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：27203037878

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：

页码：

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
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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现代电子系统设计与实现：基于FPGA的高级实践指南 本书简介 本书是一本专注于现代电子系统设计与实现、面向中高级电子工程师、硬件设计专业人士及高年级研究生的技术专著。它系统性地阐述了当前主流可编程逻辑器件（FPGA）的应用架构、高级设计方法论以及复杂系统集成中的关键技术。全书内容聚焦于如何利用最新的硬件描述语言（HDL）特性、高效的综合与布局布线流程，以及先进的验证技术，来构建高性能、低功耗的定制化数字电路和嵌入式系统。 第一部分：FPGA底层架构与先进建模技术 本部分深入剖析了现代FPGA芯片的内部组织结构，超越了基础的查找表（LUT）和触发器（FF）的简单描述。重点探讨了如时钟管理单元（PLL/MMCM）、高速串行收发器（Transceivers/SerDes）、嵌入式存储器（BRAM/URAM）以及数字信号处理单元（DSP Slices）的精确建模与高效利用。 FPGA架构深度解析： 详细介绍了不同代际FPGA架构的演变，特别是对特定功能模块的资源分配策略进行了深入分析。讲解了如何通过代码结构来引导综合工具将逻辑映射到最优的硬件资源上，从而最大化设计性能。 高级硬件描述语言（HDL）精讲： 本书不仅涵盖了VHDL和Verilog的基础语法，更侧重于并发性、时序约束管理、层次化结构设计等高级主题。重点讲解了SystemVerilog在接口建模、随机化测试平台构建中的应用，强调了如何编写可综合（Synthesizable）且易于维护的高质量代码。 约束驱动的设计流程： 详细论述了时序约束（Timing Constraints）的重要性，特别是对跨时钟域（CDC）处理的规范化流程。内容包括如何精确定义输入/输出延迟、系统时钟的抖动容忍度，并利用静态时序分析（STA）工具来诊断和修复时序违例。 第二部分：高性能数字系统设计方法论 本部分着眼于如何将抽象的算法转化为高效的硬件实现，涵盖了从算法选择到流水线优化等一系列关键技术。 流水线与并行化策略： 深入探讨了深度流水线（Deep Pipelining）的设计技术，用于提高系统时钟频率。内容包括功能分解、数据通路重构以及如何通过循环展开（Loop Unrolling）和数据重整（Data Reshaping）来优化吞吐量。 定制化数据通路构建： 详细介绍如何设计和实现高效的自定义算术逻辑单元（ALU），包括定点和浮点运算单元的设计考量。重点讨论了乘法器、累加器（MAC）阵列的资源优化配置，以适应DSP应用的需求。 低功耗设计实践： 提供了多种降低FPGA系统功耗的实用技巧，包括时钟门控（Clock Gating）、电源门控（Power Gating）的应用场景，以及如何通过代码结构优化来减少动态功耗。 第三部分：复杂接口与片上通信协议实现 在现代系统中，高效可靠的I/O接口是性能瓶颈的关键所在。本部分聚焦于高速串行通信、内存接口以及片间通信协议的硬件实现。 高速收发器（SerDes）的应用与调试： 详细讲解了PCIe、Gigabit Ethernet等标准协议的底层物理层（PHY）接口如何通过FPGA的专用硬核进行实例化。内容覆盖了链路训练、眼图（Eye Diagram）分析和信号完整性（SI）的初步考量。 外部存储器接口（DDRx）： 提供了对DDR3/DDR4 SDRAM控制器的设计原理分析，重点在于时序校准（Calibration）机制、突发传输（Burst Transfer）的优化，以及如何利用厂商提供的参考设计进行二次开发。 片上总线架构（On-Chip Bus）： 对AXI4（Lite, Full, Stream）等AMBA标准总线的深入理解和定制化实现。讲解了如何构建高效的仲裁器（Arbiter）、交叉开关（Interconnect）以及DMA控制器，以确保数据流的畅通无阻。 第四部分：系统验证、仿真与调试工程 硬件设计的成功不仅在于功能实现，更在于其稳定性和可验证性。本部分是关于如何建立严谨的验证环境，确保设计质量。 高级仿真与断言（Assertion-Based Verification）： 介绍了如何使用SystemVerilog中的断言（SVA）来对设计进行形式化检查，实现设计意图与代码实现的一致性验证。讨论了覆盖率（Coverage）驱动的验证流程。 软硬件协同调试： 详细介绍了如何利用片上逻辑分析仪（如ILA/VIO）进行实时信号捕获和分析。同时，探讨了JTAG接口在系统级调试中的应用，以及如何设置硬件调试桩（Debug Stubs）来快速定位复杂系统中的错误。 闭环系统集成与测试： 提供了构建完整嵌入式系统的流程指导，包括固件（Firmware）与硬件的协同启动、驱动程序的编写，以及如何在真实环境下进行系统级性能测试和稳定性验证。 总结 本书旨在为读者提供一个从算法到芯片的全面视角，强调设计实践中的工程严谨性。通过大量的实际案例和深入的技术剖析，读者将能够掌握构建下一代高性能嵌入式和专用计算系统所需的关键技能。本书的重点在于“如何高效地使用资源”和“如何验证复杂性”，而非简单地重复语言语法。

