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： 北京愛讀者圖書專營店

齣版社： 人民郵電齣版社

ISBN：9787115310019

商品編碼：29730467448

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

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

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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

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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

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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

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文摘

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序言

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FPGA設計實戰：從理論到實踐的全方位指南 本書旨在為廣大電子工程、計算機科學及相關專業的學生、教師以及工程技術人員提供一本深入且實用的FPGA（Field-Programmable Gate Array）設計教程。不同於理論性的梳理，本書以“實戰”為核心，強調理論知識在實際項目中的應用，引導讀者一步步掌握FPGA設計從概念到落地的全過程。全書內容嚴謹、案例豐富，力求幫助讀者建立紮實的FPGA設計能力，能夠獨立完成復雜的FPGA項目。 一、 FPGA基礎理論與發展趨勢 在正式進入設計實踐之前，我們首先會係統地迴顧FPGA的基礎知識。這包括： FPGA的定義、結構與原理： 深入剖析FPGA的核心組成——可配置邏輯塊（CLB）、輸入/輸齣塊（IOB）、布綫資源以及各種專用硬核（如DSP Slice、Block RAM等）。我們將詳細講解其工作原理，理解邏輯信號如何通過可編程開關網絡連接，最終實現用戶自定義的功能。 FPGA與ASIC、CPLD的比較： 闡述FPGA在靈活性、開發周期、成本和性能等方麵的優勢與劣勢，幫助讀者理解FPGA在現代電子係統中的定位和應用場景。 FPGA技術發展曆程與前沿動態： 簡要迴顧FPGA技術從早期到現在的演進，重點介紹當前主流FPGA廠商（如Xilinx、Intel等）的技術特點和産品綫。同時，也會展望FPGA在人工智能、5G通信、高性能計算等領域的未來發展趨勢，激發讀者的學習興趣和前瞻性思考。 二、 FPGA開發流程與設計方法學 本書將循序漸進地介紹完整的FPGA開發流程，並強調高效的設計方法學： 需求分析與規格定義： 強調在項目初期進行清晰的需求分析和規格定義的重要性，這直接關係到後續設計的成敗。 硬件描述語言（HDL）入門與精通： Verilog HDL/VHDL基礎： 提供一套係統且實用的HDL入門教程。我們將從最基本的語法、數據類型、運算符、過程語句、模塊實例化等講起，逐步深入到並發語句、時序控製、任務和函數等高級特性。 編碼風格與最佳實踐： 重點介紹編寫可讀性強、可綜閤性好、易於調試和優化的HDL代碼風格。我們將分享大量實際項目中總結齣的編碼技巧和注意事項，避免常見的陷阱。 層次化設計與模塊化思維： 講解如何將復雜係統分解為多個可管理、可復用的模塊，並通過接口進行連接，這是構建大型FPGA設計的關鍵。 綜閤（Synthesis）： 詳細介紹綜閤工具的工作原理，包括邏輯優化、資源分配等過程。我們將指導讀者如何閱讀綜閤報告，理解綜閤結果，並針對性地調整HDL代碼以達到預期的性能和資源利用率。 仿真（Simulation）： 講解仿真在FPGA設計中的核心作用，包括行為級仿真、門級仿真和時序仿真。我們將介紹如何編寫有效的測試平颱（Testbench）來驗證設計的正確性，覆蓋各種輸入場景和邊界條件。 布局布綫（Place & Route）： 闡述布局布綫工具如何將邏輯網錶映射到FPGA器件的物理資源上，並優化信號路徑。我們將解釋時序約束（Timing Constraints）的重要性，以及如何通過設置時序約束來指導布局布綫工具滿足設計指標。 時序分析（Timing Analysis）： 深入講解時序分析的概念，包括建立時間（Setup Time）、保持時間（Hold Time）、時鍾周期（Clock Period）、關鍵路徑（Critical Path）等。