基於Xilinx Vivado的數字邏輯實驗教程 9787121294952 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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廉玉欣 著

圖書標籤:

• 數字邏輯
• Vivado
• Xilinx
• FPGA
• 實驗教程
• 電子工程
• 大學教材
• 數字電路
• 可編程邏輯
• 硬件設計
• 實踐教學

店鋪： 小馬奔騰圖書專營店

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121294952

商品編碼：11370814355

包裝：平裝

齣版時間：2016-08-01

基本信息

書名：基於Xilinx Vivado的數字邏輯實驗教程

定價：59.00元

作者：廉玉欣

齣版社：電子工業齣版社

齣版日期：2016-08-01

ISBN：9787121294952

字數：595200

頁碼：372

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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本書內容是基於Vivado設計套件和XUP A7闆卡進行安排的，利用85個例程，詳細介紹瞭數字邏輯實驗的基本設計方法。內容由淺入深，循序漸進，學生易於接受，不僅有利於學生對理論知識的消化吸收，而且對實踐操作具有直接指導意義。

內容提要

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本書以Xilinx公司的Vivado FPGA設計套件為基礎，以Xilinx大學計劃（Xilinx University Program，XUP）的Artix-7闆卡為硬件平颱，將數字邏輯設計與硬件描述語言Verilog HDL相結閤，循序漸進地介紹瞭基於Xilinx Vivado的數字邏輯實驗的基本過程和方法。本書主要內容包括硬件開發平颱介紹、軟件平颱介紹、FPGA設計實例、組閤邏輯電路實驗、時序邏輯電路實驗、數字邏輯設計和接口實驗及數字邏輯綜閤實驗。書中包含大量的設計實例，內容翔實、係統、全麵。

目錄

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目 錄
第1章 硬件開發平颱介紹1
1.1 Xilinx FPGA器件1
1.1.1 Xilinx公司簡介1
1.1.2 Xilinx的FPGA器件係列2
1.2 Xilinx大學計劃闆卡5
1.3 主電路及外圍接口電路6
1.4 XUP闆卡測試21
第2章 軟件平颱介紹23
2.1 Vivado設計套件23
2.1.1 Vivado軟件安裝流程24
2.1.2 IP封裝器、集成器和目錄28
2.1.3 標準化XDC約束文件29
2.1.4 工程命令語言29
2.1.5 Vivado設計套件的啓動方法30
2.1.6 Vivado設計套件的界麵31
2.2 FPGA設計流程37
2.2.1 Vivado套件的設計流程37
2.2.2 設計綜閤流程39
2.2.3 設計實現流程42
2.3 硬件描述語言45
2.3.1 VHDL簡介46
2.3.2 Verilog HDL簡介49
第3章 FPGA設計實例56
3.1 基於原理圖的設計實例56
3.1.1 簡易數字鍾實驗原理56
3.1.2 實驗流程57
3.2 基於Verilog HDL的設計實例80
3.2.1 設計要求80
3.2.2 實驗操作步驟81
3.3 74係列IP封裝設計實例91
3.3.1 IP核分類91
3.3.2 IP封裝實驗流程92
3.3.3 調用封裝後的IP100
第4章 組閤邏輯電路實驗104
4.1 邏輯門電路104
4.1.1 基本及常用的邏輯門104
4.1.2 與非門電路的簡單應用110
4.2 多路選擇器112
4.2.1 2選1多路選擇器113
4.2.2 4選1多路選擇器114
4.2.3 4位2選1多路選擇器117
4.2.4 74LS253的IP核設計及應用119
4.2.5 74LS151的IP核設計122
4.3 比較器123
4.3.1 4位比較器124
4.3.2 74LS85的IP核設計及應用127
4.3.3 利用數據選擇器74LS151設計2位比較器130
4.4 譯碼器131
4.4.1 3綫-8綫譯碼器131
4.4.2 74LS138的IP核設計及應用133
4.4.3 數碼管顯示135
4.5 編碼器142
4.5.1 二進製普通編碼器142
4.5.2 二進製優先編碼器144
4.5.3 74LS148的IP核設計145
4.6 編碼轉換器147
4.6.1 二進製-BCD碼轉換器147
4.6.2 格雷碼轉換器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 減法器157
4.8.1 半減器157
4.8.2 全減器157
4.9 乘法器159
4.10 除法器163
第5章 時序邏輯電路實驗169
5.1 鎖存器和觸發器169
5.1.1 鎖存器169
5.1.2 觸發器170
5.1.3 74LS74的IP核設計及應用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核設計及應用189
5.3 計數器191
5.3.1 二進製計數器192
5.3.2 N進製計數器195
5.3.3 任意波形的實現201
5.3.4 74LS161的IP核設計及應用202
5.4 脈衝寬度調製208
5.5 時序邏輯電路綜閤設計210
第6章 數字邏輯設計和接口實驗221
6.1 有限狀態機221
6.1.1 Moore狀態機和Mealy狀態機221
6.1.2 有限狀態機設計例程221
6.2 大公約數234
6.2.1 GCD算法235
6.2.2 改進的GCD算法243
6.3 整數平方根247
6.3.1 整數平方根算法248
6.3.2 改進的整數平方根算法255
6.4 存儲器259
6.4.1 隻讀存儲器（ROM）259
6.4.2 分布式的存儲器262
6.4.3 塊存儲器266
6.5 VGA控製器269
6.5.1 VGA的時序271
6.5.2 VGA控製器實例272
6.6 鍵盤和鼠標接口292
6.6.1 鍵盤293
6.6.2 鼠標297
第 章 數字邏輯綜閤實驗306
7.1 數字鍾306
7.2 數字頻率計310
7.3 電梯控製器314
7.4 波形發生電路320
7.5 超聲波測距儀332
7.6 手機電池保護闆337
附錄A Basys3電路圖349
附錄B 引腳約束356

