BF:嵌入式高速串行總綫技術-基於FPGA實現與應用 張峰 電子工業齣版社 9787121 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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張峰 著

圖書標籤:

• FPGA
• 高速串行總綫
• 嵌入式係統
• 通信技術
• 電子工程
• 張峰
• 電子工業齣版社
• 9787121
• 技術
• 應用

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齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121302794

商品編碼：29355347794

包裝：平裝-膠訂

齣版時間：2016-11-01

基本信息

書名:嵌入式高速串行總綫技術-基於FPGA實現與應用

定價：68.00元

售價：54.4元

作者:張峰

齣版社：電子工業齣版社

齣版日期：2016-11-01

ISBN：9787121302794

字數：

版次：1

裝幀：平裝-膠訂

開本：16開

編輯推薦

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內容提要

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總綫，早始於計算機領域，是指匯集在一起的多種功能的綫路；後經深化並延伸，則是指計算機各模塊及計算機之間的一種通信係統，涉及硬件（器件、綫纜、電平）和軟件（通信協議），其應用被引入嵌入式領域後，用於嵌入式係統的芯片級、闆級、設備級的互連。本書主要涉及嵌入式係統中的高速串行總綫技術，傳輸速率在Gbps量級。本書首先按時間的先後順序梳理齣計算機和嵌入式係統中常用的總綫技術；然後介紹並基於FPGA實現瞭目前嵌入式係統中常用的高速串行總綫技術，如Serdes、JESD204、SRIO、PCIE、Aurora、SATA總綫，側重於終端技術實現；後論述嵌入式係統中的常用總綫架構，涉及CPCIE、VPX、FC、Infiniband總綫架構技術，側重於整機設計。

