了得網計算機/網絡_FPGA實戰訓練精粹

產品特色

編輯推薦

FPGA產品的應用領域已經從原來的通信擴展到消費電子、汽車電子、工業控制、測試測量等領域。FPGA工程師想從事該行業，除了需要有較為扎實的數字電路知識外，還要學會相關的FPGA設計方法，有閱讀文檔的能力，再就是FPGA學習要多練習、多實戰。
本書以實戰為宗旨，通過初級、中級、高級三個階段的案例，讓讀者多練習、多實戰，以便全面、深入、透徹地理解FPGA開發原理，提高實際開發水平和項目實戰能力。

內容簡介

本書以實戰開發為原則，先通過初級、中級、高級三個階段的案例，讓讀者全面、深入、透徹地理解FPGA開發的原理以提高實際開發水平和項目實戰能力，再通過FPGA高級綜合設計對SG軟件和HLS軟件進行介紹，提供一種全新的FPGA編程方法。
本書共分6章，涵蓋的內容有FPGA簡史、FPGA和其他器件的區別、FPGA相應開發軟件的下載及安裝方法、Verilog語言的語法、FPGA開發流程、呼吸燈設計與實現、流水燈設計與實現、按鍵控制LED設計與實現、自動售貨機的設計與實現、串口通信設計與實現、VGA設計與實現、VGA顯示圖像、Sobel算子實現、VGA顯示原理、DDR3和PCI-e的理論講解與實踐、SG軟件和HLS軟件。
本書內容豐富，實例典型，實用性強，適合各個層次想要學習FPGA的人員閱讀，尤其適合有一定FPGA基礎且想進一步學習的開發人員閱讀。

作者簡介

張晉榮，河北工業大學研究生，在校期間參與多項河北省研究創新資助項目，發表多篇計算機研究和移動相關論文。研究生期間研究領域是Linux繫統MD模塊的raid源碼部分和FPGA硬件算法部分。做過很多FPGA項目，如：DDR3接口，千兆以太網，HDMI，PCIE等。
章振棟，西安電子科技大學研究生，熟練掌握VIVADO、HLS、SYSGEN及ZYNQ嵌入式繫統的開發，獲得多項專利，參與多項雷達信號算法研究和實時信號處理機研制（與多家研究所合作），研究生期間研究領域是多通道（MIMO）陣列雷達信號處理算法研究及其實時信號處理機的研制（ARM\\FPGA\\DSP）。完成過許多FPGA、ZYNQ項目，如DRAM接口控制（仲裁）器，DDR3接口，千兆以太網、SRIO\\AURORA高速串行互聯、PCIE、基於ZYNQ的通用雷達信號處理平臺。

目錄

第1章 FPGA基本情況介紹 1
1.1 FPGA簡史 1
1.1.1 FPGA與ASIC 1
1.1.2 FPGA與CPLD 4
1.1.3 Altera與Xilinx 5
1.1.4 Verilog與VHDL 6
1.2 FPGA芯片（Xilinx）介紹 8
1.2.1 FPGA的基本結構 8
1.2.2 軟核、硬核及固核 12
1.2.3 7繫列FPGA簡介 13
1.3 FPGA的應用領域 17
1.3.1 機器學習 17目錄

