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出版者:CreateSpace

作者:Evgeni Stavinov

出品人:

页数:474

译者:

出版时间:2011-6-17

价格:$39.16

装帧:Paperback

isbn号码:9781461186298

丛书系列:

图书标签:

FPGA
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100
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设计
Verilog
VHDL
数字电路
硬件设计
嵌入式系统
可编程逻辑
开发工具
优化技巧

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具体描述

This book is a collection of short articles on various aspects of FPGA design: synthesis, simulation, porting ASIC designs, floorplanning and timing closure, design methodologies, performance, area and power optimizations, RTL coding, IP core selection, and many others. The book is intended for system architects, design engineers, and students who want to improve their FPGA design skills. Both novice and seasoned logic and hardware engineers can find bits of useful information. This book is written by a practicing FPGA logic designer, and contains a lot of illustrations, code examples, and scripts. Rather than providing information applicable to all FPGA vendors, this book edition focuses on Xilinx Virtex-6 and Spartan-6 FPGA families. Code examples are written in Verilog HDL.

《数字逻辑设计与硬件描述语言实践指南》导言：通往数字世界的坚实桥梁在当今高速发展的电子工程领域，数字系统设计构成了整个信息技术、通信和嵌入式系统的基石。从智能手机的核心处理器到复杂的网络交换机，再到尖端的自动驾驶系统，无一不依赖于高效、可靠的数字逻辑电路。然而，对于初学者和希望系统化知识的工程师而言，如何从基础的布尔代数概念平稳过渡到复杂的系统级设计，往往是一个充满挑战的过程。本书《数字逻辑设计与硬件描述语言实践指南》正是在这样的背景下应运而生。它并非简单地罗列设计技巧或速成秘籍，而是致力于为读者构建一个全面、深入且实践导向的学习路径，确保读者不仅“会用”工具，更能深刻理解背后的“原理”。我们旨在将晦涩的理论知识与实际的硬件实现紧密结合，培养读者严谨的工程思维和解决实际问题的能力。第一部分：数字逻辑设计的理论基石本部分将带领读者重温并深化对数字逻辑世界核心概念的理解，为后续的硬件描述语言（HDL）学习打下不可动摇的理论基础。第一章：布尔代数与逻辑门电路的再认识本章超越了基础的 AND、OR、NOT 门操作，深入探讨了德摩根定律在电路简化中的高级应用，以及卡诺图（Karnaugh Maps）在高维逻辑化简中的精确方法。重点将放在如何识别和消除逻辑冗余，确保生成的电路是最小化的。我们将分析不同逻辑系列的特点（如 TTL 与 CMOS），讨论扇入、扇出对实际电路性能的影响，并引入亚稳态（Metastability）的概念，这是理解同步电路可靠性的关键前提。第二章：组合逻辑电路的结构与分析本章系统地剖析了复杂组合逻辑的功能模块。内容涵盖数据选择器（MUX）的高效设计、编码器与译码器的应用场景，以及加法器（如半加器、全加器、串行/并行加法器）的精度与速度权衡。特别地，我们将深入讲解乘法器（Booth 算法基础）和除法器的结构原理，讨论如何利用查找表（LUT）结构实现特定组合功能，这是现代 FPGA 架构的基础单元。第三章：时序逻辑电路的核心机制时序电路是实现“记忆”功能的基础。本章详细解析了锁存器（Latch）与触发器（Flip-Flop）的区别与联系，重点研究 D 型触发器、JK 触发器和 T 型触发器的内部结构及其特性。我们将详细分析建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）对系统时序违例的决定性影响，并引入同步电路设计中的重要概念——时钟域（Clock Domain Crossing, CDC）问题，为后续的异步系统设计埋下伏笔。