FPGA数字逻辑设计/21世纪大学本科计算机专业系列教材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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蔡晓燕 著

图书标签:

• FPGA
• 数字逻辑设计
• 计算机专业
• 教材
• 21世纪大学
• 电子工程
• 可编程逻辑
• VHDL
• Verilog
• 数字电路

出版社： 清华大学出版社

ISBN：9787302309758

版次：1

商品编码：11229488

品牌：清华大学

包装：平装

丛书名： 21世纪大学本科计算机专业系列教材

开本：16开

出版时间：2013-05-01

用纸：胶版纸

页数：163

字数：273000

正文语种：中文

编辑推荐

　　《21世纪大学本科计算机专业系列教材：FPGA数字逻辑设计》系统地介绍了FPGA的有关知识、基于FPGA的EDA设计方法和必备的开发工具的使用方法等。主要内容包括FPGA及其开发平台的基本结构、QuartusⅡ的使用方法、Verilog硬件描述语言和Modelsim仿真软件的使用等。
　　《21世纪大学本科计算机专业系列教材：FPGA数字逻辑设计》保持了数字逻辑设计内容的完整性和理论的系统性，以门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、存储器和数字系统设计为顺序，逐步深入地介绍了数字逻辑设计的内容。此外本书还给出fVGA和PS/2等常见硬件接口控制器的设计实例，为读者进一步设计复杂的数字系统提供了可能。
　　本书知识的介绍遵循由浅入深、循序渐进的规律，先介绍开发设计工具的使用，再进行数字逻辑设计知识的讲解，符合应用技术学习规律。
　　本书中几乎所有的实验都是先给出设计实例，并在仿真软件中调试成功，然后再引导读者进行更复杂和深入的设计，使初学者更容易掌握数字逻辑设计的方法。

内容简介

　　《21世纪大学本科计算机专业系列教材：FPGA数字逻辑设计》是为“数字逻辑电路”等课程配套的实验教材。作为专业基础课程的配套实验，其主要目的是为学生学习后续硬件类课程培养硬件设计基础和实验技能。《21世纪大学本科计算机专业系列教材：FPGA数字逻辑设计》首先介绍了可编程器件、数字系统设计方法、电子设计自动化软件、VerilogHDL程序设计方法等基础知识。在此基础上设计了18个实验题目，从组合逻辑电路设计、时序逻辑电路到状态机设计以及常用接口控制器设计。每个实验都从理论知识人手，先给出引导性实验，再进入设计性实验，知识的介绍和实验的要求循序渐进、由浅入深，不仅逻辑严密，而且操作性强。
　　《21世纪大学本科计算机专业系列教材：FPGA数字逻辑设计》适合作为高等学校计算机类专业及相关专业“数字逻辑”等课程的实验教材，也可供其他领域从事数字系统设计的工程技术人员参考。

作者简介

　　蔡晓燕，南京大学计算机与科学技术系教师，工程师。主要研究领域为数字系统设计、计算机体系结构和数字图像处理等。曾在大型企业相关领域工作，并参加相关领域的科学研究和技术开发项目多项。从事“模拟电子线路”、“数字逻辑电路”和“数字逻辑电路实验”等课程教学10余年。

内页插图

目录

第1章 逻辑器件简介
1.1 逻辑器件概述
1.1.1 固定逻辑芯片
1.1.2 简单PLD器件
1.1.3 CPLD器件
1.1.4 FPGA器件
1.1.5 专用集成电路
1.2 CycloneⅡ系列FPGA
1.2.1 概述
1.2.2 逻辑单元
1.2.3 片内存储器
1.2.4 片内乘法器
1.2.5 输入输出模块
1.3 DE-70开发平台
1.3.1 外观和组件
1.3.2 USB-Blaster的驱动安装
1.3.3 DE2-70开发板的使用