目錄

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目 錄
第1篇 計算機和嵌入式係統中常用總綫的發展曆程及趨勢
第1章 總綫的發展曆程及後續趨勢3
1.1 總綫的齣現及定義3
1.2 PC總綫的發展5
1.2.1 ISA總綫6
1.2.2 PCI/PCI-X總綫7
1.2.3 PCIE總綫9
1.2.4 ATA/SATA——麵嚮存儲的高速總綫10
1.3 嵌入式係統總綫的發展12
1.3.1 嵌入式係統的齣現12
1.3.2 PC104總綫——ISA總綫的嵌入式係統應用13
1.3.3 Compact PCI總綫——PCI總綫的嵌入式應用15
1.3.4 Compact PCIE架構及其在嵌入式的應用18
1.3.5 SRIO總綫——嵌入式係統的多處理器間互連19
1.3.6 JESD204總綫——麵嚮ADC、DAC的串行通信總綫結構21
1.3.7 FC標準——通道技術與網絡技術的結閤22
1.3.8 VPX架構——嵌入式串行總綫的集大成者23
1.4 總綫領域三次革命成因與效能分析25
1.5 高速串行總綫技術的優點及共同點分析28
1.6 高速串行總綫的後續發展方嚮29
1.6.1 速率繼續提升30
1.6.2 采用多階電平傳輸30
1.6.3 激光通信可行性及其小型化考慮31
1.6.4 延伸閱讀——激光通信代替微波通信32
1.7 參考文獻34
第2篇 嵌入式係統中常用的高速串行總綫及其FPGA實現
第2章 基於SERDES的高速數據傳輸技術39
2.1 SERDES技術簡介39
2.2 SERDES物理層——LVDS電平概述40
2.3 基於FPGA的SERDES傳輸技術概述42
2.3.1 FPGA對LVDS電平的支持42
2.3.2 FPGA內部的並/串轉換原語結構OSERDESE2/ISERDESE243
2.3.3 基於SERDES原語的傳輸速率分析44
2.4 基於FPGA實現SERDES原語的高速數據傳輸45
2.4.1 SERDES發送端設計——設置OSERDESE2相關參數45
2.4.2 SERDES接收端設計——配置ISERDESE2的相關參數54
2.4.3 實現SERDES通信功能59
2.5 延伸閱讀——FPGA時序優化以及自適應延時調整的SERDES傳輸技術61
2.5.1 時鍾位置優化——減少由時鍾位置造成的延時61
2.5.2 時序優化——OFFSET約束63
2.5.3 時序優化——MAXSKEW約束64
2.5.4 基於Idelay的延時調整技術64
2.5.5 基於Idelay的自適應動態延時調整技術66
2.6 小結67
2.7 延伸閱讀——後起之秀：Xilinx公司及其FPGA67
2.8 參考文獻69
第3章 基於JESD204協議的ADC、DAC數據傳輸71
3.1 JESD204協議概述71
3.2 JESD204協議分析74
3.2.1 JESD204物理層分析74
3.2.2 幀填充76
3.2.3 8B/10B編/解碼77
3.2.4 加/解擾碼（Scrambling/De-Scrambling）79
3.2.5 JESD204協議接收狀態機分析80
3.3 基於GTX實現JESD204協議82
3.3.1 可行性分析——物理層規範兼容83
3.3.2 物理層GTX結構分析83
3.3.3 基於GTX的JESD204協議功能模塊構建88
3.3.4 JESD204協議若乾技術點分析99
3.4 小結104
3.5 參考文獻104
第4章 基於SRIO總綫的高速通信結構105
4.1 SRIO總綫——麵嚮嵌入式係統互連105
4.1.1 嵌入式總綫與PC總綫應用分道揚鑣105
4.1.2 SRIO技術針對嵌入式係統互連107
4.1.3 SRIO VS PCIE VS Ether VS Others108
4.2 SRIO協議分析110
4.2.1 SRIO協議層次結構110
4.2.2 SRIO物理層規範111
4.2.3 數據包及操作類型113
4.2.4 鏈路同步115
4.2.5 鏈路編碼115
4.2.6 配置空間117
4.3 基於SRIO總綫的點對點通信功能實現117
4.3.1 創建SRIO工程118
4.3.2 SRIO工程結構分析126
4.3.3 SRIO點對點通信的關鍵技術分析及實現128
4.3.4 SRIO IP核點對點通信功能測試130
4.4 基於SRIO總綫的交換結構通信功能實現131
4.4.1 基於SRIO總綫的交換結構概述131
4.4.2 SRIO交換芯片80HCPS1616簡介131
4.4.3 SRIO交換芯片80HCPS1616配置133
4.4.4 80HCPS1616的I2C配置接口137
4.4.5 Maintenance幀配置SRIO交換芯片139
4.4.6 SRIO交換結構的通信性能測試142
4.5 小結144
4.6 延伸閱讀——串行總綫技術再提速，從信息不確定性說起145
4.7 參考文獻146
第5章 基於PCIE總綫的高速數據傳輸技術149
5.1 PCIE總綫概述149
5.2 PCIE協議分析151
5.2.1 PCIE 拓撲結構151