我們將指導讀者如何解讀時序報告，找齣時序違例（Timing Violations），並提供相應的解決方法，例如代碼優化、布局布綫策略調整、時鍾域交叉（CDC）處理等。 比特流生成與下載： 介紹如何生成最終的比特流文件，並將其下載到FPGA器件中進行硬件驗證。 三、 典型FPGA應用模塊設計實戰 本書的精髓在於其豐富的實際應用案例。我們將圍繞一係列典型的FPGA應用模塊，提供詳細的設計流程、HDL代碼示例、仿真波形分析以及硬件調試指導。這些案例將覆蓋多種應用領域，幫助讀者將所學理論轉化為實際能力： 數字信號處理（DSP）基礎模塊： 基本算術邏輯單元： 加法器、減法器、乘法器、除法器等的設計與優化。 移位器與計數器： 實現各種移位操作和計數功能。 狀態機（Finite State Machine, FSM）： 設計異步和同步狀態機，用於控製復雜的係統邏輯。我們將重點講解Mealy型和Moore型狀態機的區彆與應用。 數據通路設計與接口： 存儲器接口： RAM、ROM、FIFO（First-In First-Out）的設計與應用。重點講解RAM和ROM的讀寫時序，以及FIFO在數據緩衝和異步通信中的作用。 並行與串行數據傳輸： SPI、I2C、UART等常用串行通信接口的設計與實現。 總綫接口： 簡單的AXI-Lite、AXI-Stream等IP核接口的設計與集成。 時鍾管理與時序約束： 時鍾域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）處理： 講解CDC問題的産生原因，並提供多種有效的解決方法，如同步器（Synchronizer）、握手信號（Handshake Signal）等，確保多時鍾域係統設計的穩定性。 PLL/MMCM（Phase-Locked Loop / Mixed-Mode Clock Manager）的應用： 如何利用FPGA內部的PLL/MMCM生成所需頻率和相位的時鍾信號，並進行時鍾倍頻、分頻和相位調整。 片上係統（SoC）基礎： 簡單的處理器接口： 介紹如何將自定義邏輯與微處理器（如ARM Cortex-M）進行集成，構建簡單的片上係統。 中斷處理機製： 設計簡單的中斷控製器，實現硬件對軟件中斷的響應。 高速接口設計基礎（根據具體FPGA器件可能有所側重）： DDR存儲器接口的基本原理與時序要求。 SerDes（Serializer/Deserializer）的基本概念。 特定應用案例（根據讀者興趣和目標可能包含）： 圖像處理模塊（如邊緣檢測、圖像縮放）。 通信協議處理模塊（如簡單的CAN、Ethernet MAC）。 嵌入式係統中的FPGA加速應用。 四、 FPGA開發工具鏈與軟硬件協同設計 我們將介紹主流的FPGA開發工具鏈，並指導讀者如何有效地使用它們： 開發環境安裝與配置： 詳細講解如何安裝和配置Xilinx Vivado（或Intel Quartus）等EDA（Electronic Design Automation）工具。 工程創建與管理： 指導讀者如何創建和管理FPGA項目，包括源文件管理、約束文件設置、IP核集成等。 仿真工具的使用： 介紹集成在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。 綜閤與實現工具的使用： 深入講解綜閤、實現、生成比特流等各個環節的工具操作和選項設置。 硬件調試技術： ILA（Integrated Logic Analyzer）/SignalTap等片上邏輯分析儀的使用： 介紹如何利用FPGA內部集成的邏輯分析儀實時抓取信號，輔助硬件調試，快速定位問題。 JTAG調試接口： 講解JTAG接口的基本原理和應用。 使用LED、SW等外部硬件進行簡單的功能驗證。 軟硬件協同設計理念： 強調軟件與硬件的配閤在現代嵌入式係統中的重要性，以及FPGA如何在軟硬件協同設計中發揮關鍵作用。 五、 FPGA設計的高級主題與進階 在掌握瞭基礎和典型應用之後，本書還會引導讀者進入FPGA設計的高級領域： IP核的使用與設計： IP（Intellectual Property）核的概念與分類： 介紹Xilinx IP Catalog等IP庫的使用。 如何調用和配置IP核： 例如，AXI Interconnect、DMA控製器、DSP Slice等。 IP核的二次開發與定製。 低功耗FPGA設計技術。 FPGA的可靠性設計與容錯技術。 時序收斂的高級策略： 針對復雜高速設計，提供更深入的時序優化方法。 麵積優化與資源管理。 麵嚮特定領域的FPGA設計（如AI加速、高性能計算）。 結語 本書不僅是一本技術教程，更是一條通往FPGA設計精通之路的指引。我們希望通過理論與實踐的緊密結閤，幫助讀者建立起紮實的設計功底，培養解決復雜工程問題的能力，並能積極擁抱FPGA技術在未來電子信息産業中的無限可能。本書適閤作為高等院校電子工程、計算機科學、自動化等相關專業本科生和研究生的教材或參考書，也同樣適用於渴望掌握FPGA設計技能的在職工程師和技術愛好者。讓我們一起踏上這段激動人心的FPGA設計之旅！

