基於FPGA的數字電路實驗指導書 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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馮建文 著

圖書標籤:

• FPGA
• 數字電路
• 實驗指導
• VHDL
• Verilog
• 數字邏輯
• 可編程邏輯器件
• 電子設計
• 實踐教學
• 高等教育

齣版社： 西安電子科技大學齣版社

ISBN：9787560640358

版次：1

商品編碼：12244775

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2017-11-01

用紙：膠版紙

內容簡介

　　本書從數字電路與FPGA的基本概念齣發，係統地介紹瞭數字電路實驗課程所必需的FPGA開發的基礎知識和開發流程，並設計瞭26個課程實驗項目。
　　全書共分7章，第1章介紹瞭數字電路、FPGA與HDL的基本概念；第2～4章分彆介紹瞭Verilog語言基礎、Nexys3FPGA實驗闆結構和FPGA開發工具軟件ISE；第5～7章設計瞭15個基礎實驗、6個擴展實驗和5個綜閤實驗項目。
　　本書所列實驗項目設計由淺入深、循序漸進，注重培養學生的綜閤設計和靈活應用能力。每個實驗包含瞭實驗目的、實驗內容與原理、實驗要求、實驗步驟和思考與探索5個部分，內容詳盡，要求明確，指導適度，適閤作為本科院校學生的課程實驗及課後自學用書，也適閤XilinxFPGA開發的初學者使用。

目錄

第1章 數字電路、FPGA與HDL............. 1
第2章 Verilog HDL基礎.............................. 8
第3章 實驗係統............................................. 53
第4章 係統開發平颱................................... 66
第5章 基礎實驗項目................................... 92
第6章 擴展實驗項目................................. 120
第7章 綜閤實驗項目................................. 147
附錄A Nexys4-DDR實驗闆卡............... 159
A.1 Nexys4-DDR實驗闆卡概況.................. 159
A.2 Nexys4-DDR部件.................................. 160
A.2.1 電源供電.......................................... 160
A.2.2 FPGA配置...................................... 161
A.2.3 基本I/O設備.................................. 161
A.2.4 USB-UART接口............................. 162
A.2.5 Pmod連接器................................... 162
A.2.6 VGA接口........................................ 163
A.2.7 振蕩器/時鍾..................................... 164
A.2.8 以太網接口...................................... 164
A.2.9 溫度傳感器...................................... 164
附錄B 實驗報告模闆.................................. 165
參考文獻............................................................. 168

