FPGA晶片設計與專題製作(附範例光碟)(修訂版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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圖書標籤:

• FPGA
• 晶片設計
• 數字電路
• Verilog
• VHDL
• 可編程邏輯
• 電子設計
• EDA
• 開發闆
• 實例教程

　　本書內容包含LED或燈泡控製電路、指撥開關(DIP SWITCH)控製電路、七段顯示器控製電路、鍵盤控製電路、LCD顯示電路、紅綠燈與步進馬達控製電路等，而每章內容最少都有6個實習，每個實習皆經過驗證且無誤，讀者可透過這些實習對這方麵更熟悉。本書適用於科大電子、電機係高年級「FPGA係統設計實務」、「FPGA設計」之相關課程。

本書特色

　　1 . 有鑑於廣大讀者實務上的需要，本書作者繼『最新VHDL晶片設計』一書之後推齣這一本實際控製電路為主『FPGA晶片設計與專題製作』。

　　2 . 本書的實習結果都以照片顯示齣來，有利於學習。

　　3 . 本書的控製程式接附於光碟中，方便讀者使用。

FPGA芯片設計與實踐探索：麵嚮新一代電子係統的硬件加速與定製化解決方案 本書內容聚焦於現代電子係統設計中的核心技術——現場可編程門陣列（FPGA）的應用、高級設計方法、以及麵嚮特定領域的高效實現策略。 本書旨在為電子工程師、硬件描述語言（HDL）開發者以及相關專業的研究人員提供一套全麵且深入的實踐指南，用以掌握從概念到實現的全流程FPGA項目開發。全書內容緊密圍繞FPGA架構的底層機製、主流設計工具的使用、高級綜閤技術以及前沿應用領域展開，旨在培養讀者獨立解決復雜硬件問題的能力。 --- 第一部分：FPGA基礎架構與硬件描述語言（HDL）精要 本部分奠定瞭讀者理解和使用FPGA的基礎。我們首先深入剖析瞭FPGA芯片的內部結構，包括可配置邏輯塊（CLB/LAB）、布綫資源（Routing Resources）、分布式存儲器、鎖相環（PLL/DCM）以及高速收發器（Transceivers）的工作原理。理解這些底層單元如何協同工作，是實現高性能設計的關鍵。 隨後，本書對硬件描述語言（HDL）進行瞭詳盡的論述。重點不再是基礎語法迴顧，而是“可綜閤性設計”（Synthesizable Design）的規範和藝術。我們詳細講解瞭如何使用VHDL或Verilog/SystemVerilog編寫齣能夠被綜閤工具高效映射到目標FPGA資源的 RTL（寄存器傳輸級）代碼。這包括時序邏輯（Sequential Logic）的正確建模、組閤邏輯的優化、以及如何避免常見的“不可綜閤”結構（如異步復位、鎖存器濫用）。 時序約束的藝術： 平颱性能的最終決定因素在於時序。本書專門開闢章節講解瞭如何根據芯片數據手冊和設計需求，精確定義和應用靜態時序分析（STA）約束，包括輸入延遲（Input Delay）、輸齣延遲（Output Delay）、多周期路徑（Multi-Cycle Paths）和例外約束（Exceptions）。掌握這些，纔能確保設計在目標頻率下穩定運行。 第二部分：高效的FPGA設計流程與工具鏈掌握 成功的FPGA項目依賴於對完整設計流程的深刻理解和對專業工具的熟練操作。本部分詳細拆解瞭從RTL代碼輸入到最終比特流（Bitstream）生成的每一個步驟。 綜閤與布局布綫（Synthesis & P&R）： 我們探討瞭現代綜閤工具的優化算法，以及如何通過設計層次化（Hierarchy）和閤理的模塊劃分來輔助工具進行高效映射。布局布綫階段，本書側重於資源分配策略，包括如何指導工具使用特定的資源（如BRAMs、DSPs）以優化性能和資源利用率，以及如何處理關鍵路徑的延遲。 驗證的基石——仿真與形式驗證： 仿真不再僅僅是功能驗證的手段。本書強調高級仿真技術，如覆蓋率驅動的驗證（Coverage-Driven Verification） 和 事務級建模（TLM） 在加速驗證過程中的作用。同時，我們介紹瞭形式驗證（Formal Verification）的基礎概念，以及它在證明關鍵控製邏輯正確性方麵的無可替代的價值。 時序收斂的實戰策略： 麵對日益提高的工作頻率，時序收斂成為最大的挑戰。本章提供瞭大量的實戰技巧，例如：流水綫設計（Pipelining）的應用、時鍾域交叉（CDC）的同步機製（如使用異步FIFO和握手協議）、以及如何利用特定的時鍾管理單元（如MMCM/PLL）來生成復雜的多相時鍾。 第三部分：麵嚮性能與特性的高級設計專題 此部分深入探討瞭實現高性能和高集成度的關鍵技術，這些是區分普通設計與專業級應用的分水嶺。 高性能數據通路設計： 重點研究如何設計高吞吐量的數據處理管道。這包括並行化技術（Parallelism） 的應用、數據流架構（Dataflow Architectures） 的構建，以及如何利用FPGA片上豐富的DSP模塊進行高效的數學運算，例如FFT、FIR濾波器和矩陣運算的硬件加速實現。 內存管理與片上/片外交互： 內存帶寬是性能瓶頸的常見來源。本書詳細討論瞭如何高效利用FPGA內部的塊RAM（BRAM）、超邏輯RAM（UltraRAM）以及分布式RAM（LUTRAM）。此外，還包含瞭對外部存儲器接口（如DDR3/DDR4/HBM）的PHY層抽象和控製器設計原理的介紹，強調瞭數據對齊和突發傳輸的優化。 係統級集成與IP核復用： 現代FPGA項目高度依賴預先驗證好的IP核。本書涵蓋瞭標準接口（如AXI、PCIe）的理解與集成，講解瞭如何使用AXI互連結構將處理器子係統（如MicroBlaze/Nios II或ARM Cortex-A/R硬核）與自定義加速邏輯有效耦閤，構建異構計算平颱。 第四部分：前沿應用領域的係統實現案例分析 本部分將理論知識轉化為具體的係統級應用，展示FPGA在當前技術熱點中的實際部署。 實時數字信號處理（DSP）： 針對雷達、聲呐或通信基帶處理的需求，分析如何設計低延遲、高精度的硬件濾波器和調製解調器。重點在於算法到硬件的映射效率。 高性能計算（HPC）與加速器設計： 探討如何利用FPGA的並行特性加速機器學習推理（如CNN/RNN加速）、數據庫查詢或金融建模。這部分強調瞭數據流模型的構建，以及如何優化內核間的通信帶寬。 嵌入式視覺與圖像處理： 介紹如何利用FPGA實現高速圖像傳感器接口（如MIPI CSI-2），並構建實時的圖像預處理流水綫，包括去馬賽剋、色彩空間轉換和基礎的特徵提取算法。 低延遲網絡接口： 針對數據中心或專業交易係統，分析如何設計基於FPGA的SmartNIC，實現零拷貝（Zero-Copy）和內核旁路（Kernel Bypass）技術，以達到微秒級的延遲性能。 --- 總結而言，本書提供的是一個從“門”到“係統”的完整知識體係。它不局限於特定版本的工具或單一芯片係列，而是側重於指導讀者掌握底層原理、設計範式和驗證方法論，使讀者能夠快速適應不同廠商（如Xilinx/AMD或Intel/Altera）的平颱，並具備設計下一代定製化硬件加速係統的能力。

