实例讲解 基于Quartus II的FPGA/CPLD数字系统设计快速入门 赵艳华著 97 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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赵艳华著 著

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• FPGA
• CPLD
• Quartus II
• 数字系统设计
• 赵艳华
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• 硬件设计
• 可编程逻辑

店铺： 博远慧达图书专营店

出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121301568

商品编码：11765181478

包装：平装-胶订

出版时间：2017-01-01

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基本信息

书名:实例讲解 基于Quartus II的FPGA/CPLD数字系统设计快速入门

定价：59.00元

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作者:赵艳华著

出版社：电子工业出版社

出版日期：2017-01-01

ISBN：9787121301568

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页码：

版次：1

装帧：平装-胶订

开本：16开

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编辑推荐

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内容提要

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本书系统介绍了基于Quartus II 9.0的FPGA/CPLD数字系统设计，内容包括FPGA/CPLD基础知识、VHDL基本语法介绍和设计实例、复杂时序逻辑的状态机设计、结合硬件实验设备的基本设计实例、Quartus II 9.0的开发流程和使用技巧、综合性设计实例、EDA实验系统以及VHDL硬件描述语言和VerilogHDL语言的语法要素和语法格式，供读者在学习和实验过程中速查参考。

目录

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第1章 可编程逻辑器件与EDA技术概述
1.1 EDA技术概述
1.1.1 EDA技术的起源及发展
1.1.2 EDA技术的主要内容
1.1.3 大规模可编程逻辑器件
1.1.4 硬件描述语言(HDL)
1.1.5 软件开发工具
1.1.6 实验开发系统
1.1.7 EDA技术的发展趋势
1.2 EDA设计流程
1.2.1 EDA设计过程
1.2.2 EDA设计具体实现方法
1.3 CPLD/FPGA基本原理
1.3.1 可编程逻辑器件的发展
1.3.2 可编程逻辑器件的分类
1.3.3 FPGA的基本结构
1.3.4 CPLD的基本结构
1.3.5 CPLD和FPGA的比较
1.3.6 CPLD基本原理
1.3.7 FPGA结构原理
1.4 CPLD/FPGA器件的应用选择
思考与练习
第2章 VHDL语言基础
2.1 VHDL语言简介
2.2 VHDL基本程序结构
2.2.1 实体（Entity）
2.2.2 结构体（Architecture）
2.2.3 库（Library）和程序包（Package）
2.2.4 配置（Configuration）
2.3 VHDL语言描述方式
2.3.1 行为（Behavior）描述方式
2.3.2 数据流（Dataflow）描述方式
2.3.3 结构（Stucture）描述方式
2.4 VHDL程序描述
2.4.1 实体声明（Entity Declaration）
2.4.2 结构体声明与描述（Architecture Declaration and Description）
2.4.3 程序包（Package）
2.4.4 配置（Configuration）
2.4.5 库（Library）
2.5 VHDL数据对象（Objects）
2.5.1 信号声明与使用（Signal）
2.5.2 常量声明与使用（Constants）
2.5.3 变量声明与使用（Variables）
2.5.4 数据对象的比较
思考与练习
第3章 VHDL语法要素
3.1 VHDL基本数据类型
3.1.1 标量数据类型
3.1.2 复合数据类型
3.1.3 数据类型转换
3.2 VHDL文字规则
3.2.1 数值表达
3.2.2 标识符
3.3 VHDL操作符
3.3.1 操作符的类型
3.3.2 操作符的优先级
思考与练习
第4章 VHDL语句
4.1 VHDL并行语句（Concurrent Statements）
4.1.1 并行信号赋值语句
4.1.2 进程语句
4.1.3 块语句（Block Statement）
4.1.4 元件例化语句（Component Instantiation）
4.1.5 过程调用语句（Procedure Call）
4.1.6 生成语句（Generate Statement）
4.2 VHDL顺序语句（Sequential Statements）
4.2.1 信号赋值和变量赋值语句（Signal and Variable Assignments）
4.2.2 IF语句（IF Statement）
4.2.3 CASE语句（CASE Statement）
