Xilinx FPGA设计基础 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:陕西西安电子科技大学

作者:李云松

出品人:

页数:337

译者:

出版时间:2008-2

价格:37.00元

装帧:

isbn号码:9787560619590

丛书系列:

图书标签:

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深入理解现代数字电路与系统设计：面向嵌入式应用的高级方法 图书名称： 深入理解现代数字电路与系统设计：面向嵌入式应用的高级方法 图书简介： 本手册旨在为电子工程、计算机科学及相关领域的工程师、高级学生和技术研究人员提供一套全面、深入且面向实践的数字系统设计方法论。本书聚焦于当代嵌入式系统对高性能、低功耗和高可靠性设计的严苛要求，超越了基础的逻辑门级理论，深入探讨了从系统级架构规划到具体硬件实现的全流程优化策略。 第一部分：现代数字系统架构与建模 本部分首先回顾了数字系统设计的演进历程，并重点阐述了当前主流的系统级架构范式，如异构计算、多核并行处理及基于片上系统的（SoC）集成方法。 1.1 硬件描述语言（HDL）的高级应用与抽象层次提升： 高级综合（HLS）的理论与实践： 详细介绍如何利用C/C++等高级语言进行硬件描述，重点分析数据流编程模型、循环展开与流水线化对时序性能的优化机制。对比软件编译器优化技术与硬件综合工具的差异，指导读者如何编写“可综合”的C代码以生成高效的RTL（寄存器传输级）代码。 结构化与行为级建模的权衡： 深入探讨不同抽象层次的建模对仿真验证效率和最终资源消耗的影响。讲解如何构建精确的性能模型和功耗模型，以在设计早期进行架构评估。 Verilog/VHDL的现代实践： 不仅仅是语法教学，而是聚焦于编写可维护、可重用和支持形式化验证的高质量HDL代码的风格指南。包括参数化设计、接口协议的封装（如AXI4、AHB的深度剖析）以及面向时序收敛的编码技巧。 1.2 嵌入式系统中的计算模型： 并行处理范式： 详细分析数据级并行（SIMD/Vector Processing）与任务级并行（Task Parallelism）在专用硬件加速器中的实现技术。对比同步与异步并行机制的优缺点。 存储器层次结构的优化： 深入研究片上存储（SRAM/缓存）的设计、关联性（Associativity）对命中率的影响，以及DMA（直接存储器存取）控制器在减少CPU干预、提高数据吞吐量中的关键作用。讲解存储器访问模式对硬件资源（如BRAM/URAM）分配的影响。 低功耗设计策略的系统级视角： 探讨动态电压与频率调整（DVFS）在硬件层面如何与软件调度协同工作。分析时钟门控、电源门控（Power Gating）在不同功能模块中的具体实现电路和控制逻辑。 第二部分：高性能数据通路与控制逻辑设计 本部分转向具体的电路实现层面，关注如何构建满足高速率要求的核心处理单元。 2.1 高速时序分析与收敛： 时序约束的精细化管理： 深入讲解建立时间（Setup Time）与保持时间（Hold Time）的统计学原理。超越基本的I/O延迟约束，重点分析内部路径延迟的识别、关键路径（Critical Path）的定位与优化。 跨时钟域（CDC）与同步设计： 详细剖析亚稳态（Metastability）的物理根源。系统性地介绍异步FIFO、握手协议、双端口同步器的结构与设计规范，确保系统级数据传输的可靠性。 时钟树综合（CTS）与布线优化： 探讨时钟抖动（Jitter）和偏斜（Skew）对系统性能的影响，以及综合工具如何通过均衡缓冲器来管理时钟分发网络。 2.2 复杂数据路径的实现技术： 流水线（Pipelining）的深度设计： 分析不同深度的流水线对吞吐量和延迟的权衡。讲解在HLS中如何自动引入流水线级，以及在RTL层面如何手动插入寄存器进行性能提升。 组合逻辑的优化： 探讨如何通过逻辑重定时（Logic Retiming）和逻辑分离技术来平衡路径延迟，从而适应更高的时钟频率。 乘法器、除法器与DSP功能单元： 深入研究高效的乘法器结构（如Booth编码、Wallace树），以及专用DSP模块（如乘累加MAC单元）在固定点运算中的加速原理与资源利用。 第三部分：验证、测试与物理实现流程 没有经过严格验证的设计无法进入实际应用。本部分强调如何构建一个健壮的验证环境和高效的物理实现流程。 3.1 先进的硬件验证方法学： 基于断言的验证（SVA）： 介绍如何使用SystemVerilog Assertions来描述时序和安全属性，将验证工作左移到设计早期。 形式化验证的应用： 阐述等价性检查（Equivalence Checking）和模型检验（Model Checking）在确保逻辑功能正确性方面的优势。 自底向上与自顶向下的仿真策略： 讲解如何构建分层级的测试平台，包括驱动激励生成（Drivers）、响应检查（Monitors）和覆盖率收集（Coverage Analysis）。 3.2 可测试性设计（DFT）与生产测试： 扫描链（Scan Chain）的插入与操作： 详细介绍如何为芯片添加测试逻辑，以便于在制造后通过外部测试设备（ATE）进行故障检测。 内建自测试（BIST）： 探讨基于LFSR（线性反馈移位寄存器）和MISR（多输入签名寄存器）的存储器BIST和逻辑BIST的设计与实现，以减少外部测试的依赖。 3.3 物理实现与布局布线（Place & Route）： 后仿真与时序签核： 解释在布局布线完成后，如何利用提取的寄生参数（Parasitic Extraction）进行精确的静态时序分析（STA），以确认设计在目标工艺库下的实际性能。 版图约束与设计规则检查（DRC）： 讨论如何根据工艺要求设置电线宽度、间距和层数限制，确保设计可以被成功制造。 本书通过大量的实例和案例分析，将抽象的理论与实际的工程挑战紧密结合，为读者提供了一套在当前高速、复杂数字系统设计领域取得成功的关键知识体系。它不仅仅是一本工具手册，更是一部面向下一代嵌入式计算硬件架构的系统思维指南。

