FPGA现代电子系统设计原理_陈晓梅_9787302630999

FPGA现代电子系统设计原理

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丛书名：高等学校电子信息类专业系列教材

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本书是一部系统论述基于FPGA的现代电子系统设计方法的立体化教程(含纸质图书、电子书、教学课件、源代码与视频教程)。全书共分为8章：第1章EDA技术概述，介绍了基于FPGA设计的优势、FPGA技术应用领域、自顶向下设计方法论、FPGA设计层次、RTL层设计的流程；第2章介绍CPLD/FPGA的结构原理及编程和配置相关知识；第3、4、5、8章，从第3章的VHDL基本语法，到第4章的组合逻辑和时序逻辑基本模块，再到第5章的宏功能模块利用，最后是第8章以项目引导的典型电子系统设计案例，逐层递进，由浅入深地介绍基于VHDL的数字系统描述方法；第6章介绍逻辑设计之后需要考虑的时序分析相关基础，包括时序约束、时序分析的若干基本概念和时钟管理; 第7章面向整体系统设计及优化问题，介绍了基本系统设计原则和VHDL优化原则。

为便于读者高效学习，快速掌握基于VHDL的编程与实践,本书作者精心制作了完整的教学课件(8章PPT)、完整的源代码与丰富的配套视频教程及在线答疑服务等。

本书可作为广大高校电子信息工程专业EDA课程的教材，也可作为计算机技术、自动化、电力系统及自动化、智能电网及信息工程、机械电子等工科专业学生的自学参考书。

2015年，德国率先提出工业4.0，拉开了第四次工业革命的序幕。以智能化、信息化为特点的第四次工业革命，广泛使用大数据、人工智能、物联网、5G通信、云边端计算等先进技术，在各个行业完成产业升级，从智慧小区、智慧工厂到智能城市，从智慧交通到智慧医疗，从智能电网到智慧能源，再到全球互联网，智慧化、智能化已经在逐步深入地影响和改变我们的生活。而实现智慧化、智能化的物理基础是智慧化器件，包括CPU、DSP、ARM等。FPGA作为智慧化器件的顶配产品，以其高速、稳定、可靠等特点，近年来得到了广泛的关注和应用。

智能化、信息化的进程中，必然需要大量的智能计算、智能决策，而且这些智能计算和决策必须具备快速、低功耗、小型化、灵活性等特点，FPGA技术充分满足了上述几点要求。尤其是近年来的片上系统(SoC)技术，既包括各种硬件IP核，还可以集成嵌入式操作系统和应用软件，软硬协同，将非常复杂的系统整合在芯片上，展示出强大的功能。单独使用沿用数十年的CPU架构产品已经不能满足市场需求，因而选择以软硬协同开发为特征的FPGA架构是必然趋势。可以预见，FPGA的应用将会呈现一个井喷式增长态势。目前FPGA已经成熟地应用到视频信号处理，比如电子眼、人脸识别等。在云计算、边缘计算及智能计算领域，FPGA正在作为加速器而被越来越广泛应用，它既能够提供几乎实时的处理速度，同时还可以降低功耗。在机器人、无人驾驶、无人机等领域，FPGA也越来越广泛地被使用。

世界上著名的FPGA厂商Altera公司被Intel公司收购，Xilinx公司继而被AMD公司收购，FPGA公司被芯片巨头整合，预示着FPGA将与传统CPU芯片进一步集成，发挥其可编程、快速、低功耗、灵活的优势，来赋能传统芯片。随着芯片巨头的入场，FPGA CPU将会真正成为解决数据中心存储和网络通信的主流解决方案，基于FPGA的AI加速单元和CPU紧密耦合提升AI计算的整体性能，也必将是FPGA赋能传统芯片的典型应用，从而带来前所未有的IT生态改变。

面对这样的需求和应用背景，应用工程师们迫切需要在较短的时间内能够尽可能全面地了解FPGA相关技术。本书是一本阐述FPGA技术全貌的图书，深入浅出地将理论与案例相结合。在介绍FPGA最新应用的基础上，以Intel公司的主要FPGA产品为主线，阐述其硬件结构原理。从VHDL基本语法出发，阐述了基于VHDL的组合/时序基本电路模块的实现方式，并系统介绍了典型IP核的应用，较为详细地阐述了FPGA设计中的时序分析问题，系统论述了设计过程中要遵循的基本原则和优化原则，并结合案例进行解释，最后列举了一些常见的工程应用。本书旨在向读者传递FPGA技术及应用的基本原理，作者以多年的FPGA专业教学经验，引领读者快速了解FPGA领域全貌，以期在FPGA应用中能够事半功倍。

本书的编写工作由下列人员承担：李月乔负责第4章；陈晓梅负责第1，2，3，5，6，7，8章。全书由陈晓梅审校定稿。此外研究生肖徐东、王行健负责本书第8章的部分调试，在此一并表示衷心的感谢。为了使书中内容与仿真软件中使用的逻辑符号一致，故本书中所有符号均采用美标，特此说明。

由于作者水平所限，错误和不足之处在所难免，恳请读者批评指正。

编者2023年10月

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