Xilinx新一代FPGA设计套件Vivado应用指南
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内容简介
书籍 计算机书籍
本书系统论述了新一代FPGA设计套件Vivado的性能、使用方法以及FPGA的开发方法。全书内容包括Vivado设计套件的特性,全面可编程FPGA器件的架构,使用Vivado套件创建复杂数字系统设计项目,仿真系统功能,RTL分析产生网表文件,性能要求的时序约束及综合,布局布线及静态时序分析和生成位流文件等全部设计过程,基于项目和非项目批作业两种用Tcl指令的设计模式,同步设计技术、HDL编码技术、时序收敛和HLS优化DSP算法等关键技术,并以实例介绍了嵌入式系统的设计方法等。本书适合作为高校电子信息类专业的实践教学用书和工程技术人员的参考用书。
目录
第1章Vivado设计套件
1.1单一的、共享的、可扩展的数据模型
1.2标准化XDC约束文件——SDC
1.3多维度解析布局器
1.4IP 封装器、集成器和目录
1.5Vivado HLS把ESL带入主流
1.6其他特性
1.6.1快速的时序收敛
1.6.2提高器件利用率
1.6.3增量设计技术
1.6.4Tcl特性
1.7Vivado按键流程执行设计项目
1.7.1KC705开发板实现计数器
1.7.2在Nexys4开发板实现计数器
第2章7系列FPGA架构和特性
2.17系列结构特点
2.1.1采用统一的 7 系列架构
2.1.2高性能和低功耗结合的工艺
2.2扩展7系列的UltraScale架构
2.3可配置逻辑模块CLB
2.3.1Slice的结构和功能
2.3.2SliceM配置为SRL
2.3.3SliceM配置为分布式RAM
2.47系列专用模块: Block RAM/FIFO和DSP模块
2.4.1Block RAM/FIFO
2.4.2DSP模块
2.4.3I/O模块
2.4.4时钟资源
2.5由RTL代码推论实验
2.5.1计数器程序
2.5.2实验结果
第3章创建设计项目
3.1wave_gen设计概述
3.2启动Vivado
3.3仿真设计
3.3.1添加仿真需要的信号
3.3.2运行仿真和分析仿真结果
3.4利用时钟向导配置时钟子系统
3.5产生IP集成器子系统设计
3.5.1产生IP集成器模块设计
3.5.2定制IP
3.5.3完成子系统设计
3.5.4产生IP输出产品
3.5.5例示IP到设计中
第4章RTL级分析和设计网表文件
4.1网表文件
4.1.1设计项目数据库
4.1.2网表文件
4.1.3推演的设计网表文件
4.1.4综合的设计网表文件
4.1.5实现的设计网表文件
4.2RTL设计分析
4.2.1RTL网表文件
4.2.2RTL设计规则校验
4.2.3浏览设计的层次
4.2.4平面规划布图
4.2.5时钟规划布图
4.3网表文件的设计对象
4.3.1通过get_*命令来寻找网表中的对象
4.3.2设计层次
4.3.3pin的层次与名称
4.3.4层次展平化
4.3.5Nets的层次分段
4.4设计对象特性
4.4.1查看对象的特性
4.4.2Cell的特性
4.4.3Port的特性
4.4.4Pin的特性
4.4.5用户自定义特性
4.4.6使用特性过滤对象
4.5对象连通性
4.5.1层次结构下get_pins命令的使用
4.5.2GUI的使用
4.5.3图形化帮助界面
4.6RTL分析实例
本章小结
第5章设计综合和基本时序约束
5.1设计综合
5.1.1Vivado IDE的综合环境
5.1.2Vivado IDE 综合常用设置
5.1.3Vivado IDE 综合流程
5.1.4Vivado支持SystemVerilog
5.1.5Vivado工具的特点
5.2基本的时序约束
5.2.1静态时序通道
5.2.2建立时间和保持时间校验
5.2.3输入和输出的时序约束
5.2.4编辑静态时序约束
5.2.5约束查看器
5.3综合报告
5.3.1利用率分析报告
5.3.2时序报告摘要
5.3.3时钟网络分析(report_clock_network)
5.3.4时钟关连分析(report_clock_interaction)
5.3.5设计规则检查(report_drc)
5.3.6噪声分析(report_ssn)
