电子与嵌入式系统设计译丛：FPGA快速系统原型设计权威指南 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] R.C.Cofer，[美] Benjamin F.Harding 著

图书标签:

• FPGA
• 原型设计
• 嵌入式系统
• 数字电路
• Verilog
• VHDL
• 系统设计
• 电子工程
• 快速原型
• 开发工具

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111448518

版次：1

商品编码：11424946

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 电子与嵌入式系统设计译丛

开本：16开

出版时间：2014-03-01

用纸：胶版纸

页数：255

正文语种：中文

内容简介

　　本书是关于FPGA快速系统原型设计的指南，分为17章。第1章概述FPGA的相关概念和嵌入式设计技能；第2章介绍FPGA的基础知识；第3章讲解优化的FPGA开发流程；第4章从系统工程管理的角度来讨论FPGA设计流程的优化；第5章讨论FPGA器件级的设计决策；第6章讨论FPGA板级设计所需要考虑的各种影响因素；第7章讨论FPGA内部的具体设计实现；第8章讨论设计仿真；第9章讨论设计约束及其优化技巧；第10章讨论FPGA下载配置；第11章讨论板级测试的方法；第12章讨论功耗和量产问题；第13章讨论IP的分类、IP核的选择、集成和测试等；第14章讨论FPGA内嵌处理器IP核的相关内容；第15章讨论DSP；第16章论述高级的互联I/O接口；第17章总结本书涉及的各种设计方法和理念。

