數字電路的FPGA設計與實現（應用篇）/普通高等教育“十二五”電子信息類規劃教材（附CD-ROM光盤1張） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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周鵬，黃鞦元，劉嵐 等 著

圖書標籤:

• 數字電路
• FPGA
• 設計
• 實現
• 電子信息
• 高等教育
• 教材
• 應用
• 硬件設計
• 可編程邏輯

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111429845

版次：1

商品編碼：11611750

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名： 普通高等教育“十二五”電子信息類規劃教材 ，

開本：16開

齣版時間：2015-01-01

用紙：膠版紙

頁數：138

字數：217000

正文語種：中文

附件：CD-ROM光盤##

內容簡介

　　FPGA是數字電路或係統設計的通用技術，利用FPGA芯片可以實現數字電路的各種功能。《數字電路的FPGA設計與實現（應用篇）/普通高等教育“十二五”電子信息類規劃教材》有針對性地介紹瞭數字電路應用係統的FPGA設計與實現過程，《數字電路的FPGA設計與實現（應用篇）/普通高等教育“十二五”電子信息類規劃教材》共5章，主要內容包括：基於FPGA的數字頻率計設計；頻率閤成技術及DDS設計；基於FPGA的信號發生器設計；基於FPGA的CORDIC數字計算機設計；數字電路應用係統設計。《數字電路的FPGA設計與實現（應用篇）/普通高等教育“十二五”電子信息類規劃教材》提供瞭較為豐富的FPGA的設計例程，讓學習者通過實驗和設計更加深入地瞭解數字電路的工作原理，並且逐步掌握FPGA的設計與應用技術。
　　《數字電路的FPGA設計與實現（應用篇）/普通高等教育“十二五”電子信息類規劃教材》中的所有例程均是在Xilinx的11.1版本仿真環境下進行的，本書所附的光盤為學習者提供瞭相應的程序和工程《數字電路的FPGA設計與實現（應用篇）/普通高等教育“十二五”電子信息類規劃教材》深入淺齣，實例豐富，取材新穎，圖文並茂，敘述詳盡清晰，可作為電子信息類本科生和碩士研究生學習FPGA應用技術的教材，也可供從事電子電路係統設計的工程技術人員學習參考。

內頁插圖

目錄

前言
第1章 基於FPGA的數字頻率計設計
1.1 頻率計的基本原理
1.2 數字頻率計的主要技術指標
1.3 頻率計設計方案概述
1.3.1 頻率的測量方法
1.3.2 直接測頻法的原理
1.4 基於FPGA的自動換量程頻率計設計
1.4.1 自動換量程原理
1.4.2 模塊設計
1.5 自動換量程頻率計的FPGA仿真
1.5.1 各模塊的仿真
1.5.2 總體仿真
1.6 思考題

第2章 頻率閤成技術及DDS設計
2.1 概述
2.1.1 頻率閤成技術分類
2.1.2 DDS技術特點
2.2 DDS工作原理
2.3 頻率閤成技術指標
2.4 DDS輸齣雜散噪聲分析
2.4.1 相位截斷引入的雜散
2.4.2 幅度量化引入的雜散
2.4.3 D�睞轉換引入的雜散及時鍾噪聲
2.5 DDS抑製雜散噪聲分析
2.5.1 抖動注入技術
2.5.2 ROM數據壓縮技術
2.5.3 PLL+DDS技術
2.6 基於FPGA的DDS設計
2.6.1 DDS係統結構框圖
2.6.2 模塊設計與仿真
2.7 本章小結
2.8 思考題

第3章 基於FPGA的信號發生器設計
3.1 概述
3.1.1 信號發生器的發展概況
3.1.2 信號發生器的種類
3.1.3 DDS工作原理
3.2 基於FPGA的信號發生器
3.2.1 總體結構設計
3.2.2 幾種實現方式
3.2.3 實現中的幾個關鍵問題
3.3 設計的實現與仿真
3.3.1 纍加器模塊
3.3.2 波形控製和數據存儲模塊
3.3.3 綜閤與ChipScope測試
3.4 本章小結
3.5 思考題

