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李宪强 著

图书标签:

• FPGA
• 项目开发
• Verilog
• VHDL
• 数字电路
• 嵌入式系统
• 硬件设计
• Xilinx
• Altera
• 开发板

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121256400

版次：1

商品编码：11677232

包装：平装

丛书名： FPGA应用技术丛书

开本：16开

出版时间：2015-04-01

用纸：胶版纸

页数：260

正文语种：中文

内容简介

　　《FPGA项目开发实战讲解》立足于工程实践经验，首先介绍FPGA的原理、语法、设计技巧，然后详细介绍了7项常用技术的实现。每项技术从以下几方面介绍：相关技术介绍、FPGA方案框图设计、子模块设计、仿真和测试、项目开发过程中遇到的问题、定位和解决措施，其中插入了大量的状态机转换图和关键代码，方便读者学习。

作者简介

　　李宪强，就职于中科院，长期从事FPGA方面一线科研工作，积累了丰富的实践经验。

目录

第1章 FPGA介绍 1
1．1 FPGA的优势 1
1．2 FPGA典型结构图 2
1．3 LUT原理 6
1．4 FPGA上电配置过程时序图 7
1．5 FPGA基本开发流程 10
第2章 Verilog语法介绍 13
2．1 Verilog HDL语言简介 13
2．1．1 什么是Verilog HDL 13
2．1．2 Verilog HLC的历史 13
2．2 Verilog HDL和VHDL语言比较 14
2．3 Verilog语法介绍 15
2．3．1 模块 15
2．3．2 常量 16
2．3．3 parameter与define的区别 18
2．3．4 reg和wire 19
2．3．5 操作符 21
2．3．6 assign和always语句 21
2．3．7 if和case语句 23
2．3．8 循环语句 25
2．3．9 模块实例化 25
2．3．10 预处理指令 26
2．3．11 系统任务 26
2．3．12 task和function语句的区别 29
2．3．13 文件操作 30
第3章 FPGA开发必要的技术积累 33
3．1 锁存器、触发器 33
3．2 时序的基本概念 34
3．2．1 建立和保持时间 34
3．2．2 同步系统中时序分析 34
3．3 异步时钟域和亚稳态 37
3．3．1 什么是亚稳态 37
3．3．2 亚稳态发生场合 37
3．3．3 亚稳态危害 38
3．3．4 怎么减少亚稳态的发生 38
3．3．5 案例：亚稳态导致通信异常 39
3．4 状态机的设计 39
3．5 复位信号 40
3．5．1 同步复位和异步复位比较 40
3．5．2 案例：和复位信号相关的项目 41
3．6 串并转换和并串转换 42
3．7 流水技术 42
3．7．1 流水技术原理 42
3．7．2 案例：NAND FLASH流水实现高速存储 43
3．8 乒乓操作 44
3．9 双向端口使用 45
3．9．1 数据总线的设计 45
3．9．2 程序设计 45
3．9．3 案例：MCU接口程序 46
3．10 Xilinx原语介绍 49
3．10．1 时钟组件 49
3．10．2 吉比特收发器组件 50
3．10．3 I/O端口组件 50
3．10．4 IBUFDS 51
3．10．5 IDELAY 52
3．10．6 OBUFDS 53
3．11 DCM原理 54
3．12 RAM核的使用 56
3．13 FPGA时序约束 60
3．13．1 FPGA约束介绍 60
3．13．2 案例：500MSPS的A/D转换器 63
3．14 生成IP核 70
3．14．1 生成IP核的方法 70
3．14．2 案例：生成IP核的具体操作过程 71
3．15 保持层次关系 73
3．16 Chipscope ICON和ILA 75
3．16．1 Chipscope介绍 75
3．16．2 案例：以DSP接口程序为例介绍使用流程 77
3．17 Verilog编码风格注意事项总结 79
3．18 FPGA学习步骤 80
3．19 FPGA工作方式 81