目录

献词
译者序
作者简介
致谢
第1章　绪论 / 1
1.1　FPGA快速设计实现的潜力 / 2
1.2　快速发展的技术领域 / 3
1.3　全面、完备的设计技能 / 4
1.4　具备硬件知识的软件/固件工程师 / 6
1.5　具备软件知识的硬件工程师 / 6
1.6　FPGA技术潜在的局限性 / 7
1.7　FPGA技术的优势 / 8
1.8　小结 / 10
第2章　FPGA基础 / 11
2.1　概述 / 11
2.1.1　可编程逻辑器件的分类 / 11
2.1.2　SPLD / 14
2.1.3　CPLD / 15
2.1.4　FPGA / 17
2.1.5　FPGA类型 / 20
2.2　基于SRAM的FPGA架构 / 22
2.2.1　FPGA的逻辑块架构 / 23
2.2.2　FPGA的布线矩阵与全局信号 / 25
2.2.3　FPGA的I/O块 / 27
2.2.4　FPGA的时钟资源 / 28
2.2.5　FPGA的存储资源 / 30
2.3　高级FPGA特性 / 30
2.4　小结 / 31
第3章　优化开发流程 / 33
3.1　概述 / 33
3.2　FPGA开发流程 / 34
3.2.1　需求定义阶段 / 38
3.2.2　架构和设计阶段 / 39
3.2.3　实现阶段 / 42
3.2.4　验证阶段 / 44
3.3　小结 / 45
第4章　系统工程 / 46
4.1　概述 / 46
4.2　常见的设计挑战和错误 / 47
4.3　明确的FPGA设计过程规范 / 48
4.4　项目开发和管理 / 50
4.4.1　团队交流 / 51
4.4.2　设计评审 / 52
4.4.3　预算和日程安排 / 54
4.5　培训 / 56
4.6　技术支持 / 58
4.7　设计配置控制 / 58
4.7.1　在上板调试过程中对FPGA设计进行配置控制 / 61
4.7.2　设计归档 / 62
4.8　小结 / 64
第5章　FPGA器件级的设计决策 / 65
5.1　概述 / 65
5.2　FPGA选型分类 / 65
5.2.1　FPGA厂商 / 66
5.2.2　系列选择 / 67
5.2.3　器件型号 / 68
5.2.4　封装 / 70
5.3　设计决策 / 71
5.3.1　数据流向 / 71
5.3.2　确知的I/O引脚分配 / 72
5.4　设计选型清单 / 76
5.5　小结 / 78
第6章　FPGA板级的设计决策 / 80
6.1　概述 / 80
6.2　封装选型 / 81
6.3　BGA封装 / 83
6.3.1　BGA信号的引出 / 83
6.3.2　安装和返修 / 83
6.3.3　BGA I/O引脚的分配 / 86
6.3.4　信号的可访问性 / 87
6.4　I/O引脚与信号的分配 / 87
6.5　原理图符号设计 / 88
6.6　热设计 / 88
6.7　电路板的布局布线 / 89
6.7.1器件的摆放位置和方向 / 90
6.7.2测试和配置插座 / 91
6.8　信号完整性设计 / 91
6.9　供电设计 / 92
6.10　小结 / 94
第7章　设计实现 / 96
7.1　概述 / 96
7.2　架构设计 / 97
7.2.1　同步设计 / 97
7.2.2　扁平化设计与层次化设计 / 98
7.2.3　实现层次化设计 / 100
7.3　设计输入 / 101
7.3.1　HDL语言的双重性质 / 103
7.3.2　HDL编码指南 / 103
7.3.3　工具 / 106
7.4　RTL设计 / 106
7.5　综合 / 109
7.5.1　逻辑综合 / 109
7.5.2　物理综合 / 111
7.5.3　实现可综合的设计 / 111
7.5.4　设计推译与例化 / 112
7.6　布局布线 / 113
7.7　小结 / 114
第8章　设计仿真 / 117
8.1　概述 / 117
8.2　仿真的不同阶段 / 117
8.3　仿真文件的类型 / 119
8.4　仿真深度的把握 / 120
8.5　层次化设计与仿真 / 121
8.6　仿真的常见错误以及提示 / 122
8.7　小结 / 123
第9章　设计约束与优化 / 125
9.1　概述 / 125
9.2　设计约束管理 / 125
9.2.1　避免设计“过约束” / 126
9.2.2　综合约束 / 127
9.2.3　引脚约束 / 128
9.2.4　时序约束 / 131
9.2.5　面积约束和版图规划 / 133
9.2.6　约束实例 / 134
9.2.7　约束检查清单 / 135
9.3　设计优化 / 136
9.4　小结 / 139
第10章　配置 / 140
10.1　概述 / 140
10.2　配置方式 / 140
10.3　下载线 / 141
10.4　JTAG标准 / 142
10.5　设计的安全 / 144
10.6　小结 / 145
第11章　板级测试 / 146
11.1　概述 / 146
11.1.1　FPGA设计验证方法 / 146
11.1.2　FPGA内部关键信号的访问 / 147
11.1.3　边界扫描的支持 / 148
11.2　调试检查清单 / 149
11.3　小结 / 49
第12章　高级议题综述 / 150
12.1　概述 / 150
12.2　功耗问题 / 151
12.3　量产问题 / 151
12.4　小结 / 152
第13章　IP核 / 153
13.1　概述 / 153
13.2　IP类型 / 154
13.3　IP分类 / 156
13.4　IP分析比较 / 157
13.5　自行设计与购买的权衡 / 158
13.5.1　IP核的来源 / 159
13.5.2　IP核的评估 / 159
13.5.3　IP核供应商的评估 / 160
13.5.4　IP核的授权 / 162
13.6　IP核的集成 / 162
13.7　IP核的测试和调试 / 162
13.8　小结 / 163
第14章　嵌入式处理器内核 / 164
14.1　概述 / 164
14.2　基于FPGA 的嵌入式处理器类型 / 165
14.3　基于FPGA的嵌入式处理器的使用考虑 / 167
14.4　系统设计考虑 / 169
14.4.1　协同设计 / 169
14.4.2　处理器架构 / 170
14.4.3　处理器实现选项 / 173
14.4.4　处理器核和外设选择 / 175
14.4.5　硬件实现因素 / 176
14.4.6　软件实现因素 / 177
14.5　基于FPGA的嵌入式处理器概念举例 / 179
14.6　FPGA嵌入式处理器设计清单 / 185
14.7　小结 / 185
第15章　数字信号处理 / 187
15.1　概述 / 187
15.2　基本DSP系统 / 188
15.3　基本DSP术语 / 189
15.4　DSP架构 / 190
15.5　DSP中的并行执行 / 191
15.6　FPGA中的并行执行 / 192
15.7　何时采用FPGA来实现DSP功能 / 194
15.8　在FPGA上实现DSP设计的考虑因素 / 194
15.8.1　时钟方案和信号布线 / 195
15.8.2　流水线设计 / 195
15.8.3　算法实现选择 / 196
15.8.4　DSP IP / 196
15.9　FIR滤波器概念示例 / 197
15.10　小结 / 198
第16章　高级互联 / 200
16.1　概述 / 200
16.2　互联分类 / 200
16.3　高级 I/O接口的挑战 / 203
16.4　高级并行I/O接口示例 / 203
16.5　高级串行I/O接口示例 / 206
16.6　小结 / 207
第17章　系统整合 / 209
17.1　概述 / 209
17.2　需求定义阶段 / 210
17.3　架构设计阶段 / 212
17.4　设计实现阶段 / 215
17.5　设计验证阶段 / 216
17.6　原型交付阶段 / 218
17.7　小结 / 218
附录A　FPGA快速系统原型设计技术参考资料 / 219
附录B　开发过程各阶段设计检查清单 / 233
附录C　缩写和缩略词 / 244
译后记 / 254