第4章 基於FPGA的CORDIC數字計算機設計
4.1 CORDIC理論算法
4.1.1 計算正弦值和餘弦值
4.1.2 極坐標到笛卡兒坐標的變換
4.1.3 笛卡兒坐標到極坐標的變換
4.1.4 反正弦和反餘弦函數
4.1.5 綫性函數
4.1.6 雙麯綫函數
4.2 CORDIC算法的FPGA實現
4.2.1 基於狀態機的迭代算法
4.2.2 基於流水綫結構的算法
4.2.3 總體方案設計
4.2.4 仿真結果與分析
4.3 8位RISC�睠PU
4.3.1 計算機體係結構
4.3.2 CPU的概念
4.3.3 RISC�睠PU基本架構
4.3.4 RISC�睠PU的功能及模塊劃分
4.3.5 RISC�睠PU指令集簡介
4.3.6 RISC�睠PU的狀態時序和控製信號
4.3.7 8位RISC�睠PU的設計實現流程
4.4 8位RISC�睠PU各模塊的設計與仿真
4.4.1 時鍾發生器
4.4.2 指令寄存器
4.4.3 纍加器
4.4.4 算術邏輯運算單元
4.4.5 數據控製器
4.4.6 地址多路器
4.4.7 程序計數器
4.4.8 狀態控製器
4.5 8位RISC�睠PU頂層CPU模塊的設計與仿真
4.5.1 設計思路
4.5.2 實現和仿真
4.5.3 CPU外圍模塊及測試
4.6 本章小結
4.7 思考題

第5章 實際應用係統設計
5.1 電子琴
5.1.1 電子琴的基本原理
5.1.2 電子琴的Verilog設計
5.1.3 電子琴的FPAG仿真
5.1.4 闆調
5.2 數字密碼鎖
5.2.1 設計方案
5.2.2 數字密碼鎖的硬件設計
5.2.3 數字密碼鎖的軟件設計
5.2.4 數字密碼鎖的仿真與實現
5.3 自動售貨機
5.3.1 自動售貨機係統的基本結構
5.3.2 自動售貨機係統的工作流程
5.3.3 主控係統的設計方案
5.3.4 自動售貨機係統FPGA的設計實現
5.4 樂麯演奏電路
5.4.1 樂麯演奏電路設計原理
5.4.2 樂麯演奏電路的FPGA實現
5.5 數字電壓錶
5.5.1 數字電壓錶的設計原理
5.5.2 數字電壓錶各模塊的仿真與實現
5.5.3 係統調試
5.6 籃球30s可控計時器設計
5.6.1 籃球30s可控計時器的設計原理
5.6.2 籃球30s可控計時器的FPGA實現
5.7 自動電梯控製電路
5.7.1 自動電梯的電路原理
5.7.2 自動控製電路的FPGA實現
5.8 思考題
參考文獻

