数字电路的FPGA设计与实现（应用篇）/普通高等教育“十二五”电子信息类规划教材（附CD-ROM光盘1张） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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周鹏，黄秋元，刘岚 等 著

图书标签:

• 数字电路
• FPGA
• 设计
• 实现
• 电子信息
• 高等教育
• 教材
• 应用
• 硬件设计
• 可编程逻辑

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111429845

版次：1

商品编码：11611750

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 普通高等教育“十二五”电子信息类规划教材 ，

开本：16开

出版时间：2015-01-01

用纸：胶版纸

页数：138

字数：217000

正文语种：中文

附件：CD-ROM光盘##

内容简介

　　FPGA是数字电路或系统设计的通用技术，利用FPGA芯片可以实现数字电路的各种功能。《数字电路的FPGA设计与实现（应用篇）/普通高等教育“十二五”电子信息类规划教材》有针对性地介绍了数字电路应用系统的FPGA设计与实现过程，《数字电路的FPGA设计与实现（应用篇）/普通高等教育“十二五”电子信息类规划教材》共5章，主要内容包括：基于FPGA的数字频率计设计；频率合成技术及DDS设计；基于FPGA的信号发生器设计；基于FPGA的CORDIC数字计算机设计；数字电路应用系统设计。《数字电路的FPGA设计与实现（应用篇）/普通高等教育“十二五”电子信息类规划教材》提供了较为丰富的FPGA的设计例程，让学习者通过实验和设计更加深入地了解数字电路的工作原理，并且逐步掌握FPGA的设计与应用技术。
　　《数字电路的FPGA设计与实现（应用篇）/普通高等教育“十二五”电子信息类规划教材》中的所有例程均是在Xilinx的11.1版本仿真环境下进行的，本书所附的光盘为学习者提供了相应的程序和工程《数字电路的FPGA设计与实现（应用篇）/普通高等教育“十二五”电子信息类规划教材》深入浅出，实例丰富，取材新颖，图文并茂，叙述详尽清晰，可作为电子信息类本科生和硕士研究生学习FPGA应用技术的教材，也可供从事电子电路系统设计的工程技术人员学习参考。

内页插图

目录

前言
第1章 基于FPGA的数字频率计设计
1.1 频率计的基本原理
1.2 数字频率计的主要技术指标
1.3 频率计设计方案概述
1.3.1 频率的测量方法
1.3.2 直接测频法的原理
1.4 基于FPGA的自动换量程频率计设计
1.4.1 自动换量程原理
1.4.2 模块设计
1.5 自动换量程频率计的FPGA仿真
1.5.1 各模块的仿真
1.5.2 总体仿真
1.6 思考题

第2章 频率合成技术及DDS设计
2.1 概述
2.1.1 频率合成技术分类
2.1.2 DDS技术特点
2.2 DDS工作原理
2.3 频率合成技术指标
2.4 DDS输出杂散噪声分析
2.4.1 相位截断引入的杂散
2.4.2 幅度量化引入的杂散
2.4.3 D�睞转换引入的杂散及时钟噪声
2.5 DDS抑制杂散噪声分析
2.5.1 抖动注入技术
2.5.2 ROM数据压缩技术
2.5.3 PLL+DDS技术
2.6 基于FPGA的DDS设计
2.6.1 DDS系统结构框图
2.6.2 模块设计与仿真
2.7 本章小结
2.8 思考题

第3章 基于FPGA的信号发生器设计
3.1 概述
3.1.1 信号发生器的发展概况
3.1.2 信号发生器的种类
3.1.3 DDS工作原理
3.2 基于FPGA的信号发生器
3.2.1 总体结构设计
3.2.2 几种实现方式
3.2.3 实现中的几个关键问题
3.3 设计的实现与仿真
3.3.1 累加器模块
3.3.2 波形控制和数据存储模块
3.3.3 综合与ChipScope测试
3.4 本章小结
3.5 思考题

