FPGA设计技巧与案例开发详解（第2版） - (EPUB全文下载)

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FPGA设计技巧与案例开发详解（第2版）
第1章 浅谈FPGA技术、优势、学习途径
第2章 Quartus Ⅱ 13.0套件的下载及安装
第3章 Verilog HDL语法简介
第4章 MAX Ⅱ CPLD/Cyclone Ⅱ/Ⅳ FPGA PCB Layout设计
第5章 Verilog HDL设计与Testbench文件架构
第6章 4位计数器的设计与仿真验证
第7章 LED驱动电路设计
第8章 独立按键与矩阵键盘的FPGA驱动电路实现
第9章“Hello World”的LCD1602显示驱动实现
第10章 优化设计FPGA全局时钟管理模块
第11章 基于FPGA与MCU通信的SPI协议设计
第12章 基于FPGA与PC通信的UART串口设计
第13章 基于FPGA的VGA驱动显示设计
第14章 基于SDRAM的VGA显示控制器的设计与实现
第15章 基于OV7725的摄像头视频图像采集系统
第16章 TimeQuest的分析与实践
第17章 基于FPGA的系统设计
第18章 基于高速相机的嵌入式视觉处理系统设计
缩略语对照表
符号对照表
第1章 浅谈FPGA技术、优势、学习途径
1.1 FPGA的诞生、发展
1.1.1 FPGA的诞生
说到FPGA，在电子行业中，相信每一个开发者都耳熟能详——现场可编程门阵列。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上发展起来的新型高性能产物，是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。目前，FPGA芯片由于具有容量大、速度高、集成度高、灵活性强等特点，可以完成极其复杂的时序和组合逻辑电路功能，在信号处理、数据传输、视频图像处理等领域中得到了越来越多的运用。
对于刚迈出高校的学生来说，由于Altera全球大学计划做得较好，同时其GUI界面更适合学生入门开发，且低端产品价格便宜，所以他们最熟悉的是Altera的FPGA；而对于企业用户、研究所等的工程师来说，涉及产品的设计，他们更多考虑到性能、开发周期、产品的支持力度，因此选择上没有太大的局限。不过，亚洲地区使用Altera的较多，而欧洲地区使用Xilinx的更多。
Altera与Xilinx是目前FPGA界的两大巨头，都是“十大最受中国市场欢迎的半导体品牌”，市场份额平分秋色，各有千秋。但追古溯今，回顾历史，很多现在并没有太知名的FPGA厂商也曾辉煌过。目前，Altera与Xilinx的市场占有率达到了70%左右，排在第三的是Lattice，其次才是其他的一些公司。Altera、Xilinx和Lattice公司的Logo如图1.1所示。
图1.1 Altera、Xilinx和Lattice公司的Logo
20世纪90年代是电信行业大发展的年代，同时也是集成电路发展的时代。为了解决逻辑黏连，以及集成电路复杂度不断上升等问题，PLD（可编程逻辑器件）应运而生。PLD最先由Altera发明，早期为EEPROM工艺，基于乘积项（Product Term）结构。据说当初最早进入中国市场的是Lattice（莱迪斯），而并非Altera或Xilinx。Lattice成立于1983年，专业从事设计、开发和销售高性能可编程器件和相关软件。
1991年，Lattice革命性地推出了ISP技术——在线系统可编程技术，从而开创了可编程逻辑器件的市场。通过ISP器件，工程师可以直接对器件进行编程，甚至擦除（不再需要通过紫外线擦除），从而有效地缩短了产品的上市周期，降低了生产成本。正因为ISP技术的优越性，Lattice率先占领了中国的市场，成为通信企业、研究所等青睐的产品。
不过毕竟Altera是PLD的发明者（1983年），同时由于Altera人性化的GUI开发界面，以及灵活强大的功能，吸引了一部分工程师，所以从1996年起，Altera在国内开始逐渐挽回PLD的市场。随后，Altera又推出了MAX7000系列PLD，其在设计与性能上的优势超越了Lattice，从而奠定了Altera在中国市场的基础。
由于当时的PLD的加密性不好，同时不能防止辐射，所以它并不太适用于航天产品。不过Actel与Quicklogic的PLD采用了Antifuse（反熔丝）技术，以烧断熔丝为代价解决了加密的缺陷。这两家公司的PLD有一个最大的好处，就是防辐射，以及支持军用温度，因此在航天/军事领域，这两家公司的产品也有属于自己的领空。Actel与Quicklogic公司的Logo如图1.2所示。
图1.2 Actel与Quicklogic公司的Logo
不过由于Actel 与Quicklogic 的反熔丝特性，使得在PLD 设计上不通用，因此两家产品在民用市场所占的份额不是很大。此时，还有一些小市场的厂家，如Atmel、Cypress等，也开始进入FPGA 市场，在国内市场分得了一杯羹，虽然也有一定的用户群，但是 PLD 并非它们的主要业务。Atmel与Cypress公司的Logo如图1.3所示。
图1.3 Atmel与Cypress公司的Logo
随着集成电路的不断发展，原有的PLD架构及设计的资源已经逐渐无法满足产品设计的需求；同时，由于PLD的制造成本高，使用者需要有一定的专业水平，且烧录次数有限，在当时遇到了一定的瓶颈。
作为FPGA的发明者，Xilinx在1985年推出了全球第一款FPGA产品——XC2064。当时的XC2064只是现在FPGA的一个最原始的雏形——采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85 000个晶体管，门数量不超过1 000个。此时，注定要使用大量芯片的PC刚刚走出硅谷的实验室进入商业市场，而微软创始人 Bill Gates 还正在为生计而奋斗，创新的可编程产品似乎并没有什么用武之地。
事实并非如此。最初，PLD只用于胶合逻辑（Glue Logic）；后来，发展到了数字信号处理、高速串行收发器和嵌入式处理器，PLD逐渐地从配角变成了主角— ............

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