前言/序言

《數字電路的FPGA設計與實現（應用篇）》 教材亮點： 本書作為“十二五”普通高等教育電子信息類規劃教材的配套應用篇，旨在為讀者提供一個將數字電路理論知識與FPGA實際應用相結閤的堅實平颱。本書聚焦於FPGA在現代電子係統設計中的實際應用，通過豐富的實例和詳實的步驟，引導讀者深入理解FPGA設計流程，掌握主流FPGA開發工具的使用，並能獨立完成復雜的數字係統設計項目。 內容概覽： 本書內容緊密圍繞FPGA設計與實現的“應用”核心，摒棄瞭冗餘的理論推導，而是將重點放在如何將數字邏輯思想轉化為可執行的硬件描述語言（HDL），並最終在FPGA器件上實現。全書結構清晰，由淺入深，層層遞進，力求讓讀者在實踐中學習，在解決實際問題中提升能力。 第一篇：FPGA基礎與設計流程迴顧 在深入應用之前，本書首先對FPGA設計的基礎知識和通用流程進行瞭簡要迴顧，旨在確保所有讀者都能快速進入狀態，無論其背景如何。 FPGA器件概覽： 簡要介紹FPGA的基本結構、邏輯單元（LUT、FF）、布綫資源以及常見的FPGA廠商（如Xilinx、Intel Altera）和係列産品。重點闡述FPGA相對於ASIC和CPLD的優勢，以及其在現代電子設計中的重要地位。 硬件描述語言（HDL）入門與進階： 迴顧Verilog HDL或VHDL的核心語法，包括數據類型、運算符、過程塊、結構化語句等。在此基礎上，強調HDL在描述硬件行為和結構方麵的特性，以及不同於傳統軟件編程的思維方式。針對本應用篇，將側重於如何使用HDL進行高效、可綜閤的代碼編寫。 FPGA開發工具鏈概述： 介紹主流FPGA開發工具（如Vivado、Quartus Prime）的基本界麵和主要功能模塊。涵蓋項目創建、源代碼管理、IP核集成、綜閤、布局布綫、時序分析、仿真和下載等關鍵步驟。重點講解如何根據設計需求，選擇閤適的工具選項，優化設計流程。 設計流程與約束管理： 詳細闡述FPGA設計的完整流程，從需求分析、係統設計、HDL編碼、仿真驗證、綜閤、實現（布局布綫）到時序約束、功耗分析、闆級調試等。特彆強調時序約束在FPGA設計中的關鍵作用，講解如何編寫和管理時序約束文件（XDC/SDC），確保設計滿足性能要求。 第二篇：核心數字模塊的FPGA實現 本篇是本書的重頭戲，通過大量實例，展示如何利用FPGA實現各種常用的數字邏輯模塊，並將理論與實踐緊密結閤。 組閤邏輯電路的FPGA實現： 譯碼器與編碼器： 講解如何用HDL實現二進製譯碼器、N:1多路選擇器、優先級編碼器等。通過具體設計和仿真，展示其邏輯功能。 加法器與減法器： 實現不同位寬的加法器（全加器、並行加法器、進位前驅加法器）和減法器。重點分析帶符號數加減運算的實現方式，以及對性能的影響。 比較器與奇偶校驗： 實現多位數值比較器，以及常用的奇偶校驗電路（如CRC）。 流水綫設計： 引入流水綫設計概念，講解如何對組閤邏輯進行流水綫優化，以提高時序性能。 時序邏輯電路的FPGA實現： 寄存器與移位寄存器： 實現不同功能的寄存器，如數據寄存器、通用移位寄存器（串入並齣、並入串齣、串入串齣、並入並齣）。 計數器： 設計各種類型的計數器，如同步/異步計數器、加/減計數器、置位/清零計數器、模N計數器。重點講解如何實現任意模N計數器。 有限狀態機（FSM）： 詳細講解Moore型和Mealy型有限狀態機的設計方法。包括狀態轉移圖、狀態錶的設計，以及HDL實現。通過具體實例，如交通燈控製器、串行通信接口控製器，展示FSM在狀態控製方麵的強大威力。 時鍾管理與時鍾域問題： 講解FPGA內部時鍾生成和分配，以及多時鍾域設計中可能遇到的亞穩態問題。介紹同步器（如雙D觸發器同步器）的設計方法，以及如何進行跨時鍾域信號傳輸。 存儲器的FPGA實現： RAM的FPGA實現： 講解FPGA內部RAM（BRAM）的結構和使用方法。如何利用HDL接口實現單端口RAM、雙端口RAM、僞雙端口RAM。重點分析RAM的讀寫時序和數據訪問方式。 ROM的FPGA實現： 講解如何利用HDL實現ROM，以及如何通過配置工具加載外部存儲數據。 FIFO（先進先齣）緩存器： 設計和實現不同深度和位寬的FIFO。重點講解空/滿標誌位的産生邏輯，以及同步/異步FIFO的設計要點。 第三篇：FPGA設計的高級應用與實例 本篇將帶領讀者進入更復雜的FPGA應用領域，通過實際項目的設計與實現，鞏固所學知識，並接觸到行業內常見的應用場景。 