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

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• FPGA
• VHDL
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• 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： 博学精华图书专营店

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121230059

商品编码：29729394152

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

：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

硬件描述语言与现代电子设计 在数字化浪潮席卷全球的今天，电子系统的设计与实现正经历着前所未有的变革。从微小的嵌入式设备到庞大的通信基站，再到尖端的科学仪器，一切都离不开高度集成和灵活可配置的数字电路。而实现这一切的核心，正是硬件描述语言（HDL）。HDL不仅仅是一种编程语言，它更是连接抽象设计理念与实际物理硬件的桥梁。通过HDL，工程师能够以一种结构化、模块化的方式来描述数字电路的功能和时序，从而大大提升了设计的效率和可靠性。 FPGA：实现数字系统设计的革命性平台 在众多数字集成电路的实现技术中，现场可编程门阵列（FPGA）以其独特的灵活性、高性能以及相对较低的开发门槛，成为了现代数字系统设计中最受欢迎的选择之一。FPGA的本质是一颗高度可配置的芯片，内部包含了大量的逻辑单元（LUTs）、触发器（Flip-flops）、可编程互连线以及一些专用的硬核模块（如DSP单元、RAM块等）。这些资源可以根据工程师设计的HDL代码，在芯片的“现场”（即用户手中）进行编程配置，从而实现特定的数字逻辑功能。 这意味着，开发者可以在不改变物理硬件的情况下，通过重新编程FPGA，实现不同的设计目标，甚至对已部署的系统进行功能升级或错误修复。这种“一次性设计，多次部署，灵活更新”的特性，极大地缩短了产品研发周期，降低了试错成本，使得FPGA在原型验证、中小批量产品生产、通信设备、工业控制、医疗器械、消费电子等众多领域得到了广泛应用。 VHDL：一种强大且成熟的硬件描述语言 在FPGA设计的领域，VHDL（VHSIC Hardware Description Language）作为一种功能强大、语法严谨、应用广泛的硬件描述语言，扮演着至关重要的角色。VHDL最初是由美国国防部为支持VHSIC（超大规模集成电路）计划而开发的，其设计目标是用于描述数字系统的行为、结构和性能。VHDL的语法借鉴了Ada语言，具有高度的表达能力，能够清晰地描述复杂的数字逻辑，包括组合逻辑、时序逻辑、状态机等。 VHDL的强大之处在于它能够支持不同层次的抽象。工程师既可以使用行为级描述来概括系统的整体功能，也可以使用寄存器传输级（RTL）描述来详细定义数据如何在寄存器之间流动和处理，甚至可以使用门级描述来精确控制电路的逻辑门结构。这种多层次的抽象能力，使得VHDL能够适应从概念验证到最终综合的整个设计流程。 更重要的是，VHDL的设计原则强调“并发性”和“不可运行性”。“并发性”指的是VHDL能够描述电路在同一时间发生的多个事件，这与传统软件编程的顺序执行模型有着本质的区别。而“不可运行性”则意味着VHDL代码本身不能直接执行，它是一种用于综合工具（Synthesis Tool）将设计转化为实际硬件逻辑的“蓝图”。