第4章 FIFO控制器设计 83
4．1 FIFO相关的概念 83
4．2 设计指标 84
4．3 同步FIFO设计 84
4．3．1 双端口RAM介绍 84
4．3．2 同步FIFO设计 85
4．4 异步FIFO设计 88
4．4．1 空/满标志的产生 88
4．4．2 亚稳态问题 88
4．4．3 格雷码 89
4．4．4 异步FIFO设计及结果 90
第5章 串口通信模块设计 95
5．1 串口通信概述 95
5．1．1 串口介绍 95
5．1．2 串口帧格式 96
5．2 设计指标 97
5．3 串口通信模块方案 97
5．3．1 原理框图 97
5．3．2 FPGA方案 98
5．4 串口通信各个模块设计 99
5．4．1 MCU配置模块设计 99
5．4．2 发送模块设计 106
5．4．3 接收模块设计 114
5．4．4 顶层模块 123
5．5 串口通信模块调试注意事项 126
第6章 数/模及模/数转换控制模块设计 127
6．1 相关技术介绍 127
6．1．1 数/模转换器（DAC）介绍 127
6．1．2 模/数转换器（ADC）介绍 129
6．1．3 数/模转换芯片AD5641介绍 131
6．1．4 模/数转换芯片ADS7230介绍 132
6．2 技术指标要求 135
6．3 D/A模块设计 136
6．4 AD模块设计 141
6．5 遇到的问题、排查及定位 148
第7章 HDLC总线控制器设计 149
7．1 HDLC协议介绍 149
7．2 CRC校验 150
7．3 设计技术指标 150
7．4 HDLC电路图 150
7．5 HDLC总线控制器模块划分 151
7．6 HDLC总线控制器各个模块设计 152
7．6．1 CRC模块设计 152
7．6．2 发送编码设计及结果 152
7．6．3 接收解码设计及结果 163
7．7 遇到的问题及解决办法 174
第8章 SDRAM控制器设计 175
8．1 SDRAM简介 175
8．2 SDRAM芯片介绍 176
8．3 SDRAM设计方案 178
8．3．1 刷新周期的问题 180
8．3．2 初始化模块 183
8．3．3 定时刷新请求信号产生模块 184
8．3．4 读/写请求产生模块 185
8．3．5 读/写状态机 187
第9章 NAND FLASH控制器设计 195
9．1 NAND FLASH介绍 195
9．1．1 NAND FLASH信号功能介绍 195
9．1．2 芯片存储阵列结构和地址寻址 196
9．1．3 NAND FLASH时序图介绍 197
9．2 设计技术指标 201
9．3 原理图介绍 202
9．4 NAND FLASH控制器方案 202
9．5 NAND FLASH各个模块设计 203
9．5．1 MCU接口模块 203
9．5．2 FLASH管理模块 205
9．5．3 NAND FLASH坏块表查找模块设计 209
9．5．4 NAND FLASH页查找模块设计 210
9．5．5 NAND FLASH读模块设计 211
9．5．6 NAND FLASH写模块设计 212
9．5．7 NAND FLASH块擦除模块设计 214
9．6 遇到的问题及解决办法 217
9．6．1 对FLASH的读/写不能完成 217
9．6．2 读/写不稳定 217
第10章 1553B总线控制器设计 218
10．1 1553B总线介绍 218
10．1．1 总线拓扑结构 219
10．1．2 编码方式 220
10．1．3 1553B数据格式 220
10．1．4 总线数据传输过程说明 223
10．2 设计技术指标 224
10．3 原理图介绍 224
10．4 收发器芯片介绍 224
10．5 1553B总线控制器方案 225
10．6 1553B总线控制器各个模块设计 226
10．6．1 曼彻斯特编码模块设计 226
10．6．2 曼彻斯特解码模块设计 230
10．6．3 协议处理模块设计 231
10．6．4 RT接收模块设计 238
10．6．5 RT发送模块设计 242
10．6．6 RT-RT模块设计 243
10．6．7 Broadcast模块设计 243
10．7 测试结果 245
10．8 遇到的问题及解决办法 246
参考文献 247
后记 248

