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出版者:Wiley

作者:Pong P. Chu

出品人:

页数:782

译者:

出版时间:2012-5-8

价格:USD 130.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781118011034

丛书系列:

图书标签:

• verilog
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• capstone
• Nios II
• SoPC
• 嵌入式系统
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嵌入式系统设计与应用：基于FPGA与现代微处理器架构的实践指南 图书简介 本书旨在为希望深入理解和掌握现代嵌入式系统设计，特别是基于可编程逻辑器件（FPGA）与高性能微处理器核的工程师和高级学生提供一本全面、实用的技术参考与实践教程。本书聚焦于理论与实践的紧密结合，通过详尽的案例分析和步骤指导，帮助读者构建从底层硬件描述到复杂系统集成的全流程能力。 第一部分：嵌入式系统基础与FPGA设计流程 本部分首先回顾了嵌入式系统的基本架构、关键组成部分（处理器、存储器、外设）以及其在不同行业中的应用场景。随后，重点剖析了FPGA技术的核心原理，包括查找表（LUTs）、触发器、布线资源等基本单元的工作机制，以及如何有效地利用这些资源实现定制化硬件功能。 我们详细介绍了主流的FPGA设计流程，涵盖了从系统需求分析、硬件描述语言（HDL）编码（重点使用Verilog HDL），到综合、布局布线和时序仿真的完整步骤。特别地，本书深入探讨了静态时序分析（STA）的重要性，指导读者如何确保设计满足速度和资源约束，避免常见的时序违例问题。章节中包含丰富的Verilog代码实例，用于描述组合逻辑、同步时序电路以及状态机（FSM）的有效建模方法。 第二部分：现代处理器架构与定制化处理器的实现 理解高性能嵌入式系统的核心在于掌握处理器架构。本部分系统地介绍了RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）的基本区别，并深入分析了流水线技术、分支预测和缓存系统等提高处理器性能的关键技术。 本书的一个核心贡献在于对软核处理器的深入剖析。我们不仅介绍了主流商用处理器（如ARM Cortex-M系列）的架构特点，更侧重于如何利用FPGA的灵活性，设计、实例化和定制化自己的微处理器核心。这包括： 1. 基础五级流水线模型构建：从零开始设计一个包含取指、译码、执行、访存和写回阶段的简单RISC处理器骨架。 2. 定制指令集扩展（ISA Extension）：指导读者如何识别应用中的性能瓶颈，并通过在处理器数据通路中嵌入专用的硬件加速模块（如自定义乘加单元或DSP功能块）来扩展指令集，实现特定算法的高效执行。这部分内容详细阐述了指令格式的设计、控制逻辑的修改以及与处理器主干的接口规范。 3. 内存子系统设计：探讨如何设计和优化片上存储器（SRAM/Block RAM）的访问时序，并构建高效的缓存层次结构（指令缓存与数据缓存），分析一致性协议的基本概念。 第三部分：系统集成与片上总线通信 一个完整的嵌入式系统由处理器、内存和大量外设通过高效的总线结构互联而成。本部分专注于这一集成过程： 1. 片上总线协议详解：详细介绍了AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）协议族，特别是AXI（Advanced eXtensible Interface）协议的关键特性，如突发传输、读写分离、乱序事务处理等。我们将通过Verilog代码演示如何设计符合AXI协议的从设备（Slave）和主设备（Master）。 2. 定制外设的开发：提供了设计通用嵌入式外设的蓝图，例如通用异步收发器（UART）、定时器/计数器以及中断控制器。每种外设的设计都严格遵循了总线接口规范，确保其能够无缝接入处理器系统。 3. 直接内存访问（DMA）控制器：DMA是现代嵌入式系统实现高吞吐率I/O的关键。本书详细讲解了DMA的工作模式、仲裁机制以及如何编程DMA控制器以高效地在内存和外设之间传输数据，从而解放CPU进行更复杂的任务处理。 第四部分：固件开发与软硬件协同验证 硬件的实现只是成功的一半，软件的适配和优化同样至关重要。本部分将视角转向软件层面，但始终强调软硬件协同设计： 1. 工具链的建立：指导读者如何设置跨编译环境（Cross-Compiling Toolchain，如GCC for RISC-V或特定目标架构），以及如何使用汇编器和链接器来生成适用于定制硬件平台的启动代码。 2. 启动代码与操作系统：分析嵌入式系统启动过程中的关键步骤（如初始化堆栈、设置中断向量表）。对于需要更高抽象级的系统，本书简要概述了实时操作系统（RTOS）的基本概念及其与定制硬件驱动的交互方式。 3. 驱动程序设计：重点讲解如何编写与定制外设交互的C语言驱动程序。这要求开发者精确理解寄存器映射、位域操作以及中断服务程序（ISR）的编写规范，确保软件能够正确控制硬件资源。 4. 系统级验证与调试：介绍了硬件仿真（如使用ModelSim/QuestaSim）和软件调试技术。特别地，本书探讨了在系统级进行联合仿真（Co-simulation）的方法，即将生成的硬件描述文件与固件代码一同运行，以验证整个系统功能的正确性。 目标读者 本书适用于电子工程、计算机工程、微电子学等专业的本科高年级学生、研究生，以及希望从传统微控制器转向基于FPGA和SoC（System-on-Chip）架构的嵌入式系统工程师。阅读本书前，读者应具备基础的数字逻辑设计知识和C/C++编程能力，并对Verilog HDL有初步了解。通过本书的学习，读者将能够独立完成从系统架构定义到功能验证的复杂嵌入式项目。