4.2.4 NULL语句
4.2.5 LOOP语句
4.2.6 NEXT语句
4.2.7 EXIT语句
4.2.8 WAIT语句
4.2.9 RETURN语句
4.3 其他语句结构
4.3.1 子程序（Subprogram）
4.3.2 函数（Function）
4.3.3 过程（Procedure）
4.3.4 子程序重载（Subprogram Overload）
4.3.5 预定义属性（Predefined Attributes）
思考与练习
第5章 基本逻辑电路设计实例
5.1 多路选择器设计
5.1.1 4选1多路选择器
5.1.2 数据分配器
5.2 译码/编码器设计
5.2.1 3-8译码器
5.2.2 7段数码管译码器
5.2.3 优先编码器
5.2.4 二-十进制码制转换
5.3 计数器设计
5.3.1 基本计数器
5.3.2 可逆计数器
5.3.3 可预置计数器
5.4 微分电路设计
5.4.1 延迟电路
5.4.2 微分电路
5.4.3 同步计数器
5.5 分频电路设计
5.5.1 整数分频电路
5.5.2 2.5分频电路
5.6 键盘去抖动电路设计
5.7 计数与显示电路设计
思考与练习
第6章 状态机设计
6.1 状态机的设计与实现
6.1.1 状态机的优点
6.1.2 VHDL语言中的状态机设计种类
6.1.3 状态机的结构
6.2 状态机设计举例
6.2.1 交通灯控制器的逻辑实现
6.2.2 单进程Moore状态机
6.2.3 Mealy型有限状态机
6.3 状态机综合设计实例
思考与练习
第7章 Quartus Ⅱ软件操作指南
7.1 Quartus Ⅱ 9.0简介
7.2 Quartus Ⅱ设计流程
7.2.1 建立新工程
7.2.2 设计输入
7.2.3 分析与综合
7.2.4 适配（Fitter）
7.2.5 全程编译（Start Simulation）
7.2.6 时序仿真
7.2.7 电路观察器（RTL Viewer）
7.2.8 打开原有工程
7.3 引脚分配与下载
7.3.1 引脚分配
7.3.2 编程与配置
7.4 Project Navigator（工程导航）与工程管理
7.4.1 【Hierarchy】标签页
7.4.2 【Files】标签页
7.4.3 工程文件管理
思考与练习
第8章 Quartus Ⅱ应用技巧
8.1 文本编辑器
8.1.1 【Files】菜单
8.1.2 文本编辑器编辑工具
8.2 原理图编辑器(Block Diagram/Schematic File)
8.2.1 原理图编辑工具栏
8.2.2 添加原理图符号
8.2.3 导线绘制与命名
8.2.4 视图切换
8.3 波形编辑器
8.3.1 波形编辑器界面
8.3.2 波形编辑工具栏
8.3.3 仿真设置
8.4 用原理图输入法进行设计
8.5 资源分配编辑器(Assignments Editor)
8.5.1 用户界面和主要功能
8.5.2 引脚规划器
8.6 工程设置
思考与练习
第9章 Quartus Ⅱ 综合应用示例
9.1 LPM定制与应用
9.2 简易正弦信号发生器设计
9.2.1 正弦信号发生器的构成
9.2.2 定制波形信息初始化文件
9.2.3 定制LPM_ROM
9.2.4 原理图方式设计顶层实体
9.2.5 用例化语句完成顶层实体设计
9.3 SignalTap Ⅱ嵌入式逻辑分析仪的应用
9.3.1 SignalTap Ⅱ文件的建立
9.3.2 逻辑分析仪的使用操作
思考与练习
第10章 综合设计项目
10.1 数字钟设计
10.1.1 计时模块
10.1.2 显示控制
10.2 密码锁设计
10.3 电子乐曲播放器设计
10.3.1 音阶分频系数
10.3.2 音阶频率的产生
10.3.3 音长与乐谱的确定
10.3.4 乐谱播放控制
10.3.5 顶层设计
10.3.6 实现乐曲演奏的另一种方法
10.4 简易电子琴设计
10.5 简易信号发生器
10.6 投球游戏设计
10.6.1 游戏设计实现
10.6.2 自定义程序包
10.6.3 游戏控制器设计
10.6.4 游戏顶层设计
10.7 DS18B20温度采集控制器
思考与练习
第11章 EDA/SOC实验系统使用说明
11.1 教学实验系统原理与使用介绍
11.1.1 B类插座实验模块可接插的10针双插座
11.1.2 主系统其他接口说明
11.2 主控板模块介绍
11.3 实验系统各模块简介
11.3.1 4×4 16键键盘
11.3.2 4×4 8个单脉冲综合键盘模块
11.3.3 1个7段数码显示模块和4个动态扫描显示模块
11.3.4 7位数码管串行静态显示模块
11.3.5 32位输出显示HEX模块
11.3.6 32位输入显示HEX模块
11.3.7 24位综合键盘模块
11.3.8 交通灯显示模块
11.3.9 动态扫描数码显示模块
11.3.10 点阵式128×64液晶显示模块
11.3.11 字符式20×4液晶显示模块
11.3.12 800×480数字TFT彩屏液晶显示模块
11.3.13 双通道DAC和ADC标准模块
11.3.14 高速A/D和双通道D/A模块
11.3.15 高速12位SPI串行双ADC模块
11.3.16 8位 16位高分辨率ADC模块
11.3.17 SPI串行接口高速ADC DAC模块
11.3.18 SD PS2 RS232 VGA显示接口模块
11.3.19 电动机接口模块
11.3.20 语音 数码动态扫描模块
附录
附录A VHDL语句格式速查
附录B Verilog HDL语句格式速查
参考文献

作者介绍

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赵艳华副教授，主要从事电子设计自动化、嵌入式系统应用、信号与信息处理等方向的科研与教学工作，具有丰富的教学实践和科研开发经验。