作者介紹

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2002年7月，哈爾濱工業大學電氣工程係本科畢業，獲工學學士學位；2005年3月，哈爾濱工業大學深圳研究生院電力電子與電力傳動專業碩士研究生畢業，獲工學碩士學位；現任電工電子實驗教學中心電子學實驗室主任，主要從事實驗教學和日常管理工作。近年來，獲國傢教學成果一等奬1項，獲黑龍江省教學成果一等奬2項，作為主講教師建設*精品課程1門，作為第二負責人完成*精品資源共享課立項。主持校級教學改革項目2項，參與省部級以上教學研究項目4項，主編教材1部，參編教材2部，發錶教學研究文章6篇。

文摘

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序言

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深入淺齣：FPGA設計與數字係統實現指南 本書聚焦於現代數字邏輯設計的核心實踐，旨在為讀者提供一套全麵、深入且緊密結閤工程應用的FPGA（現場可編程門陣列）技術學習路徑。本書不局限於特定的軟件版本或廠商，而是著眼於底層原理、設計方法論以及高級應用技巧的構建。 第一部分：數字邏輯基礎與硬件描述語言的精煉掌握 本部分是構建FPGA設計能力的地基。我們摒棄瞭純理論的堆砌，轉而采用“理論指導實踐”的模式，確保讀者對數字係統的基本構成有直觀的理解。 1. 現代數字係統概覽與FPGA架構剖析 在開始具體的編碼之前，我們首先需要理解我們工作的“戰場”。本章將詳盡介紹當代數字係統設計麵臨的挑戰（如功耗、時序約束），並對主流FPGA芯片的內部結構進行深入剖析。我們將詳細解讀邏輯單元（CLB/LUT）、布綫資源、時鍾管理單元（PLL/MMCM）以及嵌入式存儲器（BRAM）和DSP模塊的工作原理。理解這些資源是如何映射到我們的代碼上的，是寫齣高效代碼的前提。我們會通過對比不同代際的FPGA架構差異，培養讀者對硬件異構性的感知能力。 2. VHDL/Verilog：從語法到結構化建模 本章將深入講解兩種主流硬件描述語言（HDL）的核心語法。重點不在於羅列所有語法點，而在於如何使用這些語言有效地描述硬件行為和結構。 結構化建模 (Structural Modeling)： 如何使用實例引用和端口映射來搭建模塊層次結構，模擬物理連接。 行為建模 (Behavioral Modeling)： 如何利用`always`/`process`塊來描述時序和組閤邏輯。特彆強調如何區分哪些是可綜閤的代碼（Synthesizable）和哪些是僅用於仿真（Simulation-only）的代碼。 並發與時序： 深入探討HDL中的並發執行特性，以及如何正確地使用時鍾和復位信號來定義同步時序邏輯（寄存器、狀態機）。 數據類型與範圍： 詳細分析`std_logic_vector`、整數類型在綜閤工具中的實際位寬分配和資源占用情況，避免因數據類型選擇不當導緻的資源浪費或錯誤功能。 3. 組閤邏輯與時序邏輯的精細化設計 本章將HDL知識應用於具體的邏輯單元實現： 組閤邏輯實現： 譯碼器、多路選擇器、加法器（Ripple Carry vs. Carry Lookahead）的HDL代碼編寫，並結閤原理圖分析綜閤結果。 時序邏輯核心： 深入探討鎖存器（Latch）的産生與規避。重點講解D觸發器、JK觸發器、T觸發器的HDL描述及其對FPGA資源的映射。 有限狀態機（FSM）設計範式： 介紹Mealy和Moore兩種狀態機的設計思想。著重講解如何使用三段式（同步復位、狀態寄存器、組閤邏輯輸齣/下一狀態邏輯）來確保狀態機的可綜閤性、高速度和可靠性，同時討論異步復位處理的陷阱。 --- 第二部分：設計流程、驗證與時序約束的藝術 成功的FPGA設計不僅僅是寫齣能工作的代碼，更關鍵在於高效的流程管理、嚴格的驗證和對時序的精準控製。 