9787121230059 基于VHDL的FPGA数字系统应用实践 电子工业出版社 陈忠平 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈忠平 著

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• 陈忠平
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出版社： 电子工业出版社

ISBN：9787121230059

商品编码：29541474472

包装：平装

出版时间：2014-05-01

基本信息

书名：基于VHDL的FPGA数字系统应用实践

定价：79.00元

作者：陈忠平

出版社：电子工业出版社

出版日期：2014-05-01

ISBN：9787121230059

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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本书以VHDL语言为蓝本，结合Quartus II软件，通过丰富的实例从实验、实践、实用的角度，详细叙述了FPGA在数字系统中的应用。

内容提要

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本书以VHDL语言为蓝本，结合Quartus II软件，通过丰富的实例从实验、实践、实用的角度，详细叙述了FPGA在数字系统中的应用。本书共10章，主要内容包括FPGA硬件结构知识、VHDL语言编程基础、硬件开发工具Quartus II的使用、门电路设计与实现、常用组合逻辑电路的设计、常用时序逻辑电路与状态机的设计、FPGA的显示及键盘控制、FPGA在数字系统设计中的应用、FPGA在数字信号处理中的应用、宏功能模块与SOPC技术的应用。

目录

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章　FPGA硬件结构知识　
　1.1　CPLD/FPGA概述　
　1.2　FPGA体系结构　
　　1.2.1　FPGA基本结构　
　　1.2.2　FPGA的结构特点　
　1.3　FPGA编程与配置　
　　1.3.1　FPGA的下载接口　
　　1.3.2　FPGA的JTAG在线配置　
　　1.3.3　FPGA专用配置器件　
　　1.3.4　使用单片机在线配置　
　　1.3.5　使用CPLD配置FPGA　
　1.4　FPGA常用芯片与选用　
　　1.4.1　FPGA常用芯片　
　　1.4.2　FPGA器件的选用　
第2章　VHDL语言编程基础　
　2.1　系统的表示方法和硬件描述语言特点　
　　2.1.1　FPGA系统的VHDL表示方法　
　　2.1.2　VHDL硬件描述语言特点　
　2.2　VHDL语言结构与要素　
　　2.2.1　VHDL语言结构　
　　2.2.2　VHDL语言要素　
　2.3　VHDL基本语句　
　　2.3.1　VHDL顺序语句　
　　2.3.2　VHDL并行语句　
第3章　硬件开发工具Quartus II的使用　
　3.1　Quartus II软件综述　
　　3.1.1　Quartus II软件的特点及其支持的器件　
　　3.1.2　Quartus II软件工具及功能简介　
　　3.1.3　Quartus II软件的用户界面　
　　3.1.4　Quartus II支持文件类型　
　3.2　Quartus II软件开发流程　
　3.3　Quartus II的安装　
　3.4　Quartus II的使用　
　　3.4.1　创建Quartus II项目　
　　3.4.2　设计输入　
　　3.4.3　项目配置及时序约束　
　　3.4.4　编译　
　　3.4.5　仿真　
　　3.4.6　器件编程和配置　
第4章　门电路设计与实现　
　4.1　基本门电路与组合门电路　
　　4.1.1　基本门电路　
　　4.1.2　组合逻辑门电路　
　4.2　三态门和总线缓冲器　
　　4.2.1　三态门　
　　4.2.2　单向总线缓冲器　
　　4.2.3　双向总线缓冲器　
第5章　常用组合逻辑电路的设计　
　5.1　编码器　
　　5.1.1　普通编码器　
　　5.1.2　优先编码器　
　5.2　译码器　
　　5.2.1　二进制译码器　
　　5.2.2　十进制译码器　
　　5.2.3　七段译码器　
　5.3　数据选择器和数据分配器　
　　5.3.1　数据选择器　
　　5.3.2　数据分配器　
　5.4　数值比较器和奇偶校验器　
　　5.4.1　数值比较器　
　　5.4.2　奇偶校验器　
　5.5　运算器　
　　5.5.1　加法器　
　　5.5.2　减法器　
　　5.5.3　乘法器　
　　5.5.4　除法器　
第6章　常用时序电路与状态机的设计　
　6.1　触发器　
　　6.1.1　R-S触发器　
　　6.1.2　D触发器　
　　6.1.3　J-K触发器　
　　6.1.4　T触发器　
　6.2　计数器　
　　6.2.1　常用二进制计数器　