前言/序言

踏入数字创新的前沿：探索电子与嵌入式系统设计的无限可能 在当今瞬息万变的科技浪潮中，电子与嵌入式系统扮演着至关重要的角色，它们是连接物理世界与数字智能的桥梁，驱动着从智能手机、可穿戴设备到先进的工业自动化、航空航天等诸多领域的革新。这些系统以其强大的计算能力、灵活性和针对性，正在深刻地改变着我们的生活方式和工作模式。深入理解并掌握电子与嵌入式系统的设计与实现，已成为每一位致力于投身科技创新、塑造未来世界的工程师与研究者的必备技能。 本套译丛，汇聚了业界顶尖的专家智慧，聚焦于电子与嵌入式系统设计的核心理念、关键技术与前沿实践。我们旨在为读者提供一个全面、深入的学习平台，从基础理论到高级应用，全方位地揭示这些复杂系统的内在奥秘，激发无限的创新灵感。 第一卷：数字逻辑与计算机体系结构基石 本卷是理解所有数字电子与嵌入式系统设计的逻辑起点。我们将从最基本的数字逻辑门电路入手，循序渐进地介绍布尔代数、逻辑化简、组合逻辑和序逻辑电路的设计原理。通过对各类触发器、寄存器、计数器以及状态机的深入剖析，读者将能够构建出满足特定功能需求的数字模块。 在此基础上，本卷将进一步深入探讨计算机体系结构的奥秘。从指令集架构（ISA）的设计哲学，到CPU的五级流水线实现，再到存储器层次结构（缓存、主存、外存）的工作机制，以及输入输出（I/O）系统的接口与控制。我们将详细讲解不同类型的指令集（RISC与CISC）、指令流水线中的冲突与解决策略、以及缓存一致性等关键概念。读者将学习如何构建一个基本的微处理器模型，理解指令的执行流程，以及程序性能如何受到硬件架构的影响。 此外，本卷还将触及并行计算与多核处理器的概念，介绍多线程、多进程以及它们在现代嵌入式系统中的应用。通过实际的案例分析，读者将能够理解如何设计高效的数字逻辑电路，以及如何根据不同的应用需求选择和优化计算机体系结构，为后续更复杂的系统设计打下坚实的基础。 第二卷：嵌入式微处理器与微控制器原理及应用 在掌握了数字逻辑和计算机体系结构的基础之后，本卷将聚焦于嵌入式系统中最核心的“大脑”——微处理器与微控制器。我们将首先介绍嵌入式系统的定义、特点以及其在不同领域的广泛应用。 本卷将详细讲解几种主流的嵌入式处理器架构，如ARM Cortex-M系列、RISC-V架构等，分析它们的指令集、流水线设计、功耗管理特性以及在不同应用场景下的优势。读者将学习如何理解处理器的数据手册，选择最适合项目需求的处理器。 接下来，我们将深入探讨微控制器（MCU）的内部结构，包括CPU核心、存储器（RAM、Flash）、各种外设接口（GPIO、UART、SPI、I2C、ADC、DAC、定时器、PWM等）的工作原理和编程模型。通过丰富的实例，读者将学会如何编写裸机程序，直接控制MCU的硬件资源，实现各种基本功能。 本卷的重点之一是实时操作系统（RTOS）的应用。我们将介绍RTOS的核心概念，如任务调度、进程间通信、同步机制、中断处理等，并以FreeRTOS、RT-Thread等主流RTOS为例，讲解如何在嵌入式项目中引入和使用RTOS，以应对多任务、实时性要求高的复杂应用。读者将学习如何构建健壮、可靠的嵌入式软件系统。 此外，本卷还将涉及嵌入式系统中的电源管理、功耗优化、以及嵌入式软件的调试技巧。通过对实际项目中的常见问题分析，读者将能够提高嵌入式系统的开发效率和稳定性。 第三卷：嵌入式软件开发与高级主题 本卷将带领读者从微控制器层面，进一步深入到嵌入式系统的软件开发层面，并触及一些更高级的主题。我们将详细讲解嵌入式Linux操作系统的构建、配置与应用。从交叉编译工具链的搭建，到Bootloader（如U-Boot）的原理与移植，再到Linux内核的配置、裁剪与编译，以及根文件系统的构建。读者将学习如何为嵌入式设备定制一个功能强大且高效的Linux系统。 