数字电路的FPGA设计与实现(基础篇) pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

基本信息

书名：数字电路的FPGA设计与实现(基础篇)

定价：29.0元

作者：刘岚著

出版社：机械工业出版社

出版日期：2015-01-01

ISBN：9787111435242

字数：292

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书较系统地介绍了基础数字电路的FPGA设计与实现过程，提供了较为丰富的FPGA的实验例程和设计例程，让学习者通过实验和设计更加深入地了解基础数字电路的工作原理，并且逐步掌握FPGA的设计与应用技术。

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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《数字电路的FPGA设计与实现（基础篇）》 内容简介： 本书旨在为读者提供一个扎实且全面的数字电路设计与FPGA实现入门基础。我们深入浅出地讲解数字电路的核心概念，并系统性地介绍如何利用FPGA（Field-Programmable Gate Array）这一强大的可编程逻辑器件，将理论电路转化为实际可工作的硬件系统。本书侧重于概念的理解、方法的掌握以及实践能力的培养，适合初学者、希望系统学习FPGA设计的电子工程专业学生、嵌入式系统工程师以及对数字硬件设计感兴趣的广大技术爱好者。 第一部分：数字电路基础 本部分将为读者打下坚实的数字电路理论基础，为后续的FPGA设计做好铺垫。 第二章：数制与编码 数制转换： 详细介绍二进制、十进制、八进制、十六进制之间的相互转换方法，并通过实例加深理解。 编码： 阐述常见的编码方式，如BCD码、格雷码、ASCII码等，并分析它们在数字系统中的应用场景。 第三章：逻辑门与逻辑代数 基本逻辑门： 深入讲解与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门的功能、符号、真值表和时序特性。 逻辑代数基本定理与定律： 学习布尔代数的基本运算规则、定理（如德摩根定律、分配律、结合律等）和公式，掌握逻辑化简的技巧。 逻辑函数的表示方法： 介绍真值表、逻辑图、逻辑表达式等表示方式，以及它们之间的转换。 卡诺图化简法： 教授如何使用卡诺图（Karnaugh Map）对复杂逻辑函数进行最简逻辑表达式的推导，这是数字电路设计中的关键技能。 第四章：组合逻辑电路 组合逻辑电路的特点： 理解组合逻辑电路的输出仅取决于当前输入，不受历史状态影响的特性。 典型组合逻辑电路： 编码器与译码器： 详细讲解多对一的编码器（如优先编码器）和一对多的译码器（如74LS138），分析其工作原理和应用（如地址译码）。 数据选择器（Multiplexer, MUX）： 阐述数据选择器的功能，掌握其构成方式和应用（如实现逻辑函数、数据路由）。 加法器与减法器： 讲解半加器、全加器、超前进位加法器等，实现基本的算术运算功能。 比较器： 实现两个二进制数的大小、相等比较。 组合逻辑电路的设计流程： 从需求分析、功能描述、真值表建立、逻辑表达式推导、逻辑化简到最终的电路图设计。 第五章：时序逻辑电路 时序逻辑电路的特点： 理解时序逻辑电路的输出不仅取决于当前输入，还与电路的状态（即过去的输入历史）有关。 触发器（Flip-Flop）： 基本触发器： SR触发器（Set-Reset）、D触发器（Delay）、JK触发器、T触发器（Toggle）的设计与工作原理，包括电平触发和边沿触发。 主从触发器与边沿触发触发器： 深入分析它们的工作机制，理解如何避免竞争-冒险现象。 寄存器（Register）： 讲解寄存器作为一组触发器的组合，用于存储多个数据位。 移位寄存器（Shift Register）： 介绍其工作原理，包括串入串出（SISO）、串入并出（SIPO）、并入串出（PISO）、并入并出（PIPO）等类型，以及其在数据传输和处理中的应用。 计数器（Counter）： 异步计数器（行波计数器）： 分析其工作方式，了解其缺点。 同步计数器（并行计数器）： 讲解其设计方法，包括行波进位计数器和全并行进位计数器，以及如何设计任意模计数器（模N计数器）。 可逆计数器： 实现加法和减法计数。 时序逻辑电路的设计流程： 状态图（State Diagram）和状态表（State Table）的绘制，状态分配，触发器激励表，触发器类型选择，电路图绘制。 第二部分：FPGA设计基础 本部分将带领读者进入FPGA的世界，学习如何利用硬件描述语言（HDL）和相关工具进行FPGA的设计与实现。 第六章：FPGA入门 FPGA概述： 详细介绍FPGA（Field-Programmable Gate Array）的定义、工作原理、结构组成（如LUTs, CLBs, BRAMs, DSP Slices, I/O Blocks）。 