基于VHDL的FPGA数字系统应用实践 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈忠平 著

图书标签:

• FPGA
• VHDL
• 数字系统设计
• 可编程逻辑器件
• 硬件描述语言
• 实践应用
• 嵌入式系统
• 数字电路
• 电子工程
• 设计实例

店铺： 广影图书专营店

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121230059

商品编码：29729383907

包装：平装

出版时间：2014-05-01

基本信息

书名:基于VHDL的FPGA数字系统应用实践

定价：79.00元

售价：55.3元,便宜23.7元,折扣70

作者:陈忠平

出版社：电子工业出版社

出版日期：2014-05-01

ISBN：9787121230059

字数：774000

页码：473

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

本书以VHDL语言为蓝本，结合Quartus II软件，通过丰富的实例从实验、实践、实用的角度，详细叙述了FPGA在数字系统中的应用。

内容提要

本书以VHDL语言为蓝本，结合Quartus II软件，通过丰富的实例从实验、实践、实用的角度，详细叙述了FPGA在数字系统中的应用。本书共10章，主要内容包括FPGA硬件结构知识、VHDL语言编程基础、硬件开发工具Quartus II的使用、门电路设计与实现、常用组合逻辑电路的设计、常用时序逻辑电路与状态机的设计、FPGA的显示及键盘控制、FPGA在数字系统设计中的应用、FPGA在数字信号处理中的应用、宏功能模块与SOPC技术的应用。

目录

作者介绍

陈忠平，湖南工程职业技术学院讲师，具有丰富的单片机原理、EDA技术、电子技术等课程的教学经验，著有《基于Proteus的51系列单片机设计与仿真》、《基于项目驱动式的C51单片机程序设计与应用》、《基于Proteus的AVR单片机C语言程序设计与仿真》、《基于Proteus的PIC单片机C语言程序设计与仿真》和《基于Quartus II的FPGA/CPLD设计与应用》等。