文摘

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序言

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《数字世界之旅：FPGA/CPLD核心技术与实践解析》 第一章 FPGA/CPLD技术概览与核心概念 在本章中，我们将踏入数字逻辑设计的广阔天地，深入了解FPGA（Field-Programmable Gate Array）和CPLD（Complex Programmable Logic Device）这两种现代数字系统设计中不可或缺的核心器件。我们将从宏观视角出发，阐述FPGA和CPLD的定义、基本工作原理以及它们在电子工程领域扮演的关键角色。 首先，我们将详细解析FPGA的内部结构。FPGA的核心是一个由大量可编程逻辑单元（Logic Elements, LEs）组成的矩阵，这些逻辑单元通过可编程互连资源进行连接，从而实现用户自定义的逻辑功能。我们将剖析LEs的构成，通常包括查找表（Look-Up Table, LUT）、触发器（Flip-Flop, FF）以及多路选择器（Multiplexer, MUX）等基本逻辑单元，并阐释它们如何协同工作来实现复杂的组合逻辑和时序逻辑。此外，我们还将探讨FPGA中的关键资源，如输入/输出块（Input/Output Blocks, IOBs）、时钟管理单元（Clock Management Tiles, CMTs）以及嵌入式存储器（Embedded Memory）和嵌入式处理器（Embedded Processors）等，理解它们的功能和应用。 接着，我们将深入CPLD的技术细节。CPLD的结构与FPGA有所不同，它通常采用基于乘积项（Product Term）的宏单元（Macrocell）作为基本逻辑单元，并通过一个全局互连矩阵进行连接。我们将解释宏单元的组成，包括乘积项阵列、可编程逻辑宏单元（Programmable Logic Macrocell, PLMC）以及输出逻辑，并分析CPLD的“非易失性”特点，即其配置信息存储在内部的EEPROM或Flash存储器中，断电后不会丢失，这使其在某些应用场景下具有优势。 本章将重点区分FPGA和CPLD的性能特点。我们将从速度、功耗、灵活性、集成度、成本以及可编程性等方面进行详细比较，帮助读者理解在不同的应用需求下，如何选择最合适的器件。例如，FPGA通常具有更高的集成度和更强的处理能力，适合实现复杂的数字信号处理算法和系统级集成，而CPLD则在低功耗、实时响应以及非易失性配置等方面表现出色，常用于简单的逻辑控制、接口电路等。 此外，我们将引入数字逻辑设计中的核心概念。这包括布尔代数、逻辑门、组合逻辑电路（如编码器、译码器、加法器、多路选择器等）以及时序逻辑电路（如触发器、寄存器、计数器、状态机等）。我们将通过直观的图示和简洁的数学描述，帮助读者牢固掌握这些基本概念，为后续深入的学习打下坚实的基础。 最后，本章将探讨FPGA/CPLD在现代电子系统中的典型应用领域，例如通信系统、嵌入式系统、工业自动化、医疗设备、消费电子以及高性能计算等，通过这些实际的例子，让读者对FPGA/CPLD的技术价值有一个初步的认识，激发学习的兴趣。 第二章 硬件描述语言（HDL）与设计流程基础 在本章中，我们将全面介绍进行FPGA/CPLD设计所必需的硬件描述语言（Hardware Description Language, HDL）以及标准的设计流程。熟练掌握HDL是实现高效、可综合硬件设计的关键，而理解并遵循标准的设计流程则能确保项目开发的顺利进行和最终产品的质量。 我们将首先聚焦于VHDL（VHSIC Hardware Description Language）和Verilog HDL这两种主流的HDL。我们将分别介绍它们的语法结构、数据类型、运算符、行为描述方式（如过程、并发语句）、结构描述方式（如实例化、信号连接）以及面向对象的设计思想（在VHDL中）。我们将通过大量实例，展示如何使用VHDL和Verilog来描述基本的逻辑门、组合逻辑电路（如全加器、比较器）和时序逻辑电路（如D触发器、寄存器、计数器）。重点在于讲解如何从功能需求出发，编写出清晰、简洁且易于理解的HDL代码。 我们将深入探讨HDL的可综合性。并非所有的HDL代码都可以被综合工具成功转换为硬件电路。本章将详细解释可综合HDL代码的编写规则，例如避免使用不可综合的语句（如延时语句`wait`在某些情况下、文件I/O操作等），正确使用赋值语句（`<=`用于过程赋值，`=`用于连续赋值），以及理解不同数据类型和运算符在综合时的行为。我们将通过对比分析，指出哪些编码方式是可综合的，哪些需要特殊处理。 接下来，我们将详细阐述FPGA/CPLD的标准设计流程。这个流程通常包括以下几个关键阶段： 1. 需求分析与系统设计： 在项目启动阶段，明确设计目标、功能需求、性能指标和接口规范。进行顶层系统架构设计，将系统分解为更小的模块。 2. HDL编码： 使用VHDL或Verilog HDL编写各个模块的RTL（Register Transfer Level）级描述。 3. 功能仿真： 在综合之前，利用仿真工具对编写的HDL代码进行功能验证。我们将介绍仿真模型、测试平台（Testbench）的编写方法，以及如何通过波形观察器分析仿真结果，确保设计的功能正确性。 4. 逻辑综合： 使用综合工具将RTL级HDL代码转换为门级网表（Netlist）。我们将解释综合工具的工作原理，以及如何通过约束文件（Constraints File）来指导综合过程，例如设定时钟频率、端口驱动能力等。 5. 布局与布线（Place & Route）： 综合后的门级网表会被映射到目标FPGA/CPLD器件的具体逻辑单元和互连线上。