这种特性确保了VHDL能够准确地映射到硬件电路，而非仅仅在计算机上运行模拟。 FPGA开发流程概览 基于VHDL的FPGA开发流程通常包含以下几个关键步骤： 1. 设计输入（Design Entry）： 使用VHDL语言编写电路的逻辑描述。这包括对系统功能进行模块化划分，定义端口、信号、进程、函数、过程等。 2. 功能仿真（Functional Simulation）： 在软件环境中对VHDL代码进行仿真，验证设计的逻辑功能是否符合预期，无需考虑实际硬件的约束。这一步是早期发现和修复设计错误的关键。 3. 综合（Synthesis）： 将高级的VHDL描述转化为门级网表。综合工具会根据目标FPGA器件的资源特性，将描述的逻辑映射到具体的逻辑单元和触发器，并优化电路的性能和面积。 4. 布局与布线（Place and Route）： 将综合生成的门级网表中的逻辑单元放置到FPGA芯片的物理位置上，并根据设计的连接关系，利用FPGA内部的可编程互连线完成信号的连接。这一步直接影响到电路的最终时序性能（例如时钟频率）。 5. 时序仿真（Timing Simulation）： 在完成布局布线后，利用从FPGA厂商提供的时序模型中提取的实际布线延迟信息，对设计进行时序仿真，以验证电路在实际运行速度下是否能够满足设计要求。 6. 生成比特流（Bitstream Generation）： 将最终验证通过的设计生成FPGA的配置比特流文件。 7. 下载与验证（Configuration and Verification）： 将生成的比特流文件下载到目标FPGA器件中，并在硬件上对系统进行实际功能和性能的验证。 VHDL在FPGA应用中的实践 在FPGA数字系统应用实践中，VHDL被广泛应用于构建各种复杂的数字模块。例如： 数字信号处理（DSP）： 实现滤波器、FFT（快速傅里叶变换）、模数/数模转换（ADC/DAC）接口等核心算法。 通信接口： 设计各种标准的通信协议接口，如UART、SPI、I2C、Ethernet、PCIe等，以实现设备之间的数据交换。 数据采集与控制： 构建高性能的数据采集系统，或者实现对外部设备的精确控制，如电机驱动、传感器读取等。 嵌入式系统： 开发嵌入式处理器的协处理器、外设控制器，或者构建完整的嵌入式系统硬核。 图像与视频处理： 实现图像的缩放、滤波、边缘检测，以及视频的编码、解码等功能。 定时与计数： 设计高精度定时器、计数器，用于精确的时间测量和事件同步。 状态机设计： 用于实现复杂的操作流程和控制逻辑，如协议解析、用户界面控制等。 学习VHDL与FPGA的价值 深入学习VHDL和FPGA的设计与应用，能够为个人和团队带来多方面的价值： 提升设计能力： 掌握VHDL能够让工程师以更加高效、系统的方式来设计和验证复杂的数字电路，从而提升整体的设计能力。 实现创新产品： FPGA的灵活性使得工程师能够快速将创新想法转化为实际的硬件原型，加速产品的迭代和上市。 理解底层原理： 通过VHDL学习，能够更深入地理解数字逻辑的运作机制，以及硬件电路的设计原则，为日后更复杂的系统设计打下坚实基础。 职业发展： 拥有扎实的FPGA和VHDL技能，在当今技术驱动的行业中，将是极具竞争力的专业能力，能够开启更广阔的职业发展道路。 应对未来挑战： 随着物联网、人工智能、5G等技术的飞速发展，对高性能、低功耗、定制化硬件的需求日益增长，FPGA和VHDL在其中扮演的角色将越来越重要。 掌握VHDL，并将其应用于FPGA的开发实践，是连接理论知识与实际工程应用的关键。它不仅是一种技术能力的体现，更是一种解决复杂数字系统设计问题的有效途径。通过不断地学习和实践，工程师可以利用VHDL和FPGA的力量，创造出更加智能、高效和强大的数字产品，引领技术创新的潮流。