1章　LED 或燈泡控製電路
電路設計製作實例一1-3
電路設計製作實例二1-14
電路設計製作實例三1-20
電路設計製作實例四1-23
電路設計製作實例五1-29
電路設計製作實例六1-36
電路設計製作實例七1-43
電路設計製作實例八1-62

2章　指撥開關 DIP SWITCH 控製電路
電路設計製作實例一2-3
電路設計製作實例二2-8
電路設計製作實例三2-13
電路設計製作實例四2-19
電路設計製作實例五2-26
電路設計製作實例六2-31

3章　七段顯示器控製電路
電路設計製作實例一3-3
電路設計製作實例二3-14
電路設計製作實例三3-18
電路設計製作實例四3-33
電路設計製作實例五3-42
電路設計製作實例六3-49
電路設計製作實例七3-61
電路設計製作實例八3-78
電路設計製作實例九3-84
電路設計製作實例十3-96
電路設計製作實例十一3-104
電路設計製作實例十二3-111
電路設計製作實例十三3-119
電路設計製作實例十四3-127
電路設計製作實例十五3-132

4章　鍵盤控製電路
電路設計製作實例一4-3
電路設計製作實例二4-17
電路設計製作實例三4-27
電路設計製作實例四4-37
電路設計製作實例五4-48
電路設計製作實例六4-58

5章　LCD 顯示電路
電路設計製作實例一5-3
電路設計製作實例二5-32
電路設計製作實例三5-42
電路設計製作實例四5-49
電路設計製作實例五5-58
電路設計製作實例六5-72
電路設計製作實例七5-82
電路設計製作實例八5-93
電路設計製作實例九5-104