第4章 基于FPGA的CORDIC数字计算机设计
4.1 CORDIC理论算法
4.1.1 计算正弦值和余弦值
4.1.2 极坐标到笛卡儿坐标的变换
4.1.3 笛卡儿坐标到极坐标的变换
4.1.4 反正弦和反余弦函数
4.1.5 线性函数
4.1.6 双曲线函数
4.2 CORDIC算法的FPGA实现
4.2.1 基于状态机的迭代算法
4.2.2 基于流水线结构的算法
4.2.3 总体方案设计
4.2.4 仿真结果与分析
4.3 8位RISC�睠PU
4.3.1 计算机体系结构
4.3.2 CPU的概念
4.3.3 RISC�睠PU基本架构
4.3.4 RISC�睠PU的功能及模块划分
4.3.5 RISC�睠PU指令集简介
4.3.6 RISC�睠PU的状态时序和控制信号
4.3.7 8位RISC�睠PU的设计实现流程
4.4 8位RISC�睠PU各模块的设计与仿真
4.4.1 时钟发生器
4.4.2 指令寄存器
4.4.3 累加器
4.4.4 算术逻辑运算单元
4.4.5 数据控制器
4.4.6 地址多路器
4.4.7 程序计数器
4.4.8 状态控制器
4.5 8位RISC�睠PU顶层CPU模块的设计与仿真
4.5.1 设计思路
4.5.2 实现和仿真
4.5.3 CPU外围模块及测试
4.6 本章小结
4.7 思考题

第5章 实际应用系统设计
5.1 电子琴
5.1.1 电子琴的基本原理
5.1.2 电子琴的Verilog设计
5.1.3 电子琴的FPAG仿真
5.1.4 板调
5.2 数字密码锁
5.2.1 设计方案
5.2.2 数字密码锁的硬件设计
5.2.3 数字密码锁的软件设计
5.2.4 数字密码锁的仿真与实现
5.3 自动售货机
5.3.1 自动售货机系统的基本结构
5.3.2 自动售货机系统的工作流程
5.3.3 主控系统的设计方案
5.3.4 自动售货机系统FPGA的设计实现
5.4 乐曲演奏电路
5.4.1 乐曲演奏电路设计原理
5.4.2 乐曲演奏电路的FPGA实现
5.5 数字电压表
5.5.1 数字电压表的设计原理
5.5.2 数字电压表各模块的仿真与实现
5.5.3 系统调试
5.6 篮球30s可控计时器设计
5.6.1 篮球30s可控计时器的设计原理
5.6.2 篮球30s可控计时器的FPGA实现
5.7 自动电梯控制电路
5.7.1 自动电梯的电路原理
5.7.2 自动控制电路的FPGA实现
5.8 思考题
参考文献

