前言

FPGA（Field Programmable Gate Array）是1984年由Xilinx公司提出的一类半定制通用器件。用户可以通过对FPGA器件的设计及配置来实现所需的逻辑功能。相比传统的IC设计来说，一方面基于FPGA的电路设计具有开发时间短、成本低廉、可靠性得到验证、开发风险小等优点；另一方面针对基于SRAM的FPGA具有可重复、在线或离线配置等特点，为设计的更改、升级和重构提供了基础，使得所设计的电路易于升级维护。

以前，FPGA经常用做ASIC设计的原型或提供一个硬件平台来验证一个新算法的物理层实现。但是，FPGA的低开发成本和短上市时间使越来越多的公司用它来制造最终产品，今天的FPGA器件中融合了微处理器、高速输入/输出（I/O）接口、时钟管理器等丰富的硬IP模块，可以用来实现任何功能的电路，主要表现在ASIC、数字信号处理应用（DSP）、嵌入式微处理器应用、物理层通信芯片和可重配置计算技术方面。

ASIC：今天的FPGA正逐渐用来实现各种以前仅能由ASIC来完成的设计。

数字信号处理应用（DSP）：高速DSP在传统上是由数字信号处理器来实现的。但是,今天的FPGA可以包含内嵌的乘法器、专用计算IP和大量的片上RAM等所有DSP操作所需的特性，这些特性再加上FPGA提供的并行性，其结果就是实现真正意义上的并行信号处理器，其速度是传统DSP芯片无法比拟的。

嵌入式微处理器：小的控制功能在传统上是用微控制器的专用嵌入式微处理器处理的。这些低成本器件由围绕在处理器核外的片上程序和指令存储器、定时器和I/O组成。但是，随着FPGA价格的不断下降，甚至最小的器件都足以实现一个集成有可选定制I/O功能的软处理器核，结果就是FPGA对嵌入式控制应用越来越具有吸引力。

物理层通信：FPGA长期以来用于实现物理层通信芯片和网络协议层互连逻辑功能。今天的高端FPGA拥有多种高速收发器，这意味着通信和网络功能可以合并到同一个设备中。

可重配置计算技术：这是指由FPGA提供的固有并行性和可重配置性来实现算法及功能模块的重构。

任何从事电子设计或电子设计自动化领域的人都知道，近年来这些领域所涉及的算法功能越来越复杂，导致其对FPGA实现的设计质量和可靠性要求越来越高。由于工作的原因,作者在过去四年中一直负责通信系统高质量、高可靠FPGA实现课题。四年来，查阅了大量的国内外文献、书籍和几乎全部的Xilinx设计文档，积累了丰富的高质量、可靠性设计经验和资料，这些经验都是文献学习、推理和大量实验的结果，并在实际工程中得到检验和推广应用。在研究过程中，有感于目前国内所出版的书籍大多侧重于语法及工具本身的介绍，对于可靠性设计应用及FPGA核心设计思想很少涉及，所以作者从实践出发并结合多年的开发经验编写了本书。本书共分8章，各章的内容如下：

第1章介绍FPGA的基础知识，包括FPGA的发展、基本结构、FPGA的基本应用，还介绍了FPGA的设计开发流程和常用的开发工具。本书要求读者具有一定的FPGA设计基础,通过这一章的介绍，读者可以掌握FPGA的基础知识，并且能掌握FPGA的基本设计流程,为后续章节的学习做个铺垫。

第2章介绍FPGA设计思想，包括可综合设计思想、面积和速度互换思想、时钟设计思想、同步设计思想、延时电路设计思想、复位电路设计思想和抗干扰设计思想等，最后给出了高质量、可靠性设计的一般设计检查单。本章的内容并不针对特定的FPGA厂商或特殊FPGA器件，而是从硬件设计的原理及其对应的硬件描述、综合推断等层面进行分析说明。读者只有掌握这一章的内容，才能设计出性能高、运行稳定、资源利用率高的电路。

第3章介绍工程应用中常用的高速数据传输设计，主要包括高速通信现状及典型方案、高速数据传输中的同步技术、Xilinx FPGA对高速数据传输的支持、高速数据通信的加固设计等内容，并在此基础上给出了具体应用实例。

第4章针对Xilinx FPGA的配置管理，详细分析了其配置模式、常用的配置电路、配置过程，并针对高级应用，研究了配置命令、配置内存回读、配置内存重构（刷新）等高级配置管理。通过本章的学习，读者将对配置管理及应用有更深刻的理解。结合书中给出的实例，将会根据实际工程需要设计合适的配置管理方案。

第5章针对空间应用，介绍了空间环境对基于SRAM配置的FPGA电路的影响，并针对Xilinx FPGA的空间应用，给出了可靠性设计方法。

第6、7章分别针对大规模电路设计中的设计思想——分区设计和仿真验证进行了介绍。

第8章给出了一个综合应用实例——多输入、多输出数字波束形成系统的设计方案，并详细介绍了各具体模块的FPGA实现算法、仿真结果和实现代码。

本书中所涉及的源代码可以从华信教育资源网或http：//yydz.phei.com.cn进行下载。

本书由汤琦博士主持编写。其中，第2、3、4、5章由汤琦编写，第1、6、7、8章及附录由蒋军敏编写，全书由汤琦统稿。

在准备本书的过程中，许多相关领域的专家、朋友提供了宝贵的帮助、建议和支持，他们是西安电子科技大学苏涛教授、武荣伟（华为工程师）、梁中英，中国空间技术研究院西安分院夏猛等，在此一并致以诚挚的谢意。

由于笔者水平有限，书中错误和疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

编 者