基于Xilinx Vivado的数字逻辑实验教程 9787121294952 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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廉玉欣 著

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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121294952

商品编码：11370814355

包装：平装

出版时间：2016-08-01

基本信息

书名：基于Xilinx Vivado的数字逻辑实验教程

定价：59.00元

作者：廉玉欣

出版社：电子工业出版社

出版日期：2016-08-01

ISBN：9787121294952

字数：595200

页码：372

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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本书内容是基于Vivado设计套件和XUP A7板卡进行安排的，利用85个例程，详细介绍了数字逻辑实验的基本设计方法。内容由浅入深，循序渐进，学生易于接受，不仅有利于学生对理论知识的消化吸收，而且对实践操作具有直接指导意义。

内容提要

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本书以Xilinx公司的Vivado FPGA设计套件为基础，以Xilinx大学计划（Xilinx University Program，XUP）的Artix-7板卡为硬件平台，将数字逻辑设计与硬件描述语言Verilog HDL相结合，循序渐进地介绍了基于Xilinx Vivado的数字逻辑实验的基本过程和方法。本书主要内容包括硬件开发平台介绍、软件平台介绍、FPGA设计实例、组合逻辑电路实验、时序逻辑电路实验、数字逻辑设计和接口实验及数字逻辑综合实验。书中包含大量的设计实例，内容翔实、系统、全面。

目录

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目 录
第1章 硬件开发平台介绍1
1.1 Xilinx FPGA器件1
1.1.1 Xilinx公司简介1
1.1.2 Xilinx的FPGA器件系列2
1.2 Xilinx大学计划板卡5
1.3 主电路及外围接口电路6
1.4 XUP板卡测试21
第2章 软件平台介绍23
2.1 Vivado设计套件23
2.1.1 Vivado软件安装流程24
2.1.2 IP封装器、集成器和目录28
2.1.3 标准化XDC约束文件29
2.1.4 工程命令语言29
2.1.5 Vivado设计套件的启动方法30
2.1.6 Vivado设计套件的界面31
2.2 FPGA设计流程37
2.2.1 Vivado套件的设计流程37
2.2.2 设计综合流程39
2.2.3 设计实现流程42
2.3 硬件描述语言45
2.3.1 VHDL简介46
2.3.2 Verilog HDL简介49
第3章 FPGA设计实例56
3.1 基于原理图的设计实例56
3.1.1 简易数字钟实验原理56
3.1.2 实验流程57
3.2 基于Verilog HDL的设计实例80
3.2.1 设计要求80
3.2.2 实验操作步骤81
3.3 74系列IP封装设计实例91
3.3.1 IP核分类91
3.3.2 IP封装实验流程92
3.3.3 调用封装后的IP100
第4章 组合逻辑电路实验104
4.1 逻辑门电路104
4.1.1 基本及常用的逻辑门104
4.1.2 与非门电路的简单应用110
4.2 多路选择器112
4.2.1 2选1多路选择器113
4.2.2 4选1多路选择器114
4.2.3 4位2选1多路选择器117
4.2.4 74LS253的IP核设计及应用119
4.2.5 74LS151的IP核设计122
4.3 比较器123
4.3.1 4位比较器124
4.3.2 74LS85的IP核设计及应用127
4.3.3 利用数据选择器74LS151设计2位比较器130
4.4 译码器131
4.4.1 3线-8线译码器131
4.4.2 74LS138的IP核设计及应用133
4.4.3 数码管显示135
4.5 编码器142
4.5.1 二进制普通编码器142
4.5.2 二进制优先编码器144
4.5.3 74LS148的IP核设计145
4.6 编码转换器147
4.6.1 二进制-BCD码转换器147
4.6.2 格雷码转换器151
4.7 加法器152
4.7.1 半加器152
4.7.2 全加器153
4.7.3 4位加法器153
4.8 减法器157
4.8.1 半减器157
4.8.2 全减器157
4.9 乘法器159
4.10 除法器163
第5章 时序逻辑电路实验169
5.1 锁存器和触发器169
5.1.1 锁存器169
5.1.2 触发器170
5.1.3 74LS74的IP核设计及应用176
5.2 寄存器178
5.2.1 基本寄存器178
5.2.2 移位寄存器182
5.2.3 74LS194的IP核设计及应用189
5.3 计数器191
5.3.1 二进制计数器192
5.3.2 N进制计数器195
5.3.3 任意波形的实现201
5.3.4 74LS161的IP核设计及应用202
5.4 脉冲宽度调制208
5.5 时序逻辑电路综合设计210
第6章 数字逻辑设计和接口实验221
6.1 有限状态机221
6.1.1 Moore状态机和Mealy状态机221
6.1.2 有限状态机设计例程221
6.2 大公约数234
6.2.1 GCD算法235
6.2.2 改进的GCD算法243
6.3 整数平方根247
6.3.1 整数平方根算法248
6.3.2 改进的整数平方根算法255
6.4 存储器259
6.4.1 只读存储器（ROM）259
6.4.2 分布式的存储器262
6.4.3 块存储器266
6.5 VGA控制器269
6.5.1 VGA的时序271
6.5.2 VGA控制器实例272
6.6 键盘和鼠标接口292
6.6.1 键盘293
6.6.2 鼠标297
第 章 数字逻辑综合实验306
7.1 数字钟306
7.2 数字频率计310
7.3 电梯控制器314
7.4 波形发生电路320
7.5 超声波测距仪332
7.6 手机电池保护板337
附录A Basys3电路图349
附录B 引脚约束356