　　6.2.2　可逆计数器　
　6.3　锁存器和寄存器　
　　6.3.1　锁存器　
　　6.3.2　基本寄存器　
　　6.3.3　移位寄存器　
　6.4　存储器　
　　6.4.1　ROM只读存储器　
　　6.4.2　RAM存储器　
　　6.4.3　FIFO存储器　
　　6.4.4　LIFO存储器　
　6.5　分频器　
　　6.5.1　偶数分频器　
　　6.5.2　奇数分频器　
　　6.5.3　2n分频器　
　　6.5.4　占空比可调分频器　
　　6.5.5　半整数分频器　
　　6.5.6　数控分频器　
　6.6　状态机的设计　
　　6.6.1　状态机的结构、分类及特点　
　　6.6.2　一般状态机　
　　6.6.3　Moore状态机　
　　6.6.4　Mealy状态机　
　6.7　序列信号发生器与检测器　
　　6.7.1　序列信号检测器的设计　
　　6.7.2　m序列信号发生器的设计　
　　6.7.3　计数型序列信号发生器的设计　
第7章　FPGA的显示及键盘控制　
　7.1　LED广告灯设计　
　　7.1.1　LED控制原理　
　　7.1.2　闪烁广告灯的设计　
　　7.1.3　流水广告灯的设计　
　　7.1.4　拉幕式与闭幕式广告灯的设计　
　　7.1.5　复杂广告灯的设计　
　7.2　LED数码管显示控制　
　　7.2.1　单个LED数码管显示设计　
　　7.2.2　8位LED数码管动态显示设计　
　　7.2.3　8位LED数码管移位显示设计　
　7.3　键盘控制　
　　7.3.1　键盘控制原理　
　　7.3.2　按键计数控制　
　　7.3.3　查询式按键设计　
　　7.3.4　矩阵式键盘控制设计　
　　7.3.5　简单拨号键盘设计　
　7.4　字符式LCD显示控制　
　　7.4.1　LCD液晶显示原理　
　　7.4.2　字符式LCD静态显示　
　　7.4.3　字符式LCD移位显示　
第8章　FPGA在数字系统设计中的应用　
　8.1　交通信号灯控制器　
　　8.1.1　交通信号灯的控制要求　
　　8.1.2　交通信号灯的硬件连接　
　　8.1.3　交通信号灯的程序设计　
　　8.1.4　交通信号灯控制器的波形仿真　
　　8.1.5　交通信号灯的引脚锁定与硬件验证　
　8.2　MIDI音乐发生器　
　　8.2.1　MIDI音乐发生器的控制要求　
　　8.2.2　MIDI音乐发生器的播放原理　
　　8.2.3　MIDI音乐发生器的硬件连接　
　　8.2.4　MIDI音乐发生器的程序设计　
　　8.2.5　MIDI音乐发生器的波形仿真　
　　8.2.6　MIDI音乐发生器的引脚锁定与硬件验证　
　8.3　智力抢答器　
　　8.3.1　智力抢答器的控制要求　
　　8.3.2　智力抢答器的硬件连接　
　　8.3.3　智力抢答器的程序设计　
　　8.3.4　智力抢答器的波形仿真　
　　8.3.5　智力抢答器的引脚锁定与硬件验证　
　8.4　可调数字钟　
　　8.4.1　可调数字钟的控制要求　
　　8.4.2　可调数字钟的硬件连接　
　　8.4.3　可调数字钟的程序设计　
　　8.4.4　可调数字钟的波形仿真　
　　8.4.5　可调数字钟的引脚锁定与硬件验证　
　8.5　VGA彩条信号发生器　
　　8.5.1　VGA彩条信号发生器的控制要求　
　　8.5.2　VGA彩条信号发生器的基本知识　
　　8.5.3　VGA彩条信号发生器的硬件连接　
　　8.5.4　VGA彩条信号发生器的程序设计　
　　8.5.5　VGA彩条信号发生器的波形仿真　
　　8.5.6　VGA彩条信号发生器的引脚锁定与硬件验证　
　8.6　电梯控制器　
　　8.6.1　电梯控制器的控制要求　
　　8.6.2　电梯控制器的硬件连接　
　　8.6.3　电梯控制器的程序设计　
　　8.6.4　电梯控制器的波形仿真　
　　8.6.5　电梯控制器的引脚锁定与硬件验证　
第9章　FPGA在数字信号处理中的应用　
　9.1　CORDIC算法的应用设计　
　　9.1.1　CORDIC算法的基本理论　
　　9.1.2　CORDIC算法的设计思路　
　　9.1.3　CORDIC算法的程序设计　
　　9.1.4　CORDIC算法的波形仿真　
　9.2　FIR滤波器的设计　
　　9.2.1　FIR滤波器的原理　
　　9.2.2　直接形式的FIR滤波器设计　
　　9.2.3　转置结构的FIR滤波器设计　
　9.3　IIR滤波器的设计　
　　9.3.1　IIR滤波器的基本理论　
　　9.3.2　直接型IIR滤波器设计　
　　9.3.3　级联型IIR滤波器设计　
0章　宏功能模块与SOPC技术的应用　
　10.1　宏功能模块的应用　
　　10.1.1　LPM_COUNTER在数控分频器中的应用　
　　10.1.2　LPM_ROM在4位乘法器中的应用　
　　10.1.3　LPM_RAM存储器在FPGA中的读/写控制　
　　10.1.4　LPM_FIFO先入先出存储器在FPGA中的读/写控制　
　　10.1.5　ALTPLL锁相环在倍频/分频中的应用　
　10.2　SOPC技术的应用　
　　10.2.1　SOPC的设计流程与系统架构　
　　10.2.2　LED流水灯的设计　
参考文献