數字信號處理（DSP）基礎： 濾波器設計與實現： 介紹FIR濾波器和IIR濾波器的基本原理，並利用FPGA實現簡單的濾波器，如低通濾波器、高通濾波器。講解如何在HDL中實現乘法器、加法器等DSP核心運算單元。 FFT（快速傅裏葉變換）初步： 簡要介紹FFT的基本原理，以及其在信號分析中的應用。探討利用FPGA實現FFT的挑戰與方法。 通信接口設計： UART（通用異步收發器）設計： 設計和實現一個完整的UART控製器，包括發送器和接收器。講解波特率的生成、數據幀的格式、校驗位的處理等。 SPI（串行外設接口）設計： 實現SPI主/從機控製器，演示與其他SPI設備（如傳感器、存儲器）的通信。 I2C（集成電路互聯）設計： 實現I2C主/從機控製器，展示與I2C總綫設備的交互。 圖像與視頻處理初步： 圖像采集與顯示： 講解如何通過FPGA采集圖像數據，並將其顯示到顯示器上。涉及圖像格式、像素時序等。 簡單的圖像處理算法： 實現一些基礎的圖像處理算法，如灰度轉換、二值化、圖像翻轉等。 嵌入式係統集成： CPU軟核的集成與移植： 介紹FPGA上實現的CPU軟核（如MicroBlaze、Nios II）的基本架構和接口。講解如何將CPU軟核集成到FPGA設計中，並進行簡單的軟件開發與調試。 外設驅動開發： 演示如何為FPGA上的外設（如GPIO、UART）編寫簡單的驅動程序，以實現軟硬件協同工作。 時序優化與性能提升策略： 關鍵路徑分析與優化： 詳細講解如何識彆設計中的關鍵路徑，並運用各種技術（如流水綫、寄存器復製、邏輯優化）來縮短關鍵路徑，提高時鍾頻率。 功耗分析與降低： 介紹FPGA功耗的來源，以及通過代碼優化、時鍾門控、低功耗模式等技術降低功耗的方法。 麵積優化： 講解如何通過選擇閤適的IP核、優化HDL代碼、使用資源共享等技術來減小FPGA的資源占用。 第四篇：項目實踐與設計規範 本篇將引導讀者進行一個完整的FPGA項目設計，並強調良好的設計規範和文檔的重要性。 典型項目設計： 提供一個或多個完整的FPGA項目案例，例如： 簡易數據采集與處理係統： 集成傳感器接口、ADC驅動、基本信號處理算法，並通過UART輸齣結果。 LED點陣顯示控製器： 實現控製LED點陣顯示字符或圖案的功能。 簡單的數字濾波器實現平颱： 支持用戶配置濾波器參數，並進行仿真和闆級驗證。 視頻信號處理模塊： 實現簡單的圖像增強或濾波功能。 項目設計流程： 詳細演示從需求分析、架構設計、模塊劃分、HDL編碼、仿真驗證、綜閤實現到闆級調試的完整項目流程。 FPGA設計文檔規範： 強調編寫清晰、完整的技術文檔的重要性，包括設計需求文檔、係統設計說明、模塊設計說明、測試計劃、用戶手冊等。 代碼風格與可維護性： 介紹良好的HDL代碼風格，包括命名規範、注釋規範、模塊化設計等，以提高代碼的可讀性、可重用性和可維護性。 版本控製與協作： 介紹使用版本控製工具（如Git）進行代碼管理和團隊協作的重要性。 附帶光盤內容： 本書附帶的CD-ROM光盤包含豐富的配套資源，極大地增強瞭教材的應用性和實踐性。 開發環境安裝指南： 提供主流FPGA開發工具（如Vivado、Quartus Prime）的安裝教程和配置說明，幫助讀者快速搭建開發環境。 示例代碼與IP核： 光盤中包含書中所有示例設計的Verilog/VHDL源代碼，以及常用的IP核（如DDR控製器、PCIe接口、PLL/MMCM等），讀者可以直接調用或參考。 仿真模型與測試激勵： 提供詳細的仿真模型和測試激勵文件，方便讀者對設計進行功能仿真和時序仿真。 實驗指導手冊： 詳細的實驗指導手冊，包含每個實驗的硬件連接圖、軟件配置步驟、預期結果和調試技巧，引導讀者動手實踐。 參考資料與技術文檔： 收集整理瞭大量與FPGA設計相關的參考資料、應用筆記、數據手冊等，供讀者深入學習和查閱。 學習目標： 通過學習本書，讀者將能夠： 1. 熟練掌握FPGA的開發流程，從設計構思到最終實現。 2. 精通使用主流FPGA開發工具進行項目設計、仿真和下載。 3. 用硬件描述語言（HDL）高效地描述和實現復雜的數字邏輯功能。 4. 理解並掌握FPGA設計中的時序約束、性能優化和功耗控製技術。 5. 獨立完成各種經典的數字邏輯模塊和通信接口的設計。 6. 初步接觸數字信號處理、圖像處理等高級FPGA應用領域。 7. 具備FPGA項目設計、文檔編寫和團隊協作的基本能力。 本書旨在培養具備紮實FPGA設計能力和工程實踐經驗的電子信息類人纔，為讀者在數字電路設計、嵌入式係統開發、集成電路設計等領域打下堅實基礎。

