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出版者:高等教育

作者:廖超平 编

出品人:

页数:291

译者:

出版时间:2007-6

价格:28.50元

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isbn号码:9787040217162

丛书系列:

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• 电子工程
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数字系统设计与实现：基于FPGA的高效实践指南 书籍简介 本书深入探讨了现代数字系统设计与实现的核心技术，聚焦于如何利用现场可编程门阵列（FPGA）这一强大的硬件平台，高效地完成从概念设计到实际部署的全过程。本书旨在为电子工程、计算机科学以及相关领域的学习者和工程师提供一套系统、前沿且高度实用的技术指导，使读者能够熟练掌握主流硬件描述语言（如Verilog）在复杂系统设计中的应用，并掌握先进的综合与布局布线流程。 第一部分：数字逻辑基础与硬件描述语言的精进 本部分从夯实基础入手，对组合逻辑和时序逻辑进行了深入回顾，重点强调了在硬件描述语言（HDL）中如何精确地建模这些逻辑电路。 1.1 现代数字设计范式概述： 介绍数字设计的发展历程，对比ASIC与FPGA的设计优势与局限性。详细阐述了基于结构化、行为化描述的现代设计方法论，强调模块化、层次化设计的重要性。 1.2 Verilog HDL的深度解析： 区别于基础教程的简单语法罗列，本书将重点放在Verilog在硬件实现层面的语义理解上。深入剖析`always`块的敏感列表在综合过程中的作用，讲解如何正确使用`reg`和`wire`来映射到实际的寄存器和连线资源。特别辟出一章专门探讨并发与顺序执行在硬件描述中的本质区别，指导读者如何避免产生非预期的锁存器（Latch）或时序竞争（Race Condition）。 1.3 时序逻辑的高级建模： 详细讲解同步电路（寄存器、计数器、有限状态机FSM）的设计。对于FSM，本书采用Mealy型和Moore型的详细对比分析，并引入三段式FSM（状态寄存器、组合逻辑译码器、输出逻辑）作为最佳实践范例，确保设计的鲁棒性和可综合性。同时，对异步复位与同步复位的选择、上锁（Lock-up）时间的考虑进行严格论证。 1.4 结构化模块的构建与接口规范： 强调模块化带来的可维护性。读者将学习如何设计具有清晰输入输出接口的标准IP核，包括总线仲裁模块、FIFO（先进先出存储器）接口的建立与握手协议实现。 第二部分：FPGA架构与资源利用优化 理解目标硬件的物理特性是高效设计的关键。本部分将揭示FPGA的内部构造，并教授读者如何最大化利用这些资源。 2.1 FPGA芯片的内部结构剖析： 详细介绍主流FPGA芯片（如Xilinx 7系列或Intel Cyclone系列）的核心组件：查找表（LUT）、触发器（Flip-Flop）、块RAM（BRAM）、分布式RAM（DRAM）、数字信号处理单元（DSP Slice）以及时钟管理单元（PLL/MMCM）。重点讲解LUT如何实现任意组合逻辑，以及其输入数量对资源消耗和延迟的影响。 2.2 时钟域交叉（CDC）与同步机制： 鉴于多时钟系统在复杂设计中的普遍性，本章深入讲解时钟域交叉处理的必要性。系统性介绍异步FIFO的设计原理，包括双端口RAM的使用、读写指针的格雷码转换机制，以及跨时钟域信号的握手协议设计。 2.3 内存资源的高效配置： 讲解BRAM的独有特性，如单端口、双端口、真双端口模式。指导读者如何根据数据访问模式（如乒乓缓冲、流水线缓冲）来正确实例化BRAM，避免逻辑资源被不当地用于实现内存功能。 2.4 约束文件（XDC/SDC）的艺术： 约束是连接设计代码与物理实现之间的桥梁。本书详述如何编写准确的时序约束，包括输入/输出延迟（set_input_delay/set_output_delay）、系统时钟定义（create_clock）以及时钟的不确定性定义。通过实例演示，说明错误的约束如何导致时序违例，以及如何通过约束来指导布局布线工具优化关键路径。 第三部分：系统级验证与性能调优 高质量的数字系统设计离不开严格的验证和持续的性能优化。 3.1 仿真与调试环境的搭建： 介绍使用行业标准仿真工具（如ModelSim/QuestaSim或Vivado Simulator）进行功能验证的流程。重点讲解测试平台（Testbench）的设计，如何生成激励信号、监控内部信号，并实现自动化的Pass/Fail测试机制。 3.2 形式验证基础： 简要介绍形式验证（Formal Verification）的概念，说明它如何通过数学证明来验证设计的正确性，作为模拟仿真的有力补充。 3.3 时序分析（STA）的深度解读： 详解静态时序分析（STA）报告的阅读方法。读者将学会识别建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）违例的根源，并掌握通过代码优化（如流水线插入、数据通路重构）和约束调整来消除违例的实用技巧。 3.4 性能优化策略： 讨论如何通过流水线化（Pipelining）来提高系统的吞吐量（Throughput），即牺牲单个操作的延迟来换取更高的时钟频率。对于迭代密集型运算，介绍如何利用FPGA的并行性实现循环展开（Loop Unrolling）。 第四部分：高级接口与系统集成 本部分面向需要设计与外部世界高速交互的复杂系统。 4.1 常见的片上通信协议实现： 详细讲解如何使用HDL实现业界标准的同步和异步串行通信协议，如SPI、I2C的主机与从机模式。 4.2 高速并行接口的原理： 介绍DDR SDRAM的控制器设计挑战，重点讲解数据同步、地址/命令的交错发送，以及PHY层的要求。 4.3 软核处理器与硬件加速器的协同设计： 探讨如何将软件逻辑（运行在Soft-CPU如MicroBlaze或Nios II上）与定制的硬件加速模块（自定义IP核）集成到同一个FPGA系统中。讲解AXI、Wishbone等片上总线的握手与数据传输机制，实现软硬件协同加速的完整流程。 总结与展望 本书的结构确保读者从底层逻辑单元的映射，到系统级的高性能实现，都能获得扎实而全面的知识体系。通过大量工程实践案例的引导，读者将能够自信地应对从概念到量产的数字硬件开发全周期挑战。

