基于FPGA的数字电路实验指导书 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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冯建文 著

图书标签:

• FPGA
• 数字电路
• 实验指导
• VHDL
• Verilog
• 数字逻辑
• 可编程逻辑器件
• 电子设计
• 实践教学
• 高等教育

出版社： 西安电子科技大学出版社

ISBN：9787560640358

版次：1

商品编码：12244775

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-11-01

用纸：胶版纸

内容简介

　　本书从数字电路与FPGA的基本概念出发，系统地介绍了数字电路实验课程所必需的FPGA开发的基础知识和开发流程，并设计了26个课程实验项目。
　　全书共分7章，第1章介绍了数字电路、FPGA与HDL的基本概念；第2～4章分别介绍了Verilog语言基础、Nexys3FPGA实验板结构和FPGA开发工具软件ISE；第5～7章设计了15个基础实验、6个扩展实验和5个综合实验项目。
　　本书所列实验项目设计由浅入深、循序渐进，注重培养学生的综合设计和灵活应用能力。每个实验包含了实验目的、实验内容与原理、实验要求、实验步骤和思考与探索5个部分，内容详尽，要求明确，指导适度，适合作为本科院校学生的课程实验及课后自学用书，也适合XilinxFPGA开发的初学者使用。

目录

第1章 数字电路、FPGA与HDL............. 1
第2章 Verilog HDL基础.............................. 8
第3章 实验系统............................................. 53
第4章 系统开发平台................................... 66
第5章 基础实验项目................................... 92
第6章 扩展实验项目................................. 120
第7章 综合实验项目................................. 147
附录A Nexys4-DDR实验板卡............... 159
A.1 Nexys4-DDR实验板卡概况.................. 159
A.2 Nexys4-DDR部件.................................. 160
A.2.1 电源供电.......................................... 160
A.2.2 FPGA配置...................................... 161
A.2.3 基本I/O设备.................................. 161
A.2.4 USB-UART接口............................. 162
A.2.5 Pmod连接器................................... 162
A.2.6 VGA接口........................................ 163
A.2.7 振荡器/时钟..................................... 164
A.2.8 以太网接口...................................... 164
A.2.9 温度传感器...................................... 164
附录B 实验报告模板.................................. 165
参考文献............................................................. 168

