第1章 概论 1
1.1 可编程逻辑器件概述 1
1.1.1 可编程逻辑器件简介 2
1.1.2 可编程逻辑器件的发展历史 2
1.1.3 可编程逻辑器件与设计软件 7
1.2 FPGA分类与使用 8
1.2.1 FPGA的分类 9
1.2.2 FPGA的使用 14
1.3 FPGA供应商及代表产品 16
1.3.1 Xilinx公司的代表产品 17
1.3.2 Altera公司的代表产品 20
1.3.3 Actel公司的代表产品 22
1.3.4 其他产品 25
1.4 FPGA技术的发展与趋势 25
1.5 机电伺服系统FPGA应用特点和设计要求 33
第2章 FPGA设计基础 35
2.1 FPGA的原理与结构 35
2.1.1 FPGA的原理 35
2.1.2 FPGA的结构 36
2.1.3 软核、硬核以及固核的概念 40
2.2 FPGA的工艺结构 40
2.2.1 基于SRAM结构的FPGA 41
2.2.2 基于反熔丝结构的FPGA 42
2.2.3 基于Flash结构的FPGA 44
2.2.4 FPGA工艺结构的对比分析 44
2.3 FPGA与其他芯片的比较 45
2.3.1 FPGA与CPLD 45
2.3.2 FPGA与DSP 46
2.3.3 FPGA与ARM 48
2.4 FPGA常用开发工具 48
2.4.1 集成开发环境 49
2.4.2 仿真工具 54
2.4.3 综合工具 56
2.4.4 调试与加载 56
2.5 FPGA的基本设计技术 57
2.5.1 设计流程 57
2.5.2 设计方法 60
2.6 IP核及开发流程 62
2.6.1 IP设计的四大阶段 62
2.6.2 IP验证的主要过程 63
2.6.3 IP的规格定义 64
2.6.4 IP集成 65
2.6.5 IP集成的一般考虑 65
2.6.6 IP模块的评估与选择 66
第3章 FPGA硬件描述语言 67
3.1 VHDL语言基本结构 67
3.1.1 VHDL的历史与特点 68
3.1.2 VHDL相关申明方法 69
3.1.3 结构体的描述方法 70
3.1.4 程序包与程序包体 72
3.1.5 VHDL的程序库 73
3.2 VHDL语言的数据类型与运算 75
3.2.1 VHDL语言的数据对象 75
3.2.2 VHDL语言的数据类型 77
3.2.3 VHDL语言的运算 78
3.3 VHDL语言的预定义属性 79
3.3.1 VHDL的预定义数据类型 79
3.3.2 IEEE预定义标准逻辑位与矢量 80
3.4 Verilog HDL语言基本结构 81
3.4.1 Verilog HDL的历史与特点 81
3.4.2 Verilog HDL相关声明方法 82
3.4.3 结构体的描述方法 82
3.5 Verilog HDL语言的数据类型与运算 83
3.5.1 标志符 83
3.5.2 数据类型 83
3.5.3 模块端口 85
3.5.4 常量集合 85
3.5.5 运算符和表达式 87
3.6 Verilog HDL语言描述 91
3.6.1 门极建模形式 91
3.6.2 数据流建模形式 91
3.6.3 行为建模形式 92
第4章 FPGA软件开发环境 100
4.1 ISE开发软件 101
4.1.1 ISE软件简介 101
4.1.2 ISE系统要求与安装 101
4.1.3 ISE软件的使用方法 104
4.2 QuartusⅡ设计开发软件 113
4.2.1 QuartusⅡ软件简介 113
4.2.2 QuartusⅡ系统要求与安装 113
4.2.3 QuartusⅡ软件的使用方法 114
4.3 MAX+PLUSⅡ开发软件 121
4.3.1 MAX+PLUSⅡ软件简介 121
4.3.2 MAX+PLUSⅡ系统要求与安装 122
4.3.3 MAX+PLUSⅡ软件的使用方法 122
第5章 基于FPGA数据通信模块的实现 131