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这本书的开篇给我一种“知己知彼”的感觉，书名《Embedded SoPC Design with Nios II Processor and Verilog Examples》就如同一张地图，精准地指出了通往嵌入式SoPC设计殿堂的道路，而Nios II处理器和Verilog示例则是这趟旅程中的关键交通工具和导航工具。作为一名在嵌入式领域深耕多年的技术人员，我深知软硬件协同设计的重要性，特别是在需要高度定制化和性能优化的应用场景下。SoPC正是实现这种协同的理想途径，而Nios II处理器，作为业界广泛应用的软核，无疑是开启SoPC大门的钥匙。我尤其看重书中“Verilog Examples”这一部分，在我看来，这是理论与实践的桥梁，是检验学习成果的试金石。我希望书中提供的Verilog示例能够覆盖SoPC设计中的关键环节，例如如何构建一个基础的Nios II系统，如何添加和配置各种标准IP核（如UART、Timer、SPI、I2C），以及如何设计和集成自定义的硬件加速模块。此外，我也期待书中能够深入讲解Nios II处理器与FPGA逻辑之间的接口设计，包括数据通路、控制信号以及中断机制。对于一个完整的SoPC项目，软件开发也是必不可少的一部分。我希望书中能够提供一些关于如何在Nios II平台上进行嵌入式软件开发的指导，包括如何使用C/C++语言编写应用程序，如何进行驱动程序的开发，以及如何进行系统的联调联测。这本书能否真正做到理论与实践相结合，提供一套行之有效的SoPC设计方法论，将是我衡量其价值的重要标准。如果这本书能够让我清晰地看到从需求分析到最终产品实现的整个SoPC设计流程，那将是一次非常有价值的学习体验。

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这本书名《Embedded SoPC Design with Nios II Processor and Verilog Examples》让我一眼就看到了它的价值所在。作为一个在嵌入式领域探索多年的工程师，我深知将强大的处理能力与灵活的硬件定制能力相结合的重要性，而SoPC正是这一理念的完美体现。Nios II处理器，作为业界的佼佼者，其强大的功能和广泛的应用，让我对其充满研究的兴趣。我希望这本书能够系统地介绍Nios II处理器的设计原理，从其内部的指令集架构到流水线设计，再到与FPGA的集成方式。但最让我心动的是“Verilog Examples”这一部分，在我看来，这是将理论知识转化为实际技能的关键。我期待书中能够提供大量高质量的Verilog示例代码，这些示例能够覆盖SoPC设计中的各个方面。例如，我希望看到书中如何构建一个完整的Nios II系统，如何添加和配置各种标准的外设接口（如UART、SPI、I2C、Ethernet），以及如何设计和集成自定义的硬件加速模块。在我过往的项目中，经常会遇到需要优化数据通路和提高处理速度的情况，因此，我非常期待书中能够提供一些关于如何利用Verilog实现高效数据处理，以及如何与Nios II处理器进行有效协同的技巧。这本书能否成为我深入理解SoPC设计，并将其应用于复杂工程项目的重要指导，是我非常关注的。