文摘

序言

《数字系统设计与VHDL实践》 内容简介： 本书旨在为读者提供一个全面深入的数字系统设计学习框架，尤其侧重于现代数字电路设计中不可或缺的硬件描述语言VHDL的应用。本书并非单纯的VHDL语法手册，而是将VHDL作为一种强大的工具，贯穿于整个数字系统设计的流程之中，从概念的提出、逻辑的实现到最终的验证与部署，都力求做到细致入微。 第一部分：数字系统设计基础 在深入VHDL的应用之前，本书将首先夯实数字系统设计的基础理论。这一部分将从最基本的数字逻辑门电路入手，循序渐进地介绍组合逻辑和时序逻辑的原理。读者将学习如何运用卡诺图、奎因-麦克拉斯基算法等方法进行逻辑化简，理解触发器、寄存器、计数器、状态机的概念及其工作原理。此外，还将深入探讨数字系统的时序问题，包括时钟域、建立时间和保持时间的概念，以及如何处理时钟偏移和毛刺等常见问题。这部分内容的目的是让读者对数字系统的内在运作机制有一个清晰的认识，为后续VHDL的学习和应用打下坚实的基础。 第二部分：VHDL语言入门与核心概念 掌握VHDL语言是本书的核心内容之一。本部分将系统地介绍VHDL的语法结构、数据类型、运算符以及程序结构。从最简单的实体（entity）和架构（architecture）的定义开始，逐步讲解信号（signal）、变量（variable）和常量（constant）的区别与用法，以及进程（process）语句在描述时序和组合逻辑中的关键作用。 数据类型与表示： 详细介绍VHDL内置的数据类型，如`std_logic`、`std_logic_vector`、`integer`、`boolean`等，并探讨如何进行位向量的拼接、拆分和位操作。还会涉及自定义数据类型的使用，以增强代码的可读性和复用性。 并发语句与进程： 深入理解VHDL的并发执行模型，重点讲解`assign`语句（用于组合逻辑）、`process`语句（用于时序和组合逻辑）以及`if-then-else`、`case`、`loop`等结构在进程内的应用。 信号与变量： 明确区分信号和变量的赋值方式和行为差异，理解在不同场景下应选用何种数据对象。 组件实例化与层次化设计： 介绍如何将设计的模块化，通过组件的实例化来构建复杂的系统，培养读者进行层次化设计的思维能力。 第三部分：VHDL在组合逻辑设计中的应用 本部分将聚焦于利用VHDL实现各种典型的组合逻辑电路。读者将学习如何用VHDL描述加法器、减法器、多路选择器、译码器、编码器、比较器以及数据通路中的关键组件，如ALU（算术逻辑单元）。 算术逻辑单元（ALU）设计： 详细讲解如何使用VHDL实现一个功能完备的ALU，包括各种算术运算（加、减）和逻辑运算（AND, OR, XOR, NOT）的组合。 多路选择器与数据分配： 演示如何使用VHDL高效地实现多路选择器，以及如何进行数据流的灵活切换和分配。 顺序发生器与匹配电路： 介绍如何设计用于模式匹配或特定序列生成的组合逻辑。 第四部分：VHDL在时序逻辑设计中的应用 时序逻辑是数字系统设计的灵魂。本部分将深入探讨如何使用VHDL来描述和实现各种时序逻辑电路。 触发器与寄存器： 学习如何使用VHDL的`process`语句和敏感列表来准确描述D触发器、JK触发器、SR触发器等基本时序单元，并进一步实现并行加载寄存器、移位寄存器等。 计数器设计： 详细介绍同步计数器、异步计数器、可预置计数器、可清零计数器等的设计方法，包括二进制计数器、BCD计数器等。 状态机（FSM）设计： 这是本部分和整本书的重点之一。将系统性地讲解有限状态机的基本概念、不同类型（Mealy型和Moore型）的状态机及其VHDL实现方法。通过多个实际案例，如序列探测器、交通灯控制器、简单的协议解析器等，让读者掌握如何定义状态、状态转移和输出逻辑，以及如何进行状态机的化简和优化。 移位寄存器与并行处理： 探讨移位寄存器的不同应用，以及如何利用移位寄存器实现数据的串行/并行转换和简单的流水线处理。 第五部分：高级VHDL设计技术与实践 在掌握了VHDL的基础和核心应用后，本部分将进一步拓展读者的设计视野，介绍一些更高级的设计技巧和实践经验。 函数与过程： 学习如何定义和使用VHDL的函数（function）和过程（procedure），以提高代码的可重用性和模块化程度。 生成语句（Generate Statements）： 介绍`generate`语句在处理结构化重复实例化和条件实例化方面的强大功能，能够极大地简化复杂电路的描述。 属性（Attributes）与配置（Configuration）： 讲解如何利用VHDL的属性来描述设计约束、位宽等信息，以及如何使用配置（configuration）语句来选择特定的组件实现。 IP核的使用与接口设计： 介绍如何利用现有的IP核（如乘法器、DSP块、RAM、ROM等）来加速设计过程，并重点讲解如何进行IP核的实例化和接口的匹配。 综合与约束（Synthesis and Constraints）： 深入理解VHDL代码如何被综合工具转化为门级网表。学习如何编写时序约束文件（SDC/XDC），指导综合和布局布线工具满足性能要求，包括时钟频率、时序路径等。 仿真与验证： 强调仿真在数字系统设计中的重要性。介绍如何编写测试平台（testbench）来全面验证VHDL设计的正确性。讲解激励生成、波形分析、断言（assertion）的使用等验证方法。 第六部分：FPGA实现与实战项目 理论最终要回归实践。本部分将把VHDL设计与FPGA硬件平台紧密结合。 FPGA开发流程概述： 介绍从RTL代码编写、仿真、综合、实现（布局布线）到下载调试的完整FPGA开发流程。 常用FPGA开发工具介绍： 简要介绍主流的FPGA厂商（如Xilinx/AMD, Intel/Altera）提供的开发软件（如Vivado, Quartus Prime）及其基本功能。 实战项目案例： 本部分将包含若干贴近实际应用的FPGA项目案例。这些案例将覆盖不同层次的复杂度，例如： 简单I/O控制： 如LED闪烁、按键输入处理。 串口通信（UART）： 实现VHDL版的UART发送和接收模块，实现与PC或其他设备的通信。 SPI/I2C总线接口： 设计实现SPI或I2C主/从机接口，用于连接传感器或存储器。 简单的视频处理： 如VGA控制器，输出简单的图形或文字。 基于状态机的控制器： 如一个简单的自动售货机控制逻辑，或一个简单的游戏逻辑。 数据采集与处理： 结合ADC/DAC（若有）或模拟接口，实现简单的数据采集和初步处理。 这些实战项目将引导读者将前面学到的VHDL知识和设计理念付诸实践，亲身体验从代码到硬件的转换过程，并学习如何解决实际硬件实现中可能遇到的问题，如时序违例、资源冲突等。 本书特色： 理论与实践并重： 兼顾数字系统设计的基础理论和VHDL的实际应用，力求为读者构建完整的知识体系。 循序渐进： 从基础概念到高级技巧，由浅入深，适合不同水平的读者。 丰富的实例： 大量贴合实际的VHDL代码示例和FPGA实战项目，帮助读者快速掌握设计方法。 强调工程实践： 关注综合、约束、仿真、验证等工程环节，培养读者良好的工程习惯。 面向未来： 介绍现代数字设计流程和工具链，为读者进入专业领域打下坚实基础。 通过本书的学习，读者将不仅能够熟练掌握VHDL语言，更重要的是能够理解和运用现代数字系统设计的思维方式和工程方法，从而能够独立完成各种复杂的FPGA数字系统设计任务。