作者介绍

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2002年7月，哈尔滨工业大学电气工程系本科毕业，获工学学士学位；2005年3月，哈尔滨工业大学深圳研究生院电力电子与电力传动专业硕士研究生毕业，获工学硕士学位；现任电工电子实验教学中心电子学实验室主任，主要从事实验教学和日常管理工作。近年来，获国家教学成果一等奖1项，获黑龙江省教学成果一等奖2项，作为主讲教师建设*精品课程1门，作为第二负责人完成*精品资源共享课立项。主持校级教学改革项目2项，参与省部级以上教学研究项目4项，主编教材1部，参编教材2部，发表教学研究文章6篇。

文摘

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序言

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深入浅出：FPGA设计与数字系统实现指南 本书聚焦于现代数字逻辑设计的核心实践，旨在为读者提供一套全面、深入且紧密结合工程应用的FPGA（现场可编程门阵列）技术学习路径。本书不局限于特定的软件版本或厂商，而是着眼于底层原理、设计方法论以及高级应用技巧的构建。 第一部分：数字逻辑基础与硬件描述语言的精炼掌握 本部分是构建FPGA设计能力的地基。我们摒弃了纯理论的堆砌，转而采用“理论指导实践”的模式，确保读者对数字系统的基本构成有直观的理解。 1. 现代数字系统概览与FPGA架构剖析 在开始具体的编码之前，我们首先需要理解我们工作的“战场”。本章将详尽介绍当代数字系统设计面临的挑战（如功耗、时序约束），并对主流FPGA芯片的内部结构进行深入剖析。我们将详细解读逻辑单元（CLB/LUT）、布线资源、时钟管理单元（PLL/MMCM）以及嵌入式存储器（BRAM）和DSP模块的工作原理。理解这些资源是如何映射到我们的代码上的，是写出高效代码的前提。我们会通过对比不同代际的FPGA架构差异，培养读者对硬件异构性的感知能力。 2. VHDL/Verilog：从语法到结构化建模 本章将深入讲解两种主流硬件描述语言（HDL）的核心语法。重点不在于罗列所有语法点，而在于如何使用这些语言有效地描述硬件行为和结构。 结构化建模 (Structural Modeling)： 如何使用实例引用和端口映射来搭建模块层次结构，模拟物理连接。 行为建模 (Behavioral Modeling)： 如何利用`always`/`process`块来描述时序和组合逻辑。特别强调如何区分哪些是可综合的代码（Synthesizable）和哪些是仅用于仿真（Simulation-only）的代码。 并发与时序： 深入探讨HDL中的并发执行特性，以及如何正确地使用时钟和复位信号来定义同步时序逻辑（寄存器、状态机）。 数据类型与范围： 详细分析`std_logic_vector`、整数类型在综合工具中的实际位宽分配和资源占用情况，避免因数据类型选择不当导致的资源浪费或错误功能。 3. 组合逻辑与时序逻辑的精细化设计 本章将HDL知识应用于具体的逻辑单元实现： 组合逻辑实现： 译码器、多路选择器、加法器（Ripple Carry vs. Carry Lookahead）的HDL代码编写，并结合原理图分析综合结果。 时序逻辑核心： 深入探讨锁存器（Latch）的产生与规避。重点讲解D触发器、JK触发器、T触发器的HDL描述及其对FPGA资源的映射。 有限状态机（FSM）设计范式： 介绍Mealy和Moore两种状态机的设计思想。着重讲解如何使用三段式（同步复位、状态寄存器、组合逻辑输出/下一状态逻辑）来确保状态机的可综合性、高速度和可靠性，同时讨论异步复位处理的陷阱。 --- 第二部分：设计流程、验证与时序约束的艺术 成功的FPGA设计不仅仅是写出能工作的代码，更关键在于高效的流程管理、严格的验证和对时序的精准控制。 