评分☆☆☆☆☆

我不得不提一下这本书的排版和图示质量，这极大地提升了阅读体验。在处理复杂的时序图或者Vivado设计流程图时，清晰的视觉辅助是不可或缺的。本书在这方面的投入是显而易见的，图例不仅数量多，而且标注精确、色彩区分得当，很多原本需要反复揣摩才能理解的概念，通过配套的图形就能豁然开朗。此外，书中的习题部分也设计得相当巧妙，它们并非简单的重复练习，而是对本章知识点的灵活延伸和综合运用，迫使读者必须跳出书本给定的框架去独立思考和解决问题。总而言之，这是一本集理论深度、实践指导和优秀可读性于一身的优秀著作，极大地加速了我的FPGA学习进程。

评分☆☆☆☆☆

对于一名正在进行毕业设计或者工程实践的工程师来说，选择一本合适的参考资料至关重要。这本书在这方面表现得尤为出色，它的深度足够支撑起一个完整的课程设计。我发现它在高速接口和片上系统（SoC）的基础模块构建方面提供了扎实的铺垫。例如，在讲解AXI总线协议的简化实现时，书中不仅展示了代码，更重要的是解释了握手机制背后的仲裁和事务管理逻辑。这种对底层通信机制的透彻解析，远超出了普通数字电路实验的要求，直接对接了工业界的需求。如果说其他的书只是教你“如何做”，这本书则更进一步，教会你“为什么这么做”，这种深层次的理解，才是区分爱好者和专业工程师的关键所在。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构安排堪称教科书级别的典范。从最基础的逻辑门电路开始，逐步过渡到更复杂的组合逻辑和时序逻辑，每一步的学习都有明确的目标和对应的实践环节。它并不是那种让你学完一堆理论知识却不知道如何落地的书。每一章的实验设计都紧密围绕本章的核心知识点展开，这种“学一点，练一点”的节奏，极大地巩固了我的理解。我个人尤其喜欢它在项目管理方面的引导，教我们如何有效地组织Verilog/VHDL源文件、如何利用层次化设计思想来管理大型项目，这些都是在实际工作中能否快速上手、脱颖而出的关键技能。阅读过程中，我几乎能感受到作者在努力降低学习曲线，让复杂的数字世界变得触手可及。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我之前尝试过几本其他的FPGA教材，但都因为内容过于陈旧或者对现代设计流程的覆盖不足而让我感到挫败。然而，这本书显然是紧跟业界前沿的。Vivado的强大在于其高效的综合和实现能力，而本书恰恰花费了大量篇幅来剖析这些工具链的使用技巧。比如，调试部分，作者没有仅仅停留在仿真器层面，而是深入讲解了如何使用ILA（Integrated Logic Analyzer）进行片上调试，这对实际项目至关重要。我记得有一章专门讲解了约束文件的编写，这部分内容在很多教材中往往是一笔带过，但这本书却详细阐述了如何通过精确的时序约束来保证设计在目标器件上稳定运行，这种对工程实践的重视，是极其宝贵的财富。这本书的实用性和前瞻性，让我感觉手中的投入物超所值。

评分☆☆☆☆☆

这本教材在理论讲解上可谓是深入浅出，对于像我这样初次接触FPGA和Vivado工具链的新手来说，简直是一场及时雨。作者没有停留在枯燥的理论堆砌上，而是巧妙地将数字电路的设计思想与Vivado环境下的具体操作紧密结合。特别是对于状态机的设计与实现部分，通过清晰的流程图和逐步引导的实验步骤，让我彻底明白了如何从抽象的逻辑描述过渡到最终的硬件实现。书中的许多例程代码都写得非常规范，注释详尽，这对于我们后续的学习和参考都提供了极大的便利。我特别欣赏它对各种常用IP核的介绍，不再是简单地罗列参数，而是结合实际应用场景，解释了为什么选择特定的配置，这让读者能够真正理解工具背后的设计哲学，而不是机械地复制粘贴。整体而言，它为我搭建起了一座坚实的数字系统设计基础。