5.1 RS232串口数据通信 131
5.1.1 RS232通信概况 132
5.1.2 RS232通信协议及实现方案 132
5.1.3 信号检测模块的实现 134
5.1.4 波特率发生器模块 136
5.1.5 移位寄存器模块 137
5.1.6 计数器模块 140
5.1.7 奇偶校验模块 142
5.1.8 测试平台的编写和仿真 144
5.2 I2C数据通信 145
5.2.1 I2C总线概况 145
5.2.2 I2C协议具体FPGA实现 149
5.2.3 程序的仿真与测试 164
5.3 CAN总线数据通信 164
5.3.1 CAN总线协议概述 164
5.3.2 CAN总线控制器程序框架 167
5.3.3 CAN总线控制器的FPGA实现 167
5.3.4 CRC检验码的FPGA实现 168
5.4 USB接口控制器 170
5.4.1 USB接口简介 170
5.4.2 USB体系结构 171
5.4.3 USB固件开发 173
5.4.4 USB驱动和软件开发 174
5.5 SPI数据通信 175
5.5.1 SPI数据通信概述 176
5.5.2 SPI数据通信特点 176
5.5.3 SPI协议具体FPGA实现 177
5.6 1553B总线数据通信 181
5.6.1 1553B总线协议概述 181
5.6.2 1553B总线优点 187
5.6.3 1553B总线系统的FPGA实现 188
5.7 光纤总线通信 196
5.7.1 光纤通信协议框架设计 197
5.7.2 通信协议的实现 198
5.7.3 光纤总线通信的FPGA设计 203
5.7.4 通信协议仿真 212
第6章 FPGA中的数字信号处理基础 214
6.1 FPGA最小系统 214
6.1.1 FPGA管脚设计 214
6.1.2 FPGA存储器设计 217
6.1.3 FPGA开关、按键电路设计 220
6.1.4 FPGA电源及复位电路设计 221
6.1.5 FPGA时间及定时器电路设计 222
6.2 二进制加法器和乘法器设计 223
6.2.1 数的表示方法 223
6.2.2 流水线加法器 224
6.2.3 流水线乘法器 227
6.3 基于FPGA数字滤波器设计 234
6.3.1 数字滤波器分类及工作原理 235
6.3.2 FIR滤波器设计与实现 236
6.3.3 IIR滤波器设计与实现 241
6.4 基于FPGA傅立叶变换器设计 246
6.4.1 FFT算法基本原理 246
6.4.2 FFT模块设计 253
6.4.3 输出缓冲器设计 260
第7章 基于FPGA的数据采集技术 262
7.1 数据采集的基本概念 262
7.1.1 数据采集的研究现状与发展 264
7.1.2 数据采集系统主要性能指标 266
7.1.3 采样定理 267
7.2 A/D转换原理及模块 269
7.3 基于FPGA的多路数据采集系统设计 271
7.3.1 多通道选择开关设计 271
7.3.2 A/D转换电路（AD7862） 271
7.3.3 基于FPGA控制的多通道选择模块 273
7.3.4 基于FPGA的A/D控制模块 274
7.4 基于FPGA的同步数据采集设计 275
7.4.1 A/D转换电路（AD7656） 275
7.4.2 FPGA控制功能模块 275
7.4.3 功能实现 277
第8章 FPGA伺服电动机控制技术 280
8.1 FPGA在直流电动机中的应用 280
8.1.1 直流电动机的工作原理 281
8.1.2 直流电动机PWM调速原理 282
8.1.3 FPGA在直流电动机调速系统中的应用 284
8.1.4 FPGA在直流电动机位置控制系统中的应用 290
8.2 FPGA在步进电动机控制器中的应用 293
8.2.1 步进电动机工作原理 293
8.2.2 FPGA在步进电动机联动控制方案中的应用 295
