FPGA应用技术教程(Xilinx公司大学计划官方指定教材) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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康桂霞 著

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• FPGA
• Xilinx
• 应用开发
• 数字电路
• 可编程逻辑
• VHDL
• Verilog
• 硬件设计
• 电子工程
• 大学教材

店铺： 北京爱读者图书专营店

出版社： 人民邮电出版社

ISBN：9787115310019

商品编码：29730467448

包装：平装

出版时间：2013-06-01

基本信息

书名：FPGA应用技术教程(Xilinx公司大学计划官方指定教材)

定价：45.00元

作者：康桂霞

出版社：人民邮电出版社

出版日期：2013-06-01

ISBN：9787115310019

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.381kg

编辑推荐

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1、本书为Xilinx公司大学计划的官方推荐教材
2、集理论性、工程性和创新性于一体

内容提要

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本书以Xilinx公司的FPGA及其开发平台为基础，综合FPGA和信息通信技术两个方向，以图文并茂、深入浅出的方式，全面、系统地介绍信息通信技术以及FPGA技术的相关发展、FPGA的基本原理、硬件开发流程、开发平台、VHDL语言，以及在信息通信领域开发中常用的仪器仪表等。内容涵盖了FPGA开发的主要方面，并精选了信息与通信技术中的常用关键模块，进行详尽深入的讲解指导，增强了与读者的互动性。书中内容结合作者多年的教学实践以及实际开发经验，具有很高的学习参考和实践指导价值。 本书内容注重系统化诠释，针对性较强，可满足学习指导和实际工程开发的需求。本书可作为高等院校通信工程、电子信息工程、计算机、微电子与集成电路等相关专业的本科生以及研究生的教材与学习参考书，也可作为电子信息和通信工程师、可编程逻辑开发人员的实用工具书。

目录

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目 录

章 信息与通信技术及FPGA开发综述 1
1.1 信息与通信技术的发展概况 1
1.1.1 计算机技术的发展概况 1
1.1.2 信号处理技术的发展 3
1.1.3 通信技术的发展概况 4
1.2 可编程逻辑器件发展概况 8
1.2.1 CPLD 10
1.2.2 FPGA 10
1.3 未来FPGA技术的发展趋势 11
1.3.1 芯片工艺的发展趋势 11
1.3.2 基于FPGA的嵌入式系统(SoPC)技术应用 11
1.3.3 基于IP库的设计方法 12
1.3.4 动态可重构技术 13
1.4 FPGA在信息与通信领域的应用 13
1.4.1 FPGA在计算机技术中的应用 13
1.4.2 FPGA在数字信号处理中的应用 14
1.4.3 FPGA在无线通信系统中的应用 14
1.5 本章小结 15

第2章 FPGA设计基础 16
2.1 可编程逻辑器件结构简述 16
2.1.1 基于乘积项(Product-Term)的PLD 16
2.1.2 基于查找表(Look-Up-Table)的PLD 19
2.2 Xilinx FPGA器件 23
2.2.1 Spartan类 23
2.2.2 Virtex类 28
2.2.3 新FPGA简介 32
2.3 FPGA的一般设计流程 33
2.3.1 设计准备 34
2.3.2 设计输入 34
2.3.3 功能仿真 35
2.3.4 设计处理 35
2.3.5 时序仿真 36
2.3.6 器件编程与测试 36
2.4 FPGA在DSP领域中的开发 36
2.4.1 利用MATLAB辅助FPGA的逻辑设计 38
2.4.2 Simulink简介 38
2.4.3 System Generator工具简介 39
2.4.4 Simulink和System Generator联合开发 39
2.5 本章小结 43

第3章 ISE软件使用指南 44
3.1 Xilinx公司的EDA集成开发工具 44
3.2 ISE 12.2软件的设计流程 45
3.2.1 创建工程 45
3.2.2 设计输入 48
3.2.3 仿真 53
3.2.4 综合及添加用户约束 58
3.2.5 实现和编程下载 60
3.3 本章小结 63

