基于FPGA的数字系统研究与设计 杨军,余江 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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杨军，余江 著

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• FPGA
• 数字系统设计
• VHDL
• Verilog
• 硬件描述语言
• 数字电路
• 嵌入式系统
• 可编程逻辑器件
• 杨军
• 余江

店铺： 北京群洲文化专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030382931

商品编码：29332911155

包装：平装

出版时间：2016-05-01

基本信息

书名：基于FPGA的数字系统研究与设计

定价：99.00元

作者：杨军,余江

出版社：科学出版社

出版日期：2016-05-01

ISBN：9787030382931

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：

商品重量：0.4kg

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导语_点评_推荐词

内容提要

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本书从实用的角度出发，选择系统级的FPGA实现为书写对象，全书详细介绍了从双核FFT算法的基本原理到双核FFT核心的FPGA实现，从单纯FFT处理器的实现过渡到FFT应用实例的开发，从简单的数字系统的设计到复杂数字系统的设计。全书共分8章，从简单的数字系统到复杂数字系统的开发，帮助读者快速入门，同时提高读者嵌入式系统开发的能力。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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书籍简介：FPGA技术在现代嵌入式系统中的深度探索与实践应用 本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的FPGA（Field-Programmable Gate Array）技术学习平台。在当今数字系统设计领域，FPGA以其高度的灵活性、可重构性和并行处理能力，扮演着越来越重要的角色。从高性能计算、通信系统到人工智能加速，再到工业自动化和消费电子产品，FPGA的身影无处不在。本书将带领读者系统地掌握FPGA的设计流程、关键技术以及在实际应用中的落地方法。 第一部分：FPGA基础理论与核心概念 本部分将从FPGA的本质出发，为读者构建坚实的理论基础。我们将详细介绍FPGA的内部结构，包括逻辑单元（LUT, Flip-Flops）、可编程互连网络（Routing Resources）、时钟管理模块（Clock Management Tiles）、DSP Slice（数字信号处理单元）以及丰富的I/O接口等。通过剖析这些核心组件的功能和工作原理，读者将能够深刻理解FPGA如何实现其“可编程”的特性。 在此基础上，我们将深入探讨FPGA的设计流程。这包括需求分析、系统架构设计、硬件描述语言（HDL）的选择与掌握（重点关注Verilog HDL，并辅以VHDL的介绍）、综合（Synthesis）、布局布线（Place & Route）以及时序约束与分析（Timing Constraints and Analysis）。每一步都将详细阐述其重要性、常用工具以及潜在的挑战。例如，在综合阶段，我们将讨论如何优化代码以获得更优的资源利用率和时序性能；在时序分析部分，我们将解释建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）等关键概念，以及如何通过时序报告来诊断和解决时序违例问题。 此外，本部分还将介绍FPGA开发中不可或缺的工具链。我们将详细介绍主流FPGA厂商（如Xilinx和Intel/Altera）提供的集成开发环境（IDE），如Vivado和Quartus Prime。