5.2.2 PCIE分層結構151
5.2.3 PCIE鏈路編碼與擾碼153
5.2.4 PCIE 地址空間與事務類型153
5.2.5 延伸閱讀——PCIE總綫鏈路同步154
5.3 基於PCIE協議的點對點通信功能實現157
5.3.1 FPGA內嵌PCIE硬核簡介157
5.3.2 建立PCIE點對點通信工程158
5.3.3 PCIE IP核源代碼分析171
5.3.4 PCIE節點接收流程分析173
5.3.5 PCIE節點發送流程分析174
5.3.6 基於PCIE協議的點對點通信功能測試175
5.4 小結176
5.5 延伸閱讀——再論馬太效應：從PCIE代替AGP總綫說起177
5.6 參考文獻178
第6章 基於Aurora協議的高速傳輸技術181
6.1 Aurora總綫概述181
6.2 Aurora總綫協議分析181
6.2.1 Aurora總綫通信模型181
6.2.2 Aurora物理層電氣特性182
6.2.3 Aurora數據幀結構184
6.2.4 Aurora鏈路同步185
6.3 基於Aurora總綫的通信功能實現188
6.3.1 建立Aurora總綫測試工程188
6.3.2 Aurora總綫協議文件及接口分析192
6.3.3 Aurora總綫幀模式與流模式194
6.3.4 Aurora總綫通信性能分析及測試196
6.4 小結198
6.5 延伸閱讀——Xilinx公司及其Aurora總綫198
6.6 參考文獻199
第7章 基於SATA總綫的高速數據存儲技術201
7.1 多種高速數據存儲方式涉及的總綫形式202
7.1.1 基於ATA總綫標準的數據存儲方式202
7.1.2 基於SCSI總綫標準的高速數據存儲方式203
7.1.3 基於SAS/SATA總綫標準的高速數據存儲方式205
7.1.4 延伸閱讀——基於Nand Flash陣列的高速數據存儲方式208
7.1.5 延伸閱讀——基於eMMC及陣列的高速數據存儲方式209
7.1.6 多種存儲實現方式的比較與分析210
7.2 SATA協議分析211
7.2.1 SATA的分層結構211
7.2.2 SATA啓動過程212
7.2.3 SATA數據幀與編碼213
7.3 SATA協議IP核的FPGA實現216
7.3.1 Virtex-5 FPGA GTX簡介216
7.3.2 SATA協議物理層實現218
7.3.3 SATA協議的OOB通信226
7.3.4 SATA協議的鏈路層及傳輸層關鍵技術分析228
7.3.5 SATA協議的應用層實現分析231
7.3.6 SATA 協議IP核測試231
7.4 小結232
7.5 延伸閱讀——基於DNA的生物學存儲技術234
7.6 參考文獻236
第3篇 整機設計的嵌入式係統高速數據總綫
第8章 CPCIE總綫架構239
8.1 CPCIE總綫簡介239
8.2 CPCIE係統中功能模塊分類241
8.3 CPCIE係統連接關係與信號定義242
8.3.1 連接器類型242
8.3.2 係統闆245
8.3.3 外設闆248
8.3.4 交換闆249
8.4 CPCIE係統整機設計要素251
8.4.1 功能模塊標識251
8.4.2 供電要求252
8.4.3 時鍾設計253
8.5 小結253
8.6 參考文獻254
第9章 VPX總綫架構255
9.1 VPX總綫的起源255
9.2 VPX協議族分析257
9.3 VPX協議的典型應用259
9.4 連接關係與信號定義260
9.5 整機設計要素265
9.5.1 模塊防插錯設計265
9.5.2 電源設計266
9.5.3 功能模塊與背闆信號映射關係267
9.6 VPX架構與CPCIE架構的異同270
9.7 小結270
9.8 參考文獻270
第10章 FC總綫技術的實現與應用273
10.1 FC技術簡介273
10.1.1 FC技術的齣現——從大數據、雲及SAN存儲說起273
10.1.2 FC技術的優點275
10.1.3 FC技術的發展路標276
10.1.4 FC在機載航電係統中的應用277
10.2 FC協議分析277
10.2.1 拓撲結構277
10.2.2 分層結構278
10.2.3 協議組成279
10.2.4 數據流程281
10.2.5 數據幀結構與編碼281
10.2.6 分類服務283
10.2.7 接口形式286
10.3 FC協議通信實現分析286
10.3.1 Xilinx公司IP核實現方案286
10.3.2 FC專用ASIC芯片實現方案288
10.4 小結289
10.5 參考文獻289
第11章 Infiniband總綫技術的實現與應用291
11.1 Infiniband總綫概述291
11.2 Infiniband協議分析293
11.2.1 分層結構293
11.2.2 消息傳輸方式294
11.2.3 鏈路編碼與數據幀結構295
11.3 Infiniband協議實現及應用296
11.4 小結297
11.5 參考文獻298
附錄A 簡寫索引299
附錄B 插圖目錄303
附錄C 錶格目錄309
附錄D 本書創作過程中的隨筆313
緻謝320

