FPGA晶片设计与专题制作(附范例光碟)(修订版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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　　本书内容包含LED或灯泡控制电路、指拨开关(DIP SWITCH)控制电路、七段显示器控制电路、键盘控制电路、LCD显示电路、红绿灯与步进马达控制电路等，而每章内容最少都有6个实习，每个实习皆经过验证且无误，读者可透过这些实习对这方面更熟悉。本书适用于科大电子、电机系高年级「FPGA系统设计实务」、「FPGA设计」之相关课程。

本书特色

　　1 . 有鑑于广大读者实务上的需要，本书作者继『最新VHDL晶片设计』一书之后推出这一本实际控制电路为主『FPGA晶片设计与专题制作』。

　　2 . 本书的实习结果都以照片显示出来，有利于学习。

　　3 . 本书的控制程式接附于光碟中，方便读者使用。

FPGA芯片设计与实践探索：面向新一代电子系统的硬件加速与定制化解决方案 本书内容聚焦于现代电子系统设计中的核心技术——现场可编程门阵列（FPGA）的应用、高级设计方法、以及面向特定领域的高效实现策略。 本书旨在为电子工程师、硬件描述语言（HDL）开发者以及相关专业的研究人员提供一套全面且深入的实践指南，用以掌握从概念到实现的全流程FPGA项目开发。全书内容紧密围绕FPGA架构的底层机制、主流设计工具的使用、高级综合技术以及前沿应用领域展开，旨在培养读者独立解决复杂硬件问题的能力。 --- 第一部分：FPGA基础架构与硬件描述语言（HDL）精要 本部分奠定了读者理解和使用FPGA的基础。我们首先深入剖析了FPGA芯片的内部结构，包括可配置逻辑块（CLB/LAB）、布线资源（Routing Resources）、分布式存储器、锁相环（PLL/DCM）以及高速收发器（Transceivers）的工作原理。理解这些底层单元如何协同工作，是实现高性能设计的关键。 随后，本书对硬件描述语言（HDL）进行了详尽的论述。重点不再是基础语法回顾，而是“可综合性设计”（Synthesizable Design）的规范和艺术。我们详细讲解了如何使用VHDL或Verilog/SystemVerilog编写出能够被综合工具高效映射到目标FPGA资源的 RTL（寄存器传输级）代码。这包括时序逻辑（Sequential Logic）的正确建模、组合逻辑的优化、以及如何避免常见的“不可综合”结构（如异步复位、锁存器滥用）。 时序约束的艺术： 平台性能的最终决定因素在于时序。本书专门开辟章节讲解了如何根据芯片数据手册和设计需求，精确定义和应用静态时序分析（STA）约束，包括输入延迟（Input Delay）、输出延迟（Output Delay）、多周期路径（Multi-Cycle Paths）和例外约束（Exceptions）。掌握这些，才能确保设计在目标频率下稳定运行。 第二部分：高效的FPGA设计流程与工具链掌握 成功的FPGA项目依赖于对完整设计流程的深刻理解和对专业工具的熟练操作。本部分详细拆解了从RTL代码输入到最终比特流（Bitstream）生成的每一个步骤。 综合与布局布线（Synthesis & P&R）： 我们探讨了现代综合工具的优化算法，以及如何通过设计层次化（Hierarchy）和合理的模块划分来辅助工具进行高效映射。布局布线阶段，本书侧重于资源分配策略，包括如何指导工具使用特定的资源（如BRAMs、DSPs）以优化性能和资源利用率，以及如何处理关键路径的延迟。 验证的基石——仿真与形式验证： 仿真不再仅仅是功能验证的手段。本书强调高级仿真技术，如覆盖率驱动的验证（Coverage-Driven Verification） 和 事务级建模（TLM） 在加速验证过程中的作用。同时，我们介绍了形式验证（Formal Verification）的基础概念，以及它在证明关键控制逻辑正确性方面的无可替代的价值。 时序收敛的实战策略： 面对日益提高的工作频率，时序收敛成为最大的挑战。本章提供了大量的实战技巧，例如：流水线设计（Pipelining）的应用、时钟域交叉（CDC）的同步机制（如使用异步FIFO和握手协议）、以及如何利用特定的时钟管理单元（如MMCM/PLL）来生成复杂的多相时钟。 第三部分：面向性能与特性的高级设计专题 此部分深入探讨了实现高性能和高集成度的关键技术，这些是区分普通设计与专业级应用的分水岭。 高性能数据通路设计： 重点研究如何设计高吞吐量的数据处理管道。这包括并行化技术（Parallelism） 的应用、数据流架构（Dataflow Architectures） 的构建，以及如何利用FPGA片上丰富的DSP模块进行高效的数学运算，例如FFT、FIR滤波器和矩阵运算的硬件加速实现。 内存管理与片上/片外交互： 内存带宽是性能瓶颈的常见来源。本书详细讨论了如何高效利用FPGA内部的块RAM（BRAM）、超逻辑RAM（UltraRAM）以及分布式RAM（LUTRAM）。此外，还包含了对外部存储器接口（如DDR3/DDR4/HBM）的PHY层抽象和控制器设计原理的介绍，强调了数据对齐和突发传输的优化。 系统级集成与IP核复用： 现代FPGA项目高度依赖预先验证好的IP核。本书涵盖了标准接口（如AXI、PCIe）的理解与集成，讲解了如何使用AXI互连结构将处理器子系统（如MicroBlaze/Nios II或ARM Cortex-A/R硬核）与自定义加速逻辑有效耦合，构建异构计算平台。 第四部分：前沿应用领域的系统实现案例分析 本部分将理论知识转化为具体的系统级应用，展示FPGA在当前技术热点中的实际部署。 实时数字信号处理（DSP）： 针对雷达、声呐或通信基带处理的需求，分析如何设计低延迟、高精度的硬件滤波器和调制解调器。重点在于算法到硬件的映射效率。 高性能计算（HPC）与加速器设计： 探讨如何利用FPGA的并行特性加速机器学习推理（如CNN/RNN加速）、数据库查询或金融建模。这部分强调了数据流模型的构建，以及如何优化内核间的通信带宽。 嵌入式视觉与图像处理： 介绍如何利用FPGA实现高速图像传感器接口（如MIPI CSI-2），并构建实时的图像预处理流水线，包括去马赛克、色彩空间转换和基础的特征提取算法。 低延迟网络接口： 针对数据中心或专业交易系统，分析如何设计基于FPGA的SmartNIC，实现零拷贝（Zero-Copy）和内核旁路（Kernel Bypass）技术，以达到微秒级的延迟性能。 --- 总结而言，本书提供的是一个从“门”到“系统”的完整知识体系。它不局限于特定版本的工具或单一芯片系列，而是侧重于指导读者掌握底层原理、设计范式和验证方法论，使读者能够快速适应不同厂商（如Xilinx/AMD或Intel/Altera）的平台，并具备设计下一代定制化硬件加速系统的能力。