本卷还将深入探讨嵌入式Linux下的应用开发。我们将介绍Linux设备驱动程序的编写，理解Linux内核提供的各种框架（如字符设备、块设备、网络设备驱动），以及如何利用这些框架实现对硬件的精细控制。同时，我们将讲解用户空间应用程序的开发，包括多线程编程、进程间通信、信号处理等，以及如何利用Qt、GTK+等GUI框架为嵌入式设备开发用户友好的图形界面。 此外，本卷还将触及嵌入式系统中的网络通信技术，包括TCP/IP协议栈在嵌入式设备上的实现与应用，以及Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等无线通信技术的原理与开发。读者将学习如何设计和实现联网的嵌入式设备，构建IoT（物联网）解决方案。 最后，本卷还将介绍嵌入式系统中的安全问题，包括代码安全、数据安全、通信安全等，以及一些常用的安全防护技术。同时，我们将探讨嵌入式系统的性能优化与功耗管理的高级策略。通过本卷的学习，读者将能够独立完成复杂的嵌入式系统软件开发项目，并具备解决高级技术挑战的能力。 第四卷：FPGA在嵌入式系统中的应用与设计 本卷将聚焦于现场可编程门阵列（FPGA）在嵌入式系统设计中的重要作用。FPGA作为一种高度灵活的硬件编程平台，为嵌入式系统的性能提升、功能定制和快速原型验证提供了前所未有的可能。 我们将从FPGA的基本原理和架构出发，介绍其内部的逻辑单元（LUTs、Flip-flops）、布线资源以及数字信号处理器（DSP）模块等核心组成部分。读者将学习FPGA的开发流程，包括需求分析、RTL（Register Transfer Level）代码编写（Verilog或VHDL）、仿真验证、综合、布局布线以及比特流生成。 本卷的重点在于FPGA与嵌入式处理器（如ARM核）的协同设计。我们将介绍软核处理器（如MicroBlaze、Nios II）和硬核处理器（如ARM Cortex-A系列）的概念，以及如何将它们集成到FPGA设计中，构建SoC（System on Chip）系统。读者将学习如何设计自定义的硬件加速模块，并将其与处理器协同工作，以实现高性能的计算任务，例如图像处理、信号处理、网络协议加速等。 我们将详细讲解FPGA在嵌入式系统中的典型应用场景，包括： 高性能数据处理： 利用FPGA的并行计算能力，实现传统CPU难以达到的吞吐量和实时性，如高速ADC/DAC数据采集与处理、数字信号滤波器、FFT计算等。 自定义硬件接口： 为嵌入式系统设计专用的、高性能的I/O接口，满足特定应用的需求，如高性能摄像头接口、专用通信协议接口等。 逻辑加速器： 将计算密集型的算法或模块迁移到FPGA上实现，显著提升系统性能，例如AI推理加速、加密解密算法加速等。 原型验证与IP核开发： 利用FPGA的灵活性，快速验证新的硬件设计思路，开发可复用的IP核，缩短产品上市周期。 本卷还将深入探讨FPGA设计中的时序约束、功耗管理、以及片上调试技术。通过实际的FPGA项目案例，读者将能够掌握如何将FPGA集成到嵌入式系统中，从而突破传统嵌入式系统的性能瓶颈，设计出更强大、更高效、更具竞争力的创新产品。 面向未来，共塑智能时代 本套译丛不仅仅是理论知识的汇聚，更承载着推动电子与嵌入式系统技术向前发展的愿景。我们希望通过这些深入浅出的讲解和详实的案例分析，帮助读者构建扎实的理论基础，掌握前沿的实践技能，从而在智能硬件、物联网、人工智能、自动驾驶等蓬勃发展的领域中，成为一名出色的设计者和创新者，共同塑造更加美好的智能未来。 无论您是渴望进入电子与嵌入式系统设计领域的初学者，还是寻求深化专业知识、突破技术瓶颈的资深工程师，这套译丛都将是您不可或缺的宝贵资源。让我们携手，在数字创新的浪潮中，不断探索，不断前行！