前言/序言

智能时代的脉搏：深入剖析硬件设计与嵌入式开发 在这信息爆炸、万物互联的时代，计算能力的边界不断被刷新，而这背后，往往离不开强大的硬件支撑。从消费电子到尖端科研，从汽车电子到工业自动化，再到如今飞速发展的物联网和人工智能，核心的驱动力之一正是高效、灵活且性能卓越的硬件设计。本书，并非直接聚焦于具体的FPGA项目实战讲解，而是将目光投向更广阔的硬件开发与嵌入式系统领域，深入探究其核心原理、关键技术以及未来的发展趋势。 本书旨在为读者构建一个坚实的硬件开发基础理论框架，并在此之上，拓展至嵌入式系统设计的方方面面。我们将一同揭开现代电子设备“大脑”的运作奥秘，理解它们如何从概念转化为触手可及的产品，并逐步掌握构建复杂智能系统的必备知识和技能。 第一篇：数字电路与逻辑设计基石 要理解现代硬件的精妙，首先必须回溯到最基础的数字逻辑。本篇将详细阐述数字电路的基本原理，包括二进制、逻辑门（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR）、布尔代数以及它们在数字系统中的应用。我们将深入讲解组合逻辑和时序逻辑的设计方法，掌握如何利用状态机（FSM）来描述和实现序列控制逻辑，理解触发器（Flip-flops）和寄存器（Registers）在数据存储与传递中的关键作用。 此外，本篇还将触及数字系统设计的关键抽象层次。我们将介绍逻辑门级、寄存器传输级（RTL）以及行为级等不同的设计视角，并讲解如何从高层次的抽象描述逐步细化到具体的硬件实现。理解这些抽象层次的转换，是进行复杂系统设计的前提，它能帮助我们更好地管理设计复杂度，提高开发效率。 第二篇：计算机体系结构与指令集 硬件设计的终极目标是构建能够执行特定任务的计算单元。因此，对计算机体系结构的基本理解至关重要。本篇将深入剖析经典和现代的计算机体系结构，包括RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）的设计理念及其优劣。我们将详细讲解CPU（中央处理器）的核心组成部分，如指令寄存器、程序计数器、算术逻辑单元（ALU）、寄存器文件等，以及它们协同工作的工作流程。 指令集架构（ISA）是硬件和软件之间的桥梁。本篇将剖析不同指令集的特点，例如x86、ARM等主流架构的指令集设计原则，以及如何通过指令集来表达计算操作。我们将探讨指令流水线（Instruction Pipelining）、超标量（Superscalar）和乱序执行（Out-of-Order Execution）等提高CPU性能的技术，理解它们如何通过并行处理来加速指令的执行。 第三篇：存储器系统与接口技术 数据是智能系统的生命线，而高效可靠的存储器系统和多样化的接口技术则是保证数据流通的关键。本篇将全面介绍各种类型的存储器，包括易失性存储器（如DRAM、SRAM）和非易失性存储器（如Flash、EEPROM），深入理解它们的存储原理、读写时序以及在系统中的应用场景。 此外，本篇还将详细解析各种常见的外部接口技术，如USB、PCIe、Ethernet、HDMI等。我们将探讨这些接口的工作协议、数据传输方式、物理层设计以及在不同应用中的集成方法。理解这些接口，是连接处理器与外部设备、构建完整嵌入式系统的基础。 第四篇：嵌入式操作系统（RTOS） 对于任何一个复杂的嵌入式系统，都离不开操作系统的支撑。本篇将聚焦于嵌入式实时操作系统（RTOS）的设计原理和核心概念。我们将深入讲解任务（Task）与线程（Thread）的概念，理解任务调度（Scheduling）算法，如先占式调度、非先占式调度、时间片轮转等，以及它们如何管理系统中的并发执行。 此外，我们还将学习RTOS提供的核心服务，如进程间通信（IPC）机制（消息队列、信号量、互斥锁）、中断处理（Interrupt Handling）、内存管理（Memory Management）以及定时器（Timers）等。通过理解这些RTOS的核心组件，读者将能够掌握如何构建一个稳定、高效、具备实时响应能力的嵌入式软件环境。 第五篇：驱动程序开发与中间件 操作系统之上，还需要驱动程序来控制和管理硬件设备。本篇将详细阐述驱动程序的设计理念和开发流程。我们将学习如何编写设备驱动，使其能够与操作系统内核进行交互，以及如何通过驱动来暴露硬件的功能给上层应用。 同时，我们还将探讨中间件（Middleware）在嵌入式系统中的作用。中间件可以看作是连接操作系统和应用软件之间的桥梁，它提供了一系列服务和抽象，简化了应用开发。我们将介绍一些常见的嵌入式中间件，如文件系统、网络协议栈、图形库等，并分析它们如何提升开发效率和系统复用性。 第六篇：嵌入式系统安全性 随着嵌入式设备在关键基础设施和个人生活中的普及，安全性已成为不可忽视的重要议题。本篇将深入探讨嵌入式系统的安全挑战，包括硬件安全漏洞、软件安全弱点以及通信安全问题。我们将介绍常见的安全攻击手段，如缓冲区溢出、侧信道攻击、重放攻击等，并讲解相应的防御策略。 此外，本篇还将介绍加密技术（如AES、RSA）、安全启动（Secure Boot）、可信执行环境（TEE）等安全硬件和软件机制，以及如何通过安全编码实践来降低软件层的安全风险。掌握嵌入式系统安全性知识，对于构建可靠、安全的智能设备至关重要。 第七篇：物联网（IoT）与边缘计算 物联网的兴起极大地拓展了嵌入式系统的应用范围。本篇将聚焦于物联网的架构、通信协议和关键技术。我们将深入讲解MQTT、CoAP等物联网通信协议，以及Wi-Fi、Bluetooth、LoRa等无线通信技术。 同时，我们还将探讨边缘计算（Edge Computing）的概念及其在物联网中的重要性。边缘计算将计算能力从云端推向网络边缘的设备，从而实现更低的延迟、更高的带宽利用率和更好的隐私保护。本篇将分析边缘计算的架构、挑战以及在智能家居、智能交通、工业物联网等领域的应用前景。 第八篇：高性能计算与人工智能硬件 人工智能的飞速发展对硬件提出了前所未有的要求。本篇将探索支持高性能计算和人工智能的硬件技术。我们将介绍GPU（图形处理器）在通用计算中的应用，以及其并行计算架构的优势。 此外，本篇还将深入讲解专门为人工智能设计的硬件加速器，如ASIC（专用集成电路）和FPGA（现场可编程门阵列）在AI推理和训练中的应用。我们将分析这些硬件的设计特点、性能优势以及它们如何推动深度学习模型的实现。虽然本书不直接讲解FPGA项目，但通过本篇的介绍，读者将能理解FPGA作为一种高度灵活的硬件平台，在定制化AI加速器设计中的独特价值。 展望未来 本书的最后一章将聚焦于硬件设计和嵌入式系统领域的未来发展趋势。我们将探讨低功耗设计、异构计算、可重构计算、量子计算的潜在影响，以及AI技术在硬件设计流程中的应用。通过对这些前沿领域的探讨，本书旨在激发读者对未来智能硬件的想象力，并为他们在不断变化的科技浪潮中指明方向。 总而言之，本书将带领读者踏上一段深入理解现代智能设备“内在机理”的探索之旅。它不仅提供了坚实的理论基础，更拓宽了视野，帮助读者理解硬件、软件与系统如何协同工作，构建出我们赖以生存的智能世界。本书的价值在于，它为您打开了一扇通往更深层次硬件设计与嵌入式系统开发的门，让您能够更清晰地认识到组成我们数字化生活的基石。