《FPGA硬件设计实战》 概述 本书是一本面向初学者和进阶者的FPGA（Field-Programmable Gate Array）硬件设计实战指南。它旨在帮助读者掌握FPGA的设计流程、核心概念以及实际应用技巧，从而能够独立完成复杂数字系统的设计和实现。不同于纯理论的教程，本书更侧重于通过大量的实例和实验，让读者在动手实践中理解FPGA的强大功能和设计方法。我们将从FPGA的基本原理出发，逐步深入到高级设计技术，涵盖从硬件描述语言（HDL）的掌握，到仿真验证，再到最终的硬件部署和调试。本书适合电子工程、计算机科学、自动化等相关专业的学生、嵌入式系统开发工程师以及对FPGA设计感兴趣的硬件工程师。 内容特色 循序渐进的教学体系： 本书内容设计遵循由浅入深的学习路径。首先，我们会介绍FPGA的基本架构、发展历史以及与ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）的区别，让读者建立宏观认识。接着，我们将详细讲解两种主流的硬件描述语言——Verilog和VHDL，并针对初学者易混淆的概念进行重点剖析，提供丰富的语法示例和编程技巧。 丰富的实例驱动学习： 理论结合实践是本书的核心理念。书中包含大量精心设计的实际项目案例，涵盖了从简单的组合逻辑电路、时序逻辑电路，到复杂的状态机、计数器、移位寄存器，再到更高级的通信接口（如UART、SPI）、数据处理模块（如FIR滤波器、FFT）等。每一个实例都提供完整的HDL代码、详细的设计思路、仿真波形分析以及在FPGA开发板上的实现步骤。 全面的FPGA设计流程讲解： 本书系统性地阐述了FPGA从概念到实现的完整设计流程，包括： 需求分析与系统规划： 如何将功能需求转化为硬件设计规格。 HDL代码编写： 遵循良好的编码规范，编写高效、可读性强的HDL代码。 功能仿真（Functional Simulation）： 利用仿真工具验证设计的逻辑功能是否正确。 综合（Synthesis）： 将HDL代码转换为门级网表。 布局布线（Place & Route）： 将门级网表映射到FPGA的物理资源上。 时序约束与分析（Timing Constraints & Analysis）： 确保设计在目标时钟频率下稳定运行。 静态时序分析（Static Timing Analysis, STA）： 自动检查设计是否存在时序违例。 下载与硬件调试： 将比特流文件下载到FPGA开发板，并利用逻辑分析仪等工具进行实际调试。 深入理解FPGA内部原理： 除了表面的HDL编程，本书还探讨了FPGA内部的逻辑单元（LUTs, Flip-Flops）、时钟管理（PLLs, DCMs）、DSP Slice、Block RAM等关键硬件资源的结构和工作原理。理解这些底层原理有助于读者写出更高效、更优化的设计。 实用的设计技巧与最佳实践： 本书分享了许多在实际FPGA设计中总结出的经验和技巧，例如： 代码优化策略： 如何通过修改HDL代码来提高设计性能、降低资源占用。 可复用IP核（Intellectual Property Core）的使用： 如何利用预设计的IP核加速开发进程。 低功耗设计技巧： 在硬件层面减少FPGA的功耗。 抗干扰与信号完整性： 针对实际硬件环境的考量。 调试策略与工具： 掌握常用的调试方法和工具（如ILA - Integrated Logic Analyzer）。 主流FPGA工具链的引导： 虽然本书不侧重于某一特定的FPGA厂商，但我们会介绍如何使用业界主流的FPGA开发套件（如Xilinx Vivado、Intel Quartus Prime）进行设计、仿真和综合。读者可以根据自己的开发板和工具链，参照书中的通用方法进行操作。 针对不同应用场景的案例分析： 本书将覆盖多种典型的FPGA应用场景，包括但不限于： 数字信号处理（DSP）： 如滤波器设计、FFT等。 通信系统： 如UART、SPI、I2C等接口设计。 嵌入式系统加速： 将CPU无法高效完成的任务卸载到FPGA。 视频图像处理： 如简单的图像滤波、色彩空间转换等。 控制系统： 如电机控制、伺服控制等。 章节概览 第一部分：FPGA基础与HDL入门 第一章：FPGA概述与发展 FPGA是什么？ASIC与FPGA的比较。 FPGA的内部结构（CLBs, DSP Slices, BRAMs, IOs）。 FPGA开发流程概览。 主流FPGA厂商介绍。 第二章：Verilog HDL基础 Verilog基本语法（模块、端口、数据类型、运算符）。 行为级建模：assign语句、always块、敏感信号列表。 过程赋值：阻塞与非阻塞赋值。 时序控制：时钟、复位。 组合逻辑与时序逻辑的Verilog实现。 Verilog代码风格与规范。 第三章：VHDL基础（可选/侧重Verilog，但提供VHDL对照） VHDL基本语法（实体、架构、端口、数据类型、运算符）。 进程（process）、信号与变量。 顺序语句与并发语句。 VHDL代码风格与规范。 第四章：FPGA设计流程与EDA工具 EDA工具介绍（以Vivado/Quartus为例）。 项目创建与工程设置。 HDL代码编写与综合。 仿真与波形分析。 下载与上板调试。 第二部分：FPGA核心模块设计 第五章：组合逻辑电路设计 编码器、译码器、多路选择器、加法器、减法器。 ALU（算术逻辑单元）设计。 组合逻辑的HDL实现与仿真。 第六章：时序逻辑电路设计 触发器（D触发器、JK触发器、SR触发器）。 寄存器、移位寄存器。 计数器（同步/异步、加法/减法、模N计数器）。 时序逻辑的HDL实现与仿真。 第七章：状态机（Finite State Machine, FSM）设计 有限状态机的基本概念（状态、转移、输出）。 Mealy型和Moore型状态机。 状态机的HDL建模方法（独热码、二进制编码）。 状态机设计案例：交通灯控制器。 第八章：存储器设计与应用 RAM（Random Access Memory）原理与FPGA实现。 ROM（Read-Only Memory）原理与FPGA实现。 Block RAM（BRAM）的使用。 存储器的HDL设计与仿真。 第三部分：FPGA进阶设计与应用 第九章：数字信号处理（DSP）基础 DSP在FPGA中的应用。 滤波器（FIR, IIR）基本原理。 FPGA实现FIR滤波器。 FFT（快速傅里叶变换）基本原理。 FPGA实现FFT（简化版）。 第十章：通信接口设计 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）协议与实现。 SPI（Serial Peripheral Interface）协议与实现。 I2C（Inter-Integrated Circuit）协议与实现。 接口协议的HDL设计与仿真。 第十一章：计数与定时 高精度定时器设计。 事件触发与脉冲生成。 频率测量与生成。 第十二章：PLL与时钟管理 PLL（Phase-Locked Loop）/MMCM（Mixed-Mode Clock Manager）原理。 时钟分频、倍频、移相。 多时钟域设计中的挑战与解决方案。 第十三章：FPGA系统集成与验证 IP核（IP Core）的使用与设计。 片上调试（On-Chip Debugging）：ILA的使用。 时序约束与静态时序分析（STA）。 功耗分析与优化。 第十四章：FPGA应用实例 一个中等规模的系统级设计实例（例如，一个简单的数据采集与处理系统，或一个基础的通信模块）。 实例的详细设计、编码、仿真、综合、实现与调试。 附录 附录A：常用的Verilog/VHDL语法速查表。 附录B：FPGA开发板推荐与入门指导。 附录C：参考资料与进一步学习资源。 学习本书，您将能够： 熟练掌握Verilog/VHDL硬件描述语言，并能将其应用于复杂数字电路的设计。 理解FPGA的工作原理和内部结构，能够根据设计需求选择合适的FPGA器件。 掌握FPGA完整的开发流程，从需求分析到硬件实现。 独立完成中小型数字系统的FPGA设计，并具备进行调试和优化的能力。 为进一步深入研究FPGA的高级应用（如SoC设计、嵌入式系统开发）打下坚实的基础。 本书承诺以清晰的语言、详实的步骤和大量的实践操作，让每一位读者都能在FPGA的世界里，从零开始，逐步成长为一名合格的硬件设计工程师。

