基於VHDL的FPGA數字係統應用實踐 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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陳忠平 著

圖書標籤:

• FPGA
• VHDL
• 數字係統設計
• 可編程邏輯器件
• 硬件描述語言
• 實踐應用
• 嵌入式係統
• 數字電路
• 電子工程
• 設計實例

店鋪： 博學精華圖書專營店

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121230059

商品編碼：29729394152

包裝：平裝

齣版時間：2014-05-01

基本信息

書名:基於VHDL的FPGA數字係統應用實踐

：79.00元

售價：55.3元,便宜23.7元,摺扣70

作者:陳忠平

齣版社：電子工業齣版社

齣版日期：2014-05-01

ISBN：9787121230059

字數：774000

頁碼：473

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

本書以VHDL語言為藍本，結閤Quartus II軟件，通過豐富的實例從實驗、實踐、實用的角度，詳細敘述瞭FPGA在數字係統中的應用。

內容提要

本書以VHDL語言為藍本，結閤Quartus II軟件，通過豐富的實例從實驗、實踐、實用的角度，詳細敘述瞭FPGA在數字係統中的應用。本書共10章，主要內容包括FPGA硬件結構知識、VHDL語言編程基礎、硬件開發工具Quartus II的使用、門電路設計與實現、常用組閤邏輯電路的設計、常用時序邏輯電路與狀態機的設計、FPGA的顯示及鍵盤控製、FPGA在數字係統設計中的應用、FPGA在數字信號處理中的應用、宏功能模塊與SOPC技術的應用。

目錄

作者介紹

陳忠平，湖南工程職業技術學院講師，具有豐富的單片機原理、EDA技術、電子技術等課程的教學經驗，著有《基於Proteus的51係列單片機設計與仿真》、《基於項目驅動式的C51單片機程序設計與應用》、《基於Proteus的AVR單片機C語言程序設計與仿真》、《基於Proteus的PIC單片機C語言程序設計與仿真》和《基於Quartus II的FPGA/CPLD設計與應用》等。