第4章 VHDL介绍及实例 64
4.1 VHDL的基本概念 64
4.1.1 什么是VHDL 64
4.1.2 VHDL的历史 64
4.1.3 VHDL的优点 65
4.2 VHDL的语法基础 66
4.2.1 VHDL的对象 66
4.2.2 VHDL的数据类型 67
4.2.3 VHDL的运算操作符 69
4.2.4 VHDL的主要描述语句 71
4.3 VHDL的基本结构 81
4.3.1 实体说明 81
4.3.2 结构体(构造体) 83
4.3.3 库、程序包及配置 84
4.4 VHDL设计实例简析 86
4.4.1 组合逻辑电路的设计 86
4.4.2 VHDL在通信系统中的应用 112
4.5 本章小结 133

第5章 实验装置与仪表 137
5.1 实验开发平台 137
5.1.1 Spartan-3E开发套件 137
5.1.2 模块简介与管脚映射 138
5.2 实验仪表 156
5.2.1 脉冲信号发生器 156
5.2.2 数字示波器 158
5.2.3 逻辑分析仪 162
5.2.4 误码仪 166
5.3 本章小结 170

第6章 实验指导 171
实验1 OFDM系统中FFT的VHDL实现 171
一、实验目的 171
二、实验原理 171
三、实验仪器 174
四、实验内容 174
五、实验扩展 175
实验2 数字频率计的设计与实现 175
一、实验目的 175
二、实验原理 175
三、实验仪器 176
四、实验内容 176
五、实验扩展 177
实验3 FIR的VHDL实现 178
一、实验目的 178
二、实验原理 178
三、实验仪器 180
四、实验内容 180
五、实验扩展 182
实验4 PS2键盘接口的VHDL实现 182
一、实验目的 182
二、实验原理 183
三、实验仪器 185
四、实验内容 185
五、实验扩展 186
实验5 简单计算器的VHDL实现 186
一、实验目的 186
二、实验原理 186
三、实验仪器 188
四、实验内容 188
五、实验扩展 189
实验6 16QAM调制解调的VHDL实现 189
一、实验目的 189
二、实验原理 189
三、实验仪器 192
四、实验内容 192
五、实验扩展 193
实验7 线性分组码和CRC校验码编译码的VHDL实现 193
一、实验目的 193
二、实验原理 193
三、实验仪器 195
四、实验内容 195
五、实验扩展 196
实验8 卷积码编译码的VHDL实现 196
一、实验目的 196
二、实验原理 196
三、实验仪器 200
四、实验内容 200
五、实验扩展 201
实验9 实现一个用于CDMA 2000系统的短帧交织器 201
一、实验目的 201
二、实验原理 201
三、实验仪器 204
四、实验内容 205
五、实验扩展 205
实验10 QPSK信号的匹配接收机 205
一、实验目的 205
二、实验原理 206
三、实验仪器 208
四、实验内容 208
五、实验扩展 209
实验11 哈达码矩阵的相关接收机的VHDL实现 209
一、实验目的 209
二、实验原理 210
三、实验仪器 212
四、实验内容 212
五、实验扩展 212
实验12 WCDMA系统扩频码(OVSF码)和下行扰码发生器的VHDL实现 212
一、实验目的 212
二、实验原理 213
三、实验仪器 216
四、实验内容 216
五、实验扩展 217