通过实际操作的示例，读者将学会如何使用这些工具进行项目创建、代码编写、功能仿真、综合、实现、生成比特流以及下载到FPGA开发板。我们将强调仿真（Simulation）在设计验证中的关键作用，介绍不同类型的仿真（行为仿真、门级仿真）及其适用场景，并讲解如何编写有效的测试平台（Testbench）来全面验证设计的正确性。 第二部分：硬件描述语言（HDL）高级技巧与设计模式 硬件描述语言是FPGA设计的灵魂。本部分将超越基本的语法教学，深入探讨Verilog HDL的高级特性和惯用法。我们将重点讲解如何编写可综合（Synthesizable）的代码，以及哪些编程风格容易导致不可综合的代码，从而避免在综合过程中出现意外。 模块化设计与接口设计： 强调将复杂系统分解为更小的、可管理的模块。讲解接口信号的定义、时序和协议，以及如何实现模块间的有效通信。 状态机（Finite State Machine, FSM）设计： 详细介绍Mealy型和Moore型状态机的设计方法，包括状态编码、状态转移逻辑和输出逻辑的编写。我们将通过具体的例子（如交通灯控制器、串口通信协议解析器）来演示如何设计和验证高效的状态机。 流水线（Pipelining）技术： 深入讲解流水线在提高吞吐量（Throughput）和降低时序关键路径（Critical Path）方面的作用。我们将展示如何在Verilog代码中实现流水线，以及如何权衡延迟（Latency）和吞吐量。 并行处理与指令级并行： 探讨如何利用FPGA的并行性来加速计算密集型任务。介绍如何设计并行结构，例如使用多个处理单元并行执行任务，以及如何利用指令级并行来优化算法的执行效率。 数据路径与控制路径分离： 讲解这种设计模式如何提高代码的可读性和可维护性，并便于对数据处理和控制逻辑进行独立优化。 参数化设计与宏（Parameters and Macros）： 介绍如何使用参数化设计来创建灵活、可重用的模块，以及如何利用宏来简化代码编写和提高代码的可维护性。 同步与异步设计： 详细讨论同步设计（Clocked Design）的原则和优势，以及在必要时如何处理异步信号。重点讲解时钟域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）问题，并提供有效的解决方案，如握手信号（Handshake Signals）和FIFO（First-In, First-Out）缓冲器。 第三部分：FPGA片上资源利用与优化策略 FPGA的性能很大程度上取决于对片上资源的有效利用。本部分将聚焦于如何充分发挥FPGA的硬件优势，并进行精细化设计优化。 LUT、FF、DSP Slice的深入理解与高效使用： 详细介绍不同FPGA系列中这些资源的具体配置和性能特点。例如，了解DSP Slice中乘法器、加法器、累加器等功能单元如何组合使用，以实现高效的乘累加（MAC）运算。 内存资源（BRAM, URAM）的合理配置与访问： 介绍FPGA内部块RAM（BRAM）和超大RAM（URAM）的功能、容量和配置选项。讲解如何设计高效的内存控制器，以及如何优化内存读写操作以避免瓶颈。 串行高速接口（SerDes）的应用： 介绍SerDes技术在高速数据传输中的作用，如PCIe、Ethernet等。讲解如何配置和使用FPGA内置的SerDes宏，以及相关的协议实现。 时序约束的精细化与时序收敛： 深入讲解各种时序约束的类型（如伪路径、多周期路径、例外路径），以及如何利用工具进行时序分析报告的解读。重点讨论时序收敛（Timing Closure）策略，包括代码优化、资源分配调整、综合和布局布线选项的调整等。 功耗优化技术： 探讨在FPGA设计中降低功耗的方法，如时钟门控（Clock Gating）、多电压域设计、低功耗IP核的应用等。 面积优化（Area Optimization）与资源分配： 讲解如何在满足性能要求的前提下，最小化FPGA资源的占用。讨论如何通过代码重构、共享资源等方式来降低设计复杂度。 IP核（Intellectual Property Core）的使用与集成： 介绍如何利用厂商提供的预定义IP核（如HDMI控制器、DDR控制器、ADC/DAC接口核）来快速实现复杂功能，并讲解IP核集成过程中需要注意的事项。 第四部分：FPGA在现代嵌入式系统中的典型应用与案例分析 理论与实践相结合是掌握FPGA技术的关键。本部分将通过一系列具有代表性的应用案例，展示FPGA在不同领域的强大能力。 