《FPGA硬件設計實戰》 概述 本書是一本麵嚮初學者和進階者的FPGA（Field-Programmable Gate Array）硬件設計實戰指南。它旨在幫助讀者掌握FPGA的設計流程、核心概念以及實際應用技巧，從而能夠獨立完成復雜數字係統的設計和實現。不同於純理論的教程，本書更側重於通過大量的實例和實驗，讓讀者在動手實踐中理解FPGA的強大功能和設計方法。我們將從FPGA的基本原理齣發，逐步深入到高級設計技術，涵蓋從硬件描述語言（HDL）的掌握，到仿真驗證，再到最終的硬件部署和調試。本書適閤電子工程、計算機科學、自動化等相關專業的學生、嵌入式係統開發工程師以及對FPGA設計感興趣的硬件工程師。 內容特色 循序漸進的教學體係： 本書內容設計遵循由淺入深的學習路徑。首先，我們會介紹FPGA的基本架構、發展曆史以及與ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）的區彆，讓讀者建立宏觀認識。接著，我們將詳細講解兩種主流的硬件描述語言——Verilog和VHDL，並針對初學者易混淆的概念進行重點剖析，提供豐富的語法示例和編程技巧。 豐富的實例驅動學習： 理論結閤實踐是本書的核心理念。書中包含大量精心設計的實際項目案例，涵蓋瞭從簡單的組閤邏輯電路、時序邏輯電路，到復雜的狀態機、計數器、移位寄存器，再到更高級的通信接口（如UART、SPI）、數據處理模塊（如FIR濾波器、FFT）等。每一個實例都提供完整的HDL代碼、詳細的設計思路、仿真波形分析以及在FPGA開發闆上的實現步驟。 全麵的FPGA設計流程講解： 本書係統性地闡述瞭FPGA從概念到實現的完整設計流程，包括： 需求分析與係統規劃： 如何將功能需求轉化為硬件設計規格。 HDL代碼編寫： 遵循良好的編碼規範，編寫高效、可讀性強的HDL代碼。 功能仿真（Functional Simulation）： 利用仿真工具驗證設計的邏輯功能是否正確。 綜閤（Synthesis）： 將HDL代碼轉換為門級網錶。 布局布綫（Place & Route）： 將門級網錶映射到FPGA的物理資源上。 時序約束與分析（Timing Constraints & Analysis）： 確保設計在目標時鍾頻率下穩定運行。 靜態時序分析（Static Timing Analysis, STA）： 自動檢查設計是否存在時序違例。 下載與硬件調試： 將比特流文件下載到FPGA開發闆，並利用邏輯分析儀等工具進行實際調試。 深入理解FPGA內部原理： 除瞭錶麵的HDL編程，本書還探討瞭FPGA內部的邏輯單元（LUTs, Flip-Flops）、時鍾管理（PLLs, DCMs）、DSP Slice、Block RAM等關鍵硬件資源的結構和工作原理。理解這些底層原理有助於讀者寫齣更高效、更優化的設計。 實用的設計技巧與最佳實踐： 本書分享瞭許多在實際FPGA設計中總結齣的經驗和技巧，例如： 代碼優化策略： 如何通過修改HDL代碼來提高設計性能、降低資源占用。 可復用IP核（Intellectual Property Core）的使用： 如何利用預設計的IP核加速開發進程。 低功耗設計技巧： 在硬件層麵減少FPGA的功耗。 抗乾擾與信號完整性： 針對實際硬件環境的考量。 調試策略與工具： 掌握常用的調試方法和工具（如ILA - Integrated Logic Analyzer）。 主流FPGA工具鏈的引導： 雖然本書不側重於某一特定的FPGA廠商，但我們會介紹如何使用業界主流的FPGA開發套件（如Xilinx Vivado、Intel Quartus Prime）進行設計、仿真和綜閤。讀者可以根據自己的開發闆和工具鏈，參照書中的通用方法進行操作。 針對不同應用場景的案例分析： 本書將覆蓋多種典型的FPGA應用場景，包括但不限於： 數字信號處理（DSP）： 如濾波器設計、FFT等。 通信係統： 如UART、SPI、I2C等接口設計。 嵌入式係統加速： 將CPU無法高效完成的任務卸載到FPGA。 視頻圖像處理： 如簡單的圖像濾波、色彩空間轉換等。 控製係統： 如電機控製、伺服控製等。 章節概覽 第一部分：FPGA基礎與HDL入門 第一章：FPGA概述與發展 FPGA是什麼？ASIC與FPGA的比較。 FPGA的內部結構（CLBs, DSP Slices, BRAMs, IOs）。 FPGA開發流程概覽。 主流FPGA廠商介紹。 第二章：Verilog HDL基礎 Verilog基本語法（模塊、端口、數據類型、運算符）。 行為級建模：assign語句、always塊、敏感信號列錶。 過程賦值：阻塞與非阻塞賦值。 時序控製：時鍾、復位。 組閤邏輯與時序邏輯的Verilog實現。 Verilog代碼風格與規範。 第三章：VHDL基礎（可選/側重Verilog，但提供VHDL對照） VHDL基本語法（實體、架構、端口、數據類型、運算符）。 進程（process）、信號與變量。 順序語句與並發語句。 VHDL代碼風格與規範。 第四章：FPGA設計流程與EDA工具 EDA工具介紹（以Vivado/Quartus為例）。 項目創建與工程設置。 HDL代碼編寫與綜閤。 仿真與波形分析。 下載與上闆調試。 第二部分：FPGA核心模塊設計 第五章：組閤邏輯電路設計 編碼器、譯碼器、多路選擇器、加法器、減法器。 ALU（算術邏輯單元）設計。 組閤邏輯的HDL實現與仿真。 第六章：時序邏輯電路設計 觸發器（D觸發器、JK觸發器、SR觸發器）。 寄存器、移位寄存器。 計數器（同步/異步、加法/減法、模N計數器）。 時序邏輯的HDL實現與仿真。 第七章：狀態機（Finite State Machine, FSM）設計 有限狀態機的基本概念（狀態、轉移、輸齣）。 Mealy型和Moore型狀態機。 狀態機的HDL建模方法（獨熱碼、二進製編碼）。 狀態機設計案例：交通燈控製器。 第八章：存儲器設計與應用 RAM（Random Access Memory）原理與FPGA實現。 ROM（Read-Only Memory）原理與FPGA實現。 Block RAM（BRAM）的使用。 存儲器的HDL設計與仿真。 第三部分：FPGA進階設計與應用 第九章：數字信號處理（DSP）基礎 DSP在FPGA中的應用。 濾波器（FIR, IIR）基本原理。 FPGA實現FIR濾波器。 FFT（快速傅裏葉變換）基本原理。 FPGA實現FFT（簡化版）。 第十章：通信接口設計 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）協議與實現。 SPI（Serial Peripheral Interface）協議與實現。 I2C（Inter-Integrated Circuit）協議與實現。 接口協議的HDL設計與仿真。 第十一章：計數與定時 高精度定時器設計。 事件觸發與脈衝生成。 頻率測量與生成。 第十二章：PLL與時鍾管理 PLL（Phase-Locked Loop）/MMCM（Mixed-Mode Clock Manager）原理。 時鍾分頻、倍頻、移相。 多時鍾域設計中的挑戰與解決方案。 第十三章：FPGA係統集成與驗證 IP核（IP Core）的使用與設計。 片上調試（On-Chip Debugging）：ILA的使用。 時序約束與靜態時序分析（STA）。 功耗分析與優化。 第十四章：FPGA應用實例 一個中等規模的係統級設計實例（例如，一個簡單的數據采集與處理係統，或一個基礎的通信模塊）。 實例的詳細設計、編碼、仿真、綜閤、實現與調試。 附錄 附錄A：常用的Verilog/VHDL語法速查錶。 附錄B：FPGA開發闆推薦與入門指導。 附錄C：參考資料與進一步學習資源。 學習本書，您將能夠： 熟練掌握Verilog/VHDL硬件描述語言，並能將其應用於復雜數字電路的設計。 理解FPGA的工作原理和內部結構，能夠根據設計需求選擇閤適的FPGA器件。 掌握FPGA完整的開發流程，從需求分析到硬件實現。 獨立完成中小型數字係統的FPGA設計，並具備進行調試和優化的能力。 為進一步深入研究FPGA的高級應用（如SoC設計、嵌入式係統開發）打下堅實的基礎。 本書承諾以清晰的語言、詳實的步驟和大量的實踐操作，讓每一位讀者都能在FPGA的世界裏，從零開始，逐步成長為一名閤格的硬件設計工程師。

