目的是探讨FPGA设计，包括以VHDL为主的数字逻辑基础能力训练与应用技巧，并搭配NanoBoard 3000进行系统设计。
《FPGA设计》内容丰富、结构合理、图文并茂、语言清晰。适合各大中型院校电工、电子、自动化及相关专业师生参考阅读，同时适合作为电路设计工程师的参考用书。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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《现代数字系统设计原理与实践》 图书简介 在当今信息技术飞速发展的时代，数字系统设计作为支撑半导体产业、通信系统、人工智能等前沿领域的核心技术，其重要性不言而喻。从嵌入式设备到高性能计算，从通信网络到物联网，无处不闪耀着数字系统设计的智慧。本书旨在为读者提供一个全面、深入、系统性的现代数字系统设计知识体系，涵盖了从基础理论到高级应用，从硬件描述语言到实际项目实现的各个环节。我们力求通过理论与实践相结合的方式，引导读者掌握数字系统设计的核心理念、关键技术和工程方法，为他们在相关领域的发展奠定坚实的基础。 第一部分：数字系统设计基础 本部分将带领读者回顾并夯实数字系统设计最基本、最核心的理论知识，为后续更复杂的学习打下坚实的基础。 数字电路基础回顾： 我们将从最基本的逻辑门（AND, OR, NOT, XOR等）开始，介绍组合逻辑和时序逻辑电路的基本概念。读者将深入理解布尔代数、卡诺图化简、真值表等设计工具的应用，掌握如何将现实世界的逻辑需求转化为数字电路的实现。在此基础上，我们将详细讲解触发器（D触发器、JK触发器、T触发器、RS触发器）、寄存器、计数器、移位寄存器等时序逻辑元件的工作原理、特性以及在实际电路中的应用。此外，还会涉及多路选择器（Multiplexer）、译码器（Decoder）、编码器（Encoder）、加法器、减法器等基本组合逻辑模块的设计与分析。 数制与编码： 深入探讨二进制、十进制、十六进制等常用数制之间的转换，理解它们在数字系统中的表达方式。重点讲解各种编码格式，包括BCD码、格雷码、ASCII码、Unicode等，并分析它们的优缺点及适用场景。特别会涉及带符号数的表示方法，如原码、反码、补码，理解其在算术运算中的重要性。 逻辑电平与时序分析： 介绍数字电路中的逻辑电平概念（高电平、低电平、不确定电平），以及不同逻辑系列（如TTL、CMOS）的特点和选择依据。深入讲解数字系统中的时序问题，包括建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）、时钟周期（Clock Period）、时钟频率（Clock Frequency）、时钟抖动（Clock Jitter）等关键时序参数，以及如何进行时序约束和时序分析，确保数字系统在动态运行中的稳定性和正确性。 第二部分：硬件描述语言（HDL）与综合 硬件描述语言是现代数字系统设计的核心工具，本部分将系统介绍最主流的HDL语言——Verilog HDL，并讲解如何将其转化为实际的硬件电路。 Verilog HDL入门： 从Verilog HDL的基本语法开始，包括模块（module）、端口（port）、信号（wire, reg）、赋值语句（assign, always）、运算符等。读者将学习如何用Verilog HDL描述组合逻辑和时序逻辑电路，理解行为级建模、数据流建模和结构级建模的不同风格，并掌握如何使用有限状态机（FSM）模型来设计复杂的控制器。 Verilog HDL进阶： 深入讲解Verilog HDL的高级特性，如参数化模块（parameter）、生成语句（generate）、任务（task）和函数（function）、文件I/O、系统任务等。重点讲解如何有效地组织Verilog代码，提高代码的可读性、可维护性和重用性。介绍如何进行模块实例化和层次化设计，构建大型复杂系统。 行为级建模与综合： 详细阐述行为级建模（Behavioral Modeling）的概念，以及如何利用Verilog HDL的always块和case语句等描述电路的行为。重点讲解综合（Synthesis）的概念，即HDL代码到门级网表的转换过程。介绍综合工具的基本原理和约束文件的作用，包括时序约束（Timing Constraints）和面积约束（Area Constraints），以及如何通过优化HDL代码和调整综合选项来获得符合设计要求的门级网表。 时序逻辑与状态机设计： 重点讲解如何利用Verilog HDL设计和实现同步时序逻辑和异步时序逻辑。深入分析有限状态机（FSM）的设计方法，包括Mealy型和Moore型状态机的区别与联系，以及如何通过状态转移图（State Transition Diagram）和状态表（State Table）来清晰地表达设计意图。演示如何用Verilog HDL高效地编码FSM，并讨论状态编码的优化技巧，以减小状态机的硬件面积和提高运行速度。 第三部分：FPGA设计流程与实现 FPGA（Field-Programmable Gate Array）作为一种高度灵活的数字集成电路，为快速原型验证和产品开发提供了强大的平台。本部分将聚焦FPGA的设计流程，带领读者完成一个完整的FPGA项目。 FPGA架构与技术： 介绍FPGA的基本架构，包括可编程逻辑块（CLB/LE）、可编程互连线（Programmable Interconnect）、输入/输出块（IOB）以及其他专用资源（如DSP Slice, Block RAM）。