评分☆☆☆☆☆

如果用一个词来概括这本书带给我的整体感受，那便是“可靠性”。在很多前沿技术的应用实践中，书籍往往会因为更新速度的滞后而显得力不从心。然而，这本在介绍新的FPGA架构特性和最新EDA工具链特性时，展现出了极强的时效性和前瞻性。书中对于并行处理架构的介绍，不仅涵盖了传统的流水线（Pipelining）技术，还详细阐释了如何利用FPGA特有的分布式RAM和查找表（LUT）资源来实现高效的并行计算加速器。特别是它对用户自定义指令集（Custom Instruction Set）在软核处理器加速中的应用探讨，让我看到了将VHDL设计能力与软件优化深度结合的巨大潜力。阅读这本书，我感觉自己不是在学习一本静态的教材，而是在跟随一位经验丰富的总设计师，系统性地构建一个可以面向未来挑战的数字系统设计方法论。它提供的工具和思想，是能在未来几年内持续指导我的实际工作的宝贵财富。

评分☆☆☆☆☆

从文字风格上来说，这本书的语言风格是一种罕见的、富有洞察力的“技术哲学”表达。它不像某些学术著作那样晦涩难懂，也不像某些快速入门指南那样过于简化。作者在描述复杂概念时，总能找到一种既精确又富有启发性的措辞。比如，在讨论资源分配和功耗优化时，作者引入了“数字实现的熵增”这样的比喻，形象地阐释了随着设计规模扩大，系统复杂度带来的不可预测性。这种深层次的思考，使得阅读过程不仅仅是知识的摄取，更像是一次思维的拓展。书中对于不同IP核（如DDR接口、Ethernet MAC）的接口规范讲解，处理得尤为细致，它不仅列出了信号列表，还深入剖析了这些规范背后的物理层和协议层考量，使得读者在调用这些模块时，能真正理解“为什么”要这样连接信号，而不是盲目地复制粘贴。这种对底层逻辑的深刻挖掘，是构建稳固工程知识体系的基石。

评分☆☆☆☆☆

这本书在处理“FPGA设计流程”这一整体框架上的把握，也令人印象深刻。很多书籍往往专注于VHDL代码本身，而忽略了整个EDA工具链的配合使用。然而，这本书在代码讲解的间隙，巧妙地穿插了关于综合（Synthesis）、布局布线（Place & Route）以及静态时序分析（STA）的实用技巧。特别是对约束文件（XDC/UCF）编写的讲解，简直是救星一般的存在。我过去常常在综合后遇到时序违例（Timing Violation），却不知如何从代码层面或约束层面进行优化。这本书清晰地解释了建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的物理意义，并针对性地给出了通过修改时钟定义、插入缓冲器或调整逻辑映射等多种解决方案。这种系统性的思维培养，让我明白，一个优秀的FPGA设计不仅是写出正确的代码，更是要让代码在特定的硬件资源上以最优化的方式运行。这种对“芯片级”实现的关注，是这本书超越一般教材水平的关键所在。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计得相当有质感，那种深沉的蓝色调配上清晰的字体，一下子就给人一种专业、严谨的感觉。初次翻开，我最直观的感受是它对基础概念的阐述非常到位。很多市面上同类的教材，在介绍信号处理、时序逻辑这些核心内容时，往往为了追求内容的广度而牺牲了深度，导致初学者读起来像在“走马观花”。但这本则不同，它花了大量的篇幅来细致地剖析VHDL语言的语法结构和设计范式，特别是对并发语句和过程块的区分讲解，简直是教科书级别的清晰。作者似乎深知读者的痛点，每当关键概念出现时，都会配以详实的图示和代码示例进行辅助说明。举例来说，在讲解状态机设计时，它不仅展示了标准的Mealy和Moore结构，还深入探讨了如何通过不同的编码方式（如独热编码、二进制编码）来优化资源利用率和时序性能，这种兼顾理论高度和工程实践的叙述方式，让我在后续进行实际FPGA项目搭建时，能够迅速找到理论支撑点，避免了许多不必要的试错成本。对于一个想要从“会写VHDL代码”迈向“会设计高效数字系统”的工程师而言，这种打地基的工作至关重要。

评分☆☆☆☆☆

读完前几章，我最大的体会是作者在内容组织上的匠心独具。这本书并非简单地堆砌知识点，而是构建了一个清晰的学习路径图。它仿佛是带着你从一个概念的“模糊地带”逐步走向“豁然开朗”。我尤其欣赏它对“实践”二字的重视程度。在介绍完诸如锁相环（PLL）或高速数据接口这些复杂模块的设计原理之后，书本会立刻引导读者进入一个模拟实际应用场景的实验环节。这些实验案例的设计非常贴合工业界的实际需求，并非那种脱离实际的“玩具项目”。例如，书中关于SDRAM控制器读写时序的章节，它并没有停留在理论时序图的解读上，而是详细展示了如何根据特定芯片的数据手册来映射和实现这些时序约束，并在仿真环境中验证了数据完整性和延迟指标。这种“理论指导实践，实践反哺理论”的良性循环，极大地增强了我的实战能力。相比其他读起来很“干”的书籍，这本书的每一章似乎都在告诉我：“学了这个知识，你就能在实际工程中解决什么样的问题。” 这种以结果为导向的教学方法，让学习过程充满了成就感。