評分☆☆☆☆☆

我最近剛開始深入研讀《基於FPGA的數字電路實驗指導書》中的一部分內容，不得不說，其在實驗設計的獨特性和深度上給我留下瞭深刻的印象。作者並沒有僅僅停留在教科書式的基本邏輯門電路演示，而是開始觸及一些更具挑戰性和實際應用價值的模塊。例如，書中關於狀態機設計的章節，我之前在理論學習中一直感到難以完全掌握其精髓，但在這本指導書中，作者通過幾個精心設計的、逐步復雜的例子，比如一個簡單的交通燈控製器和一個電梯控製器的狀態機實現，讓我豁然開朗。作者不僅給齣瞭狀態機的Verilog代碼，還詳細闡述瞭狀態轉移圖的繪製、狀態編碼的原則，以及如何進行仿真驗證。更重要的是，在實驗講解中，作者引入瞭對時序分析和時鍾域交叉問題的初步探討，這對於我理解FPGA設計的健壯性至關重要。我特彆喜歡作者在講解過程中，會不時地提及一些在實際項目開發中可能會遇到的陷阱和優化方法，例如如何避免亞穩態，如何進行有效的時序約束等。這些“過來人”的經驗分享，對於初學者來說是無價之寶，能夠幫助我們少走很多彎路。此外，書中關於通信接口模塊的實驗設計，如UART的實現，也展示瞭作者在項目集成方麵的考慮，讓我看到瞭將FPGA應用於實際通信係統的可能性。總的來說，這部分實驗內容展現瞭作者在FPGA設計方麵的深厚功底和教學智慧。

評分☆☆☆☆☆

這本《基於FPGA的數字電路實驗指導書》的問世，無疑為我這樣渴望在FPGA領域深入實踐的讀者帶來瞭一份寶貴的財富。我一直對數字電路和FPGA充滿濃厚的興趣，但苦於缺乏係統性的實驗指導，很多理論知識始終停留在紙麵上，難以轉化為實際的操作。這本指導書的齣現，恰恰填補瞭這一空白。從我接觸到的第一部分內容來看，作者在實驗的循序漸進性上做得非常齣色。開篇就從最基礎的FPGA開發環境搭建和Verilog HDL語言入門講起，條理清晰，圖文並茂，即便是像我這樣初次接觸FPGA的讀者，也能在指導下順利完成初步的環境配置，避免瞭許多因環境問題導緻的挫敗感。接著，實驗內容逐步深入，從簡單的組閤邏輯電路，如門電路、加法器，到時序邏輯電路，如寄存器、計數器，每一個實驗都設計得非常貼閤實際應用，並且給齣瞭詳細的實驗步驟、預期結果和注意事項。我尤其欣賞的是，作者在講解每個實驗時，不僅提供瞭硬件實現的代碼，還對代碼的邏輯進行瞭詳盡的解釋，讓我能真正理解“為什麼”這樣寫，而不僅僅是“怎麼”寫。此外，書中還穿插瞭一些關於FPGA內部原理的簡要介紹，例如觸發器的工作原理、時鍾同步設計等，這些都有助於加深我對數字電路基礎的理解，並將理論與實踐更緊密地結閤起來。總而言之，這本指導書的開頭部分，成功地激起瞭我進一步探索FPGA數字電路實驗的興趣，讓我對後續的學習充滿期待。

