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康桂霞 著

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• FPGA
• Xilinx
• 应用开发
• 数字电路
• 可编程逻辑
• VHDL
• Verilog
• 硬件设计
• 电子工程
• 大学教材

店铺： 广影图书专营店

出版社： 人民邮电出版社

ISBN：9787115310019

商品编码：29707849813

包装：平装

出版时间：2013-06-01

基本信息

书名:FPGA应用技术教程(Xilinx公司大学计划官方指定教材)

定价：45.00元

售价：30.6元,便宜14.4元,折扣68

作者:康桂霞

出版社：人民邮电出版社

出版日期：2013-06-01

ISBN：9787115310019

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.381kg

编辑推荐

1、本书为Xilinx公司大学计划的官方推荐教材
2、集理论性、工程性和创新性于一体

内容提要

本书以Xilinx公司的FPGA及其开发平台为基础，综合FPGA和信息通信技术两个方向，以图文并茂、深入浅出的方式，全面、系统地介绍信息通信技术以及FPGA技术的相关发展、FPGA的基本原理、硬件开发流程、开发平台、VHDL语言，以及在信息通信领域开发中常用的仪器仪表等。内容涵盖了FPGA开发的主要方面，并精选了信息与通信技术中的常用关键模块，进行详尽深入的讲解指导，增强了与读者的互动性。书中内容结合作者多年的教学实践以及实际开发经验，具有很高的学习参考和实践指导价值。 本书内容注重系统化诠释，针对性较强，可满足学习指导和实际工程开发的需求。本书可作为高等院校通信工程、电子信息工程、计算机、微电子与集成电路等相关专业的本科生以及研究生的教材与学习参考书，也可作为电子信息和通信工程师、可编程逻辑开发人员的实用工具书。

目录

目 录

章 信息与通信技术及FPGA开发综述 1
1.1 信息与通信技术的发展概况 1
1.1.1 计算机技术的发展概况 1
1.1.2 信号处理技术的发展 3
1.1.3 通信技术的发展概况 4
1.2 可编程逻辑器件发展概况 8
1.2.1 CPLD 10
1.2.2 FPGA 10
1.3 未来FPGA技术的发展趋势 11
1.3.1 芯片工艺的发展趋势 11
1.3.2 基于FPGA的嵌入式系统(SoPC)技术应用 11
1.3.3 基于IP库的设计方法 12
1.3.4 动态可重构技术 13
1.4 FPGA在信息与通信领域的应用 13
1.4.1 FPGA在计算机技术中的应用 13
1.4.2 FPGA在数字信号处理中的应用 14
1.4.3 FPGA在无线通信系统中的应用 14
1.5 本章小结 15

第2章 FPGA设计基础 16
2.1 可编程逻辑器件结构简述 16
2.1.1 基于乘积项(Product-Term)的PLD 16
2.1.2 基于查找表(Look-Up-Table)的PLD 19
2.2 Xilinx FPGA器件 23
2.2.1 Spartan类 23
2.2.2 Virtex类 28
2.2.3 新FPGA简介 32
2.3 FPGA的一般设计流程 33
2.3.1 设计准备 34
2.3.2 设计输入 34
2.3.3 功能仿真 35
2.3.4 设计处理 35
2.3.5 时序仿真 36
2.3.6 器件编程与测试 36
2.4 FPGA在DSP领域中的开发 36
2.4.1 利用MATLAB辅助FPGA的逻辑设计 38
2.4.2 Simulink简介 38
2.4.3 System Generator工具简介 39
2.4.4 Simulink和System Generator联合开发 39
2.5 本章小结 43

第3章 ISE软件使用指南 44
3.1 Xilinx公司的EDA集成开发工具 44
3.2 ISE 12.2软件的设计流程 45
3.2.1 创建工程 45
3.2.2 设计输入 48
3.2.3 仿真 53
3.2.4 综合及添加用户约束 58
3.2.5 实现和编程下载 60
3.3 本章小结 63

