本书首先阐述了FPGA的基本原理和架构，其次介绍了FPGA的新功能、特点，以及如何解决工业应用中的问题。书中探讨了FPGA的设计方法，并结合机电一体化、机器人和能源系统应用案例与实践。

阐述FPGA基本原理和高级功能，结合不同工业应用实例解析现场可编程片上系统（FPSoC）的设计方法。
有利于非硬件设计专家理解FPGA技术和基础知识，帮助读者利用嵌入式FPGA系统的新功能来满足工业设计需求。

本书旨在以非硬件设计专家可接受的方式介绍现场可编程门阵列（FPGA）技术及相关概念，从而为FPGA在工业中的推广做出贡献。本书可帮助用户分析这些器件是否是最佳的（或至少是可能的）工业应用解决方案，以有效满足他们的目标工业应用需求。这不是一个小问题，因为选择最合适的硬件平台解决特定的数字设计问题涉及许多不同（但相关）的因素。本书强调了当前的FPGA器件能实现的各种应用，尤其是传统FPGA架构与强大的嵌入式处理器相结合的技术，即所谓的现场可编程片上系统（FPSoC）或系统可编程芯片（SoPC）；重点讨论和分析了嵌入式系统的内容，它们也可以轻松有效地推广到其他领域。
本书共9章，内容如下：
第1章以将FPGA作为直接竞争对手的视角，分析了嵌入式系统现有的各种不同设计方法。另外，讨论了FPGA的“可编程性”和“可配置性”的基本概念，并介绍了FPGA架构的主要单元。
第2章详细描述了现代FPGA的主要特性、结构和通用硬件资源（逻辑单元、I/O单元和互连资源）。该章还分析了一些专用的硬件模块（时钟管理模块、存储器模块、硬存储控制器、收发器和串行通信接口）等。
第3章分析了嵌入式软、硬核处理器，以及当它们将FPGA从硬件加速器转换为FPSoC平台时所引起的设计范式的转变和特殊意义。如该章所讲，最初的器件集成了通用微处理器等简单的器件，最新的器件集成了多个（在某些情况下超过10个）可进行并发操作的复杂处理器内核，为实现同构或异构多核体系结构打开了大门。处理器与其外围设备之间的高效通信是成功开发嵌入式系统的关键因素。基于此，该章还详细分析了目前可用的片上总线及其历史演化。
第4章分析了DSP模块。DSP模块在许多工业应用中是非常有用的硬件资源，可以有效实现关键功能器件，例如数字滤波器、编码器、解码器或数学转换器。该章还重点介绍了FPGA固有的并行计算优势，以及当前大多数器件在硬件中实现浮点运算的能力。
第5章介绍了模拟模块，包括嵌入式ADC和DAC。它们扩展了（大多数为数字的）FPGA器件的功能，简化了与模拟世界的接口。这也是许多工业应用的基本要求。
从第2～5章的介绍中可以清楚地看出，FPGA不断增加的复杂性使其只有在合适的软件工具的帮助下才能有效地被处理，这样可以使复杂的设计项目在相当短的时间内完成。第6章介绍了用于FPGA设计的工具和方法，包括基于传统RTL设计流程的工具、用于SoPC设计的工具、高层次综合工具、面向高性能计算的多线程加速工具、调试和其他辅助工具。
当前的许多应用程序需要处理大量数据。在这种情况下，通信资源是获得高性能（且越来越高）系统的关键要素。因为可以在FPGA中实现许多功能，所以需要一种有效的通信方式—不仅要与外部器件进行交互，还需要与内部模块进行交互，以满足要求的速率交换数据。与芯片外和芯片内通信相关的问题在第7章中进行了详细分析。
可重构是FPGA的一个非常重要的功能，这催生了数字设计中的新范式，允许同一器件在运行期间轻松地进行调整，以提供不同的硬件功能。第8章重点介绍了与FPGA可重构性相关的主要概念、在正常操作（即运行时）下进行重构的优点、不同的可重构备选方案，以及一些现有实例。这些实例显示了运行时的动态可重构和局部可重构，可以提高硬件的适应性。
如今，FPGA 被广泛应用于许多工业应用中，因为它们具有高速性、灵活性、固有的并行性、良好的性价比（通过不同系列器件的广泛组合来提供）以及种类繁多的专用逻辑资源。它们不仅需要整合已有的应用领域，还需要进入新领域。第9章涉及FPGA的3个主要设计领域（先进控制技术、电子仪器和数字实时仿真）和3个非常重要的应用领域（机电一体化、机器人技术和电力系统设计）。
致谢
作者在FPGA设计领域拥有超过25年的工作经验，学术界和业界的许多同行的建议及讨论让他获益匪浅。在书中列出所有这些人是不可能的，并可能导致一些无意的遗漏，所以在这里统一表示感谢，包括维戈大学电子技术系和工业电子中心以及马德里理工大学的同事和学生，提供过咨询和项目开发服务的公司内的职员，IEEE工业电子学会的同事，还有多年来在许多科学论坛中（如IECON、ISIE、ICIT、FPL、Reconfig和ReCoSoc）遇到的人们。
最后，当然也是最重要的一点，感谢家人的无条件支持。

集成电路设计

现场可编程门阵列 （FPGA）目前被公认为非常适合实现复杂数字系统的平台，适用的工业电子应用也越来越多，涵盖航空航天、食品工业、工业自动化、汽车、生物医学、过程控制、物流、电力电子、化学、传感器网络、超声波、安全、人工视觉等广泛领域。本书首先介绍FPGA的基本架构，使读者熟悉FPGA的基础知识，然后讨论如何应用FPGA高阶知识解决新领域问题。同时，还讲解了FPGA设计方法，以及机电一体化、机器人技术和电力系统等领域的应用示例。
本书主要内容
解释为何以及如何将FPGA用于多种领域的高端应用。
分析 FPGA 器件的基本架构以及高级功能。
探索新的资源，解决新应用领域中的问题。
为无数字系统设计经验但需要数字系统高效解决方案的工程师提供思路。
演示如何使用FPGA解决工业电子领域中棘手的挑战。
展示FPGA技术的前沿动态，并确定相关的未来需求。
提供大量参考资料，方便读者获取有关FPGA应用的信息。