5.3.7使用资源分析(report_utilization)
5.3.8设计功耗分析(report_power)
5.3.9功耗利用的细节
5.4综合实例
5.4.1运行综合设计
5.4.2执行基本的网表分析
5.4.3在时序约束管理器窗口校验存在的时序约束
本章小结
第6章设计实现与静态时序分析
6.1设计实现流程
6.1.1网表优化(opt_design)
6.1.2功率优化(power_opt_design)
6.1.3布局设计(place_design)
6.1.4物理优化(phys_opt_design)
6.1.5布线设计(route_design)
6.2设计实现报告
6.3基础的静态时序分析
6.4实现后的设计分析
6.4.1在Device窗口观察时序通道
6.4.2在原理图窗口中观察时序通道
6.4.3FPGA编辑器
6.4.4产生位流文件
6.5设计实现实例
6.5.1完成设计实现
6.5.2资源利用率报告
6.5.3生成基本时序报告
6.5.4分析设计中关键时序通道
6.5.5利用iMPACT编程KC705演示卡
本章小结
第7章Tcl命令设计项目
7.1Tcl的基本知识
7.1.1变量
7.1.2命令替换
7.1.3数学表达式
7.1.4反斜杠替换
7.2基于项目的设计
7.2.1设计项目目录和文件
7.2.2项目运行管理器
7.2.3管理运行
7.2.4约束管理
7.2.5基于项目设计流程实例
7.3非项目的批作业流程
7.3.1产生RTL设计的推敲过的网表文件
7.3.2产生综合设计
7.3.3随后的进程
7.3.4约束管理
7.3.5非项目批作业流程实例
7.4脚本文件编写
第8章同步设计技术
8.1概述
8.1.1同步设计
8.1.2异步输入信号
8.1.3亚稳态信号存在的危害
8.2单比特同步电路
8.2.1求解亚稳态
8.2.2亚稳态的消释电路
8.2.3单比特同步电路的约束条件
8.2.4单比特同步电路的跨时钟域约束
8.2.5复位桥
8.3总线同步电路
8.3.1总线一致性
8.3.2低速总线同步电路
8.3.3总线同步电路的约束
8.3.4同步计数序列
8.3.5时钟交互FIFO的结构
8.3.6时钟交互FIFO的约束
8.4时钟和同步器
8.4.1时钟之间的关系
8.4.2分析时钟交互
8.4.3时钟交互分析报告
8.4.4使用最大延迟分析时钟交互
8.5复位实验
8.5.1异步复位实验
8.5.2无复位实验
8.5.3同步复位实验
8.5.4高扇出同步复位实验
本章小结
第9章HDL编码技巧
9.1概述
9.2控制集Control Sets
9.2.1FPGA中的寄存器资源
9.2.2控制集Control Sets
9.3控制信号设计要点
9.3.1控制端口使用规则
9.3.2控制信号的问题
9.3.3低电平有效控制信号的问题
9.4置位/复位信号的使用
9.4.1复位的类型
9.4.2全局复位与GSR
9.4.3同步置位/复位信号优势
9.4.4HDL编码中复位信号同步化
9.5其他设计要点
9.5.1I/O寄存器使用要点
9.5.2Block RAM使用要点
9.5.3时钟使能要点
9.5.4DSP应用中的加法器树
9.5.5综合选项要点
9.5.6编码方式改善可靠性、性能、功耗
9.6设计实例
本章小结
第10章时序收敛
10.1基线——Baselining
10.1.1求解时序收敛
10.1.2基线设计
10.1.3设置时序报告找根源
10.1.4综合/优化后的时序结果
10.1.5布局布线后的时序结果
10.1.6提取时序信息
10.2解决常见的时序瓶颈
10.2.1高扇出网线
10.2.2长逻辑通道
10.3最后里程的策略
10.3.1时序达标的策略
10.3.2综合的策略
10.3.3物理优化
10.3.4实现的策略
10.3.5增量布局
10.3.6关键电路预先布线
10.3.7避免过渡约束
10.4时序收敛实验
10.4.1基线方法时序收敛流程
10.4.2优化内部路径——基线
10.4.3执行设计的基线实现
10.4.4生成时序报告和分析路径
10.4.5优化整个芯片
10.4.6添加时序例外和精细调整设计
本章小结
第11章硬件诊断
11.1设计诊断概述
11.1.1诊断方法
11.1.2Vivado逻辑分析仪