1章　LED 或灯泡控制电路
电路设计制作实例一1-3
电路设计制作实例二1-14
电路设计制作实例三1-20
电路设计制作实例四1-23
电路设计制作实例五1-29
电路设计制作实例六1-36
电路设计制作实例七1-43
电路设计制作实例八1-62

2章　指拨开关 DIP SWITCH 控制电路
电路设计制作实例一2-3
电路设计制作实例二2-8
电路设计制作实例三2-13
电路设计制作实例四2-19
电路设计制作实例五2-26
电路设计制作实例六2-31

3章　七段显示器控制电路
电路设计制作实例一3-3
电路设计制作实例二3-14
电路设计制作实例三3-18
电路设计制作实例四3-33
电路设计制作实例五3-42
电路设计制作实例六3-49
电路设计制作实例七3-61
电路设计制作实例八3-78
电路设计制作实例九3-84
电路设计制作实例十3-96
电路设计制作实例十一3-104
电路设计制作实例十二3-111
电路设计制作实例十三3-119
电路设计制作实例十四3-127
电路设计制作实例十五3-132

4章　键盘控制电路
电路设计制作实例一4-3
电路设计制作实例二4-17
电路设计制作实例三4-27
电路设计制作实例四4-37
电路设计制作实例五4-48
电路设计制作实例六4-58

5章　LCD 显示电路
电路设计制作实例一5-3
电路设计制作实例二5-32
电路设计制作实例三5-42
电路设计制作实例四5-49
电路设计制作实例五5-58
电路设计制作实例六5-72
电路设计制作实例七5-82
电路设计制作实例八5-93
电路设计制作实例九5-104

6章　红绿灯与步进马达控制电路
电路设计制作实例一6-3
电路设计制作实例二6-8
电路设计制作实例三6-14
电路设计制作实例四6-32
电路设计制作实例五6-47
电路设计制作实例六6-52
电路设计制作实例七6-68
电路设计制作实例八6-81
电路设计制作实例九6-93
电路设计制作实例十6-112

A　　各部门的控制电路
LED控制电路A-2
无段按钮控制电路∕指拨开关DIP-SW INPUT控制电路A-3
扫描式七段显示控制电路A-4
键盘控制电路A-5
液晶显示模组LCM控制电路A-6
步进马达与继电器控制电路A-7 

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這本書，我必須說，它真的讓我重新認識了 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，卻將其描繪成了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、流程控制，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，遇到了一個棘手的問題，自己研究了好久都不得其法。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，才恍然大悟，原來是我在模組間的資料傳輸上，少考慮了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，才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、綜合、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，作者強調了測試平台 (testbench) 的重要性，並提供了許多撰寫高效測試平台的技巧，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、系統化的 FPGA 設計思維，而不是停留在零散的知識點學習。

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了下來。實際閱讀後，我發現這本書確實非常適合學生族群。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「嵌入式系統與 FPGA 的結合」的章節。這部分在目前的產業需求中，是非常熱門的。作者講解了如何將 ARM 處理器與 FPGA 結合，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，也學到了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☆☆☆☆☆

作為一個在大學裡教了多年 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)》，我立馬就感興趣了。第一眼掃過目錄，我就發現它涵蓋了 FPGA 設計的基礎知識、硬體描述語言、常用的週邊介面，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，結合了 A/D 轉換、濾波、D/A 轉換等概念，對於培養學生的系統思維非常有幫助。而範例光碟中的豐富資源，更是大大減輕了我們老師的負擔。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。這不僅提高了學生的學習興趣，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向，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☆☆☆☆☆

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，雖然我能寫出 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，恰恰就點出了我這些痛點。作者在書中，特別強調了「高效能設計」的幾個關鍵原則，像是如何合理使用 LUTs，如何避免組合邏輯的過度延遲，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，將其系統化，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了優化，效能確實有了顯著的提升。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，降低功耗已經成為了一個重要的考量。作者也提供了一些實用的技巧，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 的設計有了更深層次的理解。這本書，絕對不只是停留在「如何做」的層面，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 書籍櫃裡大概堆了有幾十本，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出了，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出地說明，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，而是緊接著就帶入了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，裡面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。我還特別留意了書中關於時序約束 (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，都做了詳細的說明，並且提醒了許多常見的陷阱，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。