我们将介绍布局（Placement）和布线（Routing）的过程，以及它们对设计性能（如时序、功耗）的影响。 6. 时序仿真/静态时序分析（STA）： 在布局布线完成后，对设计进行时序分析。我们将解释时序仿真的概念，以及静态时序分析（STA）的强大之处，它能够无需测试向量即可检查设计的时序是否满足要求。我们将讲解时序约束的设置，以及如何根据STA报告来优化设计，解决时序违规问题。 7. 生成比特流（Bitstream）： 将最终的网表和布局布线信息转换为目标FPGA/CPLD器件可识别的配置文件，即比特流。 8. 硬件下载与调试： 将生成的比特流下载到实际的FPGA/CPLD器件中，并通过逻辑分析仪、示波器等硬件调试工具对实际运行效果进行验证和调试。 在本章中，我们将强调在整个设计流程中，仿真与分析的重要性。良好的仿真覆盖率和及时的时序分析是发现和解决设计问题的关键。我们将通过实例说明，在设计过程中，不同阶段的工具和方法是如何协同工作的，以确保最终设计的成功。 第三章 组合逻辑电路设计与实现 本章将聚焦于数字逻辑中最基础也最重要的组成部分——组合逻辑电路。我们将深入分析各类常见组合逻辑电路的设计原理、HDL实现以及在FPGA/CPLD中的具体应用。 我们将从最基本的逻辑门（AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR, XNOR）开始，讲解它们的工作原理和逻辑真值表。在此基础上，我们将深入介绍各种组合逻辑电路模块： 编码器（Encoder）和译码器（Decoder）： 我们将详细讲解优先级编码器、二进制编码器、N位二进制译码器、BCD码译码器等的设计。理解它们如何将输入信号映射到唯一的输出信号，以及它们在地址解码、数据选择等方面的应用。 多路选择器（Multiplexer, MUX）和多路分配器（Demultiplexer, DEMUX）： 我们将探讨4选1、8选1等Mux的设计，以及它们如何根据选择信号从多个输入中选择一个输出。同时，我们将讲解Demux的功能，以及它们在数据分发和路由方面的作用。 加法器（Adder）和减法器（Subtractor）： 从半加器（Half Adder）到全加器（Full Adder），再到超前进位加法器（Carry-Lookahead Adder, CLA）和波进位加法器（Ripple Carry Adder, RCA），我们将分析它们的结构和性能差异。理解这些基本算术电路是实现更复杂运算单元的基础。 比较器（Comparator）： 我们将讲解两位、多位比较器的设计，它们如何判断两个输入数值的大小关系（等于、大于、小于），并在各类控制逻辑中发挥作用。 奇偶校验发生器（Parity Generator）和校验器（Parity Checker）： 介绍生成和检测数据中奇偶校验位的原理，这在数据传输的可靠性方面至关重要。 四进制/BCD码转换器： 讲解二进制到BCD码的转换逻辑，以及BCD码之间的相互转换。 在每个电路的设计讲解中，我们不仅会提供清晰的逻辑框图和详细的工作原理分析，还会重点展示如何使用VHDL和Verilog HDL来描述这些电路。我们将演示两种不同的描述风格：行为级描述（通过逻辑表达式或流程语句）和结构级描述（通过实例化基本逻辑门）。我们将强调如何根据综合工具的特点，编写出高效且易于综合的HDL代码，以优化电路的性能和资源利用率。 此外，本章还将介绍如何利用已有的组合逻辑模块来构建更复杂的系统。例如，如何将多个加法器和多路选择器组合起来，实现一个简单的算术逻辑单元（ALU）。我们将强调模块化设计的思想，即通过组合小的、功能明确的模块来实现更大的、更复杂的系统。 通过本章的学习，读者将能够独立设计和实现各种基础的组合逻辑电路，并将其集成到更复杂的数字系统中。我们将通过丰富的例题和练习，巩固所学知识，为后续的时序逻辑电路和状态机设计打下坚实的基础。 第四章 时序逻辑电路设计与实现 本章将深入探讨数字逻辑设计的另一个重要基石——时序逻辑电路。与组合逻辑电路不同，时序逻辑电路的输出不仅取决于当前的输入，还与其历史状态（即之前的输入和内部状态）有关。这种“记忆”能力使得时序逻辑电路能够构建出能够执行复杂序列和存储数据的系统。 我们将首先从最基本的时序单元——触发器（Flip-Flop）开始。我们将详细介绍不同类型的触发器，包括： SR触发器（Set-Reset Flip-Flop）： 分析其基本结构、工作原理以及优缺点，特别是其潜在的“非法状态”问题。 D触发器（Data Flip-Flop）： 讲解D触发器的同步和异步置位/复位功能，以及它作为基本存储单元的广泛应用。我们将重点展示如何用D触发器来构建寄存器。 JK触发器（Jack-Kilby Flip-Flop）： 分析JK触发器的工作模式，包括置位、复位、翻转（Toggle）和保持（Hold）状态，理解其比SR触发器更灵活的控制方式。 T触发器（Toggle Flip-Flop）： 讲解T触发器的功能，即在输入信号的作用下翻转其输出状态，以及它在计数器设计中的应用。 我们将强调触发器的同步操作，即输出状态的改变只在时钟信号的上升沿或下降沿发生。理解时钟信号在数字系统中的核心作用是掌握时序逻辑的关键。 在此基础上，我们将讲解更复杂的时序逻辑模块： 寄存器（Register）： 介绍并行加载、移位寄存器（左移、右移）以及循环移位寄存器等类型。我们将展示如何使用D触发器阵列来构建各种功能的寄存器，并解释它们在数据存储、移位和并行处理中的应用。 计数器（Counter）： 我们将详细介绍同步计数器（如二进制计数器、BCD计数器、环形计数器、约翰逊计数器）和异步计数器（行波计数器）。我们将分析不同计数器的结构、工作原理和时序特性，以及如何通过HDL实现它们。重点将放在如何设计具有特定模数（Modulus）的计数器。 