评分☆☆☆☆☆

这本书真的是为那些希望在FPGA领域“速成”但又不失专业深度的人士准备的。我之所以这么说，是因为它在保持技术严谨性的同时，将“快速”这个核心理念贯穿始终。我印象最深的是书中关于“敏捷开发流程”在FPGA原型设计中的应用。作者打破了传统瀑布式开发模式的束缚，提出了更加灵活、迭代的设计方法。通过大量的实例，我看到了如何通过快速迭代和持续反馈来缩短开发周期，并有效地应对需求变化。书中关于“仿真环境搭建”和“虚拟平台开发”的部分，也让我受益匪浅。这些技术能够极大地提高设计的验证效率，减少在硬件实现阶段发现问题的风险。此外，作者在书中还分享了许多关于“团队协作”和“项目管理”的实用技巧，这些内容虽然不是纯粹的技术知识，但在实际项目中却至关重要。它不仅仅是关于写代码、跑仿真，更是关于如何构建一个高效的开发团队，并确保项目按时按质交付。这本书提供了一种全新的视角来看待FPGA系统原型设计。

评分☆☆☆☆☆

这本《FPGA快速系统原型设计权威指南》的确是一本让我受益匪浅的书籍。我原本以为自己对FPGA开发已经相当熟悉，但阅读这本书后，我才意识到自己还有很大的提升空间。书中的内容非常丰富，涵盖了从项目启动到原型交付的整个生命周期。我特别赞赏作者在书中分享的关于“模块化设计”和“接口标准化”的理念。这些原则在构建复杂系统时显得尤为重要，能够显著提高代码的可读性、可维护性和可重用性，从而加速原型开发进程。书中还详细讲解了如何有效地利用高层综合（HLS）工具来提高开发效率，这是一个我之前接触较少但极具潜力的领域。通过书中对HLS的介绍和实例分析，我看到了利用C/C++等高级语言来描述硬件逻辑的可能性，这无疑为FPGA开发打开了新的大门。此外，书中对“约束管理”和“时序分析”的深入探讨，也让我对如何确保原型设计的稳定性和性能有了更清晰的认识。它不仅仅是关于“如何做”，更是关于“如何做得更好”。

