FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）是在PAL和GAL等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。最初，F(xiàn)PGA主要應(yīng)用于傳統(tǒng)領(lǐng)域，隨著信息產(chǎn)業(yè)與微電子技術(shù)的發(fā)展，其發(fā)展速度越來越快。尤其近幾年，F(xiàn)PGA的發(fā)展非常迅猛，其影響力越來越大。例如，比特幣挖礦、數(shù)據(jù)采集、人工智能等領(lǐng)域都可以看到FPGA的身影。如今，F(xiàn)PGA的應(yīng)用遍及航空航天、汽車、醫(yī)療和工業(yè)控制等領(lǐng)域。
2010年，筆者在大學(xué)導(dǎo)師那里第一次接觸FPGA，那時(shí)感覺FPGA很神秘。正是這種神秘感，吸引筆者進(jìn)入了該行業(yè)，開始了FPGA編程之旅。筆者大學(xué)畢業(yè)至今一直從事FPGA邏輯設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的相關(guān)工作，這些工作經(jīng)歷使得筆者積累了豐富的項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，如今已在FPGA接口應(yīng)用領(lǐng)域取得了一些成就。
基于上述經(jīng)歷，筆者想通過一本書將自己多年以來積累的FPGA設(shè)計(jì)心得和項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)分享給需要的人。具體而言，筆者編寫本書的主要原因有以下4點(diǎn)：
? 行業(yè)需求使然。FPGA行業(yè)發(fā)展迅猛，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，人才缺口很大，而圖書市場(chǎng)上缺少通俗易懂且實(shí)用性強(qiáng)的能帶領(lǐng)讀者快速上手的圖書。
? 筆者一直在思考，有沒有一種低門檻、易消化、易掌握和易上手的方法，讓初學(xué)者可以快速掌握FPGA技術(shù)，筆者想通過本書來嘗試解決這個(gè)問題。
? 筆者想通過本書分享自己多年積累的FPGA設(shè)計(jì)心得和項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，讓FPGA學(xué)習(xí)人員少走彎路，能更快地將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于產(chǎn)品和項(xiàng)目開發(fā)，從而加速產(chǎn)品和項(xiàng)目的上市。
? 筆者想通過一本書，讓行業(yè)內(nèi)入職的新人可以通過自學(xué)快速掌握FPGA，從而節(jié)省大量的培訓(xùn)時(shí)間和成本。
本書以一位FPGA從業(yè)者的身份，詳細(xì)介紹FPGA產(chǎn)品或項(xiàng)目開發(fā)所需要的基本技能。本書首先從FPGA的理論知識(shí)講起，詳細(xì)介紹FPGA芯片的發(fā)展背景、常用專業(yè)術(shù)語(yǔ)和硬件描述語(yǔ)言的基本語(yǔ)法，然后介紹FPGA的驗(yàn)證方法和知識(shí)產(chǎn)權(quán)應(yīng)用，最后結(jié)合實(shí)例詳細(xì)介紹低速接口設(shè)計(jì)與高速接口設(shè)計(jì)，并總結(jié)FPGA的開發(fā)技巧，以加深讀者對(duì)FPGA設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)的理解。通過閱讀本書，讀者可以系統(tǒng)地掌握FPGA設(shè)計(jì)的精髓和流程，并達(dá)到實(shí)際上手開發(fā)產(chǎn)品或項(xiàng)目的水平。
《Xilinx FPGA工程師成長(zhǎng)手記》特色
? 內(nèi)容豐富：首先從FPGA的理論知識(shí)入手，詳細(xì)介紹FPGA芯片設(shè)計(jì)的背景、常用專業(yè)術(shù)語(yǔ)、硬件描述語(yǔ)言的基本語(yǔ)法；然后介紹FPGA的驗(yàn)證方法和知識(shí)產(chǎn)權(quán)應(yīng)用；最后詳細(xì)介紹低速接口和高速接口設(shè)計(jì)實(shí)例，并總結(jié)FPGA的開發(fā)技巧。
? 實(shí)例豐富：在講解中穿插多個(gè)典型實(shí)例，帶領(lǐng)讀者上手實(shí)踐，并加深對(duì) FPGA設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)的理解，進(jìn)而快速掌握FPGA的開發(fā)流程，上手開發(fā)實(shí)際產(chǎn)品和項(xiàng)目。