6章　紅綠燈與步進馬達控製電路
電路設計製作實例一6-3
電路設計製作實例二6-8
電路設計製作實例三6-14
電路設計製作實例四6-32
電路設計製作實例五6-47
電路設計製作實例六6-52
電路設計製作實例七6-68
電路設計製作實例八6-81
電路設計製作實例九6-93
電路設計製作實例十6-112

A　　各部門的控製電路
LED控製電路A-2
無段按鈕控製電路∕指撥開關DIP-SW INPUT控製電路A-3
掃描式七段顯示控製電路A-4
鍵盤控製電路A-5
液晶顯示模組LCM控製電路A-6
步進馬達與繼電器控製電路A-7 

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這次入手這本《FPGA晶片設計與專題製作(附範例光碟)(修訂版)》，主要的目的是想釐清一些過去在 FPGA 設計中遇到的瓶頸。我一直覺得，雖然我能寫齣 FPGA 的程式碼，也能讓它跑起來，但總是在效能和穩定性上，感覺還有很大的提升空間。這本書，恰恰就點齣瞭我這些痛點。作者在書中，特別強調瞭「高效能設計」的幾個關鍵原則，像是如何閤理使用 LUTs，如何避免組閤邏輯的過度延遲，如何有效地使用記憶體資源等等。這些內容，我之前也看過一些，但都沒有像這本書這樣，將其係統化，並通過具體的範例來演示。例如，書中針對「流水線設計」(pipelining) 的講解，我以前總覺得是個很玄的概念，但作者通過一個實際的影像濾波器專案，將流水線的原理、優點以及如何具體實施，都講得非常透徹。我跟著書中的範例，對我自己的專案進行瞭優化，效能確實有瞭顯著的提升。另外，書中關於「低功耗設計」的討論，也非常有價值。在現今的產品趨勢下，降低功耗已經成為瞭一個重要的考量。作者也提供瞭一些實用的技巧，例如如何通過時鐘門控、電源門控等方式來降低功耗，並在範例中有所體現。這對我來說，是全新的學習領域，也讓我對 FPGA 的設計有瞭更深層次的理解。這本書，絕對不隻是停留在「如何做」的層麵，更是深入到「為什麼要這樣做」以及「如何做得更好」的思考。

评分☆☆☆☆☆

身為一個在業界摸爬滾打多年的工程師，手邊的 FPGA 書籍櫃裡大概堆瞭有幾十本，從基礎入門到進階應用，林林總總。這次入手這本《FPGA晶片設計與專題製作(附範例光碟)(修訂版)》，其實是聽聞其在學界和業界的口碑一直不錯，想說趁著這次修訂版齣瞭，就來好好研究一下。一翻開，裡頭的內容紮實度就讓我驚豔。作者在講解 FPGA 的基本架構、邏輯元件、硬體描述語言 (HDL) 的部分，用詞精準，而且把一些比較抽象的概念，透過圖文並茂的方式深入淺齣地說明，這對新手來說絕對是一大福音。最重要的是，他沒有停留在理論的講解，而是緊接著就帶入瞭許多實際的應用案例，從簡單的 LED 閃爍、計數器，到進階的 UART 通訊、SPI 協定，甚至是一些常見的影像處理演算法的 FPGA 實現，都涵蓋在其中。特別是書中提供的範例光碟，裡麵有完整的程式碼和專案檔，這對於我們這些實務工作者來說，簡直是黃金。可以實際操作、修改、除錯，親手將書本上的知識轉化為可運行的功能，這種學習體驗是任何純理論的書籍都無法比擬的。我還特別留意瞭書中關於時序約束 (timing constraints) 的部分，這部分往往是 FPGA 設計中最容易踩雷的地方，作者的講解非常到位，從基礎概念到實際的約束寫法，都做瞭詳細的說明，並且提醒瞭許多常見的陷阱，這對於提升設計的穩定性和效能有著至關重要的作用。總體來說，這本書確實是一本值得推薦的 FPGA 設計入門與進階的實戰手冊，無論你是學生、初學者，還是有經驗的工程師，都能從中獲益良多。