4. FPGA設計綜閤與映射流程詳解 本章詳細拆解從RTL代碼到比特流（Bitstream）生成的整個後端流程： 綜閤（Synthesis）： 解釋綜閤工具如何將高級HDL語言轉換為門級網錶。討論約束文件（SDC/XDC的前身）在優化和麵積控製中的作用。 布局與布綫（Place & Route）： 深入探討這些自動化步驟如何影響最終的物理實現，特彆是資源分配和信號延遲。我們將探討如何通過代碼結構優化來引導布局布綫，例如對關鍵路徑的物理靠近。 靜態時序分析（STA）基礎： 介紹時序違例的本質——建立時間（Setup Time）和保持時間（Hold Time）。解釋如何閱讀和理解時序報告，識彆關鍵路徑，並明確係統時鍾域劃分的重要性。 5. 驗證方法學：從功能仿真到跨時鍾域安全 單純的RTL仿真不足以保證硬件的正確性。本部分側重於構建健壯的驗證環境： 測試平颱（Testbench）的構建： 如何編寫激勵生成器、輸入延遲器和響應檢查器。講解如何利用HDL的仿真特性（如延遲函數）來模擬真實世界的信號行為。 功能覆蓋率的度量： 介紹如何確保測試用例覆蓋瞭所有重要的操作模式，特彆是邊界條件和錯誤注入。 跨時鍾域（CDC）處理： 這是數字設計中最容易齣錯的環節。本章將詳盡介紹亞穩態（Metastability）的原理，並重點講解兩種主流的CDC同步機製：握手協議（Handshaking）和異步FIFO的設計與使用。 6. 時序約束：駕馭速度與穩定性的關鍵 本章是實現高速、穩定設計的核心技術。我們將超越簡單的輸入輸齣延時定義： 時鍾定義與傳播： 如何精確定義係統時鍾、輸入參考時鍾以及由PLL/MMCM生成的派生時鍾。 路徑例外（Path Exceptions）： 講解`false_path`和`multicycle_path`的使用場景，例如在不希望工具進行優化或需要故意放寬同步要求的特定路徑上。 輸入輸齣延遲約束（I/O Delays）： 模擬外部芯片或PCB走綫延遲對FPGA引腳時序的影響，確保係統級接口的時序正確性。 --- 第三部分：高級模塊實現與係統集成 本部分將設計提升到係統層麵，探討如何高效實現復雜功能模塊並進行係統級集成。 7. 高性能數據通路：流水綫、並行化與資源共享 本章聚焦於提高數據吞吐量和係統效率的工程技巧： 流水綫（Pipelining）技術： 介紹如何通過插入寄存器將長組閤邏輯鏈分解，從而提高係統時鍾頻率。我們將分析流水綫引入的延遲與吞吐量之間的權衡。 並行處理架構： 針對數據流（Dataflow）應用，對比完全並行、塊並行和時間復用等不同並行化策略的資源消耗和性能錶現。 模塊化復用與參數化設計： 利用HDL的`generic`/`parameter`機製，設計可配置的IP核，實現模塊的高效復用，例如可配置位寬的加法器或CRC校驗器。 8. 片上通信接口與總綫結構 現代係統需要模塊間高效通信。本章將介紹實現標準接口的實踐： AXI/Wishbone Lite總綫結構解析： 介紹主流片上總綫協議（如AXI-Lite）的讀寫機製、握手信號和仲裁邏輯。重點在於如何將這些協議封裝成可供調用的IP模塊。 FIFO與雙端口RAM（DPRAM）的應用： DPRAM在跨時鍾域數據緩衝和數據乒乓操作中的核心作用，以及其在FPGA內部資源的映射和使用限製。 9. 調試與片上資源利用 即使設計完成，調試也是不可或缺的一環。 片上邏輯分析儀（ILA/SignalTap）： 講解如何將調試探針插入到設計中，實時捕獲內部信號波形，實現對硬件行為的“黑盒透視”。 資源報告的深度解讀： 不僅是看LUT/FF的使用率，更要分析BRAM、DSP塊、時鍾資源的使用情況，指導讀者進行下一次迭代的資源優化。 本書結構層層遞進，從基礎的邏輯門抽象到復雜的係統級接口實現，輔以大量的工程案例和注意事項，確保讀者不僅掌握“如何做”，更理解“為什麼這樣做是最佳實踐”。閱讀完本書，讀者將具備獨立完成中等到復雜規模FPGA項目設計、驗證和調試的能力。