第4章 VHDL介绍及实例 64
4.1 VHDL的基本概念 64
4.1.1 什么是VHDL 64
4.1.2 VHDL的历史 64
4.1.3 VHDL的优点 65
4.2 VHDL的语法基础 66
4.2.1 VHDL的对象 66
4.2.2 VHDL的数据类型 67
4.2.3 VHDL的运算操作符 69
4.2.4 VHDL的主要描述语句 71
4.3 VHDL的基本结构 81
4.3.1 实体说明 81
4.3.2 结构体(构造体) 83
4.3.3 库、程序包及配置 84
4.4 VHDL设计实例简析 86
4.4.1 组合逻辑电路的设计 86
4.4.2 VHDL在通信系统中的应用 112
4.5 本章小结 133

第5章 实验装置与仪表 137
5.1 实验开发平台 137
5.1.1 Spartan-3E开发套件 137
5.1.2 模块简介与管脚映射 138
5.2 实验仪表 156
5.2.1 脉冲信号发生器 156
5.2.2 数字示波器 158
5.2.3 逻辑分析仪 162
5.2.4 误码仪 166
5.3 本章小结 170

第6章 实验指导 171
实验1 OFDM系统中FFT的VHDL实现 171
一、实验目的 171
二、实验原理 171
三、实验仪器 174
四、实验内容 174
五、实验扩展 175
实验2 数字频率计的设计与实现 175
一、实验目的 175
二、实验原理 175
三、实验仪器 176
四、实验内容 176
五、实验扩展 177
实验3 FIR的VHDL实现 178
一、实验目的 178
二、实验原理 178
三、实验仪器 180
四、实验内容 180
五、实验扩展 182
实验4 PS2键盘接口的VHDL实现 182
一、实验目的 182
二、实验原理 183
三、实验仪器 185
四、实验内容 185
五、实验扩展 186
实验5 简单计算器的VHDL实现 186
一、实验目的 186
二、实验原理 186
三、实验仪器 188
四、实验内容 188
五、实验扩展 189
实验6 16QAM调制解调的VHDL实现 189
一、实验目的 189
二、实验原理 189
三、实验仪器 192
四、实验内容 192
五、实验扩展 193
实验7 线性分组码和CRC校验码编译码的VHDL实现 193
一、实验目的 193
二、实验原理 193
三、实验仪器 195
四、实验内容 195
五、实验扩展 196
实验8 卷积码编译码的VHDL实现 196
一、实验目的 196
二、实验原理 196
三、实验仪器 200
四、实验内容 200
五、实验扩展 201
实验9 实现一个用于CDMA 2000系统的短帧交织器 201
一、实验目的 201
二、实验原理 201
三、实验仪器 204
四、实验内容 205
五、实验扩展 205
实验10 QPSK信号的匹配接收机 205
一、实验目的 205
二、实验原理 206
三、实验仪器 208
四、实验内容 208
五、实验扩展 209
实验11 哈达码矩阵的相关接收机的VHDL实现 209
一、实验目的 209
二、实验原理 210
三、实验仪器 212
四、实验内容 212
五、实验扩展 212
实验12 WCDMA系统扩频码(OVSF码)和下行扰码发生器的VHDL实现 212
一、实验目的 212
二、实验原理 213
三、实验仪器 216
四、实验内容 216
五、实验扩展 217