作者介绍

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陈忠平，湖南工程职业技术学院讲师，具有丰富的单片机原理、EDA技术、电子技术等课程的教学经验，著有《基于Proteus的51系列单片机设计与仿真》、《基于项目驱动式的C51单片机程序设计与应用》、《基于Proteus的AVR单片机C语言程序设计与仿真》、《基于Proteus的PIC单片机C语言程序设计与仿真》和《基于Quartus II的FPGA/CPLD设计与应用》等。

文摘

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序言

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《VHDL驱动的FPGA设计：从原理到实战》 一、 内容概述 本书旨在为读者提供一套系统、深入且实用的FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）数字系统设计方法。全书围绕VHDL（VHSIC Hardware Description Language，超大规模集成电路硬件描述语言）这一主流硬件描述语言，从基础概念出发，逐步深入到复杂的数字系统设计与实现。内容涵盖FPGA的基本原理、VHDL语言的精髓、常见数字电路模块的设计、时序约束与优化，直至一个完整的FPGA项目开发流程。 本书强调理论与实践的紧密结合，通过大量的实例和工程实践案例，引导读者掌握FPGA设计的核心技术和解决实际问题的能力。不同于市面上一些偏重理论或仅罗列代码的书籍，本书力求构建一个完整的知识体系，帮助读者理解“为什么”这样做，而不仅仅是“怎么做”。 二、 读者对象 1. 高等院校电子信息类、计算机类专业的学生：为学习数字逻辑、计算机体系结构、嵌入式系统等课程提供实践指导，帮助他们将理论知识转化为实际设计能力。 2. FPGA初学者及有一定基础的设计工程师：希望系统学习VHDL语言，掌握FPGA开发流程，提升设计效率和设计质量。 3. 希望转型至FPGA设计领域的嵌入式开发工程师、ASIC设计工程师：为快速掌握FPGA设计技能提供一条清晰的学习路径。 4. 电子爱好者和创客：对数字电路设计和硬件实现有浓厚兴趣，希望通过FPGA实现自己的创意。 三、 核心亮点与创新之处 1. VHDL语言的深度剖析：本书不仅介绍VHDL的语法，更深入讲解其在硬件描述中的哲学和实践技巧，如状态机设计、并发与顺序执行、信号与变量的区别、属性的使用等，帮助读者写出高效、可综合的代码。 2. 工程化设计思维的培养：从项目启动、需求分析、模块划分、代码编写、仿真验证、综合适配到下载调试，全流程展示FPGA项目开发的各个环节。强调模块化设计、层次化结构和良好的代码风格，培养读者严谨的工程化设计习惯。 3. 丰富的实战案例：本书精选了多个典型且实用的数字系统设计案例，涵盖了数字信号处理、通信接口、数据存储、控制逻辑等多个领域。每个案例都从需求分析开始，详细阐述设计思路、VHDL代码实现、仿真波形分析及FPGA板上的实现效果。 4. 深入的时序分析与优化：FPGA设计的核心在于时序。本书将详细讲解时序约束的原理、方法以及如何通过代码优化和工具设置来满足严格的时序要求，确保设计在目标频率下稳定运行。 5. 从“工具”到“思想”的跨越：本书的目标是让读者掌握的不仅仅是VHDL这门语言或某一款FPGA开发工具，而是掌握一套解决复杂数字系统设计问题的系统性方法和思维模式。 四、 具体章节内容梗概 第一部分：FPGA与VHDL基础 第一章 FPGA技术概览： 引言：数字电路设计的演进与FPGA的崛起。 