第四章：有限状态机（FSM）的设计与优化 FSM 是数字系统的“大脑”。本章采用 Mealy 型和 Moore 型两种模型进行全面对比，并提供了一套标准化的设计流程：需求分析、状态图绘制、状态编码（二进制、格雷码、独热码）以及状态转移逻辑的综合。本章的重点在于状态编码对硬件资源和电路速度的影响，并探讨如何通过状态化简来优化资源使用和避免竞争冒险。第二部分：硬件描述语言的精湛技艺本部分将引入现代数字设计中不可或缺的工具——硬件描述语言（HDL），并聚焦于 VHDL 或 Verilog（读者可根据选择的侧重点深入学习其中一种）。我们强调的不是语法记忆，而是如何用 HDL 准确高效地“描述硬件行为”。第五章：HDL 基础与结构化建模本章从语言的基本数据类型、运算符入手，逐步过渡到模块化设计。我们将详细区分 HDL 中的过程（Process/Always Block）与并发语句的语义差异，明确它们在综合过程中所映射到的底层硬件（组合逻辑 vs. 时序逻辑）。重点讲解如何正确使用 `signal` 和 `variable`，避免常见的建模错误。第六章：行为级与结构级描述的艺术我们深入探讨了两种主要的建模范式。在行为级描述中，重点是如何用高抽象度的代码描述算法（如使用循环和递归），以及综合工具如何将其转化为门级电路。在结构级描述中，我们将重点学习如何利用 HDL 实例化和层次化连接已有的组件（如标准单元或预先设计的 IP 核），以实现大型系统的分层管理。本章还将引入 `generate` 语句，用于参数化设计和流水线结构的高效构建。第七章：时序约束与综合流程代码的正确性只是第一步，硬件的性能和时序的满足才是最终目标。本章将详细讲解如何编写精确的综合约束文件（SDC 格式）。内容包括定义时钟（Primary Clocks）、输入/输出延迟（Input/Output Delays）的设置，以及如何利用时序分析工具（如静态时序分析 STA）来识别和解决建立/保持时间违例。本章将强化“设计意图”必须通过精确的约束文件才能被综合工具正确理解的理念。第三部分：高级设计技术与系统实现本部分将探讨在实际项目中经常遇到的复杂问题，并提供经过时间考验的设计模式。第八章：高效的流水线（Pipeline）设计为了提高系统吞吐量，流水线是核心技术。本章将从理论上剖析流水线的级数对延迟和吞吐率的影响。我们将通过一个具体的例子（如一个多级 ALU 或 FIR 滤波器）来演示如何在 HDL 中插入寄存器级，实现操作的并行化。讨论的重点包括流水线各级之间的平衡性设计和气泡（Stall）的管理。第九章：存储器接口与控制器设计本章聚焦于如何有效管理片上和片外存储资源。我们将设计通用的同步 RAM/ROM 访问控制器，重点关注多端口 RAM 的冲突检测与仲裁机制。此外，还将介绍外部标准接口（如简单的 FIFO 接口或 SDRAM 刷新时序）的基本读写时序要求和控制逻辑的构建。第十章：跨时钟域（CDC）通信的鲁棒性 CDC 问题是导致系统不稳定性的主要元凶之一。本章不局限于简单的握手协议，而是深入研究两种主流的 CDC 解决方案：异步握手协议（Asynchronous Handshaking）和同步脉冲（Synchronizer using Two or Three Flip-Flops）。我们还将详细分析异步信号跨越时钟域时，如何使用多比特同步器来避免传输失序，并介绍基于亚稳态恢复时间的设计考量。第十一章：验证、仿真与调试基础一个优秀的设计必须经过严格的验证。本章概述了从功能仿真到后仿真（Gate-Level Simulation）的流程。重点介绍如何使用 HDL 提供的仿真机制来构造测试平台（Testbench），包括激励信号的生成、结果的检查点（Checkpoints）以及如何使用波形查看器进行高效的错误定位。本章强调的是“验证等于设计的一半”的理念。结语：工程实践与持续学习本书的最终目标是培养具备独立进行中小型数字系统设计能力的工程师。我们提供的是一套严谨的方法论，而非止步于特定工具的固定流程。数字电子世界不断演进，对精确理解底层硬件和对时序约束的深刻把握，才是确保设计成功的永恒法则。掌握本书内容，读者将能够自信地驾驭从概念到实现的全过程，为后续的 ASIC 或更复杂的 SoC 设计打下坚实基础。

作者简介

Evgeni Stavinov is a longtime FPGA user with more than 10 years of diverse design experience. Before becoming a hardware architect at SerialTek LLC, he held different engineering positions at Xilinx, LeCroy and CATC. Evgeni holds MS and BS degrees in electrical engineering from University of Southern California and Technion - Israel Institute of Technology. Evgeni is a creator of OutputLogic.com, a portal that offers different online productivity tools.