评分☆☆☆☆☆

我一直在寻找一本能够系统性地提升FPGA设计能力的进阶读物，而《FPGA项目开发实战讲解》恰好满足了我的需求。这本书的结构设计非常巧妙，它并没有仅仅停留在基础知识的复述，而是将重点放在了如何将这些知识融会贯通，并应用到实际的项目开发中。作者在处理每一个项目时，都展现出一种严谨而又灵活的设计理念。我尤其欣赏书中对项目需求的分析、架构设计、模块划分以及时序约束等关键环节的深入剖析。这些内容往往是新手容易忽略但又是项目成功的基石。书中的案例并非那种“玩具”性质的简单演示，而是真实项目中会遇到的挑战，比如如何优化资源利用率，如何提高设计性能，如何进行有效的仿真和调试。作者在讲解时，不只给出“怎么做”，更重要的是解释“为什么这么做”，这种“知其然，更知其所以然”的讲解方式，极大地提升了我的理解深度和解决问题的能力。此外，书中的调试技巧和问题排查方法也让我受益匪浅，很多我之前在项目中遇到的棘手问题，在这本书的指导下都迎刃而解。对于想要在FPGA领域深入发展，并能够独立承担复杂项目设计的工程师来说，这本书绝对是不可或缺的参考资料。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉就像是一位经验老道的工程师，在我的案头留下了他的心血总结。它没有华丽的辞藻，没有故弄玄虚的理论，而是充满了实实在在的干货。《FPGA项目开发实战讲解》最吸引我的地方在于其“实战”的定位，它紧密围绕着如何完成一个完整的FPGA项目展开，从项目启动到最终实现，每一个环节都讲解得淋漓尽致。书中选取的项目案例非常贴近实际工业应用，能够帮助读者快速地了解真实的开发环境和流程。我特别喜欢作者在讲解每个项目时，都会先提出一个清晰明确的目标，然后一步步分解任务，并详细介绍每一步的操作和背后的原理。这种结构化的讲解方式，让我在学习过程中不会感到迷茫，始终知道自己在做什么，以及为什么这样做。而且，书中对于设计中的权衡和取舍也有非常深刻的讨论，比如在速度、面积和功耗之间的选择，这让我对FPGA设计的复杂性有了更深的认识。让我印象深刻的是，书中还分享了一些非常实用的技巧和经验，比如如何高效地编写Verilog/VHDL代码，如何进行模块化设计，以及如何利用各种工具进行仿真和验证，这些内容对于提升我的开发效率和设计质量有着立竿见影的效果。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在FPGA领域摸索了几年，但总感觉自己停留在“纸上谈兵”阶段的工程师，《FPGA项目开发实战讲解》这本书为我提供了一条清晰的“落地”路径。它让我意识到，理论知识固然重要，但缺乏实践的检验，这些知识就如同空中楼阁。这本书的“实战”二字，绝非虚名，它通过一系列精心挑选的、具有代表性的项目，真实地模拟了项目开发的全过程。我非常喜欢书中的案例选择，它们既有经典的应用，也有一些前沿的课题，能够很好地拓宽我的视野，让我看到FPGA在各个领域的无限可能。作者在讲解每个项目时，都展现出一种深入骨髓的理解，不仅仅是告诉你“怎么做”，更是深入剖析了“为什么这么做”，包括设计上的考量，性能上的权衡，以及潜在的风险。这使得我在学习过程中，不仅仅是模仿，而是能够真正地理解设计背后的逻辑，并从中获得启发。书中对于各种调试工具的使用技巧，以及如何快速定位和解决设计中的bug，更是让我感觉如获至宝，这部分内容无疑会大大提升我在实际工作中的效率。总而言之，这本书为我提供了一个极佳的学习平台，让我能够将零散的知识点串联起来，形成完整的项目开发能力。