评分☆☆☆☆☆

作為一個在大學裡教瞭多年 FPGA 課程的老師，我一直尋找一本能夠同時滿足課堂教學和學生課後練習的優質教材。這次看到《FPGA晶片設計與專題製作(附範例光碟)(修訂版)》，我立馬就感興趣瞭。第一眼掃過目錄，我就發現它涵蓋瞭 FPGA 設計的基礎知識、硬體描述語言、常用的週邊介麵，以及一些進階的應用，這正是我希望在課堂上教授的內容。最讓我欣喜的是，書中「專題製作」的部分，每一個專題都設計得非常巧妙，能夠讓學生在動手的過程中，逐步理解抽象的理論知識。例如，書中設計的「簡單的數位音訊處理器」專題，結閤瞭 A/D 轉換、濾波、D/A 轉換等概念，對於培養學生的係統思維非常有幫助。而範例光碟中的豐富資源，更是大大減輕瞭我們老師的負擔。學生可以很方便地獲取程式碼，並在自己的電腦上進行模擬和實現。這不僅提高瞭學生的學習興趣，也讓他們能夠更有效地鞏固課堂上學到的知識。我還特別留意到書中關於「軟體定義無線電 (SDR)」的部分，這是一個非常前沿的應用方嚮，作者能夠將其引入教材，足以見其對產業趨勢的敏銳洞察。這本書，不僅可以作為大學生的入門教材，對於研究生和從事 FPGA 相關工作的工程師，也是一本極具價值的參考書。它能夠幫助讀者建立起紮實的 FPGA 設計基礎，並培養解決實際問題的能力。

评分☆☆☆☆☆

我是在某次論壇上，看到有人推薦這本《FPGA晶片設計與專題製作(附範例光碟)(修訂版)》，說它對於準備 FPGA 相關職位的同學來說，是必備的參考書。於是，我便抱著試試看的心態買瞭下來。實際閱讀後，我發現這本書確實非常適閤學生族群。首先，它的語言風格比較親切，不會像一些學術性的書籍那樣，讓人讀起來感到枯燥乏味。作者在講解一些比較複雜的概念時，會用一些生動的比喻，或者從工程師的實際應用角度去闡述，讓人更容易理解。其次，書中提到的專題製作，每一個都非常貼近實際的應用場景，而且難度梯度設計得很好，從入門級別的簡單電路，到需要一定邏輯思維的進階專案，都涵蓋在內。我印象特別深刻的是，書中關於「嵌入式係統與 FPGA 的結閤」的章節。這部分在目前的產業需求中，是非常熱門的。作者講解瞭如何將 ARM 處理器與 FPGA 結閤，實現更強大的功能，這對我找工作非常有幫助。而且，範例光碟裡的程式碼，不僅完整，而且結構清晰，註釋也很詳細，可以直接拿來學習和修改。我嘗試著將書中的一個影像處理專案，修改成我自己想要實現的功能，發現非常容易上手，也學到瞭很多關於如何模組化設計和優化效能的技巧。總而言之，這本書不僅是一本教科書，更像是一個貼心的導師，能夠引導我們在 FPGA 的學習道路上，少走彎路，快速成長。

评分☆☆☆☆☆

這本書，我必須說，它真的讓我重新認識瞭 FPGA 這個領域。我一直覺得 FPGA 設計就是一些複雜的硬體語言和演算法的堆砌，但作者在這本書裡，卻將其描繪成瞭一種充滿藝術感的工程。書中對「專題製作」的側重，讓整本書的內容變得非常有條理且實用。他不是將各種零散的知識點丟給你，而是以一個個「專題」為主軸，引導你逐步深入。從一開始的簡單專案，到後續更複雜的專案，你會發現，每一個專案的設計思路、模組劃分、流程控製，作者都解釋得非常清晰。而且，書中的範例光碟，簡直是神助攻！我記得有一次，在做一個即時訊號處理的專案時，遇到瞭一個棘手的問題，自己研究瞭好久都不得其法。後來翻到書中相關的專題，照著範例光碟裡的程式碼去對比和學習，纔恍然大悟，原來是我在模組間的資料傳輸上，少考慮瞭一個關鍵的同步信號。這讓我深刻體會到，光有理論知識是不夠的，實際的程式碼範例和可運行的專案，纔是幫助我們真正掌握 FPGA 設計的關鍵。書中對於設計流程的講解，從需求分析、架構設計，到撰寫 HDL 程式碼、模擬、綜閤、佈局佈線，每一個環節都講得很細緻，而且都有實際的例子支持。特別是關於「驗證」的部分，作者強調瞭測試平颱 (testbench) 的重要性，並提供瞭許多撰寫高效測試平颱的技巧，這對我來說是非常寶貴的經驗。我想，這本書最大的價值，就在於它能夠幫助我們建立起一個完整、係統化的 FPGA 設計思維，而不是停留在零散的知識點學習。