文摘

序言

硬件描述語言與現代電子設計 在數字化浪潮席捲全球的今天，電子係統的設計與實現正經曆著前所未有的變革。從微小的嵌入式設備到龐大的通信基站，再到尖端的科學儀器，一切都離不開高度集成和靈活可配置的數字電路。而實現這一切的核心，正是硬件描述語言（HDL）。HDL不僅僅是一種編程語言，它更是連接抽象設計理念與實際物理硬件的橋梁。通過HDL，工程師能夠以一種結構化、模塊化的方式來描述數字電路的功能和時序，從而大大提升瞭設計的效率和可靠性。 FPGA：實現數字係統設計的革命性平颱 在眾多數字集成電路的實現技術中，現場可編程門陣列（FPGA）以其獨特的靈活性、高性能以及相對較低的開發門檻，成為瞭現代數字係統設計中最受歡迎的選擇之一。FPGA的本質是一顆高度可配置的芯片，內部包含瞭大量的邏輯單元（LUTs）、觸發器（Flip-flops）、可編程互連綫以及一些專用的硬核模塊（如DSP單元、RAM塊等）。這些資源可以根據工程師設計的HDL代碼，在芯片的“現場”（即用戶手中）進行編程配置，從而實現特定的數字邏輯功能。 這意味著，開發者可以在不改變物理硬件的情況下，通過重新編程FPGA，實現不同的設計目標，甚至對已部署的係統進行功能升級或錯誤修復。這種“一次性設計，多次部署，靈活更新”的特性，極大地縮短瞭産品研發周期，降低瞭試錯成本，使得FPGA在原型驗證、中小批量産品生産、通信設備、工業控製、醫療器械、消費電子等眾多領域得到瞭廣泛應用。 VHDL：一種強大且成熟的硬件描述語言 在FPGA設計的領域，VHDL（VHSIC Hardware Description Language）作為一種功能強大、語法嚴謹、應用廣泛的硬件描述語言，扮演著至關重要的角色。VHDL最初是由美國國防部為支持VHSIC（超大規模集成電路）計劃而開發的，其設計目標是用於描述數字係統的行為、結構和性能。VHDL的語法藉鑒瞭Ada語言，具有高度的錶達能力，能夠清晰地描述復雜的數字邏輯，包括組閤邏輯、時序邏輯、狀態機等。 VHDL的強大之處在於它能夠支持不同層次的抽象。工程師既可以使用行為級描述來概括係統的整體功能，也可以使用寄存器傳輸級（RTL）描述來詳細定義數據如何在寄存器之間流動和處理，甚至可以使用門級描述來精確控製電路的邏輯門結構。這種多層次的抽象能力，使得VHDL能夠適應從概念驗證到最終綜閤的整個設計流程。 更重要的是，VHDL的設計原則強調“並發性”和“不可運行性”。“並發性”指的是VHDL能夠描述電路在同一時間發生的多個事件，這與傳統軟件編程的順序執行模型有著本質的區彆。而“不可運行性”則意味著VHDL代碼本身不能直接執行，它是一種用於綜閤工具（Synthesis Tool）將設計轉化為實際硬件邏輯的“藍圖”。這種特性確保瞭VHDL能夠準確地映射到硬件電路，而非僅僅在計算機上運行模擬。 FPGA開發流程概覽 基於VHDL的FPGA開發流程通常包含以下幾個關鍵步驟： 1. 設計輸入（Design Entry）： 使用VHDL語言編寫電路的邏輯描述。這包括對係統功能進行模塊化劃分，定義端口、信號、進程、函數、過程等。 2. 功能仿真（Functional Simulation）： 在軟件環境中對VHDL代碼進行仿真，驗證設計的邏輯功能是否符閤預期，無需考慮實際硬件的約束。這一步是早期發現和修復設計錯誤的關鍵。 3. 綜閤（Synthesis）： 將高級的VHDL描述轉化為門級網錶。綜閤工具會根據目標FPGA器件的資源特性，將描述的邏輯映射到具體的邏輯單元和觸發器，並優化電路的性能和麵積。 4. 布局與布綫（Place and Route）： 將綜閤生成的門級網錶中的邏輯單元放置到FPGA芯片的物理位置上，並根據設計的連接關係，利用FPGA內部的可編程互連綫完成信號的連接。這一步直接影響到電路的最終時序性能（例如時鍾頻率）。 5. 時序仿真（Timing Simulation）： 在完成布局布綫後，利用從FPGA廠商提供的時序模型中提取的實際布綫延遲信息，對設計進行時序仿真，以驗證電路在實際運行速度下是否能夠滿足設計要求。 6. 生成比特流（Bitstream Generation）： 將最終驗證通過的設計生成FPGA的配置比特流文件。 7. 下載與驗證（Configuration and Verification）： 將生成的比特流文件下載到目標FPGA器件中，並在硬件上對係統進行實際功能和性能的驗證。 VHDL在FPGA應用中的實踐 在FPGA數字係統應用實踐中，VHDL被廣泛應用於構建各種復雜的數字模塊。例如： 數字信號處理（DSP）： 實現濾波器、FFT（快速傅裏葉變換）、模數/數模轉換（ADC/DAC）接口等核心算法。 通信接口： 設計各種標準的通信協議接口，如UART、SPI、I2C、Ethernet、PCIe等，以實現設備之間的數據交換。 數據采集與控製： 構建高性能的數據采集係統，或者實現對外部設備的精確控製，如電機驅動、傳感器讀取等。 嵌入式係統： 開發嵌入式處理器的協處理器、外設控製器，或者構建完整的嵌入式係統硬核。 圖像與視頻處理： 實現圖像的縮放、濾波、邊緣檢測，以及視頻的編碼、解碼等功能。 定時與計數： 設計高精度定時器、計數器，用於精確的時間測量和事件同步。 狀態機設計： 用於實現復雜的操作流程和控製邏輯，如協議解析、用戶界麵控製等。 學習VHDL與FPGA的價值 深入學習VHDL和FPGA的設計與應用，能夠為個人和團隊帶來多方麵的價值： 提升設計能力： 掌握VHDL能夠讓工程師以更加高效、係統的方式來設計和驗證復雜的數字電路，從而提升整體的設計能力。 實現創新産品： FPGA的靈活性使得工程師能夠快速將創新想法轉化為實際的硬件原型，加速産品的迭代和上市。 理解底層原理： 通過VHDL學習，能夠更深入地理解數字邏輯的運作機製，以及硬件電路的設計原則，為日後更復雜的係統設計打下堅實基礎。 職業發展： 擁有紮實的FPGA和VHDL技能，在當今技術驅動的行業中，將是極具競爭力的專業能力，能夠開啓更廣闊的職業發展道路。 應對未來挑戰： 隨著物聯網、人工智能、5G等技術的飛速發展，對高性能、低功耗、定製化硬件的需求日益增長，FPGA和VHDL在其中扮演的角色將越來越重要。 掌握VHDL，並將其應用於FPGA的開發實踐，是連接理論知識與實際工程應用的關鍵。它不僅是一種技術能力的體現，更是一種解決復雜數字係統設計問題的有效途徑。通過不斷地學習和實踐，工程師可以利用VHDL和FPGA的力量，創造齣更加智能、高效和強大的數字産品，引領技術創新的潮流。

評分☆☆☆☆☆

讀完前幾章，我最大的體會是作者在內容組織上的匠心獨具。這本書並非簡單地堆砌知識點，而是構建瞭一個清晰的學習路徑圖。它仿佛是帶著你從一個概念的“模糊地帶”逐步走嚮“豁然開朗”。我尤其欣賞它對“實踐”二字的重視程度。在介紹完諸如鎖相環（PLL）或高速數據接口這些復雜模塊的設計原理之後，書本會立刻引導讀者進入一個模擬實際應用場景的實驗環節。這些實驗案例的設計非常貼閤工業界的實際需求，並非那種脫離實際的“玩具項目”。例如，書中關於SDRAM控製器讀寫時序的章節，它並沒有停留在理論時序圖的解讀上，而是詳細展示瞭如何根據特定芯片的數據手冊來映射和實現這些時序約束，並在仿真環境中驗證瞭數據完整性和延遲指標。這種“理論指導實踐，實踐反哺理論”的良性循環，極大地增強瞭我的實戰能力。相比其他讀起來很“乾”的書籍，這本書的每一章似乎都在告訴我：“學瞭這個知識，你就能在實際工程中解決什麼樣的問題。” 這種以結果為導嚮的教學方法，讓學習過程充滿瞭成就感。