评分☆☆☆☆☆

对于那些希望在特定应用领域深入研究的读者来说，这本书所涵盖的案例广度令人印象深刻。它并没有局限于简单的计数器或移位寄存器，而是覆盖了如高速数据采集接口（如SPI或I2C的自定义实现）、数字滤波器（FIR/IIR的定点数实现）乃至基础的嵌入式系统加速器的初步构建。这些案例的选择，精准地瞄准了当前FPGA应用的前沿地带。特别是关于定点数运算在FPGA中如何高效实现的章节，提供了大量关于资源分配和精度权衡的实用建议，这对于资源受限的低成本FPGA项目尤其宝贵。我尤其欣赏作者在展示这些应用时，始终坚持“从头开始”的原则，不依赖于任何现成的IP核，这迫使我们必须深入理解底层逻辑，从而真正掌握“自己设计”的能力，而非仅仅是“调用”的能力。这种培养独立创新思维的导向，是任何单纯的工具手册所无法比拟的。

评分☆☆☆☆☆

从排版和可读性的角度来看，这部作品也展现出了极高的专业水准。许多技术书籍的通病是图文并茂的图表往往不够清晰，或者代码示例与文字描述脱节，但这本书在这方面做得非常出色。代码块的格式化清晰规范，关键的结构和信号定义被突出显示，使得即使是较长的VHDL程序也能快速定位核心逻辑。更重要的是，作者在解释复杂设计模块时，经常穿插有“设计思路透视”或“调试心路历程”之类的板块，这种非正式的叙述方式，极大地增强了阅读的代入感和趣味性，有效地缓解了阅读技术文档可能带来的疲劳感。例如，在介绍并行处理器的设计时，作者没有直接给出最终的复杂代码，而是先用流程图勾勒出宏观结构，再逐步向下分解到寄存器传输级（RTL），这种层层剥笋的讲解方式，让读者在不知不觉中就掌握了大型模块拆解的艺术。这种对读者体验的细致关注，体现了作者深厚的教学功底。

评分☆☆☆☆☆

这本书的另一大亮点在于其实用性，它成功地架起了一座连接理论知识与实际工程应用的桥梁。我尝试着依照书中的几个中级项目进行设计和验证，发现作者对于设计流程的把控极为严谨。从需求分析、架构划分、VHDL编码，到后期的综合、布局布线以及最终的时序约束（Timing Constraints）设置，每一步骤都提供了详尽的实战技巧和“避坑指南”。尤其值得称道的是，书中针对FPGA开发中常见的性能瓶颈问题，提出了多种优化策略，比如流水线（Pipelining）技术的应用实例，它不仅仅展示了如何实现，更深入剖析了在特定架构下，流水线深度对系统吞吐量和资源消耗的具体影响。这远超出了普通教程的范畴，更像是一本高级工程师的实战经验总结。我曾在一个项目中卡在跨时钟域信号同步的问题上，书中关于异步FIFO设计及其亚稳态处理的章节，几乎是立即解决了我的燃眉之急，这种即时的、可操作的知识点密度，使得这本书在我的工具箱里占据了不可替代的位置。

评分☆☆☆☆☆

这部著作着实为我们这些在数字逻辑领域摸索的工程师和学生提供了一份宝贵的参考指南。首先，它在理论基础的构建上做得非常扎实，绝非那种浮于表面的技术手册。作者似乎深谙“工欲善其事，必先利其器”的道理，开篇就对FPGA的基本架构、其与传统ASIC设计的本质区别进行了深入浅出的剖析。我特别欣赏作者在讲解硬件描述语言（HDL）的精髓时所采用的对比论证手法，使得那些晦涩难懂的时序逻辑和组合逻辑的概念，通过生动的实例变得清晰起来。比如，书中对状态机的描述，不仅仅停留在教科书式的图表展示，而是结合实际的控制流程，一步步引导读者思考如何将现实世界的需求转化为精确的硬件描述代码。对于初学者而言，这种循序渐进的教学方式，极大地降低了入门门槛，让人感觉仿佛有一位经验丰富的导师在身边细心指导，避免了在早期学习阶段就因概念混淆而产生挫败感。这种对底层原理的深度挖掘，为后续的复杂项目开发奠定了坚不可摧的基石，让读者明白，优秀的设计源于对硬件特性的深刻理解，而非简单的语法堆砌。

评分☆☆☆☆☆

总而言之，这部教材的价值远远超出了其作为一本技术指南的范畴，它更像是一部系统性的工程思维训练手册。阅读过程中，我体会到一种扎实的、自下而上的设计方法论正在被潜移默化地植入我的思维模式中。书中对错误处理和冗余设计的讨论，虽然篇幅不多，但恰恰体现了优秀工程师的职业素养——预见性与健壮性。作者在介绍高级设计时，巧妙地融入了仿真与验证（Simulation and Verification）的重要性，强调了测试平台（Testbench）构建的重要性，这在许多国内的教材中往往是被轻描淡写的环节。通过大量的代码示例和详尽的仿真波形分析，读者能够直观地看到设计错误是如何被捕获和修正的，从而建立起对“测试驱动开发”在硬件领域应用的深刻认识。这部作品的深度和广度兼具，无论是作为大学课程的指定教材，还是作为在职工程师的进阶参考，都无疑是极具前瞻性和实用价值的上乘之作。