11.1.3Vivado逻辑诊断好处
11.2Vivado逻辑诊断IP核
11.2.1ILA核
11.2.2VIO核
11.2.3标志诊断
11.2.4诊断核集线器
11.3逻辑诊断探测流程
11.3.1网表插入流程
11.3.2HDL例示流程
11.4硬件诊断实验
11.4.1HDL例示法添加ILA核
11.4.2系统内诊断uart_led设计
11.4.3网表插入法添加诊断核
11.4.4添加VIO诊断核
第12章Vivado HLS
12.1高级综合
12.1.1高级综合的调度和装配
12.1.2数据通道+控制器架构
12.1.3理解Vivado HLS
12.2高级综合的优化方法
12.3Vivado HLS设计例子
12.3.1HLS工具的流程
12.3.2HLS生成IP核
第13章嵌入式系统Zynq设计
13.1Zynq概述
13.2Zynq设计入门
13.2.1Vivado工程创建
13.2.2由Vivado创建Zynq嵌入式系统
13.2.3SDK应用程序编写
13.3ZYNQ嵌入式系统调试方法
13.3.1Vivado硬件调试
13.3.2使用SDK进行ZYNQ debug
13.4Booting Linux on ZedBoard
13.4.1创建FSBL.elf
13.4.2从SD卡启动Linux
13.4.3从QSPI启动Linux
前言
本书是由依元素科技有限公司陈俊彦经理提议和发起,由Xilinx ATP讲师和技术支持工程师编写的介绍Xilinx新一代FPGA设计套件Vivado及其应用的教材。本书编写目标是让广大读者对Vivado有一个初步的全面认识,以便迅速从ISE升级到Vivado。书中除了系统介绍7系列器件的结构和特点,也疏理了陈彰林年初赴美国Xilinx公司总部参加UitraScale器件培训的收获,对UltraScale技术做了明确的介绍。这为今后进一步编写该系列教材进行了一次有益的尝试和实践。
本书主要以ATP讲师多年来的实践经验为基础,针对读者的切实需求将有关培训内容重新组织和编写。本书以设计项目创建、功能仿真、RTL分析、设计综合、设计实现和生成位流文件的设计过程为主线,既涵盖了以Tcl脚本文件的设计和与设计项目有关的编程技巧、同步设计、设计收敛和设计诊断等内容,也介绍了与信号处理和嵌入式系统设计有关的Vivado HLS和EDK两部分的设计方法。
本书在内容的叙述方式上,全面地将Vivado的特点与原来采用的ISE进行了比较,以便读者能更好地利用Vivado进行设计。为了让读者能针对Xilinx FPGA的架构进行有效的设计,也介绍了7系列的硬件结构特点和设计实例。此外,书中也介绍了最新的UltraScale器件的结构在布线资源、时钟性能以及CLB、DSP和BRAM等的改进。UltraScale达到了更高的性能,继续保持领先一代的高水平。
本书的各个章节都安排了实验内容。全书以wavegen的设计实例为线索,并为简洁起见,以其中的uart_led为主进行实验步骤的说明。相关的实验可以在出版社的网站下载,设计所用到的Vivado的版本以2013.2为主,有些实验需要更高的2013.3版本。软件的基本操作步骤对于更高的版本也是适用的。
实验用的板卡采用Xilinx官方授权培训课程指定的KC705板卡和Xilinx大学计划的Nexys 4板卡,嵌入式系统的设计部分则要采用ZedBoard板卡,可以满足不同用户群体的多种不同的需求。
本书的第1章由陈彰林和孟宪元共同编写; 第2章由张剑森和陈彰林共同编写; 第3章由孟宪元编写; 第4章和第8章由王刚编写; 第5章和第9章由黄磊编写; 第6章和第10章由仝信编写; 第7章、第11章和第12章由孟宪元编写; 第13章由Xilinx 大学计划部的陆佳华编写。全书由孟宪元和陈彰林统稿。
本书的出版得到了Xilinx公司亚太区销售与市场副总裁杨飞的关心和大力支持,并得到Xilinx 亚太区官方授权培训部的Hedi Choy女士、Xilinx 大学计划部的谢凯年博士和Digilent公司的赵峰博士等的大力支持和帮助,他们均提出了宝贵的意见和建议。在此表示衷心的感谢!
FPGA技术发展迅速,软件版本每年会有几次更新。作者水平有限,编写时间较紧,书中的错误和疏漏之处,请读者指正。
编著者2014年7月