移位寄存器（Shift Register）： 深入讲解移位寄存器在串行数据传输、数据转换（串入并出SIPO, 并入串出SIPO, 串入串出SISO, 并入并出PIPO）中的应用。 状态机（State Machine）： 这是时序逻辑设计的核心内容之一。我们将介绍两种主要的状态机模型： 摩尔（Moore）状态机： 其输出仅取决于当前状态。 米利（Mealy）状态机： 其输出取决于当前状态和当前输入。 我们将详细讲解状态机的设计步骤，包括状态图（State Diagram）的绘制、状态转移表（State Transition Table）的建立、状态编码（State Encoding）的选择（例如二进制编码、格雷码编码、独热码编码）及其对硬件资源和性能的影响，以及如何将状态机转化为HDL代码。我们将通过实际例子，如交通灯控制器、序列检测器等，来演示状态机的设计和实现。 在HDL实现方面，我们将重点展示如何在VHDL和Verilog HDL中描述时序逻辑。我们将强调使用进程（Process）或always块（Always Block）来描述由时钟触发的状态变化，以及使用非阻塞赋值（`<=`）来确保正确的数据流。我们将通过对比分析，展示如何选择合适的HDL语句来描述寄存器、计数器和状态机的行为。 本章将通过大量实例，演示如何从功能需求出发，设计并实现各种复杂时序逻辑电路。我们将强调在时序逻辑设计中，对时序约束的理解和应用，以及如何通过仿真和静态时序分析来保证设计的正确性和稳定性。 第五章 FPGA/CPLD设计流程进阶与实用技巧 在本章中，我们将进一步深入FPGA/CPLD的设计流程，重点关注那些能够显著提升设计效率、优化性能并确保项目成功的进阶技术和实用技巧。 约束文件的深入理解与应用： 我们将详细讲解约束文件（Constraints File）的种类和关键属性。 时序约束（Timing Constraints）： 重点讲解时钟定义（`create_clock`）、输入/输出延迟约束（`set_input_delay`, `set_output_delay`）、多周期路径约束（`set_multicycle_path`）、伪路径约束（`set_false_path`）以及最大/最小延迟约束。我们将通过实例说明，如何精确地设置这些约束来指导综合和布局布线工具，以满足系统的时序要求。 物理约束（Physical Constraints）： 介绍管脚分配（Pin Assignment）、区域约束（Region Constraints）、伪放置（Pseudo-Placement）等，以及它们如何影响器件的功耗、信号完整性和可制造性。 功耗约束（Power Constraints）： 讲解如何通过约束文件来影响工具对功耗的优化策略。 我们将强调，编写正确且充分的约束文件是实现高性能FPGA/CPLD设计的“秘诀”之一。 IP核（Intellectual Property Core）的应用与管理： IP核是FPGA/CPLD设计中的重要组成部分，它们是预先设计好的、可复用的功能模块，可以大大缩短开发周期。 IP核的种类： 介绍常见的IP核，如DSP核（乘法器、乘加器）、存储器控制器（DDR、BRAM）、处理器核（ARM、MicroBlaze）、通信接口核（PCIe、Ethernet）以及各种数学函数库等。 IP核的生成与配置： 演示如何使用厂商提供的IP核生成器来配置和实例化IP核，例如设置存储器的深度和宽度，配置处理器核的参数等。 IP核的集成： 讲解如何将不同的IP核以及用户自定义模块集成到一个完整的系统中，以及如何处理IP核之间的接口兼容性问题。 IP核的版权与授权： 简要提及IP核的使用需要遵守相关的许可协议。 调试策略与工具： 有效的调试是硬件开发过程中必不可少的一环。 仿真调试： 除了前面章节提到的功能仿真，我们将深入讲解如何使用仿真工具进行信号追踪、断点设置、波形分析，以及如何构建复杂的测试平台来覆盖更多的设计场景。 硬件调试： 片上逻辑分析仪（On-Chip Logic Analyzer）： 详细介绍如ChipScope（Xilinx）或SignalTap II（Altera）等片上逻辑分析仪的工作原理，如何配置探针（Probe）来观察内部信号，以及如何将其与仿真波形进行对比。 JTAG接口与调试器： 讲解JTAG接口在下载比特流、边界扫描以及配合调试工具使用中的作用。 逻辑分析仪与示波器： 介绍如何使用外部的逻辑分析仪和示波器来观察FPGA/CPLD的外部I/O信号，以及如何通过触发条件来捕获特定时刻的数据。 调试技巧： 分享一些实用的调试技巧，例如在设计中插入调试信号、使用断言（Assertions）进行错误检查、逐步缩小问题范围等。 设计优化技术： 在完成基本功能验证后，对设计进行优化是提升性能、降低功耗和减小面积的关键。 时序优化： 针对时序违规问题，我们将讲解诸如流水线（Pipelining）技术、复制逻辑（Logic Replication）、优化时序路径（Timing Path Optimization）等方法。 面积优化： 介绍如何通过改变HDL编码风格、使用逻辑优化算法、减少不必要的逻辑等来减小硬件资源占用。 功耗优化： 讲解降低功耗的常用策略，如时钟门控（Clock Gating）、选择低功耗逻辑单元、优化数据通路等。 综合与布局布线选项的调整： 演示如何通过调整综合和布局布线工具的运行选项来影响最终的硬件实现结果。 版本控制与协作： 在团队开发中，版本控制工具至关重要。 版本控制系统（如Git）： 讲解如何使用Git来管理设计代码、约束文件以及其他相关文档，实现代码的版本追踪、分支管理和团队协作。 第五章 FPGA/CPLD设计流程进阶与实用技巧 在本章中，我们将进一步深入FPGA/CPLD的设计流程，重点关注那些能够显著提升设计效率、优化性能并确保项目成功的进阶技术和实用技巧。 约束文件的深入理解与应用： 我们将详细讲解约束文件（Constraints File）的种类和关键属性。 