第2章 EDA技术基础知识
2.1 数字逻辑系统设计过程
2.2 QuartusⅡ使用入门
2.2.1 问题分析和设计
2.2.2 利用QuartusⅡ完成电路仿真
2.2.3 尝试自己设计一个实验
2.3 VerilogHDL语言简介
2.3.1 VerilogHDL语言程序的结构
2.3.2 逻辑系统、变量和常量
2.3.3 操作符和表达式
2.3.4 电路设计的三种不同形式

第3章 组合逻辑电路设计
3.1 选择器实验
3.1.1 二选一多路选择器
3.1.2 四选一多路选择器
3.1.3 实现一个多路选择器
3.1.4 实验内容
3.2 译码器的设计
3.2.1 2-4译码器
3.2.2 3-8译码器
3.2.3 实验内容
3.3 编码器的设计
3.3.1 4-2编码器
3.3.2 实验内容
3.4 三态缓冲器和多路复用器
3.4.1 -位三态缓冲器
3.4.2 实验内容
3.5 简单加法器和乘法器
3.5.1 1位加法器
3.5.2 实现一个8位加法器
3.5.3 实验内容

第4章 时序逻辑电路设计
4.1 触发器和锁存器实验
4.1.1 RS锁存器
4.1.2 时钟触发的RS锁存器
4.1.3 D锁存器
4.1.4 时钟边沿触发的D触发器
4.1.5 触发器设计中的非阻塞赋值语句
4.1.6 实验内容
4.2 寄存器实验
4.2.1 寄存器
4.2.2 移位寄存器
4.2.3 实验内容
4.3 计数器实验
4.3.1 加法计数器
……
第5章 状态机和简单数字系统设计
第6章 简单接口控制器设计
附录竞争、冒险和毛刺