8.2.3 步进电动机细分技术 301
8.2.4 细分驱动模块FPGA实现 304
8.3 FPGA在无刷直流电动机中的应用 306
8.3.1 无刷直流电动机驱动系统的基本结构 306
8.3.2 无刷直流电动机驱动系统的工作原理 310
8.3.3 无刷直流电动机的数学模型 311
8.3.4 基于FPGA的无刷直流调速系统 313
8.4 FPGA在无位置传感器的无刷直流电动机应用 321
8.4.1 反电动势过零法数学模型的建立 321
8.4.2 三段式无传感器运行算法设计 324
8.5 FPGA在交流永磁同步电动机中的应用 330
8.5.1 永磁同步电动机工作原理 330
8.5.2 永磁同步电动机矢量控制原理 333
8.5.3 FPGA在交流永磁同步电动机控制器中的设计与实现 338
8.6 FPGA在交流感应电动机中的应用 351
8.6.1 交流感应电动机工作原理 351
8.6.2 交流感应电动机的矢量控制系统 353
8.6.3 交流感应电动机模糊矢量控制原理 356
8.6.4 基于FPGA的感应电动机模糊控制系统 360
8.7 FPGA在开关磁阻电动机中的应用 367
8.7.1 开关磁阻电动机的结构及其工作原理 367
8.7.2 开关磁阻电动机驱动系统控制方式 371
8.7.3 基于FPGA的开关磁阻电动机位置检测算法研究 373
8.7.4 基于FPGA的开关磁阻电动机无传感器控制系统 375
第9章 FPGA容错技术及测试方法 381
9.1 FPGA典型故障类型 381
9.1.1 容错技术概述 381
9.1.2 常见的FPGA故障模型 384
9.1.3 典型的FPGA故障检测方法 387
9.2 可编程逻辑功能模块的测试设计 389
9.2.1 查找表（LUT）的测试 389
9.2.2 进位逻辑模块的测试 390
9.2.3 函数发生器RAM模式的测试 391
9.3 可编程互连资源的测试 393
9.3.1 互连资源内建自测试概述 393
9.3.2 构建内建自测试子模块 397
9.3.3 通用布线资源测试的实现 398
9.3.4 互连资源的诊断方法 406
9.4 FPGA动态可重构容错技术 410
9.4.1 可重构技术的基本原理 410
9.4.2 动态重构设计方法 413
9.4.3 基于FPGA的局部动态可重构技术 415
第10章 FPGA在工程领域的应用 421
10.1 FPGA技术的基本应用 421
10.1.1 FPGA技术在数字中频处理中的应用 421
10.1.2 FPGA中植入嵌入式系统处理器 422
10.1.3 基于FPGA的DSP系统设计 422
10.1.4 FPGA技术在单片机中的应用 423
10.1.5 FPGA在人工神经网络领域的实现研究 423
10.2 FPGA在航天领域的应用 425
10.2.1 国外FPGA航天技术研究现状 425
10.2.2 FPGA在航天伺服系统中的应用 427
10.2.3 航天应用FPGA的可靠性设计 428
10.3 FPGA在军事领域的应用 430
10.3.1 FPGA攻击原理分析 430
10.3.2 FPGA加密保护技术 431
10.3.3 军用龙芯计算机系统板的FPGA加密方法 431
10.3.4 基于FPGA在防空导弹发射机构测试技术 433
10.3.5 FPGA在坦克炮控系统中的应用 435
10.3.6 基于FPGA的导弹制导站系统设计 436
10.4 FPGA在工业领域的应用研究 440
10.4.1 FPGA在水下领域的应用 440
10.4.2 FPGA在矿山领域的应用 444
10.5 FPGA在民用领域（医疗设备）中的应用 445
10.5.1 FPGA在心电设备中的应用 445
10.5.2 FPGA在超声设备中的应用 447
10.5.3 FPGA在电子内窥镜中的应用 448
参考文献 450