附录 英文缩略语 218
参考文献 220

作者介绍

文摘

序言

从数字逻辑的基石到硬件实现的艺术：深入浅出FPGA应用技术 在当今飞速发展的电子技术浪潮中，现场可编程门阵列（FPGA）以其独特的灵活性、高效能和高度可定制性，已然成为硬件设计领域的核心驱动力。它不仅是电子工程师手中强大的设计工具，更是创新科技得以落地实现的关键平台。从通信网络到人工智能，从嵌入式系统到工业自动化，FPGA的身影无处不在，深刻地改变着我们生活和工作的方方面面。 本书并非一本简单的入门指南，而是旨在引领读者，特别是那些对数字逻辑设计、硬件实现充满热情，或者在实际工程项目中需要高效解决方案的工程师、学生及研究人员，踏上一段深入理解FPGA应用技术的旅程。我们将不局限于理论的陈述，而是通过由浅入深的讲解，结合实际应用场景的分析，构建一个全面而扎实的FPGA知识体系。 一、 夯实基础：理解数字逻辑设计的本质 在深入FPGA的广阔天地之前，牢固的数字逻辑基础是必不可少的。我们将从最基本的逻辑门（AND, OR, NOT, XOR等）出发，循序渐进地介绍组合逻辑和时序逻辑电路的设计原理。在这里，组合逻辑电路的输出仅取决于当前的输入，而时序逻辑电路则引入了“记忆”的概念，其输出会受到历史输入状态的影响，这对于构建复杂的计数器、寄存器、状态机等至关重要。 本书将详细解析二选一多路选择器、编码器、译码器、加法器、减法器等基本组合逻辑模块的设计思路与实现方法，并通过深入探讨触发器（D触发器、JK触发器、T触发器等）、寄存器、移位寄存器、计数器等时序逻辑单元的工作原理，帮助读者理解它们在数字系统中扮演的角色。我们还会重点讲解有限状态机（FSM）的设计，它能够描述和控制系统按照预设的顺序执行任务，是实现复杂控制逻辑的核心。通过对这些基础知识的透彻理解，读者将为后续的FPGA设计打下坚实的基础。 二、 FPGA技术纵览：揭开其神秘面纱 FPGA之所以能够实现如此强大的功能，得益于其独特的内部结构和工作机制。我们将深入剖析FPGA的核心组成部分，包括逻辑单元（Logic Elements/Blocks）、可编程互连线（Programmable Interconnects）、输入/输出块（I/O Blocks）以及时钟管理单元（Clock Management Tiles）。 逻辑单元是FPGA实现逻辑功能的基本单元，通常包含查找表（Look-Up Tables, LUTs）和触发器。我们将详细讲解查找表的原理，它如何通过存储预设的真值表来实现任意布尔函数的组合逻辑功能。同时，我们也会探讨触发器在构成寄存器和状态机中的作用。 可编程互连线是FPGA实现灵活连接的关键，它允许用户根据设计需求，动态地配置逻辑单元之间的连接关系。我们将分析不同类型的互连结构，以及它们如何影响信号的传输延迟和设计的性能。 输入/输出块则负责FPGA与外部世界的接口，支持多种标准和电压，确保FPGA能够与其他器件无缝集成。我们还会介绍时钟管理单元（如PLL, MMCM）在提供稳定、可配置时钟信号方面的作用，这对同步数字电路的正常运行至关重要。 三、 HDL语言：描述硬件的设计利器 硬件描述语言（HDL）是现代数字逻辑设计的基石，它允许工程师以文本化的方式描述硬件电路的行为和结构。本书将聚焦于业界主流的HDL语言，特别是Verilog HDL。我们将从最基本的语法、数据类型、运算符讲起，逐步深入到模块实例化、端口连接、always块、赋值语句、任务和函数等核心概念。 我们将通过大量的实例，演示如何使用Verilog HDL来描述组合逻辑电路（如加法器、多路选择器）和时序逻辑电路（如寄存器、计数器、状态机）。更重要的是，我们将强调“行为级”和“结构级”描述的区别，以及如何从高层次的抽象描述逐步细化到能够被综合工具理解的低层次网表。 对于熟悉VHDL的读者，我们也会提供必要的参考和对比，帮助理解两种语言在设计理念和语法上的异同，但核心在于强调HDL作为一种“硬件描述”语言的特性，而非传统的“软件编程”语言。 四、 FPGA设计流程：从概念到实现的完整链条 掌握了FPGA的硬件结构和HDL语言之后，理解完整的FPGA设计流程至关重要。我们将详细介绍从需求分析、系统设计、HDL编码、功能仿真、综合、适配（Placement & Routing）、时序仿真，直到最终生成比特流文件并下载到FPGA芯片的每一个环节。 功能仿真 (Functional Simulation): 这是设计过程中最重要的一步，通过仿真工具验证HDL代码是否按照设计者的意图正确实现了功能，确保逻辑的正确性。 综合 (Synthesis): 将HDL代码转换成FPGA器件能够理解的门级网表的过程。