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初次接触到这本书，我对其内容便充满了期待。书名《Embedded SoPC Design with Nios II Processor and Verilog Examples》清晰地勾勒出了它所要覆盖的知识体系：嵌入式SoPC设计，以Nios II处理器为核心，并辅以Verilog示例。作为一名在嵌入式领域辛勤耕耘的开发者，我曾多次在项目中遇到需要将高性能计算与灵活硬件配置相结合的场景，而SoPC正是解决这类问题的利器。Nios II处理器，作为业界公认的优秀软核，其强大的功能和良好的生态系统，让我对其充满了研究的兴趣。我希望这本书能够系统地介绍Nios II处理器的方方面面，从其基础的指令集架构，到复杂的流水线和缓存机制。更重要的是，我期待书中能够提供大量高质量的Verilog示例代码。这些示例不仅仅是理论的复述，而是能够实际应用到项目中的“拿来即用”的代码。例如，我希望能够看到如何使用Verilog实现与Nios II兼容的各种标准接口，如GPIO、UART、SPI、I2C，以及更高级的存储控制器和网络接口。此外，我也对书中关于如何构建一个完整的SoPC项目流程的讲解非常感兴趣。从系统规划、IP核选择、总线连接，到软件开发和调试，我希望这本书能够提供一个清晰、完整的指导。尤其是在实际项目中，如何进行性能优化和功耗管理，常常是设计中的难点。我希望这本书能够提供一些针对性的建议和技巧。这本书能否成为我提升SoPC设计能力，解决实际工程挑战的宝贵资源，是我非常期待的。

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这本书的书名《Embedded SoPC Design with Nios II Processor and Verilog Examples》直接击中了我作为一名嵌入式工程师的痛点。我长期以来都在探索如何更高效地利用FPGA的灵活性来构建高性能的嵌入式系统，而SoPC的设计正是实现这一目标的绝佳途径。Nios II处理器，作为一个成熟且广泛应用的软核，是我在项目中经常考虑的选项。我对这本书的期待，在于它能否提供一套系统性的SoPC设计方法论，并以Verilog示例的形式展现出来。我希望书中能够深入剖析Nios II处理器的内部工作原理，包括其指令集架构、流水线设计、中断机制以及内存管理。更重要的是，我期待书中能够提供大量实用的Verilog示例，这些示例应该能够覆盖SoPC设计中的关键环节。例如，我希望看到书中关于如何构建一个基础的Nios II系统，如何添加和配置各种标准IP核（如UART、SPI、I2C、GPIO），以及如何设计和集成自定义的硬件加速模块。在我看来，好的示例代码不仅是理论的印证，更是实践的指导。我希望这些示例能够清晰地展示硬件与软件的协同工作方式，例如如何利用C语言编写驱动程序来控制Verilog实现的硬件模块，以及如何进行系统的联合调试。此外，我也非常关注书中关于SoPC系统性能优化和功耗管理方面的讨论。这本书能否成为我提升SoPC设计能力，解决复杂工程问题的强大助推器，是我非常期待的。

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拿到这本书，我首先被其书名《Embedded SoPC Design with Nios II Processor and Verilog Examples》所吸引。作为一个在嵌入式系统领域工作多年的工程师，我深知SoPC（System-on-a-Programmable-Chip）设计的精髓在于软硬件的深度融合，而Nios II处理器无疑是实现这一融合的强大工具。我对这本书的期待，不仅仅是停留在理论层面，更在于它能否提供切实可行的实践指导。我希望书中能够详细阐述Nios II处理器的内部架构，包括其指令集、流水线、中断控制器以及内存接口。更重要的是，我期盼书中能够提供丰富的Verilog示例。这些示例不仅仅是简单的代码片段，而是能够展示如何构建一个完整的SoPC系统，包括如何添加和配置各种标准IP核，如UART、SPI、I2C、Timer，以及如何设计和集成自定义的硬件加速模块。例如，我希望看到书中关于如何利用Verilog实现高效的数据通路，如何进行中断向量表的构建，以及如何处理不同时钟域之间的同步问题。在我看来，一个优秀的SoPC设计书籍，应该能够帮助读者理解硬件和软件之间的交互机制，以及如何有效地进行调试和优化。我希望这本书能够提供一些关于SoPC系统调试的实用技巧，例如如何使用逻辑分析仪来查看信号，如何进行软件仿真，以及如何进行硬件在线调试。这本书能否成为我深入理解SoPC设计，并将其应用到实际项目中的重要参考，是我非常期待的。