时序约束（Timing Constraints）： 重点讲解时钟定义（`create_clock`）、输入/输出延迟约束（`set_input_delay`, `set_output_delay`）、多周期路径约束（`set_multicycle_path`）、伪路径约束（`set_false_path`）以及最大/最小延迟约束。我们将通过实例说明，如何精确地设置这些约束来指导综合和布局布线工具，以满足系统的时序要求。这将包括理解时钟域穿越（Clock Domain Crossing, CDC）带来的挑战，以及如何通过适当的约束和跨时钟域处理电路来解决潜在问题。 物理约束（Physical Constraints）： 介绍管脚分配（Pin Assignment）、区域约束（Region Constraints）、伪放置（Pseudo-Placement）等，以及它们如何影响器件的功耗、信号完整性和可制造性。例如，如何通过物理约束来确保高性能信号线的最短路径，或者将相关联的逻辑模块放置在同一区域以减少时延。 功耗约束（Power Constraints）： 讲解如何通过约束文件来影响工具对功耗的优化策略，例如指定某些模块可以牺牲一定性能来降低功耗，或者对关键路径进行功耗优化。 我们将强调，编写正确且充分的约束文件是实现高性能FPGA/CPLD设计的“秘诀”之一。这需要对目标器件的架构、时序模型以及设计需求有深刻的理解。 IP核（Intellectual Property Core）的应用与管理： IP核是FPGA/CPLD设计中的重要组成部分，它们是预先设计好的、可复用的功能模块，可以大大缩短开发周期。 IP核的种类： 介绍常见的IP核，如DSP核（乘法器、乘加器）、存储器控制器（DDR、BRAM）、处理器核（ARM、MicroBlaze）、通信接口核（PCIe、Ethernet）以及各种数学函数库（如FFT、FIR滤波器）等。我们将强调选择和评估IP核的几个关键因素：性能、资源占用、功耗、可配置性以及厂商支持。 IP核的生成与配置： 演示如何使用厂商提供的IP核生成器来配置和实例化IP核，例如设置存储器的深度和宽度，配置处理器核的参数，选择接口标准等。我们将关注如何通过IP核配置界面，精确地定义所需的功能，以避免不必要的资源浪费。 IP核的集成： 讲解如何将不同的IP核以及用户自定义模块集成到一个完整的系统中，以及如何处理IP核之间的接口兼容性问题。这通常涉及使用厂商提供的IP集成工具，或者手动搭建总线接口。 IP核的版权与授权： 简要提及IP核的使用需要遵守相关的许可协议，特别是在商业项目中使用第三方IP时。 调试策略与工具： 有效的调试是硬件开发过程中必不可少的一环。 仿真调试： 除了前面章节提到的功能仿真，我们将深入讲解如何使用仿真工具进行信号追踪、断点设置、波形分析，以及如何构建复杂的测试平台来覆盖更多的设计场景。我们将介绍“边运行边仿真”（Co-simulation）技术，以及如何利用仿真报告来定位设计中的逻辑错误。 硬件调试： 片上逻辑分析仪（On-Chip Logic Analyzer）： 详细介绍如ChipScope（Xilinx）或SignalTap II（Altera）等片上逻辑分析仪的工作原理，如何配置探针（Probe）来观察内部信号，以及如何将其与仿真波形进行对比。我们将重点讲解如何选择合适的时钟源、触发条件以及采样深度，以捕获到有价值的调试信息。 JTAG接口与调试器： 讲解JTAG接口在下载比特流、边界扫描以及配合调试工具使用中的作用。我们将介绍如何利用JTAG接口来执行边界扫描测试，以及配合硬件调试器（如Lauterbach）进行在线调试。 逻辑分析仪与示波器： 介绍如何使用外部的逻辑分析仪和示波器来观察FPGA/CPLD的外部I/O信号，以及如何通过触发条件来捕获特定时刻的数据。我们将讨论如何将这些外部观察与片上调试工具结合使用，形成完整的调试闭环。 调试技巧： 分享一些实用的调试技巧，例如在设计中插入调试信号、使用断言（Assertions）进行错误检查、逐步缩小问题范围、利用日志文件记录调试信息等。 设计优化技术： 在完成基本功能验证后，对设计进行优化是提升性能、降低功耗和减小面积的关键。 时序优化： 针对时序违规问题，我们将讲解诸如流水线（Pipelining）技术、复制逻辑（Logic Replication）、优化时序路径（Timing Path Optimization）、关键路径重构等方法。我们将通过示例展示，如何通过分析时序报告（Timing Report）来识别瓶颈，并应用相应的优化策略。 面积优化： 介绍如何通过改变HDL编码风格、使用逻辑优化算法、减少不必要的逻辑、利用器件的特定资源（如DSP Slice, Block RAM）等来减小硬件资源占用。例如，如何识别冗余逻辑并将其移除，或者如何将组合逻辑转化为寄存器以获得更好的时序。 功耗优化： 讲解降低功耗的常用策略，如时钟门控（Clock Gating）的原理和实现方式、选择低功耗逻辑单元、优化数据通路、使用电源管理技术等。 综合与布局布线选项的调整： 演示如何通过调整综合和布局布线工具的运行选项来影响最终的硬件实现结果。例如，选择不同的优化级别、尝试不同的综合算法、调整布局布线策略等。 版本控制与协作： 在团队开发中，版本控制工具至关重要。 版本控制系统（如Git）： 讲解如何使用Git来管理设计代码、约束文件以及其他相关文档，实现代码的版本追踪、分支管理和团队协作。我们将介绍分支策略、代码合并、冲突解决等基本概念，以及如何利用版本控制系统来保证项目的可追溯性和稳定性。 通过本章的学习，读者将能够更全面地掌握FPGA/CPLD的设计流程，并具备运用各种高级技术和工具来解决复杂设计挑战的能力，从而能够独立完成更具规模和挑战性的数字系统设计项目。