附录 英文缩略语 218
参考文献 220

作者介绍

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文摘

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序言

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FPGA设计实战：从理论到实践的全方位指南 本书旨在为广大电子工程、计算机科学及相关专业的学生、教师以及工程技术人员提供一本深入且实用的FPGA（Field-Programmable Gate Array）设计教程。不同于理论性的梳理，本书以“实战”为核心，强调理论知识在实际项目中的应用，引导读者一步步掌握FPGA设计从概念到落地的全过程。全书内容严谨、案例丰富，力求帮助读者建立扎实的FPGA设计能力，能够独立完成复杂的FPGA项目。 一、 FPGA基础理论与发展趋势 在正式进入设计实践之前，我们首先会系统地回顾FPGA的基础知识。这包括： FPGA的定义、结构与原理： 深入剖析FPGA的核心组成——可配置逻辑块（CLB）、输入/输出块（IOB）、布线资源以及各种专用硬核（如DSP Slice、Block RAM等）。我们将详细讲解其工作原理，理解逻辑信号如何通过可编程开关网络连接，最终实现用户自定义的功能。 FPGA与ASIC、CPLD的比较： 阐述FPGA在灵活性、开发周期、成本和性能等方面的优势与劣势，帮助读者理解FPGA在现代电子系统中的定位和应用场景。 FPGA技术发展历程与前沿动态： 简要回顾FPGA技术从早期到现在的演进，重点介绍当前主流FPGA厂商（如Xilinx、Intel等）的技术特点和产品线。同时，也会展望FPGA在人工智能、5G通信、高性能计算等领域的未来发展趋势，激发读者的学习兴趣和前瞻性思考。 二、 FPGA开发流程与设计方法学 本书将循序渐进地介绍完整的FPGA开发流程，并强调高效的设计方法学： 需求分析与规格定义： 强调在项目初期进行清晰的需求分析和规格定义的重要性，这直接关系到后续设计的成败。 硬件描述语言（HDL）入门与精通： Verilog HDL/VHDL基础： 提供一套系统且实用的HDL入门教程。我们将从最基本的语法、数据类型、运算符、过程语句、模块实例化等讲起，逐步深入到并发语句、时序控制、任务和函数等高级特性。 编码风格与最佳实践： 重点介绍编写可读性强、可综合性好、易于调试和优化的HDL代码风格。我们将分享大量实际项目中总结出的编码技巧和注意事项，避免常见的陷阱。 层次化设计与模块化思维： 讲解如何将复杂系统分解为多个可管理、可复用的模块，并通过接口进行连接，这是构建大型FPGA设计的关键。 综合（Synthesis）： 详细介绍综合工具的工作原理，包括逻辑优化、资源分配等过程。我们将指导读者如何阅读综合报告，理解综合结果，并针对性地调整HDL代码以达到预期的性能和资源利用率。 仿真（Simulation）： 讲解仿真在FPGA设计中的核心作用，包括行为级仿真、门级仿真和时序仿真。我们将介绍如何编写有效的测试平台（Testbench）来验证设计的正确性，覆盖各种输入场景和边界条件。 布局布线（Place & Route）： 阐述布局布线工具如何将逻辑网表映射到FPGA器件的物理资源上，并优化信号路径。我们将解释时序约束（Timing Constraints）的重要性，以及如何通过设置时序约束来指导布局布线工具满足设计指标。 时序分析（Timing Analysis）： 深入讲解时序分析的概念，包括建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）、时钟周期（Clock Period）、关键路径（Critical Path）等。我们将指导读者如何解读时序报告，找出时序违例（Timing Violations），并提供相应的解决方法，例如代码优化、布局布线策略调整、时钟域交叉（CDC）处理等。 比特流生成与下载： 介绍如何生成最终的比特流文件，并将其下载到FPGA器件中进行硬件验证。 三、 典型FPGA应用模块设计实战 本书的精髓在于其丰富的实际应用案例。我们将围绕一系列典型的FPGA应用模块，提供详细的设计流程、HDL代码示例、仿真波形分析以及硬件调试指导。这些案例将覆盖多种应用领域，帮助读者将所学理论转化为实际能力： 数字信号处理（DSP）基础模块： 基本算术逻辑单元： 加法器、减法器、乘法器、除法器等的设计与优化。 移位器与计数器： 实现各种移位操作和计数功能。 状态机（Finite State Machine, FSM）： 设计异步和同步状态机，用于控制复杂的系统逻辑。我们将重点讲解Mealy型和Moore型状态机的区别与应用。 数据通路设计与接口： 存储器接口： RAM、ROM、FIFO（First-In First-Out）的设计与应用。重点讲解RAM和ROM的读写时序，以及FIFO在数据缓冲和异步通信中的作用。 并行与串行数据传输： SPI、I2C、UART等常用串行通信接口的设计与实现。 总线接口： 简单的AXI-Lite、AXI-Stream等IP核接口的设计与集成。 时钟管理与时序约束： 时钟域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）处理： 讲解CDC问题的产生原因，并提供多种有效的解决方法，如同步器（Synchronizer）、握手信号（Handshake Signal）等，确保多时钟域系统设计的稳定性。 PLL/MMCM（Phase-Locked Loop / Mixed-Mode Clock Manager）的应用： 如何利用FPGA内部的PLL/MMCM生成所需频率和相位的时钟信号，并进行时钟倍频、分频和相位调整。 片上系统（SoC）基础： 简单的处理器接口： 介绍如何将自定义逻辑与微处理器（如ARM Cortex-M）进行集成，构建简单的片上系统。 中断处理机制： 设计简单的中断控制器，实现硬件对软件中断的响应。 高速接口设计基础（根据具体FPGA器件可能有所侧重）： DDR存储器接口的基本原理与时序要求。 SerDes（Serializer/Deserializer）的基本概念。 特定应用案例（根据读者兴趣和目标可能包含）： 图像处理模块（如边缘检测、图像缩放）。 通信协议处理模块（如简单的CAN、Ethernet MAC）。 嵌入式系统中的FPGA加速应用。 四、 FPGA开发工具链与软硬件协同设计 我们将介绍主流的FPGA开发工具链，并指导读者如何有效地使用它们： 开发环境安装与配置： 详细讲解如何安装和配置Xilinx Vivado（或Intel Quartus）等EDA（Electronic Design Automation）工具。 工程创建与管理： 指导读者如何创建和管理FPGA项目，包括源文件管理、约束文件设置、IP核集成等。 仿真工具的使用： 介绍集成在EDA工具中的仿真器（如Vivado Simulator）以及第三方仿真器（如ModelSim）的基本使用方法。 综合与实现工具的使用： 深入讲解综合、实现、生成比特流等各个环节的工具操作和选项设置。 硬件调试技术： ILA（Integrated Logic Analyzer）/SignalTap等片上逻辑分析仪的使用： 介绍如何利用FPGA内部集成的逻辑分析仪实时抓取信号，辅助硬件调试，快速定位问题。 JTAG调试接口： 讲解JTAG接口的基本原理和应用。 使用LED、SW等外部硬件进行简单的功能验证。 软硬件协同设计理念： 强调软件与硬件的配合在现代嵌入式系统中的重要性，以及FPGA如何在软硬件协同设计中发挥关键作用。 五、 FPGA设计的高级主题与进阶 在掌握了基础和典型应用之后，本书还会引导读者进入FPGA设计的高级领域： IP核的使用与设计： IP（Intellectual Property）核的概念与分类： 介绍Xilinx IP Catalog等IP库的使用。 如何调用和配置IP核： 例如，AXI Interconnect、DMA控制器、DSP Slice等。 IP核的二次开发与定制。 低功耗FPGA设计技术。 FPGA的可靠性设计与容错技术。 时序收敛的高级策略： 针对复杂高速设计，提供更深入的时序优化方法。 面积优化与资源管理。 面向特定领域的FPGA设计（如AI加速、高性能计算）。 结语 本书不仅是一本技术教程，更是一条通往FPGA设计精通之路的指引。我们希望通过理论与实践的紧密结合，帮助读者建立起扎实的设计功底，培养解决复杂工程问题的能力，并能积极拥抱FPGA技术在未来电子信息产业中的无限可能。本书适合作为高等院校电子工程、计算机科学、自动化等相关专业本科生和研究生的教材或参考书，也同样适用于渴望掌握FPGA设计技能的在职工程师和技术爱好者。让我们一起踏上这段激动人心的FPGA设计之旅！