4. FPGA设计综合与映射流程详解 本章详细拆解从RTL代码到比特流（Bitstream）生成的整个后端流程： 综合（Synthesis）： 解释综合工具如何将高级HDL语言转换为门级网表。讨论约束文件（SDC/XDC的前身）在优化和面积控制中的作用。 布局与布线（Place & Route）： 深入探讨这些自动化步骤如何影响最终的物理实现，特别是资源分配和信号延迟。我们将探讨如何通过代码结构优化来引导布局布线，例如对关键路径的物理靠近。 静态时序分析（STA）基础： 介绍时序违例的本质——建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）。解释如何阅读和理解时序报告，识别关键路径，并明确系统时钟域划分的重要性。 5. 验证方法学：从功能仿真到跨时钟域安全 单纯的RTL仿真不足以保证硬件的正确性。本部分侧重于构建健壮的验证环境： 测试平台（Testbench）的构建： 如何编写激励生成器、输入延迟器和响应检查器。讲解如何利用HDL的仿真特性（如延迟函数）来模拟真实世界的信号行为。 功能覆盖率的度量： 介绍如何确保测试用例覆盖了所有重要的操作模式，特别是边界条件和错误注入。 跨时钟域（CDC）处理： 这是数字设计中最容易出错的环节。本章将详尽介绍亚稳态（Metastability）的原理，并重点讲解两种主流的CDC同步机制：握手协议（Handshaking）和异步FIFO的设计与使用。 6. 时序约束：驾驭速度与稳定性的关键 本章是实现高速、稳定设计的核心技术。我们将超越简单的输入输出延时定义： 时钟定义与传播： 如何精确定义系统时钟、输入参考时钟以及由PLL/MMCM生成的派生时钟。 路径例外（Path Exceptions）： 讲解`false_path`和`multicycle_path`的使用场景，例如在不希望工具进行优化或需要故意放宽同步要求的特定路径上。 输入输出延迟约束（I/O Delays）： 模拟外部芯片或PCB走线延迟对FPGA引脚时序的影响，确保系统级接口的时序正确性。 --- 第三部分：高级模块实现与系统集成 本部分将设计提升到系统层面，探讨如何高效实现复杂功能模块并进行系统级集成。 7. 高性能数据通路：流水线、并行化与资源共享 本章聚焦于提高数据吞吐量和系统效率的工程技巧： 流水线（Pipelining）技术： 介绍如何通过插入寄存器将长组合逻辑链分解，从而提高系统时钟频率。我们将分析流水线引入的延迟与吞吐量之间的权衡。 并行处理架构： 针对数据流（Dataflow）应用，对比完全并行、块并行和时间复用等不同并行化策略的资源消耗和性能表现。 模块化复用与参数化设计： 利用HDL的`generic`/`parameter`机制，设计可配置的IP核，实现模块的高效复用，例如可配置位宽的加法器或CRC校验器。 8. 片上通信接口与总线结构 现代系统需要模块间高效通信。本章将介绍实现标准接口的实践： AXI/Wishbone Lite总线结构解析： 介绍主流片上总线协议（如AXI-Lite）的读写机制、握手信号和仲裁逻辑。重点在于如何将这些协议封装成可供调用的IP模块。 FIFO与双端口RAM（DPRAM）的应用： DPRAM在跨时钟域数据缓冲和数据乒乓操作中的核心作用，以及其在FPGA内部资源的映射和使用限制。 9. 调试与片上资源利用 即使设计完成，调试也是不可或缺的一环。 片上逻辑分析仪（ILA/SignalTap）： 讲解如何将调试探针插入到设计中，实时捕获内部信号波形，实现对硬件行为的“黑盒透视”。 资源报告的深度解读： 不仅是看LUT/FF的使用率，更要分析BRAM、DSP块、时钟资源的使用情况，指导读者进行下一次迭代的资源优化。 本书结构层层递进，从基础的逻辑门抽象到复杂的系统级接口实现，辅以大量的工程案例和注意事项，确保读者不仅掌握“如何做”，更理解“为什么这样做是最佳实践”。阅读完本书，读者将具备独立完成中等到复杂规模FPGA项目设计、验证和调试的能力。