评分☆☆☆☆☆

深入研究《基于FPGA的数字电路实验指导书》的后期内容，我被作者在综合设计和性能优化方面的深度和广度深深吸引。书的最后一部分实验，已经不再是简单的模块搭建，而是涉及到复杂系统的集成和性能的极致追求。例如，我最近在学习关于高级DSP算法在FPGA上的实现，作者通过讲解一个例如FFT（快速傅里叶变换）的复杂算法，从算法的原理、到如何在FPGA上进行高效的流水线实现，再到如何利用IP核进行加速，每一个环节都讲解得非常透彻。让我感到震撼的是，作者在讲解过程中，不仅给出了不同实现策略的性能对比，还详细分析了各个策略的优缺点，并给出了如何根据具体应用场景进行选择的建议。这充分展现了作者在FPGA设计领域的丰富经验和深厚造诣。此外，书中还对FPGA的设计流程进行了更全面的阐述，包括综合、布局布线、时序分析、功耗分析等关键环节，并详细介绍了如何利用FPGA开发工具中的高级功能来优化设计。让我受益匪浅的是，作者在讲解时，还会提及一些在实际项目开发中经常会遇到的问题，例如如何处理时钟域交叉的亚稳态，如何进行有效的低功耗设计，以及如何应对FPGA的物理布局对性能的影响等。这些实践性的指导，对于我未来独立进行FPGA项目开发非常有价值。总而言之，这本书后期内容的专业性和前瞻性，让我对FPGA的应用有了更深刻的认识，也激发了我进一步深入研究的决心。

评分☆☆☆☆☆

我最近刚开始深入研读《基于FPGA的数字电路实验指导书》中的一部分内容，不得不说，其在实验设计的独特性和深度上给我留下了深刻的印象。作者并没有仅仅停留在教科书式的基本逻辑门电路演示，而是开始触及一些更具挑战性和实际应用价值的模块。例如，书中关于状态机设计的章节，我之前在理论学习中一直感到难以完全掌握其精髓，但在这本指导书中，作者通过几个精心设计的、逐步复杂的例子，比如一个简单的交通灯控制器和一个电梯控制器的状态机实现，让我豁然开朗。作者不仅给出了状态机的Verilog代码，还详细阐述了状态转移图的绘制、状态编码的原则，以及如何进行仿真验证。更重要的是，在实验讲解中，作者引入了对时序分析和时钟域交叉问题的初步探讨，这对于我理解FPGA设计的健壮性至关重要。我特别喜欢作者在讲解过程中，会不时地提及一些在实际项目开发中可能会遇到的陷阱和优化方法，例如如何避免亚稳态，如何进行有效的时序约束等。这些“过来人”的经验分享，对于初学者来说是无价之宝，能够帮助我们少走很多弯路。此外，书中关于通信接口模块的实验设计，如UART的实现，也展示了作者在项目集成方面的考虑，让我看到了将FPGA应用于实际通信系统的可能性。总的来说，这部分实验内容展现了作者在FPGA设计方面的深厚功底和教学智慧。