我们将探讨综合工具的选择、约束文件的作用，以及如何通过优化策略获得更优的性能和资源利用率。 适配 (Placement & Routing): 将综合后的逻辑网表映射到FPGA芯片的物理资源（如逻辑单元、互连线）上，并确定它们之间的具体连接。这一步直接影响到设计的时序性能和功耗。 时序仿真 (Timing Simulation): 在适配完成后，利用实际的物理布线延迟信息进行仿真，验证设计是否满足时序要求，即是否能在设定的时钟频率下稳定工作。 本书将贯穿介绍这些流程中的关键技术点、常见问题及解决方法，帮助读者建立起一套完整、高效的设计方法论。 五、 深入FPGA高级特性与应用 在掌握了基础设计流程后，我们将进一步探讨FPGA的一些高级特性和实际应用场景，让读者能够设计出更复杂、更强大的系统。 状态机设计进阶: 除了基本的有限状态机，我们还将深入探讨Moore状态机和Mealy状态机的区别与应用，以及如何设计更复杂的同步/异步状态机，以应对更具挑战性的控制需求。 数据通路与控制通路: 如何将数据处理单元（如算术逻辑单元、存储器）与控制单元（如状态机）有机结合，构建高效的数据通路和控制通路，是实现复杂功能的关键。 IP核的应用与开发: 许多常用的数字模块（如UART、SPI、I2C控制器，DDR控制器，DSP模块等）已被封装成IP核，可以直接调用。我们将介绍如何集成和使用这些IP核，并探讨如何根据自身需求开发定制化的IP核。 时序约束与时序优化: 深入理解时序约束文件的编写，如时钟定义、输入输出延迟等，以及如何分析时序报告，找出设计中的时序瓶颈，并采取相应的优化措施（如代码重构、管线化、改变综合/适配策略）以满足高时钟频率要求。 低功耗设计: 在功耗日益重要的今天，我们将探讨FPGA的低功耗设计技术，包括时钟门控、电源管理等。 实时操作系统（RTOS）与FPGA的结合: 对于嵌入式系统而言，RTOS与FPGA的结合能够实现复杂的任务调度和管理。我们将探讨如何将RTOS移植到FPGA系统中，并实现软硬件协同设计。 片上系统（SoC）设计基础: 现代FPGA设计日益趋向于SoC，将处理器（如ARM核）与可编程逻辑相结合。我们将简要介绍SoC的设计理念、架构以及软硬件接口的设计。 DSP应用与FPGA: FPGA在数字信号处理（DSP）领域具有天然的优势。我们将介绍如何利用FPGA实现FFT、滤波器、各种调制解调等DSP算法，并探讨其在通信、雷达、图像处理等领域的应用。 AI加速与FPGA: 随着人工智能的飞速发展，FPGA凭借其并行处理能力，在AI推理加速方面展现出巨大的潜力。我们将介绍如何利用FPGA实现神经网络的加速，以及在边缘计算、自动驾驶等领域的应用。 六、 实践案例分析与项目指导 理论学习离不开实践的检验。本书将精选一系列典型的FPGA应用案例，涵盖从简单的LED闪烁、数码管显示，到复杂的UART通信、SDRAM控制器、简单的图像处理模块，甚至一个基础的嵌入式系统框架。通过对这些案例的详细分析，读者可以学习到如何将所学的理论知识应用于实际问题，并掌握解决实际设计挑战的技巧。 我们将不仅提供设计思路和代码实现，还会强调问题分析、调试方法以及性能评估。对于学生和初学者，我们将提供清晰的指导，帮助他们完成从零开始的项目。对于有经验的工程师，这些案例也将带来新的启发和思考。 结语 FPGA技术的发展日新月异，其应用领域也在不断拓展。本书旨在为读者提供一个全面、深入且实用的学习平台，帮助您掌握FPGA的设计精髓，领略硬件实现的艺术，并最终能够独立完成复杂的FPGA项目，成为新一代的硬件创新者。我们相信，通过本书的学习，您将能够自信地应对未来电子设计领域的各种挑战，并用FPGA的力量创造出无限可能。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和印刷质量简直让人眼前一亮，拿到手里就感觉物有所值。纸张厚实，色彩还原度很高，尤其是那些复杂的电路图和代码示例，细节清晰可见，一点都不含糊。这对于我们这些初学者来说太重要了，很多教程的图例模糊不清，看得人一头雾水，但这本教材在这方面做得非常到位。翻阅过程中，能明显感觉到编者在细节上的用心，每一个章节的逻辑结构都经过了精心设计，从基础概念的引入到高级应用的展开，过渡得非常自然流畅，让人很容易跟上思路。我特别喜欢它对一些关键概念的深入剖析，不是简单地罗列公式，而是结合实际应用场景进行讲解，比如并行处理和时序逻辑的设计，都有非常生动的例子。而且，随书附带的配套资源也相当丰富，光是那些设计案例的代码注释就非常详尽，对于快速上手项目开发提供了极大的便利。总的来说，这是一本在硬件呈现和内容组织上都堪称一流的教材，让人愿意花时间去细细品读和实践。