评分☆☆☆☆☆

对于一个刚刚接触Xilinx生态系统的初学者来说，市面上很多资料要么过于理论化，充满了复杂的数学推导，让人望而却步；要么就是过于碎片化，网上东拼西凑的教程东拉西扯，根本无法形成一个完整的知识体系。这本书的出现，就像是黑暗中的一盏明灯。它的叙述逻辑非常顺畅，作者似乎非常懂得如何引导一个新手逐步建立起对FPGA设计流程的整体认知。我特别欣赏它在讲解Vivado各个模块时那种庖丁解牛式的拆解分析，不再是简单地告诉你“点击这个按钮”，而是解释了“点击这个按钮背后硬件层面发生了什么变化”。这种深入内核的讲解方式，极大地提升了我对设计的掌控感，不再是被软件牵着鼻子走，而是真正理解了硬件描述语言（HDL）是如何被翻译成实际的硬件电路的。这种对底层机制的尊重，是区分一本好教材和普通参考书的关键。

评分☆☆☆☆☆

这本书的价值不仅仅在于教会我如何使用Vivado软件，更在于它构建了一种系统性的数字系统设计思维。它不仅仅是一本工具书，更像是一本“思维方式的培养手册”。我以前设计电路时常常是想到哪写到哪，缺乏全局观。但通过这本书对设计流程的梳理，我开始学会有意识地进行模块化分解、抽象化思考，并提前考虑资源利用率和功耗问题。例如，它在介绍IP核使用时，强调了如何根据具体需求选择最高效的IP实现方式，而不是盲目使用最复杂的功能模块。这种从宏观到微观，再回归到系统优化的思考模式，对于任何想在数字电子领域深入发展的人来说都是极其宝贵的财富。我感觉它为我未来深入学习SoC设计打下了非常坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计乍一看非常专业，深蓝色的主色调搭配简洁的白色和橙色字体，给人一种严谨、可靠的感觉。拿到手里分量不轻，感觉内容肯定非常充实。我本来是抱着学习基础数字电路概念的目的来的，毕竟现在FPGA应用这么广泛，想跟上技术潮流就得啃下这块硬骨头。不过翻开目录，我立刻被里面详尽的章节划分吸引住了。它从最基础的逻辑门开始，逐步深入到复杂的时序电路设计，并且强调了如何使用Vivado这款业界主流工具进行实践操作。这一点对我这种更偏向动手实践的学习者来说简直太重要了。很多教科书只讲理论，等你真的想在板子上跑起来时就一头雾水，但这本教材似乎把理论与实践的桥梁搭得非常好，每一个章节后面都有配套的实验指导，这一点非常赞赏。我尤其期待后面关于状态机设计和高速接口的内容，希望它能用清晰易懂的方式把那些晦涩的同步与异步概念讲透彻。

评分☆☆☆☆☆

我更关注的是工程应用层面，毕竟纸上谈兵在电子设计领域是行不通的。这本书在项目实战的安排上显然下了大功夫。我注意到其中穿插了许多“小陷阱”和“常见错误分析”，这些内容在一般的教材中很少提及，但却是我们在实际调试中经常遇到的“拦路虎”。比如如何有效地进行时序约束，如何处理跨时钟域信号的同步问题，这些都是真刀真枪的工程经验。我尝试着按照它提供的步骤搭建了一个简单的LED流水灯控制模块，仅仅是这个基础实验，书里就详细解释了综合、布局布线、生成比特流的每一个步骤及其背后的原理，而不是像某些教程直接跳过这些繁琐但至关重要的过程。这种细致入微的指导，极大地降低了学习曲线的陡峭程度，让我对后续更复杂的项目充满信心。

评分☆☆☆☆☆

从排版和用词风格来看，这本书的编撰者显然是具有丰富教学经验的一线工程师或教师。文字表达既保留了学术的严谨性，又充满了适度的口语化，读起来不至于感到枯燥乏味。例如，在讲解Verilog或VHDL的代码结构时，它会用非常形象的比喻来解释寄存器和组合逻辑的区别，这种教学技巧非常高明。我尤其喜欢它在章节开头设置的“学习目标”和结尾的“知识回顾”，这种结构化的回顾机制非常有利于知识的巩固和查漏补缺。不像有些技术书籍，堆砌了很多术语但缺乏内在的逻辑串联，这本书的结构就像精心设计的数字系统一样，环环相扣，层层递进，确保读者在进入新概念学习之前，已经完全掌握了前置知识。