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我是一名刚刚接触数字电路设计的研究生，目前正在为我的毕业设计寻找一本能够提供扎实基础和前沿视角的参考书。我关注的重点在于“实用”二字。在学术界，我们接触的往往是高度理论化的内容，但在工业界，效率和可移植性才是王道。因此，我非常期待这本书能够提供关于设计层次化和模块化组织的高级策略。例如，如何有效地管理大型项目中的多个VHDL包（Package）和库，如何确保代码的可重用性，以及在不同目标工艺（Target Technology）之间迁移设计时需要注意的陷阱。如果书中能对比讲解VHDL和Verilog在某些特定应用场景下的优劣，并给出作者基于经验的建议，那会非常有启发性。此外，现代的FPGA设计越来越依赖于IP核的集成。这本书是否会涉及如何将自己用VHDL编写的模块与现有的标准IP（如高速I/O控制器或存储器接口）进行无缝对接，并处理好接口协议的同步和时钟域交叉（CDC）问题？这是一个衡量其“实用”程度的硬性指标。

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作为一名业余的电子爱好者，我对硬件描述语言一直抱着既好奇又畏惧的心态。VHDL的抽象层次对我来说有时是个挑战，它不像C语言那样可以直接操作内存和变量，而是更侧重于并发和时序的描述。所以，一本优秀的教程必须要有非常清晰的逻辑脉络来引导读者理解“并行性”的概念。我最希望这本书能花费大量篇幅讲解设计范式，例如如何区分组合逻辑和时序逻辑的编写风格，以及如何避免常见的竞争条件（Race Condition）错误。如果它能引入现代设计中常用的高级抽象技术，比如使用生成（Generate）语句来处理结构化设计，或者介绍如何使用高级的约束语言（如SDC的早期概念）来指导综合过程，那就更好了。坦率地说，很多教材在仿真和验证部分总是草草收场，但我非常看重这一点。一本实用的教程应该教会读者如何编写高质量的测试平台（Testbench），用激励源来充分覆盖设计的所有状态和输入组合，这是确保设计正确性的关键步骤，如果这本书在这方面能做到深入且详尽，我会毫不犹豫地推荐给我的圈子里的朋友们。

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我对嵌入式系统和SoC（系统级芯片）设计抱有浓厚兴趣，VHDL在这些复杂系统中常用于构建定制化的控制器或加速器。因此，我评估一本VHDL教程的价值，很大程度上取决于它对“系统级思维”的培养能力。这本书是否能超越单纯的门级或RTL级描述，引导读者思考如何将用VHDL实现的逻辑模块整合进一个更宏大的处理器总线架构中，例如AXI或Wishbone？如果书中能提供一个完整的、从需求分析到硬件实现的小型项目案例，并贯穿始终地使用书中教授的技术来完成，那就太有价值了。这个案例最好能涉及一些现代设计中不可或缺的元素，比如低功耗设计的基本考量，或者如何为综合和布局布线阶段准备易于优化的代码结构。我关注的重点是，如何用VHDL这种描述性语言，去精确控制物理层面的资源分配和时序性能，实现从抽象代码到高速物理实现的完美过渡，这才是衡量一本教程是否真正“实用”的最高标准。

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这本书的书名听起来非常专业，像是深耕于电子设计自动化领域的资深工程师的心血结晶。我特别留意到“VHDL”这个关键词，这无疑指向了硬件描述语言的核心技术。对于初学者来说，VHDL的语法结构和设计流程往往是最大的门槛，如果这本书能以一种非常直观和易于理解的方式来讲解寄存器传输级（RTL）的设计思想，那简直是太棒了。我期待它能提供大量贴近实际应用的例子，比如如何设计一个简单的状态机，或者一个高效的乘法器。理想情况下，它不应该只是罗列语法规则，而是要深入剖析如何在实际的FPGA或ASIC项目中应用这些语言特性，比如如何优化时序、如何进行资源约束。另外，如果书中能够涵盖一些常用的EDA工具链的使用技巧，例如如何进行功能仿真、时序仿真，以及如何利用综合工具进行设计优化，那这本书的实用价值将大大提升。我希望看到的是那种能让人在读完之后，立刻就能动手实践，并将理论知识转化为实际可工作的硬件描述代码的教程，而非晦涩难懂的理论堆砌。

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说实话，市面上的VHDL教程很多，但真正能让人感受到“教程”温度的却不多，很多都像是冷冰冰的语言规范手册。我希望这本书在讲解技术细节的同时，能注入作者多年积累的“经验之谈”。比如，在描述一个FIFO（先进先出）结构时，除了给出标准写法，作者能否指出常见的性能瓶颈在哪里，以及如何通过微调写法来榨取更多的时钟频率？这类细微的差别，往往区分了一个“能用”的设计和一个“高效”的设计。我更倾向于那种带有“陷阱警示”和“最佳实践”标记的章节。对于初学者而言，他们最需要知道的不是“能做什么”，而是“不该做什么”。如果这本书能用清晰的图表来展示信号流和时序关系，而不是纯粹的文本描述，那阅读体验无疑会得到极大提升。我希望它能像一个经验丰富的前辈，手把手地带着我走过设计的每一个关键决策点，而不是简单地告诉我“这样做就行了”。

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