? 圖文并茂：在講解中給出大量的示意圖，幫助讀者高效、直觀地理解FPGA的各種概念和實(shí)現(xiàn)原理。
? 注重技巧：總結(jié)大量的開發(fā)技巧，讓讀者少走很多彎路，從而加速新產(chǎn)品的上市，甚至提前交付項(xiàng)目。
? 源碼實(shí)用：本書涉及的實(shí)例源碼大多來源于實(shí)際項(xiàng)目，并給出詳細(xì)的注釋，讀者對(duì)這些源碼稍加修改即可直接用于實(shí)際項(xiàng)目。
? 提供習(xí)題：每章都提供習(xí)題，幫助讀者鞏固和提高所學(xué)的知識(shí)。
? 配教學(xué)PPT：提供配套教學(xué)PPT，方便相關(guān)院校的授課教師教學(xué)時(shí)使用。
《Xilinx FPGA工程師成長(zhǎng)手記》內(nèi)容
第1篇 Xilinx FPGA基礎(chǔ)知識(shí)
本篇涵蓋第1～4章，主要介紹FPGA的概念、設(shè)計(jì)流程、基本理論、描述語(yǔ)言和功能驗(yàn)證等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)本篇內(nèi)容，讀者可以快速掌握FPGA設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。
第1章FPGA概述，主要介紹FPGA的芯片廠商、應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)流程，以及FPGA工程師需要掌握的基本技能。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，讀者可以對(duì)FPGA有個(gè)大致的了解。
第2章FPGA的基本理論，主要介紹FPGA的時(shí)鐘、復(fù)位、時(shí)序、異步時(shí)鐘域和約束等相關(guān)知識(shí)。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，讀者可以系統(tǒng)地了解FPGA的基本理論知識(shí)。這些知識(shí)在FPGA設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到，其伴隨FPGA設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，是FPGA邏輯設(shè)計(jì)不可缺少的一部分。
第3章FPGA的硬件描述語(yǔ)言，主要介紹VHDL、Verilog HDL和System Verilog語(yǔ)言的語(yǔ)法基礎(chǔ)，以及FPGA設(shè)計(jì)規(guī)范與編程技巧。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，讀者可以快速掌握FPGA的常用硬件描述語(yǔ)言，以便進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)。
第4章FPGA功能驗(yàn)證，主要介紹驗(yàn)證的基本概念、仿真激勵(lì)的編寫、常用系統(tǒng)函數(shù)任務(wù)的調(diào)用，以及Vivado仿真軟件的使用等。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，讀者可以學(xué)會(huì)驗(yàn)證自己編寫的模塊是否滿足功能要求。
第2篇 Xilinx FPGA邏輯設(shè)計(jì)
本篇涵蓋第5～10章，主要介紹FPGA的常用IP核設(shè)計(jì)、用戶代碼封裝、低速接口設(shè)計(jì)、高速接口設(shè)計(jì)、硬件調(diào)試和開發(fā)技巧等內(nèi)容。FPGA在邏輯接口領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。例如，在實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，很多情況下需要與PC（個(gè)人計(jì)算機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC處理，或者將處理后的結(jié)果傳送給PC進(jìn)行顯示等。通過學(xué)習(xí)本篇內(nèi)容，讀者可以快速掌握FPGA接口設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)知識(shí)，從而為實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