目录信息

读后感

评分☆☆☆☆☆

值得在茶余饭后读一读，就像读杂志一样。很多问题仅仅点到而止，没有直击命门，不过仅仅是学到有这些问题也是值得的。书真的很新，连Zync都有提到！越往后错字越多，看来从blog转写书还是不灵，估计也是没钱好好review就匆忙上架了。有不少方法论的东西，遇到问题可以参...

评分☆☆☆☆☆

用户评价

评分☆☆☆☆☆

作为一名FPGA资深工程师，我经历了FPGA技术发展的多个阶段，从最初的简单逻辑实现，到如今的复杂SOC集成。在多年的实践中，我积累了一些宝贵的经验，但也深知FPGA设计的复杂性和不断变化的挑战。尤其是在处理时序、功耗、面积以及验证的平衡时，总是需要不断地探索新的方法和技巧。《100 Power Tips For FPGA Designers》这个书名，让我觉得它可能包含了许多我尚未接触过的“杀手级”技巧，能够帮助我进一步提升设计水平。我特别希望书中能够深入探讨一些高级主题，例如如何利用机器学习进行FPGA布局布线优化，如何设计自适应和动态可重构的FPGA系统，以及如何进行高效的软硬件协同设计和验证。此外，我也对书中关于FPGA在人工智能、边缘计算、5G通信等前沿领域的应用案例和相关设计技巧充满兴趣。这本书名让我感觉到，它不仅仅是一本通用的教程，更是一本能够激发灵感、拓展思路、引领未来设计方向的“内行之作”。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在校的电子信息工程专业的学生，目前正在学习FPGA相关的课程，并且对这个领域产生了浓厚的兴趣。我深知FPGA的强大之处，也渴望能够掌握这项关键技术。在课堂上，我们接触了FPGA的基本概念、VHDL/Verilog语言以及一些基础的设计流程，但很多时候，老师讲解的内容更偏向于理论，如何在实际的项目中进行高效的开发，以及如何应对各种各样在实践中会出现的问题，这些方面的内容相对较少。我一直在寻找一本能够将理论知识与实际应用相结合的书籍，能够帮助我更好地理解FPGA的内部工作原理，并且掌握一些实用的设计技巧。《100 Power Tips For FPGA Designers》这个书名，让我觉得它非常符合我的需求。我期待书中能够包含一些关于如何编写高质量的HDL代码，如何进行有效的仿真和调试，以及如何理解和使用FPGA开发工具的“硬核”技巧。同时，我也希望这本书能够为我揭示一些FPGA设计中的“黑魔法”，让我能够更深入地理解FPGA的魅力，并且在未来的学习和工作中，能够比其他同学更具竞争力。

评分☆☆☆☆☆

我是一位FPGA新手，并且对这个领域充满了好奇和渴望。我目前正在学习FPGA的基础知识，包括HDL语言、开发流程以及一些基本的逻辑设计原理。虽然我已经阅读了一些入门级的书籍，但我发现很多时候，我仍然会因为一些不熟悉的概念和工具而感到困惑，尤其是在编写代码、进行仿真以及将设计部署到FPGA器件时，会遇到各种各样的问题。《100 Power Tips For FPGA Designers》这个书名，让我觉得它能够为我提供一条更直接、更高效的学习路径。我期待书中能够包含一些非常基础但又至关重要的“新手技巧”，比如如何正确地理解和使用HDL的赋值语句，如何编写易于理解和调试的有限状态机，以及如何在Quartus/Vivado等开发工具中高效地进行项目管理和综合。同时，我也希望书中能够分享一些关于如何利用FPGA进行有趣的实验，例如控制LED闪烁、驱动数码管显示、实现简单的音频播放等，这些能够让我更直观地感受到FPGA的魅力，并激发我持续学习的动力。