工业电子对复杂数字系统的需求日益增多，现场可编程门阵列（FPGA）是实现复杂数字系统的最合适的平台。FPGA的应用领域十分广泛，例如无线通信、网络传输、服务器、存储设备、办公自动化设备、音视频广播、卫星通信、工业自动化、汽车、生物医学、军事、物流等。
本书将介绍FPGA器件的基本结构、原理、内部资源、设计（编程）方法，以及最新的FPGA器件内的电路资源—这些资源增强了FPGA器件解决应用问题的能力。本书还会介绍如何将FPGA器件用于不同领域的高端电子设计中，并结合机电一体化、机器人、电力系统等应用实例，说明FPGA的应用方法。
本书的内容深入浅出，可以帮助数字系统设计工程师设计出满足系统应用需求的硬件电路解决方案。除了这些技术人员，电子信息类、通信类的本科高年级学生和研究生，也可以选择本书作为教材或参考书。
本书的翻译分工具体为：第1、2、8章由赵强、张春和何建业翻译，其余章节由殷明超和赵路通翻译，全书的审校和最终定稿由王志华负责。
由于译者水平有限，译稿中难免存在一些疏漏，恳请广大读者批评指正。

译者
2020年5月

译者序
前言
作者简介
译者简介
第1章　FPGA及其在电子系统设计中的作用 1
1.1　导引 1
1.2　嵌入式控制系统：宽泛的概念 1
1.3　嵌入式系统的实现 4
1.3.1　技术改进和复杂性增加 4
1.3.2　向着能源效率的方向改进计算性能 5
1.3.3　为目标技术而战 7
1.3.4　不同器件的设计技术和工具 8
1.4　可配置逻辑如何工作 12
1.5　FPGA的应用和使用 16
参考文献 18
第2章　FPGA的主要架构和硬件资源 19
2.1　导引 19
2.2　FPGA的主要架构 20
2.3　基本硬件资源 23
2.3.1　逻辑单元 23
2.3.2　I/O单元 26
2.3.3　互连资源 30
2.4　专用硬件模块 32
2.4.1　时钟管理模块 32
2.4.2　存储器模块 38
2.4.3　硬存储控制器 42
2.4.4　收发器 44
2.4.5　串行通信接口 50
参考文献 53
第3章　FPGA架构的嵌入式处理器 55
3.1　导引 55
3.1.1　多核处理器 57
3.1.2　众核处理器 62
3.1.3　FPSoC 62
3.2　软核处理器 63
3.2.1　专用核 65
3.2.2　开源核 72
3.3　硬核处理器 74
3.4　其他“可配置”的SoC方案 81
3.4.1　传感器中枢 81
3.4.2　可定制处理器 86
3.5　片上总线 87
3.5.1　AMBA 88
3.5.2　Avalon 98
3.5.3　CoreConnect 102
3.5.4　Wishbone 104
参考文献 106
第4章　FPGA中的高级信号处理资源 109
4.1　导引 109
4.2　嵌入式乘法器 111
4.3　DSP模块 112
4.4　浮点硬件运算符 115
参考文献 119
第5章　混合信号FPGA 120
5.1　导引 120
5.2　ADC模块 121
5.3　模拟传感器 126
5.4　模拟数据捕获和处理接口 127
5.5　混合FPGA-FPAA解决方案 131
参考文献 135
第6章　基于FPGA设计的工具和方法 136
6.1　导引 136
6.2　基于RTL综合和后端工具的基本设计流程 138
6.2.1　设计输入 139
6.2.2　仿真工具 142
6.2.3　RTL综合和后端工具 145
6.3　SoPC系统的设计 151
6.3.1　SoPC硬件设计工具 152
6.3.2　SoPC软件设计工具 156
6.3.3　IP核库和IP核生成工具 159
6.4　HLS工具 160
6.5　HPC多线程加速器的设计 162
6.6　调试和其他辅助工具 164
6.6.1　SoPC系统的硬件/软件调试 164
6.6.2　辅助工具 168
参考文献 170
第7章　FPGA系统的片外和片内通信 171
7.1　导引 171
7.2　片外通信 172
7.2.1　低速接口 172
7.2.2　高速接口 173
7.3　片内通信 175
7.3.1　点对点连接 175
7.3.2　基于总线的连接 176
7.3.3　片上网络 181
参考文献 185
第8章　使用商用FPGA建立可重构系统 186
8.1　导引 186
8.2　主要的与可重构相关的概念 187
8.2.1　可重构架构 190
8.3　作为可重构元件的FPGA 190
8.3.1　带有可重构支持的商用FPGA 191
8.3.2　为局部可重构设计一种架构 192
8.3.3　可扩展架构 194
8.3.4　支持局部可重构的工具 197
8.3.5　可重构系统支持的片上通信 198
8.4　运行时可重构 199
8.4.1　自我管理系统 201
8.4.2　具有可重构硬件加速器的自适应多线程 204
8.4.3　可演化硬件 208
参考文献 214
第9章　FPGA的工业电子应用 217
9.1　导引 217
9.2　工业电子中的FPGA应用领域 219
9.2.1　电力系统数字实时仿真 219
9.2.2　先进控制技术 220
9.2.3　电子仪器 221
9.3　总结 222
参考文献 223