数字信号处理（DSP）应用： 滤波器设计： FIR（Finite Impulse Response）和IIR（Infinite Impulse Response）滤波器的FPGA实现，包括硬件实现结构、系数的存储和更新、流水线加速等。 FFT（Fast Fourier Transform）算法的FPGA实现： 讲解FFT算法的基本原理，以及如何在FPGA上实现高效的FFT硬件单元，应用于频谱分析、通信解调等领域。 OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）调制与解调： 在通信系统中，OFDM是宽带无线通信的核心技术。本书将介绍OFDM系统关键模块（如FFT/IFFT、星座映射/解映射、循环前缀添加/去除）的FPGA实现。 图像与视频处理： 图像预处理： 边缘检测（Sobel算子、Canny算子）、图像增强（直方图均衡化）、图像滤波（高斯滤波、中值滤波）等算法的FPGA实现。 视频采集与显示接口： 使用FPGA实现MIPI CSI-2、HDMI等视频输入输出接口，结合图像处理算法，构建简单的视频处理系统。 运动检测与目标跟踪： 基于FPGA的实时视频分析，实现运动目标检测和初步的跟踪功能。 通信系统设计： AXI（Advanced eXtensible Interface）总线协议： 详细讲解AMBA AXI协议的各组成部分（AXI4、AXI4-Lite、AXI4-Stream），以及如何在FPGA系统中实现AXI总线的主设备（Master）和从设备（Slave）。 高性能数据采集与回放系统： 利用FPGA的高速I/O和处理能力，设计能够采集和回放高速数据流的系统，应用于测试测量、科学仪器等领域。 自定义通信协议的实现： 针对特定应用场景，设计并实现定制化的通信协议，增强系统的灵活性和效率。 嵌入式系统加速： CPU协处理器设计： 将计算密集型任务卸载到FPGA上，作为CPU的协处理器，大幅提升系统整体性能。例如，为CPU设计一个图像加速协处理器或一个数学运算加速器。 AI推理加速： 介绍如何将预训练的深度学习模型（如CNN、RNN）部署到FPGA上进行推理加速，分析模型在FPGA上的量化、剪枝和硬件映射策略。 控制系统与工业自动化： 步进电机/伺服电机控制： 基于FPGA实现精确的电机驱动和位置控制，应用于机器人、数控机床等。 传感器数据采集与处理： 高速、多通道传感器数据的同步采集，并进行实时分析和滤波。 实时控制系统的FPGA实现： 针对需要极低延迟和高可靠性的应用，构建基于FPGA的实时控制系统。 第五部分：高级主题与未来趋势 为了使读者对FPGA技术有更前瞻的认识，本部分将探讨一些更高级的主题和行业发展趋势。 软核（Soft-core）与硬核（Hard-core）处理器在FPGA上的集成： 介绍Altera Nios II、Xilinx MicroBlaze等软核处理器，以及ARM硬核（如Zynq SoC）与FPGA fabric的结合。讨论不同处理器架构在FPGA上的应用场景和设计考量。 高层次综合（High-Level Synthesis, HLS）： 介绍如何使用C/C++/SystemC等高级语言来生成HDL代码，从而极大地提高设计效率，尤其适用于算法开发和快速原型验证。 片上调试（On-Chip Debugging）与逻辑分析仪： 讲解如何使用FPGA厂商提供的调试工具（如ChipScope Pro, ILA）来监视和调试FPGA内部信号，以及如何利用ILA（Integrated Logic Analyzer）进行实时在线调试。 时序驱动（Timing-Driven）设计流程的深入理解： 强调在整个设计流程中，始终以时序为核心进行优化和验证的重要性。 FPGA在云计算、边缘计算和物联网中的角色： 探讨FPGA在这些新兴领域的应用潜力，例如作为可编程加速器、实现定制化硬件逻辑等。 面向未来的FPGA设计方法学： 展望FPGA技术的发展方向，如更强大的计算能力、更高效的功耗管理、更易用的开发工具和更开放的设计生态系统。 本书结构清晰，内容循序渐进，兼顾理论深度与工程实践。通过本书的学习，读者不仅能够掌握FPGA设计的核心技术，更能培养解决复杂数字系统设计问题的能力，为他们在数字逻辑设计、嵌入式系统开发、硬件加速等领域的工作和学习打下坚实的基础。本书适合高等院校相关专业学生、电子工程师、嵌入式系统开发者以及对FPGA技术感兴趣的广大读者。