前言/序言

《数字电路的FPGA设计与实现（应用篇）》 教材亮点： 本书作为“十二五”普通高等教育电子信息类规划教材的配套应用篇，旨在为读者提供一个将数字电路理论知识与FPGA实际应用相结合的坚实平台。本书聚焦于FPGA在现代电子系统设计中的实际应用，通过丰富的实例和详实的步骤，引导读者深入理解FPGA设计流程，掌握主流FPGA开发工具的使用，并能独立完成复杂的数字系统设计项目。 内容概览： 本书内容紧密围绕FPGA设计与实现的“应用”核心，摒弃了冗余的理论推导，而是将重点放在如何将数字逻辑思想转化为可执行的硬件描述语言（HDL），并最终在FPGA器件上实现。全书结构清晰，由浅入深，层层递进，力求让读者在实践中学习，在解决实际问题中提升能力。 第一篇：FPGA基础与设计流程回顾 在深入应用之前，本书首先对FPGA设计的基础知识和通用流程进行了简要回顾，旨在确保所有读者都能快速进入状态，无论其背景如何。 FPGA器件概览： 简要介绍FPGA的基本结构、逻辑单元（LUT、FF）、布线资源以及常见的FPGA厂商（如Xilinx、Intel Altera）和系列产品。重点阐述FPGA相对于ASIC和CPLD的优势，以及其在现代电子设计中的重要地位。 硬件描述语言（HDL）入门与进阶： 回顾Verilog HDL或VHDL的核心语法，包括数据类型、运算符、过程块、结构化语句等。在此基础上，强调HDL在描述硬件行为和结构方面的特性，以及不同于传统软件编程的思维方式。针对本应用篇，将侧重于如何使用HDL进行高效、可综合的代码编写。 FPGA开发工具链概述： 介绍主流FPGA开发工具（如Vivado、Quartus Prime）的基本界面和主要功能模块。涵盖项目创建、源代码管理、IP核集成、综合、布局布线、时序分析、仿真和下载等关键步骤。重点讲解如何根据设计需求，选择合适的工具选项，优化设计流程。 设计流程与约束管理： 详细阐述FPGA设计的完整流程，从需求分析、系统设计、HDL编码、仿真验证、综合、实现（布局布线）到时序约束、功耗分析、板级调试等。特别强调时序约束在FPGA设计中的关键作用，讲解如何编写和管理时序约束文件（XDC/SDC），确保设计满足性能要求。 第二篇：核心数字模块的FPGA实现 本篇是本书的重头戏，通过大量实例，展示如何利用FPGA实现各种常用的数字逻辑模块，并将理论与实践紧密结合。 组合逻辑电路的FPGA实现： 译码器与编码器： 讲解如何用HDL实现二进制译码器、N:1多路选择器、优先级编码器等。通过具体设计和仿真，展示其逻辑功能。 加法器与减法器： 实现不同位宽的加法器（全加器、并行加法器、进位前驱加法器）和减法器。重点分析带符号数加减运算的实现方式，以及对性能的影响。 比较器与奇偶校验： 实现多位数值比较器，以及常用的奇偶校验电路（如CRC）。 流水线设计： 引入流水线设计概念，讲解如何对组合逻辑进行流水线优化，以提高时序性能。 时序逻辑电路的FPGA实现： 寄存器与移位寄存器： 实现不同功能的寄存器，如数据寄存器、通用移位寄存器（串入并出、并入串出、串入串出、并入并出）。 计数器： 设计各种类型的计数器，如同步/异步计数器、加/减计数器、置位/清零计数器、模N计数器。重点讲解如何实现任意模N计数器。 有限状态机（FSM）： 详细讲解Moore型和Mealy型有限状态机的设计方法。包括状态转移图、状态表的设计，以及HDL实现。通过具体实例，如交通灯控制器、串行通信接口控制器，展示FSM在状态控制方面的强大威力。 时钟管理与时钟域问题： 讲解FPGA内部时钟生成和分配，以及多时钟域设计中可能遇到的亚稳态问题。介绍同步器（如双D触发器同步器）的设计方法，以及如何进行跨时钟域信号传输。 存储器的FPGA实现： RAM的FPGA实现： 讲解FPGA内部RAM（BRAM）的结构和使用方法。如何利用HDL接口实现单端口RAM、双端口RAM、伪双端口RAM。重点分析RAM的读写时序和数据访问方式。 ROM的FPGA实现： 讲解如何利用HDL实现ROM，以及如何通过配置工具加载外部存储数据。 FIFO（先进先出）缓存器： 设计和实现不同深度和位宽的FIFO。重点讲解空/满标志位的产生逻辑，以及同步/异步FIFO的设计要点。 第三篇：FPGA设计的高级应用与实例 本篇将带领读者进入更复杂的FPGA应用领域，通过实际项目的设计与实现，巩固所学知识，并接触到行业内常见的应用场景。 数字信号处理（DSP）基础： 滤波器设计与实现： 介绍FIR滤波器和IIR滤波器的基本原理，并利用FPGA实现简单的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器。讲解如何在HDL中实现乘法器、加法器等DSP核心运算单元。 FFT（快速傅里叶变换）初步： 简要介绍FFT的基本原理，以及其在信号分析中的应用。探讨利用FPGA实现FFT的挑战与方法。 通信接口设计： UART（通用异步收发器）设计： 设计和实现一个完整的UART控制器，包括发送器和接收器。讲解波特率的生成、数据帧的格式、校验位的处理等。 