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我拿到这本书时，首先吸引我的是其内容定位。《Embedded SoPC Design with Nios II Processor and Verilog Examples》这个书名，准确地描述了它所涵盖的核心技术：嵌入式SoPC设计，以Nios II处理器为基础，并通过Verilog示例进行讲解。作为一名对硬件设计和嵌入式系统都有浓厚兴趣的开发者，我一直渴望能够深入理解SoPC的构建过程。Nios II处理器，作为Altera（现Intel）推出的成熟软核，其在资源效率和灵活性方面给我留下了深刻印象。我对这本书的期待，在于它能否提供一个从概念到实践的完整流程。我希望书中能够详细介绍Nios II处理器的架构细节，例如其指令集、流水线、缓存策略以及与外部世界的接口。但更重要的是，我非常看重书中“Verilog Examples”所代表的实践价值。我期望这些示例能够覆盖SoPC设计中的关键环节，比如如何构建一个基础的Nios II系统，如何添加和配置常见的I/O接口（如GPIO、UART、SPI、I2C），以及如何设计和集成自定义的硬件加速器。在我看来，好的Verilog示例不仅仅是代码的罗列，而是能够清晰地展示设计思路、实现细节以及与Nios II的交互方式。例如，我希望看到书中能够提供关于如何利用Verilog实现高效数据通路，如何进行中断处理，以及如何进行时钟域转换的示例。这本书能否帮助我掌握一套行之有效的SoPC设计方法论，并为我提供解决实际工程问题的灵感，是我非常期待的。

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我拿到这本书时，就被其厚重的篇幅和专业的书名所吸引。书名《Embedded SoPC Design with Nios II Processor and Verilog Examples》明确地标示了其技术核心，这正是我目前工作和学习中最迫切需要的内容。作为一名有一定FPGA开发经验的工程师，我深知将处理器集成到FPGA中构建SoPC的强大之处。Nios II处理器，作为Altera（现Intel）推出的主流软核，其灵活性和可配置性在许多项目中都表现出色。我对这本书的期待，首先在于它能否深入浅出地讲解Nios II处理器的架构原理。我希望它能详细阐述Nios II的指令集、流水线设计、中断处理机制以及内存管理单元等核心组成部分。同时，我也非常期待书中提供的Verilog示例。在我看来，这些示例代码是理解复杂概念的最佳途径。我希望这些示例能够涵盖从构建一个简单的Nios II系统，到集成各种标准外设（如UART、SPI、I2C、Ethernet MAC），再到实现自定义硬件加速模块的完整过程。更重要的是，我希望这些示例能够清晰地展示硬件与软件的协同工作方式，例如如何通过Verilog编写接口模块，以及如何利用C语言编写驱动程序来控制这些硬件。在我以往的项目中，经常会遇到在FPGA中实现高性能数据通路的需求，因此，我非常希望这本书能够提供一些关于如何利用Nios II处理器与自定义Verilog模块进行高效交互的技巧和方法。例如，如何设计高效的Axi总线接口，或者如何利用DMA技术来优化数据传输。这本书能否成为我解决实际SoPC设计问题的得力助手，是我非常关注的。