《深入浅出FPGA：从原理到实战》 引言 随着信息技术的飞速发展，数字逻辑设计在现代电子系统中的地位日益凸显。FPGA（Field-Programmable Gate Array）作为一种可编程逻辑器件，以其高度的灵活性、强大的并行处理能力以及快速的原型开发优势，在通信、计算、人工智能、嵌入式系统等众多领域扮演着核心角色。本书旨在为读者提供一个系统、深入且富有实践性的FPGA数字逻辑设计学习平台，帮助读者从零开始，逐步掌握FPGA的设计流程、核心原理和高级技巧，最终能够独立完成复杂的数字系统设计。 本书内容概述 本书内容编排紧凑，逻辑清晰，从基础理论讲解到实际项目演练，循序渐进，力求让读者在掌握扎实理论知识的同时，也能获得丰富的实践经验。 第一部分：FPGA基础理论与开发环境 第一章 FPGA概述与发展历程 本章将带您走进FPGA的世界，深入了解其概念、基本组成结构（CLB、IOB、DSP Slices、Block RAM等）以及与其他数字逻辑器件（ASIC、CPLD）的对比优势。我们将回顾FPGA的发展历程，探讨不同代FPGA技术的演进，以及FPGA在现代电子产业中的重要作用和广阔应用前景。 第二章 数字逻辑设计基础回顾 在深入FPGA之前，对数字逻辑设计的基础知识进行必要的巩固至关重要。本章将快速回顾组合逻辑和时序逻辑的基本概念，包括逻辑门、触发器、寄存器、计数器、状态机等。我们将重点强调RTL（Register Transfer Level）设计思想，为后续的硬件描述语言编程打下坚实基础。 第三章 硬件描述语言（Verilog/VHDL）入门 硬件描述语言是FPGA设计的灵魂。本章将详细介绍业界主流的两种硬件描述语言：Verilog和VHDL。我们不仅会讲解两种语言的基本语法、数据类型、运算符、模块实例化等，还会通过大量实例演示如何用这两种语言描述数字电路。本书将以Verilog为主，但也提供VHDL作为参考，以适应不同读者的需求。 第四章 FPGA开发工具链与设计流程 掌握FPGA开发工具的使用是完成设计的关键。本章将详细介绍主流FPGA厂商（如Xilinx、Intel/Altera）的开发环境（如Vivado、Quartus Prime），包括项目创建、代码编辑、仿真、综合、布局布线、时序分析以及生成比特流文件的完整流程。我们将提供详细的操作指南和实用技巧，帮助读者快速上手。 第五章 仿真与验证技术 仿真和验证是保证设计正确性的重要环节。本章将深入探讨仿真器的使用，包括波形查看、测试平台（Testbench）的设计与编写。我们将介绍激励信号生成、状态监控、断言（Assertion）等高级验证方法，帮助读者构建高效可靠的验证流程，尽早发现和修复设计中的潜在错误。 第二部分：FPGA核心设计技术与模块实现 第六章 组合逻辑电路设计 本章将聚焦于组合逻辑电路的设计，包括各种编码器、译码器、多路选择器、加法器、减法器、乘法器等基本逻辑模块的设计实现。我们将探讨如何用RTL语言高效地描述这些电路，并针对性能和资源占用进行优化。 第七章 时序逻辑电路设计 时序逻辑电路是构成复杂数字系统的基础。本章将深入讲解各类时序逻辑模块的设计，如移位寄存器、各种类型的计数器（同步、异步、环形、约翰逊等）、移位寄存器序列发生器。我们将重点分析时序约束、时钟域交叉（CDC）等关键问题，并给出相应的解决方案。 第八章 有限状态机（FSM）设计 状态机是描述和控制系统行为的强大工具。本章将详细讲解有限状态机的基本原理、状态编码方式（独热码、格雷码、二进制码等）以及 Moore 型和 Mealy 型状态机的设计。我们将通过实际案例，如交通灯控制器、按键消抖器等，演示FSM在实际项目中的应用。 第九章 同步与异步设计 同步和异步设计是FPGA设计中两个重要的方面。本章将深入分析同步时序设计（基于统一时钟）的优势与挑战，并详细讲解异步时序设计（无统一时钟）的原理、握手协议（如RTL Handshake）以及在不同时钟域之间进行数据传输的策略（如异步FIFO）。 第十章 存储器接口与IP核 在FPGA系统中，对存储器的访问和控制是常见的需求。