作者介紹

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張峰，男，博士，高級工程師，從事通信領域10多年，對高速總綫係統有深刻的理解，並且有豐富的科研和項目實踐經驗。

文摘

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序言

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《嵌入式係統設計與FPGA應用開發實戰》 內容簡介： 本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的嵌入式係統設計與FPGA（現場可編程門陣列）應用開發實戰指南。從基礎理論到高級應用，從軟件編程到硬件實現，本書循序漸進地引導讀者掌握嵌入式係統開發的各個關鍵環節，並充分發揮FPGA在高性能、定製化硬件加速方麵的獨特優勢。 第一部分：嵌入式係統基礎與微控製器入門 本部分將首先介紹嵌入式係統的基本概念、架構和工作原理。我們將探討嵌入式係統的定義、特點、典型應用領域，以及其與通用計算機係統的區彆。隨後，本書將重點介紹嵌入式係統的核心組成部分，包括微控製器（MCU）、存儲器、輸入/輸齣設備、傳感器等。 為使讀者能夠快速上手，我們選擇一款主流的嵌入式微控製器平颱（例如，基於ARM Cortex-M係列或RISC-V架構的微控製器）作為學習的載體。我們將詳細講解該微控製器的硬件架構，包括CPU核心、總綫結構、中斷控製器、定時器、ADC（模數轉換器）、DAC（數模轉換器）以及各種通信接口（如UART, SPI, I2C）。 在軟件方麵，本書將引導讀者掌握嵌入式C語言編程。我們將重點講解嵌入式C語言的特點、與標準C語言的差異，以及在內存管理、位操作、中斷處理等方麵的編程技巧。通過大量的實例，讀者將學會如何編寫高效、可靠的嵌入式程序，實現對微控製器的基本控製。 此外，我們還將介紹嵌入式操作係統（RTOS）的基本概念和應用。讀者將瞭解RTOS在多任務調度、資源管理、進程通信等方麵的重要作用，並學習如何使用一個簡化的RTOS（如FreeRTOS或RT-Thread）來構建更復雜的嵌入式應用，例如實時數據采集、控製係統等。 第二部分：FPGA原理、開發流程與Verilog/VHDL入門 本部分將深入介紹FPGA技術及其在嵌入式係統中的應用。我們將詳細講解FPGA的內部結構，包括查找錶（LUT）、觸發器、分布式RAM、DSP片斷等可編程邏輯單元，以及它們如何構成靈活的硬件平颱。讀者將理解FPGA與ASIC（專用集成電路）的區彆，以及FPGA在原型驗證、小批量生産和定製化硬件加速方麵的優勢。 本書將詳細介紹FPGA的完整開發流程，包括需求分析、邏輯設計、HDL（硬件描述語言）編寫、仿真驗證、綜閤、布局布綫、時序分析以及比特流生成。我們將重點講解兩種主流的HDL語言：Verilog和VHDL。 在Verilog方麵，我們將從最基礎的語法開始，逐步講解數據類型、運算符、模塊實例化、端口連接、過程塊（always, initial）、賦值語句（blocking, non-blocking）等。讀者將學習如何使用Verilog描述組閤邏輯和時序邏輯，例如加法器、寄存器、計數器、有限狀態機（FSM）等。 在VHDL方麵，我們將介紹其結構化、麵嚮對象的特點，包括實體（entity）、架構（architecture）、端口（port）、信號（signal）、變量（variable）等概念。讀者將學習如何使用VHDL實現與Verilog相對應的邏輯功能。 本書將強調仿真驗證的重要性，並介紹業界常用的仿真工具（如ModelSim, VCS）。讀者將學習如何編寫testbench來驅動設計模塊，觀察其行為，並發現設計中的錯誤。 第三部分：FPGA在嵌入式係統中的高級應用與集成 本部分將聚焦於如何將FPGA技術與嵌入式係統有機結閤，實現高性能和定製化的解決方案。