评分☆☆☆☆☆

第一段评价 这本书我是一口气读完的，虽然我不是FPGA领域的专家，但作者用清晰易懂的语言，将复杂的数字系统设计原理娓娓道来。从最基础的逻辑门电路，到Verilog HDL语言的精髓，再到各种常用IP核的设计与应用，本书几乎涵盖了FPGA数字系统设计的全貌。尤其让我印象深刻的是，书中不仅讲解了理论知识，还提供了大量的实例，这些实例贴近实际工程应用，让我能够边学边练，快速掌握FPGA的开发流程。书中对时序约束和优化的讲解更是点睛之笔，对于任何想要设计高性能FPGA系统的工程师来说，这部分内容都价值连城。我特别喜欢作者在讲解某个模块时，会追溯到最底层的硬件实现，这样的讲解方式让我对数字电路有了更深刻的理解，也避免了“知其然不知其所以然”的困境。我个人认为，对于初学者而言，本书无疑是一本不可多得的入门教材；对于有一定基础的开发者，本书也能提供新的思路和解决问题的有效方法。

评分☆☆☆☆☆

第四段评价 我是一名刚刚踏入FPGA世界的学生，在寻找学习资料时，偶然发现了这本书。刚开始有些担心内容会过于晦涩难懂，但出乎意料的是，作者的讲解风格非常亲切，即使是一些非常基础的概念，也解释得条理清晰，循序渐进。书中大量的代码示例，不仅能够帮助我理解Verilog HDL语言的语法，更能让我体会到如何将算法转化为实际的硬件逻辑。特别是书中关于“片上系统”（SoC）的介绍，让我对FPGA的潜力有了更直观的认识。作者还非常注重实践，提供了很多可以动手实践的实验项目，让我能够在理论学习的同时，也能获得宝贵的实践经验。我从书中学会了如何搭建开发环境，如何编写测试激励，以及如何进行初步的仿真和综合。这本书让我对FPGA开发不再感到畏惧，反而充满了学习的动力和兴趣。

评分☆☆☆☆☆

第二段评价 这本《基于FPGA的数字系统研究与设计》是一本非常扎实的教科书，它并没有刻意去迎合读者，而是用一种严谨的态度，系统地阐述了FPGA的设计方法论。从逻辑综合的原理，到物理实现的流程，本书都进行了详细的剖析。书中对于不同类型的FPGA器件的特性分析，以及如何根据项目需求选择合适的器件，都给出了非常有价值的参考。我尤其欣赏作者在讨论复杂的算法实现时，能够将算法逻辑巧妙地转化为硬件描述语言，并通过详细的时序分析来确保设计的正确性和高效性。在阅读过程中，我常常会停下来思考书中提出的各种设计技巧，例如流水线技术、并行处理等，这些都是提升FPGA系统性能的关键。本书的排版和插图也非常专业，清晰的图示能够帮助读者更好地理解抽象的设计概念。尽管部分章节的理论深度较高，需要读者具备一定的数字电路基础，但总体而言，这是一本能够让你从“会写代码”提升到“会设计系统”的优秀读物。

评分☆☆☆☆☆

第三段评价 作为一名在FPGA领域摸爬滚打多年的老兵，我一直致力于寻找能够启发我新思路的书籍。这本《基于FPGA的数字系统研究与设计》给我带来了不少惊喜。作者在探讨高级应用，如图像处理、通信系统等时，能够深入到具体的硬件实现层面，而不是停留在概念层面。书中对于这些复杂系统的模块化设计方法，以及如何有效地进行验证，都进行了详细的阐述。我尤其关注书中关于低功耗设计和高可靠性设计的部分，这些内容在实际工程中至关重要，而本书在这方面的讲解非常到位。作者还分享了一些在实际项目中遇到的典型问题和解决方案，这些经验之谈对于我这样的从业者来说，简直是无价之宝。总的来说，这本书更适合有一定FPGA开发经验，希望进一步提升设计能力和拓展应用范围的读者。它能够帮助你从“做出来”到“做得好”，甚至“做得更出色”。

评分☆☆☆☆☆

第五段评价 这本书给我最大的感受是，它不仅仅是一本关于FPGA的书，更是一本关于“如何思考”和“如何解决问题”的书。作者在讲解每个设计模块时，都展现出了对底层硬件原理的深刻理解，以及对整个系统架构的宏观把握。书中对于不同设计策略的优劣分析，以及在不同场景下应该如何权衡取舍，都提供了非常理性的指导。我特别喜欢书中关于“可重用IP核设计”的章节，这对于提升开发效率和保证产品质量至关重要。作者还分享了许多关于“调试”的经验，这一点在实际项目中尤为宝贵，因为我们总会遇到各种各样奇怪的问题，而书中提供的调试思路和方法，能够帮助我们更快地找到问题的根源。这本书让我认识到，FPGA设计不仅仅是编写代码，更是一门艺术，需要逻辑思维、系统观念和实践经验的结合。