本章将介绍SRAM、DRAM等存储器的基本接口原理，并讲解如何设计和使用FIFO（First-In, First-Out）和SRAM控制器。同时，我们还将介绍FPGA厂商提供的各种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这些IP核来加速开发。 第三部分：FPGA高级设计技术与实战项目 第十一章 高效RTL设计与代码优化 除了正确性，设计的高效性同样重要。本章将探讨如何编写更简洁、更易于综合和优化的RTL代码。我们将介绍一些高级的编码技巧，如参数化设计、运算符的使用、循环结构、并行处理等，并分析如何通过代码结构调整来改善性能、降低资源消耗。 第十二章 时序约束与时序分析 时序约束是指导综合和布局布线工具进行优化的关键。本章将详细讲解如何设置各种时序约束，包括时钟定义、伪路径、多周期路径、延长路径等。我们将深入分析时序报告，理解建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）违例的原因，并学习如何通过修改设计或约束来解决时序问题，最终达到设计目标。 第十三章 FPGA功耗与低功耗设计 在许多应用中，功耗是一个重要的考量因素。本章将分析FPGA的功耗来源（静态功耗、动态功耗），并介绍各种降低功耗的FPGA设计技术，如时钟门控（Clock Gating）、区域门控（Region Gating）、低功耗模式的应用等。 第十四章 FPGA性能优化与并行处理 FPGA最显著的优势之一是其强大的并行处理能力。本章将深入探讨如何充分发挥FPGA的并行优势，通过流水线（Pipelining）、数据并行、任务并行等技术来提升设计性能。我们将通过具体的案例，例如图像处理或信号处理算法的加速，来展示并行设计的强大威力。 第十五章 嵌入式系统开发与软核/硬核处理器 FPGA不仅可以实现纯粹的硬件逻辑，还可以集成处理器，构建完整的嵌入式系统。本章将介绍FPGA上的软核处理器（如MicroBlaze、Nios II）和硬核处理器（如ARM Cortex系列）的基本概念和工作原理。我们将带领读者构建一个简单的嵌入式系统，实现软硬件协同设计。 第十六章 FPGA片上调试与高级调试技术 在实际项目开发中，调试是不可或缺的环节。本章将介绍FPGA的片上调试工具（如ILA、ChipScope），学习如何通过嵌入式逻辑分析仪来实时监测内部信号，定位和解决硬件问题。我们还将探讨其他高级调试技巧，如协议分析、故障注入等。 第十七章 综合项目实战：以[具体项目名称，例如：一个简单的图像识别加速器 / 高速数据采集与处理模块]为例 本书的最后一部分将通过一个或多个完整的项目实战，将前面所学知识融会贯通。我们将从项目需求分析、架构设计、RTL编码、仿真验证、时序约束到最终的硬件实现，详细演示整个FPGA设计流程。通过这个项目，读者将有机会全面地体验FPGA开发的乐趣与挑战，并建立起独立完成复杂项目设计的信心。 本书特色 理论与实践并重： 本书不仅深入浅出地讲解FPGA设计原理，更注重实践操作，通过大量的代码示例、仿真场景和实战项目，帮助读者将理论知识转化为实际技能。 语言选择灵活： 以Verilog为主，并提供VHDL作为参考，力求覆盖更广泛的读者群体。 工具链友好： 详细介绍主流FPGA开发工具的使用，降低初学者的门槛。 循序渐进的结构： 从基础概念到高级技巧，再到完整项目，层层递进，适合不同层次的读者。 贴近工业界需求： 强调时序约束、性能优化、低功耗设计等实际工程中关心的重要问题。 目标读者 高等院校计算机科学与技术、电子工程、自动化等相关专业的本科生、研究生。 对FPGA数字逻辑设计感兴趣的软件工程师、硬件工程师。 希望提升FPGA设计能力的在职工程师。 所有渴望深入理解现代数字系统设计原理的读者。 结语 FPGA技术是现代数字硬件设计的基石，掌握FPGA设计能力将为您的职业生涯打开新的大门。我们希望本书能够成为您FPGA学习旅程中的得力助手，引导您在数字逻辑设计的广阔天地中探索、创造，并最终取得成功！