評分☆☆☆☆☆

深入研究《基於FPGA的數字電路實驗指導書》的後期內容，我被作者在綜閤設計和性能優化方麵的深度和廣度深深吸引。書的最後一部分實驗，已經不再是簡單的模塊搭建，而是涉及到復雜係統的集成和性能的極緻追求。例如，我最近在學習關於高級DSP算法在FPGA上的實現，作者通過講解一個例如FFT（快速傅裏葉變換）的復雜算法，從算法的原理、到如何在FPGA上進行高效的流水綫實現，再到如何利用IP核進行加速，每一個環節都講解得非常透徹。讓我感到震撼的是，作者在講解過程中，不僅給齣瞭不同實現策略的性能對比，還詳細分析瞭各個策略的優缺點，並給齣瞭如何根據具體應用場景進行選擇的建議。這充分展現瞭作者在FPGA設計領域的豐富經驗和深厚造詣。此外，書中還對FPGA的設計流程進行瞭更全麵的闡述，包括綜閤、布局布綫、時序分析、功耗分析等關鍵環節，並詳細介紹瞭如何利用FPGA開發工具中的高級功能來優化設計。讓我受益匪淺的是，作者在講解時，還會提及一些在實際項目開發中經常會遇到的問題，例如如何處理時鍾域交叉的亞穩態，如何進行有效的低功耗設計，以及如何應對FPGA的物理布局對性能的影響等。這些實踐性的指導，對於我未來獨立進行FPGA項目開發非常有價值。總而言之，這本書後期內容的專業性和前瞻性，讓我對FPGA的應用有瞭更深刻的認識，也激發瞭我進一步深入研究的決心。

評分☆☆☆☆☆

深入閱讀《基於FPGA的數字電路實驗指導書》後，我發現作者在實驗的係統性和工程性方麵做得尤為突齣。以往我接觸的一些實驗指導，往往零散地介紹一些小模塊，但缺乏整體的規劃和聯係。而這本書，通過設計一係列相互關聯、逐步深入的實驗項目，構建瞭一個完整的學習路徑。我最近在研究關於數據通路設計和控製器設計的實驗，作者將兩者巧妙地結閤起來，通過一個圖像處理的簡單案例，比如邊緣檢測，來演示如何構建一個完整的數據處理係統。在數據通路部分，作者詳細講解瞭如何使用IP核來加速設計，例如FFT IP核或者DDS IP核的應用，這對於我快速實現高性能模塊非常有啓發。而在控製器部分，則進一步深化瞭狀態機在復雜控製邏輯中的應用，並引入瞭流水綫和並行處理的思想，讓我開始理解如何提高FPGA的整體性能。讓我印象深刻的是，作者在講解這些高級概念時，並沒有迴避其背後的復雜性，而是通過清晰的圖示和逐層剖析的方式，將復雜的邏輯化繁為簡。同時，書中還涉及到瞭FPGA的功耗和時序約束的優化，這些都是在實際工程中不可忽視的因素。作者的講解不僅停留在功能實現層麵，更強調瞭設計效率、性能和可靠性。這種注重工程實踐的導嚮，讓我感覺這本書不僅僅是一本實驗手冊，更是一本引導讀者走嚮FPGA工程師之路的入門指南。

評分☆☆☆☆☆

我最近翻閱瞭《基於FPGA的數字電路實驗指導書》的幾個實驗章節，尤其對作者在項目實戰和軟硬件協同方麵的處理方式感到贊嘆。書中並沒有僅僅局限於純粹的硬件邏輯設計，而是開始引入與嵌入式係統結閤的實驗。我最近在學習關於FPGA與ARM處理器協同工作的實驗，作者通過設計一個完整的嵌入式係統，演示瞭如何將FPGA作為加速器，與ARM硬核協同完成復雜的任務。這部分內容讓我第一次直觀地看到瞭FPGA在現代高性能計算和嵌入式領域的重要性。作者在講解時，不僅提供瞭FPGA端的Verilog/VHDL代碼，還涉及到ARM端的C語言程序開發，以及兩者之間的數據交互和通信協議。這種軟硬件一體化的講解方式，對於我理解整體係統的構建非常有幫助。我尤其欣賞作者在講解中斷處理、DMA傳輸等關鍵技術時，給齣的具體實現方案和代碼示例，這讓我能夠動手實踐，並深刻理解其工作原理。此外，書中還對FPGA在信號處理、通信係統中的典型應用案例進行瞭深入剖析，例如軟件定義無綫電（SDR）的基本原理和FPGA實現思路，這讓我看到瞭FPGA的廣闊應用前景。總的來說，這部分內容讓我從一個單純的數字電路愛好者，逐步走嚮一個能夠構建完整嵌入式硬件加速係統的學習者，極大地拓展瞭我的視野。