复杂可编程逻辑器件与应用设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:中国矿业大学出版社

作者:付慧生

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1900-01-01

价格:28.0

装帧:平装

isbn号码:9787810706100

丛书系列:

图书标签:

• CPLD
• FPGA
• 数字逻辑设计
• 可编程逻辑器件
• 硬件描述语言
• VHDL
• Verilog
• 数字电路
• 电子工程
• 嵌入式系统

数字电路设计与系统实现：现代电子工程实践指南 图书简介 本书聚焦于现代数字电子系统的核心——可编程逻辑器件（PLD）的原理、设计方法与实际应用。本书旨在为电子工程、计算机科学与自动化领域的学生、工程师及技术研究人员提供一套全面、深入且注重实践的知识体系，使其能够熟练掌握从底层硬件描述到复杂系统集成的全过程。 第一部分：基础理论与器件原理 本部分为后续高级设计奠定坚实的理论基础。 第一章：数字逻辑基础回顾与先进概念 本章首先对布尔代数、逻辑门、组合逻辑电路（如译码器、多路复用器、加法器）和时序逻辑电路（如触发器、寄存器、有限状态机FSM）进行系统性的回顾与巩固。重点在于引入“毛刺（Glitch）”分析、竞争冒险（Race Condition）的识别与消除，以及同步电路设计中的时序约束概念。同时，深入探讨了CMOS器件的非理想特性，如阈值电压波动、扇入扇出对延迟的影响，为理解FPGA内部单元的实际性能打下基础。 第二章：可编程逻辑器件的演进与结构 本章详细剖析了PLD家族的演变历程，从早期的可编程只读存储器（PROM）、现场可编程逻辑阵列（FPLA）到经典的简单可编程逻辑器件（SPLD，如PAL/GAL）。随后，重点转向复杂可编程逻辑器件（CPLD）的架构。我们将详细解析CPLD内部的宏单元（Macrocell）结构，包括其可编程逻辑阵列、乘积项（AND-OR）结构、寄存器、以及反馈路径的配置方式。此外，对比分析了CPLD与SRAM型FPGA在架构、非易失性、逻辑密度和设计流程上的核心区别。 第三章：现场可编程门阵列（FPGA）核心架构深度解析 这是本书关于器件结构的重中之重。本章全面揭示了主流FPGA（如Xilinx 7系列或Intel Stratix系列）的内部组织单元。详细阐述了可配置逻辑块（CLB/Logic Array Block, LAB）的内部构成，包括查找表（LUT）的工作原理、不同比特宽LUT的实现机制、以及如何通过配置表实现灵活的组合逻辑和少量寄存功能。 第四章：I/O接口与时钟管理单元 现代系统设计对输入/输出（I/O）和时钟的控制要求极高。本章专门讲解了FPGA的高速I/O标准，如LVCMOS、LVDS、PCIe等，并分析了它们对阻抗匹配和信号完整性的要求。重点介绍高性能时钟管理单元（Clock Management Tile, CMT/PLL/MMCM）的内部结构，包括频率综合、相位偏移（Phase Shifting）、时钟域交叉（CDC）的基本原理与在PLL内部的实现机制。 第二章与第三部分：硬件描述语言与设计方法学 本书强调使用现代硬件描述语言（HDL）进行高效设计。 第五章：VHDL与Verilog的结构化设计 本章不仅仅是语法教学，更侧重于“硬件思维”的培养。我们将对比VHDL和Verilog的特性，并深入讲解如何使用这些语言正确地描述并发（`always`/`process`块）与顺序逻辑。细致区分`reg`与`wire`（或`signal`与`variable`）在仿真与综合中的本质区别，强调组合逻辑的无锁存器（Latch-free）设计原则，以及如何使用正确的结构化语句（如`if-else`或`case`）来指导综合工具生成期望的硬件结构（如加法器、优先编码器）。 第六章：高级结构化建模与层次化设计 系统设计必须依赖模块化。本章讲解如何通过实体（Entity）和结构体（Architecture）或模块（Module）实现功能封装。探讨层次化设计的重要性，包括顶层实例化、总线接口的抽象建模。特别引入了“设计约束”的概念，如输入输出延迟（Timing Constraints）的书写，这是保证系统在特定频率下正确运行的关键步骤。 第七章：综合、映射与布局布线流程详解 本书将设计流程可视化。详细解析HDL代码如何经过“综合（Synthesis）”转换成门级网表（Netlist），并解释综合器如何优化逻辑、推断常用模块（如推断乘法器、计数器）。随后，深入讲解“映射（Mapping）”到目标器件的LUT和触发器上，以及“布局布线（Place & Route）”过程如何优化时序路径、减少线延迟，并最终生成可烧录的比特流文件。 第三部分：系统设计与应用实践 本部分将理论知识应用于实际的系统级项目。 第八章：同步与异步通信接口设计 本章专注于I/O接口的实现。详细设计异步串行通信接口（如UART），包括波特率的精确生成与对齐。接着，深入探讨同步通信协议，如SPI和I2C的总线仲裁、主从模式的控制逻辑实现。为解决速度差异，引入了先进的握手协议（Handshaking）设计方法，确保数据传输的可靠性。 第九章：高性能数据通路与流水线技术 在高速系统中，性能瓶颈往往出现在数据通路。本章介绍如何利用FPGA并行性设计高速运算单元，如并行乘法器阵列。重点剖析流水线（Pipelining）技术在提升系统吞吐量（Throughput）中的应用，包括如何通过插入寄存器平衡流水线各级延迟，以及如何处理流水线清空（Flushing）和分支预测对性能的影响。 第十章：有限状态机（FSM）的高级设计与验证 FSM是控制逻辑的核心。本章不仅讲解Mealy和Moore模型的差异，更强调如何使用两段式FSM（One-Hot或Two-Stage Encoding）来避免组合逻辑路径过长导致的毛刺和时序违规。此外，本章包含了基于HDL的FSM自顶向下设计流程，并强调使用仿真工具（如ModelSim/QuestaSim）进行完备的功能仿真和时序仿真验证，确保状态转移的正确性。 第十一章：存储器接口与内存控制器设计 现代系统离不开片外存储器。本章讲解如何设计SRAM和SDRAM的控制器接口。重点分析SDRAM（如DDR3/DDR4）的时序图，包括激活（RAS）、预充电（PRE）、读写（CAS）操作的时序要求。书中将提供一个简化的、基于状态机的DRAM读写时序控制器代码示例，并讨论如何处理地址/数据总线上的复用问题。 第十二章：系统级集成与调试策略 本书最后一部分关注工程实践。讲解如何将多个IP核（如处理器、定时器、通信模块）集成到一个大的系统框架中，重点讨论片上总线结构（如Wishbone或AXI Lite的简化版）的实现。最后，介绍使用JTAG接口进行在线调试、逻辑分析仪（ILA/ChipScope）的使用，以及如何通过时序报告来诊断和修复设计中的关键路径问题。 本书内容组织逻辑严密，从器件底层原理到高级系统集成，覆盖了数字系统设计实践中的核心环节，理论与代码实例紧密结合，是工程人员提升实践能力的宝贵参考书。