评分☆☆☆☆☆

作为一名资深的FPGA工程师，我一直在寻找一本能够真正提升我设计效率的参考书，而《FPGA快速系统原型设计权威指南》恰恰满足了我的需求。这本书的内容非常实在，没有过多的理论废话，而是聚焦于如何在实际项目中实现快速原型设计。我尤其喜欢书中关于“IP核复用与集成”的详细讲解，它提供了一套非常实用的方法论，可以帮助我们有效地利用现有的IP资源，快速构建复杂系统。书中还重点讨论了“软硬件协同设计”的策略，这对于现代嵌入式系统开发来说至关重要。作者分享了许多关于如何有效地在FPGA和嵌入式处理器之间进行任务分配，以及如何实现高效通信的经验。我还在书中看到了关于“低功耗设计”和“可测试性设计”的宝贵建议，这些内容在实际项目中往往容易被忽视，但却对最终产品的性能和可靠性有着深远的影响。这本书的讲解方式非常直观，通过大量的图表和代码示例，让抽象的概念变得易于理解。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是为我量身打造的！作为一名在嵌入式领域摸爬滚打多年的工程师，我一直在寻找一本能真正帮助我加速项目开发周期的书籍，尤其是在FPGA系统原型设计这个环节。市面上有很多关于FPGA的书籍，但要么过于理论化，要么过于基础，难以直接应用到实际的项目中。这本《FPGA快速系统原型设计权威指南》的出现，让我眼前一亮。它的内容非常接地气，直接切入了“快速原型设计”的核心。书中详细讲解了如何从需求分析到系统架构设计，再到具体的HDL编码实现，以及如何有效地进行仿真和验证，每一步都充满了实战技巧。作者并非简单地罗列概念，而是通过大量的工程实例，将理论知识与实际操作紧密结合。例如，在讲解IP核集成时，书中提供了多种常用IP核的配置和使用方法，还分享了如何根据项目需求定制IP核的经验。更让我惊喜的是，书中还重点强调了版本控制、调试技巧以及与软件开发的协同工作流程，这些都是在实际项目中至关重要但常常被忽视的细节。读完前几章，我就迫不及待地想要将书中的方法应用到我正在进行的一个项目中，相信它能极大地提升我的工作效率，让我更快地将想法转化为可工作的原型。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书，感觉自己对FPGA系统原型设计的理解上升到了一个全新的维度。过去，我总觉得FPGA开发是一个漫长而复杂的过程，尤其是原型设计阶段，充满了各种不确定性和挑战。然而，这本书彻底颠覆了我的认知。它不仅仅是一本技术手册，更像是一本充满智慧的“内幕消息”集。作者以一种非常系统且深入的方式，揭示了快速原型设计的“秘诀”。书中对整个开发流程进行了细致的分解，并针对每一个环节都提出了切实可行的解决方案。我特别欣赏的是书中关于“设计迭代”的论述，它强调了快速反馈和持续优化的重要性，这在快速原型设计中至关重要。书中还分享了许多关于如何选择合适的开发板、如何利用仿真工具进行高效调试、以及如何与不同团队（如软件开发、硬件集成）进行有效沟通的宝贵经验。这些内容，在其他同类书籍中是很难找到的。我尤其喜欢书中关于“功耗优化”和“性能调优”的章节，它们提供了许多行之有效的技巧，能够帮助我们在早期设计阶段就考虑到这些关键因素，避免后期大量的返工。这本书就像一位经验丰富的导师，在我迷茫时指引方向，在我遇到困难时提供方法。

评分☆☆☆☆☆

好书，还没看

评分☆☆☆☆☆

内容全面，深度有限，整体感觉还不错。

评分☆☆☆☆☆

非常不错的书、原著的翻译、还没看、希望内容翻译的不错

评分☆☆☆☆☆

东西很好，我很喜欢，京东一直这么给力

评分☆☆☆☆☆

好书。最近看了吴厚航的一些书。获益匪浅

评分☆☆☆☆☆

经典的专业书籍，值得学习参考。

评分☆☆☆☆☆

东西很不好，太空洞了。

评分☆☆☆☆☆

对我的帮助挺大的，值得拥有

评分☆☆☆☆☆

好