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这本书的封面设计给我的第一印象是专业而沉稳，书名《Embedded SoPC Design with Nios II Processor and Verilog Examples》直接点明了主题，让我对它所涵盖的技术栈有了清晰的预期。我本身是从事嵌入式系统开发的，在工作中接触过不少FPGA项目，对于SoPC（System-on-a-Programmable-Chip）的概念并不陌生，也了解Nios II作为Altera（现Intel）推出的软核处理器在业界有着广泛的应用，特别是在一些资源受限但需要一定处理能力的嵌入式场景中。我尤其看重这种结合了硬件描述语言（Verilog）和软核处理器设计的书籍，因为它触及到了嵌入式开发中最核心、最前沿的部分。在实际工作中，我们常常需要在CPU和FPGA之间进行高效的协同设计，而SoPC正是实现这种协同的理想框架。我希望这本书能够深入剖析Nios II架构的细节，包括其指令集、流水线设计，以及如何通过Verilog来实现定制化的外设和接口。同时，书中提供的Verilog示例代码，是我最期待的部分。好的示例代码不仅能够帮助我理解理论知识，更能提供实际操作的指导，让我能够快速上手，将书中的概念转化为实际的项目。例如，我希望书中能包含一些关于内存控制器、中断控制器、GPIO接口、UART、SPI、I2C等常见外设的Verilog实现，并且能够详细讲解这些外设如何与Nios II处理器进行集成和通信。此外，我也期待书中能够介绍一些SoPC设计的最佳实践，例如如何进行性能优化、功耗管理，以及如何有效地进行调试和测试。对于我这样的读者来说，能够掌握一套行之有效的SoPC设计方法论，远比仅仅了解几个零散的技术点更为重要。这本书能否在这个方面给我带来启发，是我非常关注的。

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当我看到这本书的书名《Embedded SoPC Design with Nios II Processor and Verilog Examples》时，内心便涌起一股强烈的学习冲动。作为一名在嵌入式开发领域摸爬滚打多年的工程师，我深知软硬件协同设计的关键性，尤其是在需要高度定制化和性能优化的应用场景下。SoPC（System-on-a-Programmable-Chip）正是实现这种协同的理想框架，而Nios II处理器，作为业界广泛应用的软核，无疑是开启SoPC大门的钥匙。我非常期待书中能够提供深入的Nios II处理器架构解析，包括其指令集、流水线、中断处理机制以及与FPGA逻辑的接口设计。但最让我兴奋的是“Verilog Examples”这一部分，在我看来，这才是真正将理论知识转化为实践能力的基石。我希望书中提供的Verilog示例能够覆盖SoPC设计中的各个方面，从最基础的Nios II系统构建，到添加和配置各种标准IP核（如UART、SPI、I2C、Ethernet MAC），再到实现自定义硬件加速器。例如，我希望看到书中能够详细讲解如何使用Verilog设计高效的数据通路，如何实现与Nios II的AXI总线接口，以及如何进行中断的优先级管理。在我以往的项目中，软件与硬件的协同调试常常是一个挑战，因此，我非常期待书中能够提供一些关于SoPC系统调试的实用技巧和方法，包括如何利用仿真工具、逻辑分析仪以及软件调试器进行问题排查。这本书能否成为我深入理解SoPC设计，并将其成功应用于实际项目的重要参考，是我非常关注的。

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当我翻开这本书，首先映入眼帘的是其清晰的章节结构和循序渐进的知识点安排。书名中“ Embedded SoPC Design”和“Nios II Processor”的组合，预示着它将带领读者进入一个高度集成的嵌入式开发领域。作为一名在嵌入式领域摸爬滚打多年的工程师，我对SoPC的理解经历了从最初的陌生到后来的深入探索。我曾参与过多个使用FPGA实现特定功能的项目，但真正将软核处理器与FPGA逻辑紧密结合，构建一个完整的SoPC系统，是我一直以来渴望深入学习的方向。Nios II，作为一个成熟且强大的软核处理器，在我看来，是实现这一目标的关键。我对书中关于Nios II的讲解内容充满了好奇，特别是它在资源利用率、性能表现以及可配置性方面的优势。我希望书中能够详细介绍Nios II的各个版本，以及它们在不同应用场景下的适用性。同时，我也期待书中能够深入剖析Nios II的内部架构，包括其流水线、缓存机制、以及指令集架构。更重要的是，我希望书中能够提供丰富的Verilog示例，这些示例不仅仅是简单的代码片段，而是能够展示如何构建一个完整的SoPC系统，包括如何将Nios II处理器集成到FPGA中，如何设计和添加自定义的IP核，以及如何进行软件和硬件的协同开发。例如，我希望能看到书中关于如何使用Altera的Quartus II软件进行SoPC设计、综合、布局布线以及仿真的详细步骤。另外，对于嵌入式系统而言，调试和测试是至关重要的一环。我非常希望书中能够提供一些关于SoPC系统调试的实用技巧和方法，包括如何使用硬件仿真器、逻辑分析仪以及软件调试器。这本书能否为我提供这样一套系统性的学习路径，是我非常期待的。

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