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书的例子和配套代码部分是其最大的软肋。虽然提供了不少Verilog/VHDL代码片段，但很多代码片段都过于“玩具化”，缺乏实际工程应用中的复杂性和健壮性。例如，在介绍状态机设计时，给出的例子过于简单，没有涉及复杂模式的切换和异常处理。更令人沮丧的是，书中提及的很多工程文件和波形文件在提供的光盘或配套资源中找不到对应的完整实现，这使得我们无法在不依赖外部资源的情况下，对书中的设计进行完整的仿真和验证。对于一本声称是“应用技术教程”的书籍来说，缺乏可复用、可验证的工程实例，无疑是少了一半的价值。读者只能看着代码片段自己去拼接，这极大地增加了学习的难度和挫败感。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计和整体排版确实挺专业，一看就知道是下了功夫的。我本来对FPGA的学习热情就比较高，看到是Xilinx官方指定的教材，就抱着很高的期望。然而，实际阅读下来，我发现它更像是一本厚厚的参考手册，而不是一本“教程”。内容组织上，似乎更倾向于把各种IP核和工具的使用步骤罗列出来，对于背后的设计哲学和底层原理的阐述显得有些过于简略。比如，在介绍高速接口设计时，虽然提到了各种参数设置，但对于信号完整性、串扰等关键概念的深入剖析就显得力不从掉了。对于初学者来说，光靠这本书可能很难真正掌握FPGA设计的精髓，它更适合那些已经有一些数字电路基础，需要快速查阅特定功能的实现方法的工程师。作为一本教材，它在引导读者从理论到实践的过程中，似乎少了一点循序渐进的引导，更多的是知识点的堆砌。