第1章 FPGA基本情況介紹   1
1.1 FPGA簡史   1
1.1.1 FPGA與ASIC   1
1.1.2 FPGA與CPLD   4
1.1.3 Altera與Xilinx   5
1.1.4 Verilog與VHDL   6
1.2 FPGA芯片（Xilinx）介紹   8
1.2.1 FPGA的基本結構   8
1.2.2 軟核、硬核及固核   12
1.2.3 7繫列FPGA簡介   13
1.3 FPGA的應用領域   17
1.3.1 機器學習   17
1.3.2 5G無線   19
1.3.3 嵌入式視覺   20
1.3.4 工業物聯網   21
1.3.5 雲計算   22
1.3.6 FPGA硬件加速平臺   23
1.4 總結   23
第2章 FPGA設計基礎知識   24
2.1 軟件下載及安裝   24
2.1.1 ISE下載及安裝   24
2.1.2 ModelSim下載及安裝   28
2.1.3 Vivado下載及安裝   29
2.1.4 ISE關聯ModelSim   32
2.1.5 Vivado關聯ModelSim   36
2.1.6 UE（UltraEdit）的安裝和配置   40
2.2 Verilog基本語法介紹   44
2.2.1 發展歷史   44
2.2.2 語言設計思路   45
2.2.3 語言要素   46
2.2.4 數據類型   47
2.2.5 流程控制   50
2.2.6 語言描述方法   52
2.2.7 邏輯門級描述   56
2.2.8 晶體管級描述   57
2.2.9 邏輯綜合編輯   58
2.2.10 可綜合代碼   58
2.2.11 不可綜合結構類型   58
2.2.12 高級功能編輯   59
2.3 FPGA開發流程   60
2.3.1 設計流程   60
2.3.2 典型FPGA開發流程與注意事項   61
2.4 總結   63
第3章 FPGA初級設計   64
3.1 呼吸燈設計與實現   64
3.1.1 需求分析   64
3.1.2 流程   64
3.1.3 時序圖   65
3.1.4 時序圖寄存器分析   66
3.1.5 源碼展示   67
3.1.6 仿真文件   68
3.1.7 仿真結果分析   69
3.1.8 約束文件   70
3.1.9 擴展訓練   70
3.2 流水燈設計與實現   70
3.2.1 需求分析   70
3.2.2 流程   71
3.2.3 時序圖   71
3.2.4 時序圖寄存器分析   72
3.2.5 源碼展示   73
3.2.6 仿真文件   74
3.2.7 仿真結果分析   74
3.2.8 擴展訓練   75
3.3 按鍵控制LED設計與實現   75
3.3.1 需求分析   75
3.3.2 流程   75
3.3.3 時序圖   75
3.3.4 時序圖寄存器分析   76
3.3.5 源碼展示   77
3.3.6 仿真文件   79
3.3.7 仿真結果分析   80
3.3.8 擴展訓練   81
3.4 自動售貨機設計與實現   81
3.4.1 需求分析   81
3.4.2 流程   81
3.4.3 時序圖   82
3.4.4 時序圖寄存器分析   84
3.4.5 源碼展示   87
3.4.6 仿真文件   87
3.4.7 仿真結果分析   89
3.4.8 擴展訓練   90
3.5 總結   90
第4章 FPGA中級設計   91
4.1 串口通信設計與實現   91
4.1.1 需求分析   91
4.1.2 UART協議簡介   91
4.1.3 流程圖   93
4.1.4 源碼分析   94
4.1.5 仿真測試   97
4.2 VGA設計與實現   99
4.2.1 需求分析   99
4.2.2 VGA原理簡介   99
4.2.3 源碼展示分析   103
4.2.4 仿真結果分析   106
4.2.5 擴展訓練   107
4.3 VGA顯示圖像   107
4.3.1 需求分析   107
4.3.2 流程   107
4.3.3 時序圖   108
4.3.4 調用RAM模塊IP核步驟   108
4.3.5 擴展訓練   110
4.4 Sobel算子實現   110
4.4.1 需求分析   110
4.4.2 Sobel算子詳解   110
4.4.3 Sobel算子流程   112
4.4.4 Sobel算子時序圖   113
4.4.5 核心代碼展示和分析   114
4.5 總結   120
第5章 FPGA高級設計   121
5.1 DDR3理論講解和實踐部分   121
5.1.1 DDR3工作流程   121
5.1.2 DDR3的一些基本概念   123
5.1.3 文檔研讀   128
5.1.4 DDR3的IP核測試   133
5.1.5 總結   139
5.2 PCI-e理論講解和實踐   139
5.2.1 理論講解   139
5.2.2 擴展和未來方向   144
5.2.3 硬件協議摘要   144
5.2.4 RIFFA簡介   147
5.2.5 RIFFA使用之FPGA端   150
5.2.6 RIFFA使用之PC端   157
5.3 總結   159
第6章 FPGA高級綜合設計   160
6.1 System Generator介紹及安裝   160
6.2 System Generator工具的基本使用方法   166
6.2.1 System Generator中的庫   167
6.2.2 System Generator中的數據類型   174
6.2.3 System Generator自動代碼生成   174
6.3 System Generator實例   175
6.3.1 FIR濾波器實例   176
6.3.2 FFT實例   193
6.3.3 數字正交解調（DDC）實例   199
6.4 HLS介紹及安裝   211
6.5 HLS工具的基本使用方法   213
6.6 HLS實例——基於HLS的Sobel邊緣檢測   214
6.6.1 再次出現的Sobel算子   214
6.6.2 MATLAB仿真實現邊緣檢測   216
6.6.3 HLS實現圖像邊緣檢測   216
6.7 總結   224