第5章FPGA的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，主要介紹MMCM、FIFO、RAM、Counter等常用IP核的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，讀者可以快速掌握常用IP核的設(shè)計(jì)方法。
第6章FPGA代碼封裝，主要介紹用戶代碼的IP核封裝和網(wǎng)表文件封裝的基本流程。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，讀者可以快速掌握FPGA代碼封裝的方法，為代碼加密設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
第7章FPGA低速接口設(shè)計(jì)，主要介紹SPI、UART、IIC和CAN這4種總線的邏輯設(shè)計(jì)方法。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，讀者可以掌握低速接口設(shè)計(jì)的方法，包括方案設(shè)計(jì)、代碼設(shè)計(jì)、功能仿真和硬件調(diào)試。
第8章FPGA高速接口設(shè)計(jì)，主要介紹DDR3和PCIE這兩種接口的設(shè)計(jì)方法。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，讀者可以快速掌握高速接口的設(shè)計(jì)方法，包括方案設(shè)計(jì)、代碼設(shè)計(jì)、功能仿真與硬件調(diào)試。
第9章FPGA硬件調(diào)試，基于Vivado軟件環(huán)境，以一個(gè)簡(jiǎn)單的閃爍燈為例，介紹其FPGA硬件調(diào)試流程。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，讀者可以簡(jiǎn)單地了解FPGA的硬件調(diào)試流程。對(duì)于一些復(fù)雜的FPGA設(shè)計(jì)，可以通過本章介紹的調(diào)試方法進(jìn)行硬件邏輯功能的調(diào)試。
第10章FPGA開發(fā)技巧，主要介紹筆者基于Xilinx FPGA進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過程中總結(jié)的一些FPGA項(xiàng)目開發(fā)技巧與心得體會(huì)，包括FPGA時(shí)鐘管理、FPGA復(fù)位設(shè)計(jì)、FPGA時(shí)鐘域處理、FPGA通用模塊設(shè)計(jì)和FPGA檢查表開發(fā)。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，讀者可以掌握FPGA的開發(fā)技巧，從而少走彎路，提高FPGA產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率。
讀者對(duì)象
? FPGA接口設(shè)計(jì)入門人員；
? FPGA接口設(shè)計(jì)從業(yè)人員；
? 硬件設(shè)計(jì)工程師；
? 硬件設(shè)計(jì)科研人員；
? 高校電子信息等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生。
配套資源獲取
本書提供實(shí)例源碼文件、習(xí)題參考答案和教學(xué)PPT等配套資源。這些資源有兩種獲取方式：一是關(guān)注微信公眾號(hào)方大卓越，回復(fù)數(shù)字26獲取下載鏈接；二是在清華大學(xué)出版社網(wǎng)站（www.tup.com.cn）上搜索到本書，然后在本書頁(yè)面上找到資源下載欄目，單擊網(wǎng)絡(luò)資源或課件下載按鈕進(jìn)行下載。
致謝
在編寫《Xilinx FPGA工程師成長(zhǎng)手記》的過程中，筆者查閱了大量的資料，參考了Xilinx公司官方網(wǎng)站（http://www.xilinx.com）提供的英文資料以及Vivado提供的IP核數(shù)據(jù)手冊(cè)與幫助文檔，在此對(duì)資料的作者和提供者表示衷心的感謝！另外也要感謝北京至芯開源科技有限責(zé)任公司總經(jīng)理雷斌、FPGA資深工程師黨亞鵬、FPGA高級(jí)工程師宋哲和系統(tǒng)架構(gòu)工程師郝煥妮，他們4位為本書提出了寶貴的意見和建議，在此表示衷心的感謝！此外，感謝妻子全力照顧家庭，為筆者編寫本書騰出了大量的時(shí)間。
售后服務(wù)
由于筆者水平所限，書中可能還存在疏漏與不足之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)與指正。同時(shí)也歡迎廣大讀者就FPGA設(shè)計(jì)和驗(yàn)證等相關(guān)技術(shù)與筆者交流。
聯(lián)系郵箱：bookservice2008@163.com。

寇強(qiáng)
2024年6月于西安