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这本书的语言风格可以说是独树一帜，它既有学术论文的精确性，又保持了技术交流的流畅性，读起来完全没有那种传统教材的佶屈聱牙。作者似乎深谙不同背景读者的需求，在关键概念的引入时，会采用更加形象的比喻或类比，让初学者也能迅速捕捉到核心要义。而对于那些资深人士，书中又保留了足够多的专业术语和精确的数学推导，确保了技术细节的严谨性。我个人尤其喜欢作者在章节末尾设置的“拓展阅读与思考”部分，它总能激发我进一步去探索相关领域或对现有设计思路进行反思。这种鼓励批判性思维的设计，远比单向的知识灌输要高明得多，它将阅读者从被动的接受者，转变为主动的探索者，让学习过程充满了主动性和乐趣。

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初次捧读这本厚重的书卷，我的第一印象是它那近乎百科全书式的广博性。内容似乎覆盖了一个领域从基础理论到前沿实践的方方面面，其知识的深度和广度让人惊叹。随便翻开任何一章，都能感受到作者在知识体系构建上的深思熟虑，逻辑链条衔接得天衣无缝，仿佛一步步引导着读者构建起一个完整的认知框架。尤其是一些涉及到底层原理的论述，作者的处理方式非常透彻，没有那种为讲解而讲解的浮于表面，而是深入挖掘了事物背后的根本驱动力，使得原本晦涩的概念变得清晰可辨。对于一个渴望系统性提升技术功底的人来说，这本书无疑提供了一个坚实而全面的学习蓝图，它不仅仅是教你“怎么做”，更重要的是让你明白“为什么这样做”。这种由浅入深、层层递进的叙事节奏，非常适合需要扎实理论基础的进阶学习者。

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这本书的封面设计着实抓人眼球，那种深沉的蓝色调配上未来感的电路图纹理，一下就把读者的思绪拉到了数字世界的深处。我尤其喜欢它那种低调却又不失专业的气质，不像有些技术书籍那样堆砌花哨的色彩，而是用最直观的视觉语言传递出内容的严谨性。装帧质量也挺让人放心的，纸张的触感细腻，即便是长时间翻阅也不会感到疲劳。打开扉页，清晰的排版立刻展现出编者对细节的极致追求，从字体选择到段落间距的把控，都体现出一种匠人精神。这不仅仅是一本工具书，更像是一件精心打磨的工艺品，让人在学习知识的同时，也能享受到阅读的愉悦感。这种对实体阅读体验的重视，在当下这个快节奏的时代显得尤为珍贵，它让人愿意放慢脚步，沉浸其中，去细细品味每一个知识点带来的逻辑美感。

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这本书的章节编排实在太妙了，它巧妙地平衡了理论的抽象性与应用的实操性。我发现作者在介绍完核心概念后，总能紧接着给出精心设计的案例分析，这种学思结合的方式极大地增强了知识的可迁移性。比如，在阐述某个复杂算法时，书中会立刻展现出该算法在实际项目中的具体落地场景和调试心得，这些“实战经验”的融入，简直是给枯燥的学习过程注入了一剂强心针。我特别欣赏其中对常见设计误区的警示环节，这些内容往往是教科书会略去，但却是工程师在实际工作中耗费大量时间去试错的经验教训。读起来，感觉就像有一位经验丰富的前辈，坐在身边，一边讲解理论，一边提醒你“这里容易出错，要注意”。这种亦师亦友的写作风格，让学习过程充满了代入感和亲切感，大大降低了技术钻研的门槛。

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从工具书的角度来看，这本书的索引和术语表部分简直是业界良心。当我需要快速查找某个特定参数或函数定义时，那清晰的页码定位和详尽的解释，能让我毫不费力地找到目标信息，极大地提高了工作效率。内容中的图表绘制水平也值得称赞，那些系统架构图和时序图，不仅线条清晰、逻辑分明，而且色彩运用得当，即便是复杂的多层次结构，也能一目了然。这表明编纂团队在图文整合方面投入了巨大的精力，深知“一张图胜过千言万语”的道理。总而言之，这是一部集大成之作，它不仅仅是一份知识的载体，更像是为行业从业者精心准备的一套高效能工具箱，让人在使用中感受到的是效率的提升和对设计领域更深层次的掌控感。

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