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容深度和广度都超出了我的预期，尤其是在讲解FPGA的架构和开发流程方面。作者并没有止步于简单的原理介绍，而是深入剖析了FPGA的内部结构，如可配置逻辑块（CLBs）、输入输出块（IOBs）、以及各种互连资源，并详细解释了它们是如何协同工作的。对于初学者来说，可能一开始会觉得有些晦涩，但作者非常有耐心地从最基本的逻辑门开始，一步步构建起复杂的逻辑单元，并最终整合到FPGA芯片中。最让我印象深刻的是，书中对HDL（硬件描述语言）的讲解非常到位，不仅仅是语法层面的介绍，更侧重于如何用HDL来高效地描述硬件，以及如何进行仿真和综合。作者提供的代码示例清晰易懂，并且覆盖了从简单的计数器到复杂的状态机等各种场景，这为我提供了宝贵的实践指导。此外，书中还探讨了时序约束、功耗优化等高级话题，这对于那些希望深入掌握FPGA设计的读者来说，无疑是一笔宝贵的财富。这本书不仅仅是理论的堆砌，更是一本实用的指导手册，让我能够更自信地迈向FPGA设计的实践之路。

评分☆☆☆☆☆

这本书对于数字逻辑设计中“为什么”和“怎么做”的解释都相当到位，尤其是在理解不同逻辑电路设计背后的权衡和取舍方面。例如，在讲解加法器时，作者不仅仅介绍了行波进位加法器，还详细分析了进位预测加法器（如哥斯加法器）的结构和优势，并解释了它们在速度和面积上的差异，这让我对不同的设计方案有了更深刻的理解。同样，在时序逻辑部分，作者也探讨了不同类型的触发器（如D触发器、JK触发器、T触发器）以及它们在不同应用场景下的适用性，并分析了异步复位和同步复位之间的区别以及各自的优缺点。书中还涉及到了状态机设计的优化技巧，例如如何减少状态数量，如何处理输入输出的敏感性等。这些内容都展现了作者在数字逻辑设计领域的深厚功底，能够引导读者进行更深入的思考，不仅仅停留在“能用”的层面，更能理解“为什么这样设计会更好”。这本书培养了我一种审慎的设计思维，让我在面对实际问题时，能够权衡各种因素，选择最优的解决方案。

评分☆☆☆☆☆

这本书在实践操作方面提供了非常详尽的指导，尤其是在关于FPGA开发工具的使用和项目流程的介绍上。作者并没有仅仅停留在理论层面，而是深入讲解了如何使用主流的FPGA开发软件，例如（此处省略具体软件名称，以防过于具体化），包括项目创建、代码编写、仿真验证、综合、布局布线以及生成比特流等关键步骤。每一个步骤都配有详细的截图和操作说明，即使是第一次接触FPGA开发的读者，也能够轻松上手。书中还提供了一些实际的开发案例，从简单的LED闪烁到稍微复杂一点的数码管显示，再到（此处省略更复杂的例子），这些案例的完整流程都进行了详细的展示，让读者能够亲身实践，将理论知识转化为实际成果。这种“理论与实践相结合”的教学方式，极大地提高了学习的效率和趣味性。读完这本书，我感觉自己不再仅仅是一个理论的知识拥有者，更是一个能够动手操作，解决实际问题的FPGA设计者。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计非常简洁，书名和系列教材的标识清晰可见，给人一种严谨、专业的感觉。拿到手中，纸张的质感相当不错，阅读起来不会有廉价感，页面的排版也很合理，字迹清晰，没有模糊不清的地方。翻开书页，首先映入眼帘的是目录，结构清晰，章节划分逻辑性很强，从基础概念到高级应用，循序渐进，非常适合初学者入门。每一章节的标题都概括了其核心内容，让人一目了然，可以根据自己的学习需求快速定位。作者在内容组织上花了心思，让整个知识体系显得非常完整和系统。我特别欣赏的是，书中不仅仅是理论的讲解，还穿插了一些实际案例和应用场景的分析，这对于理解抽象的数字逻辑概念非常有帮助。例如，在讲解组合逻辑电路时，作者不仅仅列举了基本的门电路，还结合了实际的译码器、多路选择器等应用，让我能更直观地感受到理论在实践中的价值。虽然我还没有深入阅读每一页，但仅从目录和开头的几章来看，这本书的知识覆盖面应该相当广，而且内容深度也足够。整体感觉，这是一本值得认真学习的教材。

评分☆☆☆☆☆

这是一本非常扎实的数字逻辑设计入门书籍，其内容编排的逻辑性非常强。作者从最基础的数制转换、逻辑代数入手，层层递进，逐渐引入了组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法。在讲解组合逻辑电路时，作者对卡诺图、奎因-麦克拉斯基等简化方法进行了详尽的阐述，并且提供了大量的例题，帮助读者巩固理解。对于时序逻辑电路，书中对触发器、寄存器、计数器等基本单元的设计和应用进行了清晰的讲解，并且重点强调了时序分析的重要性，包括建立时间和保持时间的概念，以及如何避免亚稳态。这部分内容对于理解数字系统的稳定性至关重要。书中还涵盖了状态机的设计，并提供了两种不同的状态机模型（摩尔和米利），并分析了它们的优缺点。阅读这本书，感觉就像在接受一位经验丰富的工程师的悉心指导，每一个概念都解释得非常清楚，每一个例子都恰到好处。它能够帮助我打下坚实的数字逻辑基础，为后续更复杂的FPGA设计学习奠定坚实的基础。

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