FPGA的基本结构：LUT、FF、DSP Slice、BRAM等核心资源详解。 FPGA器件的家族与选择考量。 FPGA开发流程概述：从设计到硬件实现的各个阶段。 主流FPGA开发工具介绍（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）。 第二章 VHDL语言入门： 硬件描述语言（HDL）的概念与作用。 VHDL语言的基本组成：实体（Entity）、架构（Architecture）。 数据类型：标准类型（BIT, BOOLEAN, INTEGER, REAL, STRING等）、枚举类型、数组类型、自定义类型。 信号（SIGNAL）与变量（VARIABLE）的区别与使用场景。 进程（PROCESS）语句：并发与顺序执行的理解。 运算符与表达式。 赋值语句。 综合（Synthesis）与仿真（Simulation）的初步概念。 第二部分：VHDL语言进阶与核心模块设计 第三章 VHDL语句与结构： 条件语句：IF-THEN-ELSE, CASE。 循环语句：LOOP, WHILE LOOP, FOR LOOP。 生成语句（Generate Statements）：实现参数化设计和结构化代码。 断言（Assertion）与报告（Report）语句，用于设计中的调试和信息输出。 属性（Attributes）的应用：如’EVENT, ’LAST_VALUE, ’HIGH, ’LOW, ’EVENT, ’CLOCK, ’DATA 等。 第四章 组合逻辑电路设计： 译码器（Decoder）设计：例如2-to-4译码器，3-to-8译码器。 编码器（Encoder）设计：例如8-to-3优先编码器。 多路选择器（Multiplexer）设计。 加法器（Adder）：半加器、全加器、并行进位加法器、超前进位加法器。 减法器（Subtractor）。 比较器（Comparator）。 逻辑门（AND, OR, XOR, NOT等）的VHDL描述。 第五章 时序逻辑电路设计： 触发器（Flip-Flop）：D触发器、T触发器、JK触发器、RS触发器。 寄存器（Register）：移位寄存器、并行输入并行输出（PIPO）寄存器、串行输入并行输出（SIPO）寄存器等。 计数器（Counter）：异步计数器、同步计数器、加法计数器、减法计数器、模N计数器。 状态机（Finite State Machine - FSM）设计： 有限状态机的理论基础。 Mealy型和Moore型状态机的区别。 状态机的VHDL实现：三段式、两段式编码。 状态机设计中的常见问题及优化。 移位寄存器序列发生器。 第三部分：复杂数字系统设计与实践 第六章 接口与通信设计： UART（通用异步收发器）接口设计：发送器、接收器。 SPI（串行外设接口）通信设计。 I2C（集成电路总线）通信设计。 并行接口设计。 AXI（Advanced eXtensible Interface）总线概念简介（为后续更复杂的系统设计铺垫）。 第七章 存储器与数据处理： RAM（随机存取存储器）控制器设计。 ROM（只读存储器）的VHDL描述与使用。 FIFO（先进先出）存储器设计：读写逻辑、指针管理。 数据路径设计：数据选择、算术运算单元。 第八章 时钟与复位设计： 时钟的产生与分配。 同步复位与异步复位：优缺点及选择。 多时钟域交叉（Clock Domain Crossing - CDC）问题及解决方法。 亚稳态（Metastability）的产生与规避。 第九章 仿真与验证： 测试平台（Testbench）的编写：激励信号生成、时序控制、结果检查。 行为级仿真（Behavioral Simulation）与门级仿真（Gate-Level Simulation）。 