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这本书在数字系统设计的方法论上，给我的启发相当大。它不仅仅是教你如何写代码，更是强调了整个设计流程的重要性。从需求分析，到模块划分，再到仿真验证，以及最终的下载到硬件，每一个环节都被梳理得非常清楚。我尤其欣赏作者在“仿真验证”这个部分花费的笔墨。很多新手往往会忽略仿真环节的重要性，直接把代码写完就下载到FPGA上，结果出了问题才手忙脚乱地调试。这本书详细讲解了如何编写testbench，如何使用波形窗口来观察信号的变化，以及如何通过仿真来捕捉和定位设计中的错误。这部分的讲解非常生动，通过实际案例展示了如何通过仿真来验证一个设计的正确性，比如一个简单的状态机，如何通过testbench来模拟不同的输入序列，然后观察输出是否符合预期。这种严谨的设计态度，对于建立一个良好的工程习惯至关重要。此外，书里也谈到了综合和布局布线的基本概念，虽然没有深入到非常底层的优化技巧，但对于理解HDL代码如何被转换成实际的硬件门电路，以及如何将这些门电路映射到FPGA的资源上，有了初步的认识。这些理论知识与实践相结合，让我对FPGA/CPLD的设计有了更全面的理解，不仅仅是写代码，更是掌握了一套完整的设计方法。