評分☆☆☆☆☆

這本書的齣現，簡直是我在FPGA學習道路上的一道曙光！作為一名已經接觸過一些數字電路基礎但對FPGA應用知之甚少的學習者，我一直在尋找一本能夠橋接理論與實踐的教材。這本書恰好滿足瞭我的需求。它的“應用篇”名副其實，從書名就能感受到其強烈的實踐導嚮。我尤其喜歡書中對每一個應用場景的剖析，不僅僅是展示最終結果，而是深入探討瞭設計過程中遇到的挑戰、權衡以及不同解決方案的優劣。例如，在講解圖像處理章節時，作者並沒有止步於理論介紹，而是展示瞭如何將FPGA應用於實時圖像濾波、邊緣檢測等具體任務，並給齣瞭相應的HDL代碼和時序分析。這讓我明白瞭FPGA在現代電子係統中的實際價值和強大能力。此外，書中對各種常用的FPGA開發工具鏈的介紹也相當到位，能夠幫助我們快速上手實際的項目開發。附帶的光盤更是錦上添花，提供瞭豐富的示例代碼和開發環境配置指南，極大地節省瞭初學者摸索的時間。總而言之，這本書不僅是一本教材，更像是一位經驗豐富的導師，引領我們在FPGA應用的廣闊天地中探索前行。

評分☆☆☆☆☆

在閱讀這本書的過程中，我最直觀的感受就是其內容的“接地氣”。作為一本應用型的教材，它沒有空泛的理論，而是緊密圍繞著實際的工程需求來展開。我特彆喜歡書中關於“IP核的使用與設計”這一部分，它讓我明白瞭在實際項目中，如何高效地利用現有的IP核，以及如何根據需求自定義IP核。書中還講解瞭如何將Verilog/VHDL語言編寫的模塊集成到更大的係統中，以及如何進行頂層設計和模塊化開發，這對於構建復雜FPGA係統至關重要。另外，這本書在講解嵌入式係統與FPGA結閤的部分，也給瞭我很大的啓發。通過學習書中關於ARM+FPGA協同設計的案例，我看到瞭FPGA在現代高性能計算和嵌入式係統中的巨大潛力。書中的圖錶清晰，代碼示例規範，並且附帶的光盤提供瞭豐富的資源，讓我在學習過程中能夠不斷地進行實踐和驗證。總而言之，這是一本能夠真正幫助讀者提升FPGA設計能力的實用書籍，對於想要深入瞭解FPGA應用的工程師和學生來說，絕對是一本不可多得的好教材。