FPGA的优势与应用： 分析FPGA相较于ASIC和微处理器等方案的优势（如灵活性、并行处理能力、开发周期短），并列举其在通信、工业控制、航空航天、人工智能等领域的广泛应用。 FPGA开发流程： 介绍从需求分析、RTL设计、仿真验证、综合、实现（布局布线）到硬件下载与调试的完整流程。 开发工具简介： 简要介绍主流FPGA厂商（如Xilinx, Intel/Altera）及其配套的开发软件（如Vivado, Quartus Prime）。 第七章：Verilog HDL基础 硬件描述语言（HDL）的引入： 解释HDL在数字系统设计中的重要性，以及Verilog和VHDL的对比。 Verilog HDL基本语法： 模块（Module）： 学习如何定义模块，包括端口声明（input, output, inout）。 数据类型： 讲解reg, wire, integer等数据类型，以及它们的区别和使用场景。 赋值语句： 学习阻塞赋值（=）和非阻塞赋值（<=）的区别，以及它们在组合逻辑和时序逻辑中的应用。 运算符： 掌握算术运算符、逻辑运算符、关系运算符、位运算符、条件运算符等。 行为级描述： 学习使用`always`块来描述时序和组合逻辑，包括`always @()`（组合逻辑）和`always @(posedge clk)`（时序逻辑）。 实例化（Instantiation）： 学习如何在模块中实例化其他模块，实现层次化设计。 参数化（Parameter）： 掌握如何使用`parameter`关键字使模块具有通用性。 第八章：Verilog HDL进阶与设计实例 组合逻辑电路的Verilog实现： 数据选择器（MUX）： 使用`assign`语句和`case`语句实现多路选择器。 加法器/减法器： 实现不同位宽的加法器和减法器。 编码器/译码器： 实现优先编码器和通用译码器。 时序逻辑电路的Verilog实现： 触发器： 使用`always @(posedge clk)`块实现D触发器、JK触发器等。 寄存器： 学习如何构建寄存器组。 移位寄存器： 实现各种类型的移位寄存器。 计数器： 实现同步加法计数器、减法计数器、可逆计数器以及任意模计数器。 状态机（Finite State Machine, FSM）设计： 有限状态机的概念： 介绍Mealy型和Moore型状态机的区别。 状态机的Verilog实现： 采用三段式（状态寄存器、组合逻辑、输出逻辑）或两段式（组合逻辑、状态寄存器）描述方式，通过`always`块和`case`语句实现状态机的逻辑。 实例： 设计一个简单的交通灯控制器或序列检测器。 第九章：FPGA综合与仿真 逻辑综合（Synthesis）： 综合的概念： 解释综合是将RTL代码转换为门级网表的过程。 综合工具的使用： 介绍如何配置综合工具，以及综合报告的解读（如资源利用率、时序约束）。 代码风格对综合的影响： 强调编写可综合代码的重要性，避免使用不可综合的语句（如延时语句`delay`）。 仿真（Simulation）： 仿真器简介： 介绍仿真器在验证设计正确性中的作用。 测试平台（Testbench）设计： 学习如何编写Verilog测试平台，为待测模块（DUT, Device Under Test）提供激励信号，并检查输出结果。 激励信号生成： 学习如何产生时钟、复位信号以及数据输入信号。 波形查看与调试： 讲解如何使用仿真器提供的波形工具来分析信号变化，查找设计中的错误。 第十章：FPGA实现与硬件调试 实现（Implementation）： 布局（Place）与布线（Route）： 介绍FPGA实现过程中的这两个关键步骤，以及它们对性能和功耗的影响。 时序约束（Timing Constraints）： 学习如何设置时序约束（如时钟周期、输入输出延迟），以指导工具完成时序收敛。 时序报告解读： 分析时序报告，理解关键路径、建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）违例。 比特流生成与下载： 讲解如何生成FPGA的配置文件（比特流），以及如何将其下载到FPGA开发板上。 硬件调试（Hardware Debugging）： ILA（Integrated Logic Analyzer）/ ChipScope/ SignalTap： 介绍FPGA自带的逻辑分析工具，如何在硬件中观察内部信号。 JTAG接口： 简单提及JTAG在硬件调试中的作用。 常见硬件问题排查： 提供一些排查硬件问题的思路和方法。 附录： 附录A：常用FPGA开发板简介 附录B：Verilog HDL常用关键字速查表 附录C：数字电路设计中的常见陷阱与注意事项 本书通过理论与实践相结合的方式，引导读者逐步掌握数字电路的基本原理以及FPGA的设计流程。我们力求内容的准确性、条理性和实用性，希望本书能成为读者在数字电路和FPGA设计道路上的得力助手。