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这本书对于FPGA/CPLD的硬件资源理解，也做了一些非常棒的阐述。它没有直接告诉你“这个模块需要多少多少资源”，而是通过一些小的例子，让你去体会不同设计风格对资源占用的影响。比如，在讲到加法器的时候，它会对比用并行结构和串行结构实现加法器在资源和速度上的差异。再比如，在讲解乘法器的时候，会提到不同的乘法器实现算法，比如阵列乘法器和逐位加法乘法器，它们在资源占用和计算速度上的权衡。这种由浅入深、由易到难的讲解方式，让我能够更直观地感受到硬件设计的“取舍”。我尤其喜欢它关于“状态机设计”的那部分，讲解了有限状态机（FSM）的两种基本表示方法——摩尔型和米利型，以及如何将它们映射到FPGA的触发器和逻辑门上。通过实际例子，能够清晰地看到不同状态机设计对时钟周期、触发器数量的影响，这对于优化设计、提高性能起到了非常关键的作用。书中还简单提到了Quartus II这个开发软件的一些基本操作，比如如何创建工程、如何进行语法检查、如何进行综合和下载，虽然不是它的重点，但对于新手来说，这些基本的操作指导非常实用，能让他们快速地将代码应用到实际硬件中。

评分☆☆☆☆☆

最近刚入手了一本关于FPGA/CPLD数字系统设计的入门书籍，说实话，我本来是抱着试试看的心态，毕竟市面上这类教材实在太多了，很难找到一本既适合新手又讲解透彻的。这本书的包装和排版都挺不错的，纸张质量也好，阅读体验上去了不少。内容上，它从最基础的硬件描述语言（HDL）讲起，比如Verilog和VHDL，对于初学者来说，这绝对是关键的第一步。书中并没有直接抛出复杂的电路图，而是循序渐进地引导读者理解HDL的语法和基本概念，比如如何声明寄存器、如何描述组合逻辑和时序逻辑，甚至还讲解了一些常用的操作符和语法结构，这些都为后续的学习打下了坚实的基础。我特别喜欢它通过一些简单的例子来演示这些概念，比如一个简单的LED闪烁程序，或者一个基本的加法器。通过这些小例子，我能很快地理解HDL代码是如何映射到实际硬件中的，这比枯燥地背诵语法要有效得多。而且，作者在讲解过程中，并没有回避一些初学者容易遇到的坑，比如时序冲突、异步复位和同步复位等，都会有提示和分析，这一点非常贴心。整体来说，这本书记载了从零开始，逐步构建数字逻辑电路的思路，让人觉得学习过程是可控且有成就感的，为后续深入学习打下了良好的开端。

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这本书在实际项目应用方面的介绍，真的是给了我很多“灵感”。它没有停留在理论层面，而是提供了几个比较实用的项目案例，让读者可以亲手实践，将学到的知识应用到解决实际问题中。我印象最深刻的是关于“UART通信模块”的讲解。UART是一个非常常见且重要的通信接口，掌握它的设计和实现，对于很多嵌入式项目都非常有帮助。书中不仅详细解释了UART的工作原理，包括波特率、起始位、数据位、停止位和校验位等，还给出了完整的Verilog代码实现。更重要的是，作者引导读者如何一步步地去构建这个模块，比如先实现发送部分，再实现接收部分，然后进行联合仿真。整个过程的讲解逻辑清晰，跟着步骤操作，即使是初学者也能逐渐理解UART通信是如何在FPGA上实现的。此外，书中还提及了如“I2C控制器”、“SPI接口”等其他一些常用的外设接口设计，虽然篇幅有限，但足以勾勒出这些接口的基本框架和设计思路。这些案例的选择非常贴近实际工程需求，让我觉得学习这些知识是有价值的，而且能够快速上手一些简单的项目，这对于建立信心非常有帮助。

评分☆☆☆☆☆

这本书在“进阶”方面，也为我指明了方向。虽然它定位是“快速入门”，但在讲解了一些基础概念之后，也为读者描绘了更广阔的学习图景。它并没有止步于基础的HDL编程和简单的硬件模块设计，而是简要地触及了一些更高级的主题，比如“时序约束”、“时钟域交叉问题”以及“低功耗设计”的一些基本概念。虽然这些内容只是初步的介绍，但足以让我意识到FPGA/CPLD设计的深度和复杂性。特别是关于“时序约束”，它提到了如何通过设置时序约束来告诉综合工具对时序有何要求，这对于保证设计的时序性能至关重要。书中还鼓励读者去进一步学习更复杂的IP核的使用，以及一些高级的调试技巧。这种“承上启下”的处理方式，让我觉得这本书不仅仅是停留在初学者层面，更是为我后续深入学习打下了坚实的基础，并且为我指明了未来的学习方向。它让我明白，FPGA/CPLD的设计是一个不断学习和探索的过程，这本书只是我旅程的起点，但它给了我一个非常好的开端。