評分☆☆☆☆☆

我一直覺得，學習FPGA最關鍵的一點在於能夠將理論知識轉化為實際項目。而這本書，正是將這一點做到瞭極緻。作為一本“應用篇”，它並沒有迴避復雜的工程實現細節，而是直麵挑戰，並提供瞭清晰的解決方案。我尤其對書中關於“優化設計”的章節印象深刻。在實際的FPGA項目中，我們常常會遇到性能、功耗、麵積等方麵的權衡，這本書就詳細地講解瞭如何通過代碼結構優化、時序約束設置等手段，來達到更好的設計效果。書中舉的很多例子，比如如何優化一個乘法器模塊，如何處理高速接口的設計，都非常有參考價值。我感覺作者不僅僅是在傳授知識，更是在分享經驗。而且，這本書的章節安排也很閤理，從基礎的邏輯設計到更復雜的係統集成，層層遞進，讓我能夠逐步建立起完整的FPGA設計思維。附帶的CD-ROM更是極大的便利，裏麵包含瞭大量的例程和工具，我可以直接拿來修改和學習，大大縮短瞭學習周期。這本書讓我認識到，FPGA設計並非高不可攀，而是可以通過係統性的學習和實踐來掌握的。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我之前對FPGA的印象就是“難搞”。網上搜集資料，要麼過於理論化，要麼代碼晦澀難懂，讓人望而卻步。直到我翻開這本《數字電路的FPGA設計與實現（應用篇）》，我的看法徹底改變瞭。它就像一本“FPGA入門寶典”，但又不是那種淺嘗輒止的介紹。作者在講解每一個知識點時，都力求做到詳盡透徹，並且非常注重邏輯的嚴謹性。我特彆欣賞書中對於不同設計方法的對比分析，比如組閤邏輯和時序邏輯的設計思想，以及它們在FPGA實現中的具體體現。書中提供的很多代碼片段，雖然精煉，但都蘊含著深刻的設計哲學。我反復研讀瞭關於狀態機設計的章節，書中通過幾個經典案例，比如交通信號燈、流水燈的控製，讓我對如何有效地設計和實現狀態機有瞭全新的認識。更重要的是，這本書的語言風格非常親切，沒有那種高高在上的學術腔調，讀起來感覺像是和一位經驗豐富的工程師在交流。附帶的光盤也提供瞭很多實驗平颱和驗證工具，讓我能夠親手去實現和驗證書中的例子，這種“學以緻用”的感覺非常棒。

評分☆☆☆☆☆

這本書真的給我打開瞭新世界的大門！作為一名電子工程專業的學生，我之前對FPGA的理解一直停留在理論層麵，感覺它高深莫測。但拿到這本書後，我被它深入淺齣的講解方式深深吸引。作者並沒有直接上來就講復雜的概念，而是從最基礎的數字邏輯原理齣發，循序漸進地引導讀者理解FPGA的工作機製。尤其讓我印象深刻的是，書中通過大量的實際應用案例，將抽象的理論與具體的項目聯係起來。比如，書中講解如何使用FPGA實現一個簡單的交通燈控製器，從模塊劃分、HDL語言編寫到仿真驗證，每一步都講解得非常細緻，讓我能夠清晰地看到整個設計流程。而且，書中的圖示和代碼示例都很清晰，配閤附帶的光盤，學習起來事半功倍。我之前總是覺得FPGA開發門檻很高，但這本書給瞭我極大的信心，讓我覺得掌握FPGA不再是遙不可及的目標。它不僅教會瞭我“是什麼”，更教會瞭我“怎麼做”，這種實踐性的指導對於工程應用來說至關重要。我迫不及待地想把我學到的知識應用到我的課程設計中去！