仿真工具的使用技巧（如ModelSim, Vivado Simulator）。 覆盖率（Coverage）概念。 单元测试（Unit Testing）与集成测试（Integration Testing）。 第十章 综合、布局布线与时序分析： 综合（Synthesis）过程详解：RTL到门级网表的转换。 约束文件（Constraints File - XDC/UCF）的编写：时钟周期、I/O端口定义。 布局（Placement）与布线（Routing）过程。 静态时序分析（Static Timing Analysis - STA）：建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）。 时序违例（Timing Violation）的分析与排查。 代码优化与综合选项的调整以满足时序要求。 第十一章 完整FPGA项目实例： 选取一个中等规模的典型数字系统，例如： 一个简单的图像处理模块（如二值化、边缘检测）。 一个数据采集与分析系统。 一个自定义通信协议的实现。 详细讲解从需求分析、模块划分、VHDL代码编写、仿真验证、综合适配到在FPGA开发板上实现的全过程。 调试技巧与常见问题解决。 第四部分：深入探讨与未来发展 第十二章 高级设计技巧与方法： IP核（Intellectual Property Core）的使用与设计。 参数化设计与宏实例化。 低功耗设计（Low Power Design）概念。 硬件/软件协同设计（Hardware/Software Co-design）简介。 第十三章 FPGA应用领域与趋势： 通信、军事、医疗、工业控制、消费电子等领域的FPGA应用。 SoPC（System on Programmable Chip）设计。 机器学习与AI在FPGA上的加速。 OpenCL与高层次综合（High-Level Synthesis - HLS）。 五、 总结 本书不仅仅是一本VHDL语法手册或FPGA入门指南，它是一本旨在培养读者独立完成FPGA数字系统设计能力的实践宝典。通过系统化的知识讲解、详实的VHDL代码示例、丰富的工程案例以及深入的时序分析，读者将能够： 精通VHDL语言：能够使用VHDL描述复杂的数字电路，并写出高效、可综合的代码。 掌握FPGA设计流程：从RTL设计到最终硬件实现，能够熟练运用开发工具完成整个流程。 具备独立解决问题能力：能够分析设计中的时序问题、功能错误，并找到有效的解决方案。 构建完整的工程化思维：理解模块化、层次化、可复用设计的重要性，养成良好的设计习惯。 无论您是初学者还是希望提升技能的工程师，本书都将是您在FPGA数字系统设计领域不断探索、提升的重要伙伴。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计简直是直击我这个嵌入式“老鸟”的心脏！那种带着一点点复古的科技感，深邃的蓝色背景，配上醒目的白色和橙色字体，让人一眼就知道这是一本硬核的技术干货。我记得我是在一个技术论坛上偶然看到有人提到了这本书的排版，说是非常清晰易读，即使是涉及到复杂的时序逻辑和状态机设计，也能用图表和代码片段配合得恰到好处。我立刻下单了，当时的想法很简单，现在很多FPGA入门书籍要么内容太浅，要么案例陈旧，但这本书的标题“基于VHDL的FPGA数字系统应用实践”听起来就充满了实战的味道，预示着它不会只是停留在理论的层面。我特别期待它在高级同步电路设计上的论述，毕竟在实际项目中，如何保证跨时钟域安全通信，以及如何高效利用FPGA资源进行流水线优化，才是区分“会用”和“精通”的关键。如果这本书能在这些方面提供深入且可复现的案例，那它绝对是值得我放在手边随时翻阅的工具书。