评分☆☆☆☆☆

我是一名FPGA爱好者，并且经常在业余时间参与一些开源项目和个人设计。虽然我不是专业的工程师，但我对FPGA技术的热情非常高涨，也享受着从零开始构建复杂数字系统的过程。在我的学习过程中，我发现很多时候卡住我的并不是核心概念的理解，而是那些隐藏在细节中的“陷阱”，比如一些难以察觉的逻辑错误、低效的代码实现，或者是开发工具的一些不为人知的优化选项。《100 Power Tips For FPGA Designers》这个书名，让我觉得它正是我在寻找的“宝藏”。我期待书中能够包含一些关于如何编写更简洁、更易读、更高效的Verilog/VHDL代码的技巧，比如如何使用高级语法特性，如何避免常见的逻辑陷阱，以及如何进行有效的代码风格管理。同时，我也对书中关于如何利用FPGA的内部调试功能，例如ILA（Integrated Logic Analyzer），以及如何进行高效的仿真和波形分析等内容充满了好奇。我相信，这些“Power Tips”能够帮助我突破瓶颈，让我的设计更加优雅和高效，也让我对FPGA的热情得到更好的释放。

评分☆☆☆☆☆

在现代电子系统中，FPGA扮演着越来越重要的角色，尤其是在高性能计算、通信以及嵌入式领域，FPGA已经成为不可或缺的关键组件。作为一名FPGA系统工程师，我始终在寻求能够提升设计效率、优化系统性能、并且能够应对不断变化的行业需求的方法。《100 Power Tips For FPGA Designers》这个书名，让我觉得它是一本能够帮助我跟上行业发展步伐，并且能够挖掘FPGA潜力的“宝典”。我期待书中能够包含一些关于如何利用FPGA实现高级功能，例如硬件加速、并行处理、实时信号处理以及人工智能推理等方面的“实战技巧”。同时，我也对书中关于FPGA与其他嵌入式组件（如ARM处理器、DDR内存、PCIe接口等）的协同设计和系统集成，以及如何进行高效的软件开发和调试等内容充满期待。这本书名让我感觉到，它不仅是一本关于FPGA设计的工具书，更是一本能够拓宽我的技术视野，并且能够帮助我构建更强大、更智能的电子系统的“指南”。