评分☆☆☆☆☆

这本《基于FPGA的数字电路实验指导书》的问世，无疑为我这样渴望在FPGA领域深入实践的读者带来了一份宝贵的财富。我一直对数字电路和FPGA充满浓厚的兴趣，但苦于缺乏系统性的实验指导，很多理论知识始终停留在纸面上，难以转化为实际的操作。这本指导书的出现，恰恰填补了这一空白。从我接触到的第一部分内容来看，作者在实验的循序渐进性上做得非常出色。开篇就从最基础的FPGA开发环境搭建和Verilog HDL语言入门讲起，条理清晰，图文并茂，即便是像我这样初次接触FPGA的读者，也能在指导下顺利完成初步的环境配置，避免了许多因环境问题导致的挫败感。接着，实验内容逐步深入，从简单的组合逻辑电路，如门电路、加法器，到时序逻辑电路，如寄存器、计数器，每一个实验都设计得非常贴合实际应用，并且给出了详细的实验步骤、预期结果和注意事项。我尤其欣赏的是，作者在讲解每个实验时，不仅提供了硬件实现的代码，还对代码的逻辑进行了详尽的解释，让我能真正理解“为什么”这样写，而不仅仅是“怎么”写。此外，书中还穿插了一些关于FPGA内部原理的简要介绍，例如触发器的工作原理、时钟同步设计等，这些都有助于加深我对数字电路基础的理解，并将理论与实践更紧密地结合起来。总而言之，这本指导书的开头部分，成功地激起了我进一步探索FPGA数字电路实验的兴趣，让我对后续的学习充满期待。

评分☆☆☆☆☆

深入阅读《基于FPGA的数字电路实验指导书》后，我发现作者在实验的系统性和工程性方面做得尤为突出。以往我接触的一些实验指导，往往零散地介绍一些小模块，但缺乏整体的规划和联系。而这本书，通过设计一系列相互关联、逐步深入的实验项目，构建了一个完整的学习路径。我最近在研究关于数据通路设计和控制器设计的实验，作者将两者巧妙地结合起来，通过一个图像处理的简单案例，比如边缘检测，来演示如何构建一个完整的数据处理系统。在数据通路部分，作者详细讲解了如何使用IP核来加速设计，例如FFT IP核或者DDS IP核的应用，这对于我快速实现高性能模块非常有启发。而在控制器部分，则进一步深化了状态机在复杂控制逻辑中的应用，并引入了流水线和并行处理的思想，让我开始理解如何提高FPGA的整体性能。让我印象深刻的是，作者在讲解这些高级概念时，并没有回避其背后的复杂性，而是通过清晰的图示和逐层剖析的方式，将复杂的逻辑化繁为简。同时，书中还涉及到了FPGA的功耗和时序约束的优化，这些都是在实际工程中不可忽视的因素。作者的讲解不仅停留在功能实现层面，更强调了设计效率、性能和可靠性。这种注重工程实践的导向，让我感觉这本书不仅仅是一本实验手册，更是一本引导读者走向FPGA工程师之路的入门指南。

评分☆☆☆☆☆

我最近翻阅了《基于FPGA的数字电路实验指导书》的几个实验章节，尤其对作者在项目实战和软硬件协同方面的处理方式感到赞叹。书中并没有仅仅局限于纯粹的硬件逻辑设计，而是开始引入与嵌入式系统结合的实验。我最近在学习关于FPGA与ARM处理器协同工作的实验，作者通过设计一个完整的嵌入式系统，演示了如何将FPGA作为加速器，与ARM硬核协同完成复杂的任务。这部分内容让我第一次直观地看到了FPGA在现代高性能计算和嵌入式领域的重要性。作者在讲解时，不仅提供了FPGA端的Verilog/VHDL代码，还涉及到ARM端的C语言程序开发，以及两者之间的数据交互和通信协议。这种软硬件一体化的讲解方式，对于我理解整体系统的构建非常有帮助。我尤其欣赏作者在讲解中断处理、DMA传输等关键技术时，给出的具体实现方案和代码示例，这让我能够动手实践，并深刻理解其工作原理。此外，书中还对FPGA在信号处理、通信系统中的典型应用案例进行了深入剖析，例如软件定义无线电（SDR）的基本原理和FPGA实现思路，这让我看到了FPGA的广阔应用前景。总的来说，这部分内容让我从一个单纯的数字电路爱好者，逐步走向一个能够构建完整嵌入式硬件加速系统的学习者，极大地拓展了我的视野。