评分☆☆☆☆☆

初翻这本书的目录时，我最大的感受就是编排的逻辑性极强，简直像是为我量身定做的学习路径图。它没有一上来就堆砌晦涩的硬件描述语言特性，而是非常扎实地从FPGA的基本架构和开发流程讲起，这对于我这种半路出家、理论基础不太牢固的人来说太友好了。我尤其欣赏它在讲解基础逻辑门和触发器实现后，立刻紧跟着介绍了如何用VHDL来描述这些基础单元，这种“先理解物理，再描述行为”的教学方式，让人对代码的每一行意图都了如指掌，避免了那种只知其然不知其所以然的“代码搬运工”心态。再往后看，那些关于有限状态机（FSM）的章节，我发现作者没有采用单一的图表模式，而是分别用不同的编码风格（如Moore和Mealy）来展示，并且对比了它们在资源占用和输出延迟上的优劣，这种对比分析式的讲解，极大地提升了我对设计权衡的认识。这本书的深度和广度，感觉是那种能陪伴我度过新手期，并能在我晋升到中级工程师时依然能提供参考价值的宝藏。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我买过不少关于硬件描述语言的书，很多都是那种翻译腔很重，或者例子是十年前的Xilinx/Altera的旧版工具链，让人读起来非常别扭。这本书的语言风格，读起来有一种国内资深工程师的沉稳和清晰感，非常地道。特别是它在讲解VHDL的并发与顺序结构时，引用了一些非常巧妙的比喻，一下子就让我明白了`process`块内部的执行顺序和`generate`语句的编译时展开特性。我个人对这本书的“实践”部分特别看重，希望它能详细介绍如何利用ISE或Vivado等现代EDA工具链进行约束设置（Timing Constraints）。因为很多时候，功能仿真通过了，但在硬件跑起来后时序不满足，这时候如何根据综合报告精确地调整SDC/XDC文件，才是体现工程师功力的地方。如果这本书能针对主流FPGA芯片的时序收敛问题提供一些“秘籍”或者经验总结，那绝对是物超所值。

评分☆☆☆☆☆

我最近正在为一个工业控制项目选型，需要用FPGA实现一个高性能的信号采集和预处理模块。市面上很多关于信号处理的FPGA书籍，要么专注于纯数学算法的加速，要么就是讲解一些过时的IP核使用方法。这本书的“应用实践”几个字，让我对它充满了期待，我希望能从中找到一些更贴近工业现场的实践经验。例如，在错误检测与纠正（EDAC）或高精度定时器/计数器设计的章节中，我非常希望作者能提供一些关于如何处理实际噪声干扰和晶振漂移问题的对策。如果书中能包含一些实打实的模块级设计示例，比如一个基于DMA的内存映射接口或者一个简单的SPI/I2C控制器，并且这些示例的代码都经过了严格的综合和布局布线仿真验证，那这本书的价值就无可估量了。我最怕的就是那种“纸上谈兵”的例子，只有代码，没有实际的性能指标和调试心得，希望这本书能避免这种陷阱。

评分☆☆☆☆☆

翻到书的后半部分，我注意到有专门章节讲解了如何进行模块级别的验证和测试平台（Testbench）的搭建。这一点太重要了！在我看来，一个好的FPGA工程师，至少一半的精力要放在验证上。这本书如果能深入讲解如何使用VHDL编写高效的自检代码，如何利用`report`和`assert`语句进行运行时检查，甚至能触及到SystemVerilog中的更高级验证方法学（即使只是作为选读的补充），那它就超越了一般“如何写VHDL”的教程范畴，真正上升到了“如何做好数字系统设计”的层面。我希望能看到作者是如何组织一个大型项目的层次化结构，如何利用库和包来管理复用代码，以及在模块接口定义时，如何保证信号的清晰和低耦合。这些“软技能”往往是教科书中最容易被忽略，但却是实际工作中决定项目成败的关键。这本书如果能在这些方面给出建设性的指导，那它无疑是近几年FPGA学习领域的一股清流。