SPI（串行外设接口）设计： 实现SPI主/从机控制器，演示与其他SPI设备（如传感器、存储器）的通信。 I2C（集成电路互联）设计： 实现I2C主/从机控制器，展示与I2C总线设备的交互。 图像与视频处理初步： 图像采集与显示： 讲解如何通过FPGA采集图像数据，并将其显示到显示器上。涉及图像格式、像素时序等。 简单的图像处理算法： 实现一些基础的图像处理算法，如灰度转换、二值化、图像翻转等。 嵌入式系统集成： CPU软核的集成与移植： 介绍FPGA上实现的CPU软核（如MicroBlaze、Nios II）的基本架构和接口。讲解如何将CPU软核集成到FPGA设计中，并进行简单的软件开发与调试。 外设驱动开发： 演示如何为FPGA上的外设（如GPIO、UART）编写简单的驱动程序，以实现软硬件协同工作。 时序优化与性能提升策略： 关键路径分析与优化： 详细讲解如何识别设计中的关键路径，并运用各种技术（如流水线、寄存器复制、逻辑优化）来缩短关键路径，提高时钟频率。 功耗分析与降低： 介绍FPGA功耗的来源，以及通过代码优化、时钟门控、低功耗模式等技术降低功耗的方法。 面积优化： 讲解如何通过选择合适的IP核、优化HDL代码、使用资源共享等技术来减小FPGA的资源占用。 第四篇：项目实践与设计规范 本篇将引导读者进行一个完整的FPGA项目设计，并强调良好的设计规范和文档的重要性。 典型项目设计： 提供一个或多个完整的FPGA项目案例，例如： 简易数据采集与处理系统： 集成传感器接口、ADC驱动、基本信号处理算法，并通过UART输出结果。 LED点阵显示控制器： 实现控制LED点阵显示字符或图案的功能。 简单的数字滤波器实现平台： 支持用户配置滤波器参数，并进行仿真和板级验证。 视频信号处理模块： 实现简单的图像增强或滤波功能。 项目设计流程： 详细演示从需求分析、架构设计、模块划分、HDL编码、仿真验证、综合实现到板级调试的完整项目流程。 FPGA设计文档规范： 强调编写清晰、完整的技术文档的重要性，包括设计需求文档、系统设计说明、模块设计说明、测试计划、用户手册等。 代码风格与可维护性： 介绍良好的HDL代码风格，包括命名规范、注释规范、模块化设计等，以提高代码的可读性、可重用性和可维护性。 版本控制与协作： 介绍使用版本控制工具（如Git）进行代码管理和团队协作的重要性。 附带光盘内容： 本书附带的CD-ROM光盘包含丰富的配套资源，极大地增强了教材的应用性和实践性。 开发环境安装指南： 提供主流FPGA开发工具（如Vivado、Quartus Prime）的安装教程和配置说明，帮助读者快速搭建开发环境。 示例代码与IP核： 光盘中包含书中所有示例设计的Verilog/VHDL源代码，以及常用的IP核（如DDR控制器、PCIe接口、PLL/MMCM等），读者可以直接调用或参考。 仿真模型与测试激励： 提供详细的仿真模型和测试激励文件，方便读者对设计进行功能仿真和时序仿真。 实验指导手册： 详细的实验指导手册，包含每个实验的硬件连接图、软件配置步骤、预期结果和调试技巧，引导读者动手实践。 参考资料与技术文档： 收集整理了大量与FPGA设计相关的参考资料、应用笔记、数据手册等，供读者深入学习和查阅。 学习目标： 通过学习本书，读者将能够： 1. 熟练掌握FPGA的开发流程，从设计构思到最终实现。 2. 精通使用主流FPGA开发工具进行项目设计、仿真和下载。 3. 用硬件描述语言（HDL）高效地描述和实现复杂的数字逻辑功能。 4. 理解并掌握FPGA设计中的时序约束、性能优化和功耗控制技术。 5. 独立完成各种经典的数字逻辑模块和通信接口的设计。 6. 初步接触数字信号处理、图像处理等高级FPGA应用领域。 7. 具备FPGA项目设计、文档编写和团队协作的基本能力。 本书旨在培养具备扎实FPGA设计能力和工程实践经验的电子信息类人才，为读者在数字电路设计、嵌入式系统开发、集成电路设计等领域打下坚实基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，简直是我在FPGA学习道路上的一道曙光！作为一名已经接触过一些数字电路基础但对FPGA应用知之甚少的学习者，我一直在寻找一本能够桥接理论与实践的教材。这本书恰好满足了我的需求。它的“应用篇”名副其实，从书名就能感受到其强烈的实践导向。我尤其喜欢书中对每一个应用场景的剖析，不仅仅是展示最终结果，而是深入探讨了设计过程中遇到的挑战、权衡以及不同解决方案的优劣。例如，在讲解图像处理章节时，作者并没有止步于理论介绍，而是展示了如何将FPGA应用于实时图像滤波、边缘检测等具体任务，并给出了相应的HDL代码和时序分析。这让我明白了FPGA在现代电子系统中的实际价值和强大能力。此外，书中对各种常用的FPGA开发工具链的介绍也相当到位，能够帮助我们快速上手实际的项目开发。附带的光盘更是锦上添花，提供了丰富的示例代码和开发环境配置指南，极大地节省了初学者摸索的时间。总而言之，这本书不仅是一本教材，更像是一位经验丰富的导师，引领我们在FPGA应用的广阔天地中探索前行。