我們將探討FPGA在嵌入式係統中扮演的關鍵角色，例如： 硬件加速器： 講解如何將計算密集型任務（如數字信號處理、圖像處理、加密解密、機器學習推理）從CPU offload到FPGA上，從而大幅提升係統性能和效率。我們將通過具體的例子，例如使用FPGA實現FFT（快速傅立葉變換）或圖像濾波算法。 定製化接口設計： 介紹如何利用FPGA實現各種復雜的、非標準化的通信接口，以滿足特定設備或協議的需求。這可能包括高速數據采集接口、專用傳感器接口、協議轉換器等。 片上係統（SoC）設計： 講解如何構建基於FPGA的片上係統，將CPU核（如ARM Cortex-A係列或Soft-core CPU）、外設控製器以及定製化的FPGA邏輯集成到同一個芯片上。我們將介紹Xilinx的Zynq係列或Intel的Arria/Stratix SoC係列等平颱。 軟核處理器與硬核處理器的結閤： 探討在FPGA上實現軟核處理器（如MicroBlaze, Nios II）的優勢與劣勢，以及如何與ARM硬核處理器協同工作。 本書將詳細介紹嵌入式FPGA開發中的關鍵技術和流程，包括： IP核（Intellectual Property Cores）的使用與設計： 介紹業界成熟的IP核，如PCIe控製器、DDR內存控製器、Ethernet MAC等，以及如何將其集成到FPGA設計中。同時，也將指導讀者如何根據需求設計自己的IP核。 AXI（Advanced eXtensible Interface）總綫協議： 深入講解AMBA AXI協議，這是ARM提齣的用於SoC內部互聯的標準總綫。我們將重點講解AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream等不同協議類型，以及如何在FPGA設計中使用AXI接口與軟核/硬核處理器進行高效通信。 嵌入式Linux與FPGA的交互： 講解如何在嵌入式Linux係統中驅動FPGA中的定製化硬件。我們將介紹Linux設備驅動程序（Device Driver）的設計思路，以及如何通過用戶空間應用程序與FPGA進行數據交互。 係統集成與調試： 強調在復雜的嵌入式FPGA係統中進行係統集成的重要性。讀者將學習如何進行跨硬件、跨軟件的聯閤調試，利用邏輯分析儀、示波器等工具來定位和解決問題。 第四部分：項目實戰與案例分析 為瞭鞏固讀者所學知識，本書將提供多個涵蓋不同領域的項目實戰。這些項目將引導讀者從零開始，完整地設計、實現和驗證一個嵌入式FPGA係統。項目示例可能包括： 高速數據采集與處理係統： 利用FPGA實現高速ADC接口，對傳感器數據進行實時采集、濾波和初步分析，並將處理結果通過SPI/UART發送給嵌入式處理器。 定製化通信協議接口： 設計一個FPGA模塊，實現某種特定的工業通信協議（如Modbus RTU），並將其集成到一個嵌入式係統中。 基於FPGA的圖像處理單元： 開發一個FPGA模塊，實現圖像的預處理功能，如灰度化、二值化、邊緣檢測，並將其作為加速器為嵌入式Linux係統提供服務。 簡單的嵌入式AI推理加速： 演示如何將一個預訓練好的輕量級神經網絡模型移植到FPGA上，實現簡單的AI推理功能，例如目標檢測或手勢識彆。 通過這些項目實戰，讀者將能夠： 理解完整的開發流程： 從需求定義到最終産品，掌握嵌入式FPGA項目的全生命周期管理。 熟練運用工具鏈： 熟悉主流的FPGA開發軟件（如Vivado, Quartus）和嵌入式開發環境。 掌握調試技巧： 學習如何有效地進行硬件和軟件的聯閤調試，解決復雜的係統集成問題。 培養工程實踐能力： 提升獨立解決復雜嵌入式FPGA設計問題的能力。 總結： 本書以實戰為導嚮，內容涵蓋瞭從嵌入式係統基礎到FPGA硬件設計、再到兩者深度集成的各個方麵。通過理論講解、代碼示例和豐富的項目實戰，讀者將能夠全麵掌握嵌入式係統設計與FPGA應用開發的各項技能，為開發高性能、高可靠性、高效率的嵌入式産品奠定堅實的基礎。本書適閤從事嵌入式係統開發、FPGA設計、物聯網應用、人工智能硬件加速等領域的工程師、研究人員以及相關專業的學生閱讀。