讲解不同FPGA厂商（如Xilinx, Intel Altera）的产品系列和特点，帮助读者理解FPGA的硬件实现机制。 FPGA开发流程： 详细描述FPGA设计的典型流程，包括： 需求分析与规格定义： 如何将系统需求转化为硬件规格。 HDL代码编写： 基于Verilog HDL或VHDL编写设计模块。 功能仿真（Functional Simulation）： 使用仿真工具验证HDL代码的功能正确性，重点讲解测试平台的构建和仿真波形分析。 综合（Synthesis）： 将HDL代码转换为门级网表，并进行初步的时序和面积优化。 实现（Implementation）： 包括布局（Placement）和布线（Routing），将门级网表映射到FPGA的物理资源上。 静态时序分析（Static Timing Analysis, STA）： 验证设计的时序是否满足要求，分析关键路径。 下载与硬件调试： 将生成的比特流文件下载到FPGA开发板，并进行硬件调试，使用逻辑分析仪等工具。 FPGA综合与约束： 深入讲解FPGA综合过程中的关键技术，包括逻辑优化、寄存器复制、时钟域交叉处理等。重点介绍时序约束文件的编写，包括时钟定义（create_clock）、输入输出延迟约束（set_input_delay, set_output_delay）、伪路径约束（set_false_path）等，以及如何根据时序报告（Timing Report）分析和优化设计。 FPGA布局与布线： 解释布局（Placement）和布线（Routing）过程对设计性能的影响。介绍常见的布局布线策略，以及如何通过约束文件（如时序约束、区域约束）来指导布局布线过程，以达到优化时序、降低功耗等目标。 FPGA功耗与可靠性设计： 探讨FPGA功耗的来源及其优化方法，包括时钟门控、并行操作的优化、资源利用率的考虑等。简要介绍FPGA设计的可靠性问题，如时钟域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）的处理，以及数据采集和状态机设计的鲁棒性。 第四部分：高级数字系统设计主题 本部分将深入探讨一些在现代数字系统设计中越来越重要的先进主题，为读者提供更广阔的视野和更深入的理解。 时钟管理与PLL/MMCM： 深入讲解FPGA内部的时钟树结构，以及如何设计高效的时钟网络。详细介绍锁相环（PLL）和混合模式时钟管理器（MMCM）的工作原理和配置方法，如何利用它们生成多个频率、相位可调的时钟信号，以及如何进行时钟域交叉（CDC）的处理，确保不同时钟域之间数据传输的正确性。 片上调试（On-Chip Debugging）与ILA/VIO： 介绍FPGA设计中常用的片上调试工具，如Xilinx的ILA（Integrated Logic Analyzer）和Intel Altera的SignalTap II。讲解如何将这些工具集成到设计中，用于实时监控FPGA内部信号的状态，帮助快速定位和解决硬件问题，是硬件调试不可或缺的利器。 AXI总线协议与IP核集成： 介绍ARM AMBA AXI（Advanced eXtensible Interface）总线协议，这是现代SoC（System-on-Chip）设计中广泛使用的标准接口协议。讲解AXI的写通道、读通道、握手信号以及不同类型（AXI4, AXI4-Lite, AXI-Stream）的特点。演示如何使用AXI总线连接不同的IP核（如处理器、存储控制器、外设接口），实现模块化和标准化的系统设计。 低功耗设计技术： 随着移动和嵌入式设备的普及，低功耗设计成为重要的考量因素。本部分将介绍多种FPGA低功耗设计技术，包括时钟门控（Clock Gating）、动态电压与频率调整（DVFS）、低功耗模式（如Sleep Mode）的应用，以及如何通过硬件设计优化来降低静态功耗和动态功耗。 异步电路设计基础（可选）： 简要介绍异步电路的概念，即不依赖于全局时钟信号的电路设计。探讨异步设计的优势（如潜在的性能提升、低功耗、抗串扰能力）和挑战（如设计复杂度、验证难度）。为有兴趣深入研究的读者提供一个初步的了解。 现代数字系统设计的趋势与展望： 展望未来数字系统设计的趋势，如RISC-V架构的应用、AI硬件加速器的设计、异构计算平台的构建、以及与软件协同设计的深化等。鼓励读者保持学习热情，关注行业发展动态。 实践导向与项目驱动 本书的另一个显著特点是强调实践。每一章节都将配有丰富的代码示例，涵盖多种典型的数字逻辑设计场景。此外，本书将引导读者完成若干个具有代表性的FPGA项目，例如： 简单的GPIO控制器设计 UART串行通信接口实现 SPI/I2C总线通信模块 简单的视频信号处理模块 基于FPGA的数码管显示控制器 通过这些实践项目，读者将能够将所学理论知识融会贯通，熟练掌握FPGA的设计流程，并具备独立完成数字系统设计项目的能力。 目标读者 本书适合于电子工程、计算机科学、自动化等相关专业的本科生、研究生，也适用于从事数字电路设计、FPGA开发、嵌入式系统设计的工程师，以及对数字系统设计感兴趣的业余爱好者。 总结 《现代数字系统设计原理与实践》是一本集理论深度、实践广度于一体的数字系统设计专著。我们希望通过本书，能够激发读者对数字系统设计的兴趣，引导他们掌握核心技术，并在不断发展的电子信息领域中，能够设计出更强大、更高效、更智能的数字系统。