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这本书的封面设计给我留下了非常深刻的第一印象，那种深邃的蓝色调和简洁的排版，立刻让人感觉这是一本非常专业且内容扎实的教材。我特别欣赏作者在结构上的安排，它似乎有一种内在的逻辑线索在引导读者从最基础的硬件概念逐步深入到复杂的系统级设计。比如，在介绍Verilog HDL的部分，它没有急于展示晦涩的语法，而是花了不少篇幅来阐述硬件描述语言与传统软件编程思维的本质区别，这种“打地基”的做法，对于初学者来说无疑是极大的福音，避免了很多人一开始就陷入代码的泥潭中无法自拔。我记得有一章专门讨论了时序逻辑电路的建立时间和保持时间，作者用非常形象的比喻将抽象的时序约束具象化了，甚至配上了手绘的波形图，使得原本枯燥的理论知识变得生动起来。而且，书中对于FPGA的内部架构，如查找表（LUT）、触发器（FF）以及各种专用硬核资源（如DSP、BRAM）的讲解，也极其到位，不是简单地罗列参数，而是深入分析了它们在实际设计中如何影响性能和资源利用率，这对于想要优化设计的读者来说，简直就是一本“内功心法秘籍”。我尤其喜欢它在章节末尾设置的“设计陷阱”小节，那些都是血淋淋的经验教训，能帮我们提前避开许多初学者常犯的错误，从这个角度看，这本书的实用价值远超一般教科书的范畴。