評分☆☆☆☆☆

我個人認為這本書的價值不僅僅在於教授“如何做”，更在於引導我們思考“為什麼這樣設計”。它在多個關鍵的性能瓶頸處，都留下瞭作者的“獨傢見解”，這些見解往往基於大量的實際調試經驗。比如，在處理跨時鍾域信號同步時，書中提到的特定握手協議和FIFO設計技巧，避免瞭許多常見的亞穩態問題，這在我的項目中是反復驗證過的有效方法。這本書沒有迴避工程實踐中的“灰色地帶”，而是坦誠地告訴讀者，在資源有限或時序緊張的情況下，哪些優化是首選，哪些妥協是必要的。它培養的不僅是工程師的技能，更是那種嚴謹細緻、追求極緻性能的工程素養。讀完後，我感覺自己對整個嵌入式硬件加速和高速數據通路的設計，有瞭一種更深層次的敬畏和掌控感。

評分☆☆☆☆☆

說實話，剛翻開這本書的時候，我還有點擔心內容會過於陳舊或者脫離當前的業界主流，畢竟技術更新速度太快瞭。但是，這本書的視野非常開闊，它在講解核心概念的同時，也適當地加入瞭對未來趨勢的展望。比如，它在討論串行接口的眼圖分析時，不僅僅停留在傳統的抖動測試上，還引入瞭更先進的去嵌流（De-emphasis）和均衡技術在FPGA中的實現細節。這讓我意識到，僅僅停留在“能跑起來”是不夠的，要達到“跑得好、跑得穩”，就必須深入到物理層麵的優化。這本書的深度和廣度完美結閤，讓即便是我們這些已經工作多年的技術人員，也能從中挖掘齣新的知識點和改進空間。它更像是一本可以長期放在手邊，時不時翻閱參考的“工具書”，而不是那種讀完一遍就束之高閣的快餐讀物。

評分☆☆☆☆☆

天呐，最近入手瞭一本關於嵌入式係統和高速串行總綫技術的書，簡直是打開瞭新世界的大門！我之前對FPGA的理解還停留在比較基礎的邏輯電路層麵，這本書深入淺齣地把高速串行通信的原理和FPGA實現結閤起來，講得非常透徹。特彆是關於信號完整性和阻抗匹配那幾個章節，作者的講解細緻入微，甚至連PCB設計中的一些“坑”都一一指瞭齣來，對於我們這些在實際項目裏摸爬滾打的工程師來說，簡直是救命稻草。我記得我以前在調試一個高速接口時，被時序問題摺磨瞭好幾個星期，如果早點看到這本書，可能早就迎刃而解瞭。它不僅僅是理論的堆砌，更充滿瞭實戰經驗的總結，那種踏實的感覺，是看那些純理論書籍給不瞭的。我尤其欣賞它在不同總綫協議（比如PCIe、SATA這些）上的對比分析，讓讀者能清晰地知道在不同應用場景下該如何取捨和設計。

評分☆☆☆☆☆

這本書的結構設計簡直是一絕，邏輯流暢得讓人佩服。它並沒有一開始就拋齣復雜的代碼和IP核，而是像一位耐心的老師傅，先帶你迴顧瞭數字信號處理的基礎，然後纔慢慢引入到FPGA的硬件描述語言層麵。我最喜歡它引入仿真和驗證的部分，作者強調瞭在硬件搭建之前，軟件層麵的充分驗證是多麼重要。那種“先搭骨架，再添血肉”的開發思路，一下子就把我帶入瞭正軌。我發現自己以前的開發流程中，很多驗證步驟都是缺失或者草草瞭事，導緻後期返工率很高。這本書裏詳細介紹瞭如何利用高級仿真工具來模擬真實的物理環境，對於提升設計魯棒性有著立竿見影的效果。讀完後，我感覺自己的設計思維方式都發生瞭一次質的飛躍，不再是零敲碎打地解決問題，而是從係統工程的角度去規劃整個高速鏈路。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和圖示質量也值得稱贊。在這個信息爆炸的時代，一本技術書籍的閱讀體驗往往會被差勁的插圖毀掉。但這本讓我感到非常舒適，無論是電路圖、時序圖還是FPGA內部的邏輯結構圖，都清晰銳利，標注明確。尤其是那些剖析高速信號傳輸路徑的示意圖，那些層層疊疊的損耗和反射，通過精美的圖示變得直觀易懂。這極大地減輕瞭閱讀理解的負擔，很多復雜的概念，如果隻靠文字描述，我可能需要花幾倍的時間去消化，但配閤圖示，瞬間就“腦補”齣來瞭。我特彆喜歡它對各個IP核內部架構的剖析，那種模塊化的展示方式，讓復雜的ASIC/FPGA設計變得有跡可循，極大地降低瞭對黑盒IP的依賴，真正培養瞭讀者的自主設計能力。