前言

前言
隨著人工智能、大數據、圖像處理等技術的發展，傳統計算機架構難以滿足日益增長的數據處理需求，FPGA的存在使傳統體繫結構發生了較大的變化，軟硬協同設計使得傳統架構進行了較為深入的改革。FPGA工程師想從事該行業，除了需要有較為扎實的數字電路知識外，還要學會相關的FPGA設計方法，有閱讀文檔的能力。
目前圖書市場上關於FPGA的圖書不少，但有的圖書過於注重理論，有的圖書過於注重零碎的知識點和心得體會。本書以實戰為宗旨，通過初級、中級、高級三個階段的案例，讓讀者全面、深入、透徹地理解FPGA開發的原理，提高讀者的實際開發水平和項目實戰能力。
本書特色
1. 詳細深入的解說
為了便於讀者理解本書內容、提高學習效率，本書從易到難逐漸深入講解FPGA的設計方法。
2. 原理講解深入透徹前言
隨著人工智能、大數據、圖像處理等技術的發展，傳統計算機架構難以滿足日益增長的數據處理需求，FPGA的存在使傳統體繫結構發生了較大的變化，軟硬協同設計使得傳統架構進行了較為深入的改革。FPGA工程師想從事該行業，除了需要有較為扎實的數字電路知識外，還要學會相關的FPGA設計方法，有閱讀文檔的能力。
目前圖書市場上關於FPGA的圖書不少，但有的圖書過於注重理論，有的圖書過於注重零碎的知識點和心得體會。本書以實戰為宗旨，通過初級、中級、高級三個階段的案例，讓讀者全面、深入、透徹地理解FPGA開發的原理，提高讀者的實際開發水平和項目實戰能力。
本書特色
1. 詳細深入的解說
為了便於讀者理解本書內容、提高學習效率，本書從易到難逐漸深入講解FPGA的設計方法。
2. 原理講解深入透徹
為了讓有一定基礎的讀者進一步提升自己的能力，本書後期內容更偏向於原理的講解，使初級FPGA工程師快速提高自己。
3. 流程圖、時序圖豐富精確
FPGA工程師都懂時序圖的價值，本書中的時序圖均是由作者親自繪制的，講解詳細，讀者深入體會便可快速提高開發能力。
4. 項目案例典型，實戰性強，有較高的應用價值
本書使用項目案例進行解說。這些案例來源於作者所開發的實際項目，具有很高的應用價值和參考性，便於讀者融會貫通、理解書中所介紹的技術。這些案例稍加修改便可用於實際項目開發中。
本書知識體繫
第1章 FPGA基本情況介紹
本章介紹了FPGA簡史、FPGA和其他器件的區別、Altera與Xilinx兩大公司的產品及FPGA的基本結構、應用領域和進展等。
第2章 FPGA設計基礎知識
本章介紹FPGA相應開發軟件的下載及安裝方法、Verilog語言的語法、FPGA的開發流程等。
第3章 FPGA初級設計
本章主要介紹呼吸燈、流水燈、按鍵控制LED、自動售貨機的設計與實現，從需求分析、流程圖、時序圖、源碼等方面依次遞進，逐級深入，便於初學者細細理解、打好基礎。
第4章 FPGA中級設計
本章主要介紹串口通信設計與實現、VGA設計與實現、VGA顯示圖像、Sobel算子實現，講解串口通信、VGA顯示等原理。設計FPGA不僅僅需要基礎設計方法，更重要的是對原理的理解和剖析。
第5章 FPGA高級設計
本章主要介紹DDR3和PCIE的理論與實踐部分。其中，篇幅多的是原理性的講解和文檔的閱讀分析，並且對大量英文文檔做了詳細的翻譯解讀。
第6章 FPGA高級綜合設計
本章主要介紹FPGA如何用SG軟件和HLS軟件進行設計。本章的目的是提供一種全新的設計思路，這也是Xilinx公司一個主要的發展方向。
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從2017年12月起筆，到2018年7月寫完，作者用半年多的時間將之前的FPGA項目由易到難做了詳細的總結。本書第1章和第6章由章振棟書寫、第2~5章由張晉榮書寫。劉榮福對一些器件的使用和特性進行了指點。在此，感謝劉靖宇老師對作者學習FPGA的大力支持。師恩重如山，劉靖宇老師在作者讀研期間提供了很多寶貴的意見。同樣感謝V3學院的楊亮老師，他在作者學習FPGA期間提供了很多指導性意見並給予了巨大的支持鼓勵。後感謝張奇、王迪、王守彬、張冰、彭偉桃、高一寒、王月華、王建姣、陳肜、範金泉等小伙伴對作者寫書的鼓勵和支持。

張晉榮
2019年1月

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