評分☆☆☆☆☆

如果用一個詞來概括這本書帶給我的整體感受，那便是“可靠性”。在很多前沿技術的應用實踐中，書籍往往會因為更新速度的滯後而顯得力不從心。然而，這本在介紹新的FPGA架構特性和最新EDA工具鏈特性時，展現齣瞭極強的時效性和前瞻性。書中對於並行處理架構的介紹，不僅涵蓋瞭傳統的流水綫（Pipelining）技術，還詳細闡釋瞭如何利用FPGA特有的分布式RAM和查找錶（LUT）資源來實現高效的並行計算加速器。特彆是它對用戶自定義指令集（Custom Instruction Set）在軟核處理器加速中的應用探討，讓我看到瞭將VHDL設計能力與軟件優化深度結閤的巨大潛力。閱讀這本書，我感覺自己不是在學習一本靜態的教材，而是在跟隨一位經驗豐富的總設計師，係統性地構建一個可以麵嚮未來挑戰的數字係統設計方法論。它提供的工具和思想，是能在未來幾年內持續指導我的實際工作的寶貴財富。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計得相當有質感，那種深沉的藍色調配上清晰的字體，一下子就給人一種專業、嚴謹的感覺。初次翻開，我最直觀的感受是它對基礎概念的闡述非常到位。很多市麵上同類的教材，在介紹信號處理、時序邏輯這些核心內容時，往往為瞭追求內容的廣度而犧牲瞭深度，導緻初學者讀起來像在“走馬觀花”。但這本則不同，它花瞭大量的篇幅來細緻地剖析VHDL語言的語法結構和設計範式，特彆是對並發語句和過程塊的區分講解，簡直是教科書級彆的清晰。作者似乎深知讀者的痛點，每當關鍵概念齣現時，都會配以詳實的圖示和代碼示例進行輔助說明。舉例來說，在講解狀態機設計時，它不僅展示瞭標準的Mealy和Moore結構，還深入探討瞭如何通過不同的編碼方式（如獨熱編碼、二進製編碼）來優化資源利用率和時序性能，這種兼顧理論高度和工程實踐的敘述方式，讓我在後續進行實際FPGA項目搭建時，能夠迅速找到理論支撐點，避免瞭許多不必要的試錯成本。對於一個想要從“會寫VHDL代碼”邁嚮“會設計高效數字係統”的工程師而言，這種打地基的工作至關重要。

評分☆☆☆☆☆

這本書在處理“FPGA設計流程”這一整體框架上的把握，也令人印象深刻。很多書籍往往專注於VHDL代碼本身，而忽略瞭整個EDA工具鏈的配閤使用。然而，這本書在代碼講解的間隙，巧妙地穿插瞭關於綜閤（Synthesis）、布局布綫（Place & Route）以及靜態時序分析（STA）的實用技巧。特彆是對約束文件（XDC/UCF）編寫的講解，簡直是救星一般的存在。我過去常常在綜閤後遇到時序違例（Timing Violation），卻不知如何從代碼層麵或約束層麵進行優化。這本書清晰地解釋瞭建立時間（Setup Time）和保持時間（Hold Time）的物理意義，並針對性地給齣瞭通過修改時鍾定義、插入緩衝器或調整邏輯映射等多種解決方案。這種係統性的思維培養，讓我明白，一個優秀的FPGA設計不僅是寫齣正確的代碼，更是要讓代碼在特定的硬件資源上以最優化的方式運行。這種對“芯片級”實現的關注，是這本書超越一般教材水平的關鍵所在。

評分☆☆☆☆☆

從文字風格上來說，這本書的語言風格是一種罕見的、富有洞察力的“技術哲學”錶達。它不像某些學術著作那樣晦澀難懂，也不像某些快速入門指南那樣過於簡化。作者在描述復雜概念時，總能找到一種既精確又富有啓發性的措辭。比如，在討論資源分配和功耗優化時，作者引入瞭“數字實現的熵增”這樣的比喻，形象地闡釋瞭隨著設計規模擴大，係統復雜度帶來的不可預測性。這種深層次的思考，使得閱讀過程不僅僅是知識的攝取，更像是一次思維的拓展。書中對於不同IP核（如DDR接口、Ethernet MAC）的接口規範講解，處理得尤為細緻，它不僅列齣瞭信號列錶，還深入剖析瞭這些規範背後的物理層和協議層考量，使得讀者在調用這些模塊時，能真正理解“為什麼”要這樣連接信號，而不是盲目地復製粘貼。這種對底層邏輯的深刻挖掘，是構建穩固工程知識體係的基石。