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計和整體排版確實挺專業，一看就知道是下瞭功夫的。我本來對FPGA的學習熱情就比較高，看到是Xilinx官方指定的教材，就抱著很高的期望。然而，實際閱讀下來，我發現它更像是一本厚厚的參考手冊，而不是一本“教程”。內容組織上，似乎更傾嚮於把各種IP核和工具的使用步驟羅列齣來，對於背後的設計哲學和底層原理的闡述顯得有些過於簡略。比如，在介紹高速接口設計時，雖然提到瞭各種參數設置，但對於信號完整性、串擾等關鍵概念的深入剖析就顯得力不從掉瞭。對於初學者來說，光靠這本書可能很難真正掌握FPGA設計的精髓，它更適閤那些已經有一些數字電路基礎，需要快速查閱特定功能的實現方法的工程師。作為一本教材，它在引導讀者從理論到實踐的過程中，似乎少瞭一點循序漸進的引導，更多的是知識點的堆砌。

評分☆☆☆☆☆

從語言風格和專業術語的運用來看，這本書的受眾定位似乎非常明確——針對已經對EDA工具和硬件描述語言有一定瞭解的讀者。對於完全的新手來說，書中的術語經常是“裸奔”的，作者很少停下來解釋這些術語在FPGA設計環境中的具體含義和影響。比如，當談到資源利用率和時序收斂時，作者隻是簡單地給齣瞭一些優化建議，但沒有深入解釋為什麼某些設計選擇會導緻時序違例，或者如何通過代碼結構來優化資源占用。這使得本書在“教程”的定位上顯得有些名不副實，更像是針對特定工具版本的使用手冊。如果你想通過這本書從零基礎入門，你可能需要一本更基礎的數字電路和Verilog入門書來作為前置知識儲備。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容深度主要集中在Xilinx工具鏈的使用界麵和特定模塊的配置流程上，對於FPGA設計中更為底層的約束（Constraints）和後端流程的細節挖掘不夠。例如，時序分析（STA）部分，雖然提到瞭如何生成報告，但對於如何深入解讀報告中的關鍵路徑、如何根據時序違例信息反推齣設計中的瓶頸並進行有效的代碼修改，這本書的指導性非常弱。它告訴你“要做這個設置”，但沒有告訴你“為什麼要做這個設置”以及“如果不做會怎樣”。這種側重於“操作”而非“原理”的編寫方式，使得讀者學到的更多是機械化的操作步驟，而不是能夠遷移到其他項目和不同FPGA芯片平颱上的設計思想。整體而言，它更像是一個特定版本Xilinx軟件的操作指南，而非一套普適性的FPGA設計方法論的教學材料。

評分☆☆☆☆☆

這本書的章節安排有點讓人摸不著頭腦，邏輯跳躍性比較大。有些基礎概念的講解放在瞭後麵，而一些高級模塊的配置細節卻放在瞭很靠前的位置。舉個例子，像時鍾域交叉（CDC）這種至關重要的部分，作者的處理方式顯得有些保守，僅僅提到瞭跨時鍾域的握手信號設計，對於異步FIFO的設計細節和跨時鍾域信號的同步方法講解得不夠透徹。我花瞭很長時間纔把前幾章的內容消化掉，感覺有點像在啃一本字典，而不是在讀一本引導性的讀物。這本書更像是把Xilinx官方文檔的某些章節進行瞭整閤和簡化，但這種簡化卻犧牲瞭邏輯的連貫性。對於希望係統學習FPGA設計流程的讀者來說，這本書的架構清晰度有待提高。我嘗試用它來做課程設計，結果發現很多時候還是得去搜索網上的博客和論壇來補充這些章節中缺失的上下文聯係。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，這本書的例子和配套代碼部分是其最大的軟肋。雖然提供瞭不少Verilog/VHDL代碼片段，但很多代碼片段都過於“玩具化”，缺乏實際工程應用中的復雜性和健壯性。例如，在介紹狀態機設計時，給齣的例子過於簡單，沒有涉及復雜模式的切換和異常處理。更令人沮喪的是，書中提及的很多工程文件和波形文件在提供的光盤或配套資源中找不到對應的完整實現，這使得我們無法在不依賴外部資源的情況下，對書中的設計進行完整的仿真和驗證。對於一本聲稱是“應用技術教程”的書籍來說，缺乏可復用、可驗證的工程實例，無疑是少瞭一半的價值。讀者隻能看著代碼片段自己去拼接，這極大地增加瞭學習的難度和挫敗感。