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这本《FPGA项目开发实战讲解》简直是我近期最大的惊喜！作为一名对FPGA充满好奇但又无从下手的新手，我之前尝试过一些在线教程和零散的文章，但总感觉像在海面上漂浮，抓不住核心。这本书彻底改变了我的看法。它不是那种枯燥乏味的理论堆砌，而是真正地从“实战”出发，手把手地带领读者走进真实的FPGA项目开发流程。我特别喜欢它在项目选择上的眼光，每一个案例都非常经典且具有代表性，从简单的LED闪烁到复杂的通信接口，再到一些嵌入式系统的构建，覆盖的范围很广，但又不会显得过于庞杂，每个项目都解释得非常透彻，让我能够清晰地理解项目背后的逻辑和设计思路。而且，作者在讲解过程中，并没有回避实际开发中可能遇到的各种坑，反而将这些“坑”作为重要的学习点，详细地分析了原因和解决方案。这让我觉得作者非常接地气，仿佛一位经验丰富的导师，在旁边耐心指导。书中的代码示例也写得非常规范、清晰，易于阅读和理解，并且给出了详细的注释，让我能够快速地掌握代码的含义和用法。总而言之，如果你也像我一样，渴望掌握FPGA实战技能，这本书绝对是你的不二之选，它能让你从“知道”FPGA变成“会用”FPGA。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值远远超出了我的预期，它真正地帮助我打开了FPGA项目开发的大门。《FPGA项目开发实战讲解》不是那种“一目了然”的学习资料，它更像是一本需要细细品味的“武功秘籍”。我之所以这样说，是因为书中的每一个项目都经过了精心的设计和打磨，不仅仅是代码的堆砌，更是对整个开发流程的深度还原。作者在讲解过程中，非常注重细节，从工程的创建、IP核的配置，到综合、布局布线、时序分析，再到最终的下载和测试，每一个步骤都讲解得非常细致，并且给出了大量的图示和流程图，这对于我这样的初学者来说，简直是福音。我特别欣赏书中对于不同FPGA器件家族和开发工具的介绍，这让我能够对市面上的主流产品和工具有一个整体的认识，并能够根据实际项目需求做出更明智的选择。更重要的是，书中穿插了大量关于如何进行项目管理的建议，比如如何进行版本控制，如何编写文档，如何与团队协作等等，这些软技能的培养，对于一个未来的FPGA工程师来说，同样至关重要。这本书让我明白，FPGA开发不仅仅是写代码，更是一个系统性的工程。

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没看，应该不错！！！！

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很好的书，通过实例讲解FPGA项目实战。

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我所说的读书，不仅仅局限于报纸媒体的书刊，看过有本杂志，名为《世界博览》，其所谓读书就是读天地，读历史，读自然，读人文，似乎世间没有一样不可以当作书来读；有支叫做《读你》的歌，歌词是“读你千遍不厌倦”，却是读人。我不敢给读书下定义，况且站的角度不同，观念不同，所处的社会环境不同，分工不同，读着影音、图画、文字……心里感觉着一种无法用语言表达的感受，那种感觉区别在于视角迥异。

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KEYI

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