评分☆☆☆☆☆

我接触FPGA已经有一段时间了，尝试过不少市面上的教程，但说实话，很多都停留在理论的表面，或者例子过于陈旧，跟不上现在主流器件的发展。然而，这本教材给我的感觉完全不同，它仿佛带着你进入了Xilinx最前沿的技术世界。它不仅仅是一本“怎么做”的指南，更是一本“为什么这么做”的深度解读。作者显然对底层的硬件架构有着深刻的理解，他没有回避那些看似晦涩难懂的原理，而是用一种非常务实且富有洞察力的方式将其阐述清楚。比如，关于资源利用率优化和时序收敛的章节，我感觉像是上了一堂高阶专业课，那些以往在其他地方读不懂的“黑话”，在这里都变得通俗易懂，并且立刻能联系到实际项目中的瓶颈。这种层次感和专业深度，对于希望从“会用”迈向“精通”的工程师来说，无疑是雪中送炭。它强迫你去思考设计背后的工程权衡，而不是仅仅停留在仿真和综合的表面功夫上。

评分☆☆☆☆☆

这本书的实战性是它最吸引我的地方，完全摆脱了传统教材那种“纸上谈兵”的弊病。从第一个实验开始，它就引导读者使用最新的开发环境，每一个实验步骤都精确到具体的菜单点击和参数设置，毫无含糊之处。我按照教程的指引，亲手完成了一个小型图像处理模块的搭建，从HDL代码的编写、约束文件的设置，到最终的比特流生成和硬件调试，整个流程一气呵成。教程中穿插了大量“陷阱”提示，比如哪些操作容易导致时钟域交叉问题，哪些设计容易触发时序违例，这些都是过来人血泪积累的经验，对于新手避免走弯路太有价值了。更棒的是，它并没有把所有东西都打包好，而是留有一定的开放性，鼓励读者在完成基础实验后，尝试自己去修改参数、替换IP核，这种“牵着走”到“放手飞”的过渡设计，极大地激发了我的学习主动性。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事风格非常接地气，没有那种高高在上的学术腔调，读起来非常轻松，仿佛是一位经验丰富的前辈在身旁手把手指导。语言表达直接而精准，尤其是在解释那些复杂的时序分析报告（如Setup/Hold Time Violations）时，它会用一种非常形象的比喻来描述时钟信号的“赶路”过程，让我瞬间茅塞顿开。我尤其欣赏作者在讲解IP核集成和AXI总线通信协议时的处理方式，这些在实际项目中至关重要的部分，往往被其他教材一笔带过，但在这本书里却得到了详尽的展开，不仅讲解了接口规范，还深入到了握手机制的底层逻辑。对于我们这些需要快速将理论转化为生产力的技术人员来说，这种注重“工程实现细节”的讲解，比纯理论推导更有指导意义。

评分☆☆☆☆☆

从系统架构的角度来看，这本书的知识体系构建得非常完整和前瞻。它并非只关注某一个具体的语言特性或者工具操作，而是站在整个数字系统设计的层面，去讲解如何有效地组织一个大型项目。例如，它对模块化设计、层次化抽象的管理思想进行了深入的阐述，这些都是构建大型、可维护FPGA系统的基石。此外，书中对Xilinx生态系统中各个工具模块之间的协同工作流程，描述得非常清晰，这对于初次接触该平台的学习者至关重要，能有效避免因工具链不熟悉而产生的挫败感。总的来说，这本书为读者构建了一个稳固的、面向工业实践的知识框架，它不仅仅教会了我们使用工具，更教会了我们如何像一个专业的系统架构师那样去思考和设计。