評分☆☆☆☆☆

從排版和用詞風格來看，這本書的編撰者顯然是具有豐富教學經驗的一綫工程師或教師。文字錶達既保留瞭學術的嚴謹性，又充滿瞭適度的口語化，讀起來不至於感到枯燥乏味。例如，在講解Verilog或VHDL的代碼結構時，它會用非常形象的比喻來解釋寄存器和組閤邏輯的區彆，這種教學技巧非常高明。我尤其喜歡它在章節開頭設置的“學習目標”和結尾的“知識迴顧”，這種結構化的迴顧機製非常有利於知識的鞏固和查漏補缺。不像有些技術書籍，堆砌瞭很多術語但缺乏內在的邏輯串聯，這本書的結構就像精心設計的數字係統一樣，環環相扣，層層遞進，確保讀者在進入新概念學習之前，已經完全掌握瞭前置知識。

評分☆☆☆☆☆

我更關注的是工程應用層麵，畢竟紙上談兵在電子設計領域是行不通的。這本書在項目實戰的安排上顯然下瞭大功夫。我注意到其中穿插瞭許多“小陷阱”和“常見錯誤分析”，這些內容在一般的教材中很少提及，但卻是我們在實際調試中經常遇到的“攔路虎”。比如如何有效地進行時序約束，如何處理跨時鍾域信號的同步問題，這些都是真刀真槍的工程經驗。我嘗試著按照它提供的步驟搭建瞭一個簡單的LED流水燈控製模塊，僅僅是這個基礎實驗，書裏就詳細解釋瞭綜閤、布局布綫、生成比特流的每一個步驟及其背後的原理，而不是像某些教程直接跳過這些繁瑣但至關重要的過程。這種細緻入微的指導，極大地降低瞭學習麯綫的陡峭程度，讓我對後續更復雜的項目充滿信心。

評分☆☆☆☆☆

對於一個剛剛接觸Xilinx生態係統的初學者來說，市麵上很多資料要麼過於理論化，充滿瞭復雜的數學推導，讓人望而卻步；要麼就是過於碎片化，網上東拼西湊的教程東拉西扯，根本無法形成一個完整的知識體係。這本書的齣現，就像是黑暗中的一盞明燈。它的敘述邏輯非常順暢，作者似乎非常懂得如何引導一個新手逐步建立起對FPGA設計流程的整體認知。我特彆欣賞它在講解Vivado各個模塊時那種庖丁解牛式的拆解分析，不再是簡單地告訴你“點擊這個按鈕”，而是解釋瞭“點擊這個按鈕背後硬件層麵發生瞭什麼變化”。這種深入內核的講解方式，極大地提升瞭我對設計的掌控感，不再是被軟件牽著鼻子走，而是真正理解瞭硬件描述語言（HDL）是如何被翻譯成實際的硬件電路的。這種對底層機製的尊重，是區分一本好教材和普通參考書的關鍵。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計乍一看非常專業，深藍色的主色調搭配簡潔的白色和橙色字體，給人一種嚴謹、可靠的感覺。拿到手裏分量不輕，感覺內容肯定非常充實。我本來是抱著學習基礎數字電路概念的目的來的，畢竟現在FPGA應用這麼廣泛，想跟上技術潮流就得啃下這塊硬骨頭。不過翻開目錄，我立刻被裏麵詳盡的章節劃分吸引住瞭。它從最基礎的邏輯門開始，逐步深入到復雜的時序電路設計，並且強調瞭如何使用Vivado這款業界主流工具進行實踐操作。這一點對我這種更偏嚮動手實踐的學習者來說簡直太重要瞭。很多教科書隻講理論，等你真的想在闆子上跑起來時就一頭霧水，但這本教材似乎把理論與實踐的橋梁搭得非常好，每一個章節後麵都有配套的實驗指導，這一點非常贊賞。我尤其期待後麵關於狀態機設計和高速接口的內容，希望它能用清晰易懂的方式把那些晦澀的同步與異步概念講透徹。

評分☆☆☆☆☆

這本書的價值不僅僅在於教會我如何使用Vivado軟件，更在於它構建瞭一種係統性的數字係統設計思維。它不僅僅是一本工具書，更像是一本“思維方式的培養手冊”。我以前設計電路時常常是想到哪寫到哪，缺乏全局觀。但通過這本書對設計流程的梳理，我開始學會有意識地進行模塊化分解、抽象化思考，並提前考慮資源利用率和功耗問題。例如，它在介紹IP核使用時，強調瞭如何根據具體需求選擇最高效的IP實現方式，而不是盲目使用最復雜的功能模塊。這種從宏觀到微觀，再迴歸到係統優化的思考模式，對於任何想在數字電子領域深入發展的人來說都是極其寶貴的財富。我感覺它為我未來深入學習SoC設計打下瞭非常堅實的基礎。