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从内容的深度和广度来看，这本书的编排简直就像是一张精心绘制的数字系统设计全景图。它并没有局限于单纯的硬件描述语言本身，而是将整个FPGA设计流程——从需求分析、架构选择、RTL编码、仿真验证，到时序收敛和比特流生成——形成了一个闭环的教学体系。尤其让我印象深刻的是它在“仿真与验证”这一块投入的篇幅和深度。作者强调了Testbench的重要性，并不仅仅满足于简单的功能验证，而是引入了基于属性的验证（Assertion-Based Verification, ABV）的概念，这在很多基础教材中是极其罕见的。他们展示了如何利用SystemVerilog的一些特性来编写更健壮的断言来检查设计行为的正确性。这无疑提升了整本书的层次，让读者明白，一个合格的FPGA工程师不仅要会“写代码”，更要会“证明代码的正确性”。此外，书中对不同系列的FPGA器件特性的区分也处理得非常细腻，比如如何在7系列和UltraScale+架构下针对特定的IP核进行优化配置，这种与时俱进的内容，保证了这本书的生命力和参考价值。

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如果说这本书有什么“不足”，那可能就是它的内容量实在太过庞大和深入，对于时间有限的初学者来说，可能会有啃大部头的感觉。它覆盖的知识点非常全面，几乎涵盖了数字电路设计从基础理论到现代FPGA设计流程中的所有关键环节。例如，书中不仅涵盖了基础的组合逻辑和时序逻辑，还专门开辟了一章详细探讨了高速接口的初步概念，如DDR的时序要求和SerDes的基本原理，尽管只是入门级介绍，但已经为读者指明了未来深入学习的方向。最让我称赞的是它在调试和后仿（Post-Simulation）方面的内容。书中详尽地介绍了如何利用板级调试工具（如ILA/VIO）来观察实时信号，而不是仅仅依赖于仿真波形。它甚至提供了一套完整的基于JTAG调试的流程，指导读者如何快速定位硬件上的时序违例或功能错误。这种从“仿真域”到“硬件域”的无缝过渡，极大地提升了本书的实用价值，让读者在合上书本准备上板验证时，心中已经有了一套清晰的应对策略。

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读完前三分之一的内容，我最大的感受是作者对“实践出真知”这件事的深刻理解和贯彻。这本书绝对不是那种只停留在纸上谈兵的理论说教，它更像是一位经验丰富的前辈，手把手地带着你进行实战演练。书中大量的例程代码质量非常高，不仅仅是简单的功能实现，更多的是展示了如何编写可综合、易于调试的高质量RTL代码。举个例子，在介绍状态机的设计时，作者分别展示了三种不同的编码方式——自然顺序编码、独热编码和Gray码编码，并细致地分析了每种方式在资源占用、时序收敛速度上的优劣，最后还附带了使用Xilinx Vivado工具链进行综合与布局布线的详细步骤截图。这种面面俱到的讲解方式，极大地降低了新手上手的门槛。更值得称赞的是，书中对约束文件的讲解，那绝对是另一个维度的精彩。很多教程往往一带而过，但这本书却像对待艺术品一样对待I/O约束和时钟域交叉（CDC）约束，不仅解释了为什么需要约束，还深入探讨了如何通过设置多周期路径和例外路径来应对复杂的系统级需求，这部分内容对于未来进行复杂的系统集成项目至关重要，让我对FPGA设计的“工程化”有了更清晰的认识。

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这本书的语言风格非常独特，它不像某些技术手册那样冷冰冰的、充满术语的堆砌，而是带有一种清晰、理性的“教导”感。作者在解释复杂概念时，擅长使用类比和自问自答的方式，使得阅读体验非常流畅，很少有“读不下去”的感觉。例如，在讲解同步电路的复位（Reset）逻辑时，书中详细辨析了异步复位和同步复位的内部结构差异及其对亚稳态的影响，这种深入浅出的分析，使得读者不仅知其然，更能知其所以然。而且，书中对工具链的使用描述也极其细致。它没有将Vivado或Quartus仅仅视为一个黑盒子，而是揭示了综合器和实现工具的底层工作原理，例如逻辑映射如何将逻辑单元匹配到LUT资源上，以及布线器是如何处理拥塞问题的。这种对工具“幕后运作”的揭示，对于希望成为高级工程师的读者来说，提供了宝贵的“内幕知识”，让你在面对优化难题时，不再束手无策，而是能从算法和工具的交互层面去思考解决方案。

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