评分☆☆☆☆☆

作为一名长期从事ASIC设计的工程师，我最近开始涉足FPGA领域，主要是因为公司在某些项目中需要用到FPGA进行原型验证和快速迭代。我发现FPGA设计与ASIC设计在某些方面有相似之处，但也存在着许多独特的挑战和考量，尤其是在时序约束、时钟域交叉处理、资源利用率优化等方面，我需要系统地学习和掌握一些FPGA特有的技巧。《100 Power Tips For FPGA Designers》这个书名恰好击中了我的需求点。我希望这本书能够提供一些针对有一定基础的设计者，能够快速提升FPGA设计效率和设计质量的“捷径”。我特别关注书中关于如何利用FPGA的高级特性，例如DSP模块、SerDes接口、高速ADC/DAC接口等，以及如何进行高效的IP核集成和跨时钟域信号同步的“防弹”方法。同时，我也期待书中能够分享一些关于FPGA功耗优化、信号完整性、电磁兼容性（EMC）等方面的实用建议，这些都是在实际产品开发中至关重要的考量因素。这本书的名字让我觉得它是一本能够快速上手，并且能够解决实际痛点的工具书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名《100 Power Tips For FPGA Designers》直接点明了其核心价值，并且“100”这个数字本身就给人一种内容丰富、价值量大的感觉。我是一位在FPGA领域摸爬滚打了几年的工程师，虽然有一定的实践经验，但在某些复杂的项目中，依然会感到力不从心，尤其是在优化设计性能、降低功耗以及提高代码可读性和可维护性方面，总觉得还有很大的提升空间。我注意到这本书的标题中强调了“Power Tips”，这意味着它不仅仅是理论的讲解，更是包含了很多可以直接应用到实际工作中的实用技巧和方法。我非常希望书中能有关于如何有效地利用FPGA内部资源，比如DSP Slice、Block RAM等的技巧，以及如何进行高效的时序收敛，避免时序违例。同时，我也对书中关于RTL代码编写的最佳实践、状态机设计优化、以及如何编写更健壮的测试平台等内容充满兴趣。在我看来，一本优秀的FPGA设计书籍，应该能够帮助读者从“知道”到“做到”，并且能够不断“做得更好”。这本书的名字让我觉得它有可能做到这一点，它不仅仅是一本书，更像是一个经验丰富的导师，能够循循善诱地引导我不断进步。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就吸引了我，那种硬朗的金属质感和简洁的排版，让人一眼就能感受到其中蕴含的专业和深度。作为一个FPGA新手，我在学习过程中经常会遇到各种各样的瓶颈，有时候一个小小的概念理解不清，就会卡住很久，严重影响学习进度。我一直在寻找一本能够系统性地梳理FPGA设计流程，并且能够提供切实可行技巧的书籍。在众多选择中，《100 Power Tips For FPGA Designers》凭借其独特的命名和清晰的定位，成为了我最终的决定。拿到书的第一时间，我就迫不及待地翻阅起来，即使只是浏览目录，也能从中感受到作者对于FPGA设计精髓的深刻理解。从前端的逻辑设计到后端的时序约束，再到FPGA的物理实现和调试，这本书似乎覆盖了FPGA设计的所有关键环节。我特别期待书中能够包含一些关于低功耗设计、高性能设计以及一些高级验证方法的技巧，因为这些都是我在实际项目中最常遇到的挑战。我对这本书抱有很高的期望，相信它能为我的FPGA设计之路提供强大的支持和指导，帮助我克服困难，迈向更高的技术境界。书中的“Power Tips”这个词，更是让我联想到那些能够瞬间提升效率、解决疑难杂症的“秘籍”，这让我对阅读过程充满了期待和动力。

评分☆☆☆☆☆

在我的职业生涯中，FPGA一直是连接理论与实践的重要桥梁，尤其是在快速原型验证、嵌入式系统开发以及信号处理等领域，FPGA展现出了巨大的潜力。我是一名项目经理，虽然不直接进行FPGA代码的编写，但我需要对FPGA设计流程、技术难点以及风险有深刻的理解，以便更好地规划项目、管理团队和与工程师沟通。《100 Power Tips For FPGA Designers》这个书名，让我看到了一个能够帮助我的团队提升效率、优化设计成果的工具。我希望这本书能够提供一些关于如何选择合适的FPGA器件、如何进行有效的资源规划、如何管理FPGA开发流程以及如何评估和降低FPGA设计风险的“管理层视角”的技巧。同时，我也对书中关于团队协作、知识共享以及如何培养FPGA设计人才的建议抱有期待。一本能够帮助我提升项目管理能力，并且能够让我与技术团队更好地沟通的书籍，对我来说是极其宝贵的。这本书的名字让我觉得它不仅仅是技术性的，更带有一定的指导性和启发性，能够帮助我从更宏观的层面去理解FPGA设计。

评分☆☆☆☆☆

在我多年的FPGA设计生涯中，我始终坚信“细节决定成败”。FPGA的每一个设计，从RTL代码的编写到最终的比特流生成，都充满了各种细节上的考量，而这些细节往往决定了设计的性能、功耗和可靠性。《100 Power Tips For FPGA Designers》这个书名，让我觉得它是一本能够帮助我精益求精，进一步提升设计“质感”的书籍。我特别关注书中是否能提供一些关于如何优化时序约束的“艺术”，例如如何有效地利用时序报告中的信息来指导设计调整，如何处理跨时钟域信号的同步和亚稳态问题，以及如何进行精确的功耗分析和优化。此外，我也对书中关于如何编写高质量测试代码，如何进行覆盖率分析，以及如何利用先进的验证方法学（如UVM）来提升验证效率和有效性等内容充满兴趣。我相信，这些“Power Tips”能够帮助我将我的FPGA设计水平推向一个新的高度，让我的代码更加健壮，我的设计更加高效。

评分☆☆☆☆☆