评分☆☆☆☆☆

从语言风格和专业术语的运用来看，这本书的受众定位似乎非常明确——针对已经对EDA工具和硬件描述语言有一定了解的读者。对于完全的新手来说，书中的术语经常是“裸奔”的，作者很少停下来解释这些术语在FPGA设计环境中的具体含义和影响。比如，当谈到资源利用率和时序收敛时，作者只是简单地给出了一些优化建议，但没有深入解释为什么某些设计选择会导致时序违例，或者如何通过代码结构来优化资源占用。这使得本书在“教程”的定位上显得有些名不副实，更像是针对特定工具版本的使用手册。如果你想通过这本书从零基础入门，你可能需要一本更基础的数字电路和Verilog入门书来作为前置知识储备。

评分☆☆☆☆☆

这本书的章节安排有点让人摸不着头脑，逻辑跳跃性比较大。有些基础概念的讲解放在了后面，而一些高级模块的配置细节却放在了很靠前的位置。举个例子，像时钟域交叉（CDC）这种至关重要的部分，作者的处理方式显得有些保守，仅仅提到了跨时钟域的握手信号设计，对于异步FIFO的设计细节和跨时钟域信号的同步方法讲解得不够透彻。我花了很长时间才把前几章的内容消化掉，感觉有点像在啃一本字典，而不是在读一本引导性的读物。这本书更像是把Xilinx官方文档的某些章节进行了整合和简化，但这种简化却牺牲了逻辑的连贯性。对于希望系统学习FPGA设计流程的读者来说，这本书的架构清晰度有待提高。我尝试用它来做课程设计，结果发现很多时候还是得去搜索网上的博客和论坛来补充这些章节中缺失的上下文联系。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容深度主要集中在Xilinx工具链的使用界面和特定模块的配置流程上，对于FPGA设计中更为底层的约束（Constraints）和后端流程的细节挖掘不够。例如，时序分析（STA）部分，虽然提到了如何生成报告，但对于如何深入解读报告中的关键路径、如何根据时序违例信息反推出设计中的瓶颈并进行有效的代码修改，这本书的指导性非常弱。它告诉你“要做这个设置”，但没有告诉你“为什么要做这个设置”以及“如果不做会怎样”。这种侧重于“操作”而非“原理”的编写方式，使得读者学到的更多是机械化的操作步骤，而不是能够迁移到其他项目和不同FPGA芯片平台上的设计思想。整体而言，它更像是一个特定版本Xilinx软件的操作指南，而非一套普适性的FPGA设计方法论的教学材料。