评分☆☆☆☆☆

我一直觉得，学习FPGA最关键的一点在于能够将理论知识转化为实际项目。而这本书，正是将这一点做到了极致。作为一本“应用篇”，它并没有回避复杂的工程实现细节，而是直面挑战，并提供了清晰的解决方案。我尤其对书中关于“优化设计”的章节印象深刻。在实际的FPGA项目中，我们常常会遇到性能、功耗、面积等方面的权衡，这本书就详细地讲解了如何通过代码结构优化、时序约束设置等手段，来达到更好的设计效果。书中举的很多例子，比如如何优化一个乘法器模块，如何处理高速接口的设计，都非常有参考价值。我感觉作者不仅仅是在传授知识，更是在分享经验。而且，这本书的章节安排也很合理，从基础的逻辑设计到更复杂的系统集成，层层递进，让我能够逐步建立起完整的FPGA设计思维。附带的CD-ROM更是极大的便利，里面包含了大量的例程和工具，我可以直接拿来修改和学习，大大缩短了学习周期。这本书让我认识到，FPGA设计并非高不可攀，而是可以通过系统性的学习和实践来掌握的。

评分☆☆☆☆☆

这本书真的给我打开了新世界的大门！作为一名电子工程专业的学生，我之前对FPGA的理解一直停留在理论层面，感觉它高深莫测。但拿到这本书后，我被它深入浅出的讲解方式深深吸引。作者并没有直接上来就讲复杂的概念，而是从最基础的数字逻辑原理出发，循序渐进地引导读者理解FPGA的工作机制。尤其让我印象深刻的是，书中通过大量的实际应用案例，将抽象的理论与具体的项目联系起来。比如，书中讲解如何使用FPGA实现一个简单的交通灯控制器，从模块划分、HDL语言编写到仿真验证，每一步都讲解得非常细致，让我能够清晰地看到整个设计流程。而且，书中的图示和代码示例都很清晰，配合附带的光盘，学习起来事半功倍。我之前总是觉得FPGA开发门槛很高，但这本书给了我极大的信心，让我觉得掌握FPGA不再是遥不可及的目标。它不仅教会了我“是什么”，更教会了我“怎么做”，这种实践性的指导对于工程应用来说至关重要。我迫不及待地想把我学到的知识应用到我的课程设计中去！

评分☆☆☆☆☆

在阅读这本书的过程中，我最直观的感受就是其内容的“接地气”。作为一本应用型的教材，它没有空泛的理论，而是紧密围绕着实际的工程需求来展开。我特别喜欢书中关于“IP核的使用与设计”这一部分，它让我明白了在实际项目中，如何高效地利用现有的IP核，以及如何根据需求自定义IP核。书中还讲解了如何将Verilog/VHDL语言编写的模块集成到更大的系统中，以及如何进行顶层设计和模块化开发，这对于构建复杂FPGA系统至关重要。另外，这本书在讲解嵌入式系统与FPGA结合的部分，也给了我很大的启发。通过学习书中关于ARM+FPGA协同设计的案例，我看到了FPGA在现代高性能计算和嵌入式系统中的巨大潜力。书中的图表清晰，代码示例规范，并且附带的光盘提供了丰富的资源，让我在学习过程中能够不断地进行实践和验证。总而言之，这是一本能够真正帮助读者提升FPGA设计能力的实用书籍，对于想要深入了解FPGA应用的工程师和学生来说，绝对是一本不可多得的好教材。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我之前对FPGA的印象就是“难搞”。网上搜集资料，要么过于理论化，要么代码晦涩难懂，让人望而却步。直到我翻开这本《数字电路的FPGA设计与实现（应用篇）》，我的看法彻底改变了。它就像一本“FPGA入门宝典”，但又不是那种浅尝辄止的介绍。作者在讲解每一个知识点时，都力求做到详尽透彻，并且非常注重逻辑的严谨性。我特别欣赏书中对于不同设计方法的对比分析，比如组合逻辑和时序逻辑的设计思想，以及它们在FPGA实现中的具体体现。书中提供的很多代码片段，虽然精炼，但都蕴含着深刻的设计哲学。我反复研读了关于状态机设计的章节，书中通过几个经典案例，比如交通信号灯、流水灯的控制，让我对如何有效地设计和实现状态机有了全新的认识。更重要的是，这本书的语言风格非常亲切，没有那种高高在上的学术腔调，读起来感觉像是和一位经验丰富的工程师在交流。附带的光盘也提供了很多实验平台和验证工具，让我能够亲手去实现和验证书中的例子，这种“学以致用”的感觉非常棒。