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张雷鸣—序五

    20世纪80年代中期,AlteraXilinx分别推出了与标准门阵列类似的FPGA,它具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高及适用范围宽等特点。这种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路,编程也很灵活。与其他ASIC相比,它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无须测试、质量稳定及可实时在线检验等优点。与PALGAL器件相比,它的优点是可以实时地对内置的SRAMEPROM编程来改变器件功能,从而实现现场可编程(基于EPROM型)或在线重配置(基于SRAM型)。因此,FPGA被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。

    FPGA通常包含三类可编程资源:可编程逻辑功能块、可编程I/O单元和可编程内部互连。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元,它们通常排列成一个阵列,散布于整个芯片;可编程I/O单元实现芯片上逻辑与外部封装脚的接口,将阵列围绕于芯片四周;可编程内部互连包括各种长度的线段和编程连接开关,它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来,构成特定功能的电路。不同厂家生产的FPGA在可编程逻辑块的规模、内部互连线的结构和采用的可编程元件上存在较大的差异。目前,在市场上比较常用的是Altera公司的FPGA器件。

    由于FPGA能够减少电子系统的开发风险和开发成本(NRE),同时有效地缩短上市时间(time to market),并且通过在系统编程、远程在线重构等技术降低了维护和升级成本,因此在通信、控制、数据计算等领域得到了广泛的应用。FPGA 的发展推动了先进制造工艺和封装工艺的出现,通过全定制的电路和版图设计方法所进行的设计优化,使FPGA 在逻辑密度、性能、功能和功耗方面得到了大幅改善,成本显著下降。随着FPGA 在功能、密度、速度上的不断提升与成本的降低,用户需求与协议标准的变化,FPGA 芯片由于其便利的可升级性,不仅被用来制作原型机,而且还被大量地应用到网络、消费电子、科研、航天及国防的许多最终产品中,成为一系列电子系统的核心。

随着时代的发展,信息技术已成为新兴生产力的代表,信息产业不但逐渐成为新的经济增长点,还带动了传统产业的升级改造,促进了其他高新技术产业化的发展,成为提高企业竞争力和增强国家综合实力的关键所在。

    由于电子技术的发展突飞猛进,整个电子系统的结构和设计思想、设计方法正在发生着革命性的变化。电子系统的结构由“微处理器+存储器+逻辑控制接口电路”发展到“微处理器+存储器+可编程器件”的全可编程模式。子系统的设计方法从“自下而上”的设计方法改变为一种全新的“自顶而下”设计方法。因此,电子系统的分析和设计手段发生了变化,逐渐形成了以计算机为基本工作平台,配合外部可编程器件所搭建的硬件平台,完成电子系统设计样机与产品设计的电子设计自动化技术(EDA技术)。目前世界上的经济发达国家已经完成了从传统的电子系统设计模式向现代设计模式的观念上的转变,而且在电子产品中大量应用该设计方法,获得了极大的竞争力与成功。

    随着改革开放的深入和中国加入WTO,世界逐渐变成地球村,因此为了应对来自各个方面的竞争,我国急切需要具备掌握可编程逻辑器件FPGA的设计理论和设计方法,并能从事现代电子系统的研究和设计的高级专业人才。

    但是,目前我国高校教育体系关于FPGA教学的相关内容过于陈旧,所涉及的教学实验内容大多还停留在对FPGA概念的基础认识阶段,所教授的相关内容较为简单,且教学方法和教学内容与单片机课程类似,无法培养学生对FPGA的学习兴趣。这导致学生在学习FPGA的过程中,无法接触到目前电子设计行业中最新的设计方法与设计理念,不能完整地掌握FPGA的设计使用方法,从而无法在进入工作岗位后胜任FPGA设计方面的工作。

    在大学教书育人的过程中,我接触了很多学生,他们虽然对FPGA的基本设计理论都有比较不错的掌握,但是对于如何应用FPGA进行电子系统设计,尤其是对于如何设计考虑基于FPGA的电子系统存在很多疑惑。产生这一问题的根本原因在于大学阶段的FPGA教育主要集中在对硬件描述语言的介绍与学习,关于如何设计考虑和解决针对FPGA的电子系统与电路设计需要注意的问题很少提及,至于具有较大实用价值的工程实例则更是少之又少。而且,很多老师与学生完全按照单片机的学习方法对待FPGA相关课程,其结果是学生只掌握了硬件描述语言如何使用,而忽视了对实现硬件描述语言的载体——FPGA开发平台的学习与设计。这样培养出来的学生可以写程序,但无法自己去设计开发由FPGA组成的复杂电子系统。因此,我认为加大对大学本科教育阶段EDA学习过程中FPGA实用设计方法与设计技巧的相关内容介绍势在必行。同时,也可以通过在大学课程中引入基于FPGA的实际电子产品设计开发流程,使学生了解面向市场应用需求的电子产品开发过程、缩短电子系统设计周期、降低设计成本、提高设计正确率。此外,也可以在一定程度上提高学生的动手能力,满足用人单位的实际需求,解决高校毕业生就业难的问题。

    因此,在大学本科教育阶段增加FPGA实际工程开发应用方面的学习,对于加深学生对数字电子系统的了解,增强应用各种设计方法和设计工具进行系统和综合分析的能力具有积极的作用。通过本书,学生可以全面理解面向市场需求和工程应用的针对FPGA的电子系统设计概念和方法,巩固和加深理解所学的理论知识,并通过实际案例的讲解,树立正确的设计观点、严谨的科学作风、理论联系实际的能力与动手操作的能力,达到提高综合素质的目的,实现目前所提倡的“卓越工程师”教育。

本书结合FPGA的嵌入式系统结构与视频图像处理算法,使用浅显易懂的语言,为读者介绍了利用FPGA针对嵌入式图形显示的数字图像处理系统设计、验证方法,建立了系统级设计的概念,使读者更加容易掌握实际工程中嵌入式电子系统图形界面设计的方法。同时,也通过各种实际案例为读者介绍了利用FPGA控制常用存储器和外部设备的方法,本书第1314章设计了基于SDRAM控制器的视频图像采集系统,深入地向读者介绍了相关的设计精髓。因此,本书不仅适用于本科生和研究生的专业课教学,也可以作为一本工具书帮助电子设计工程师更好地掌握FPGA的设计使用方法,是一本不可多得的教科书和工具手册。

    与韩彬相识于2011年,距今也3年有余,在我的印象中他一直是一个技术控、偏执狂与强迫症患者,擅长基于FPGA的视频图像处理设计。初始韩彬缘于他在杭电所著的第一本电子书《零开始走进FPGA世界》,虽然这第一本书不是很成熟,但是已经为很多FPGA的初学者打开了一扇窗。相比前作,韩彬所著的这本《FPGA设计技巧与案例开发详解》从实际工程应用的视角出发,尤其是结合视觉处理的具体设计案例为读者介绍了FPGA设计过程中将会遇到的各种实际问题与解决方法。通过本书,不仅可以使读者学到FPGA开发工具与设计语言的使用,还可以了解基于FPGA的电子系统设计所需要注意的问题,掌握基于FPGA开发平台的图像处理系统设计方法,并且能够通过作者开发的工程实例进一步掌握FPGA设计技巧的精髓。本书不仅条理清晰、内容丰富,而且是一本不可多得的工具书、参考书,非常适合初学者与工程设计人员。

    想要获得成功,就意味着你要付出比别人更多的努力。因此将“做不成一件事总是有各种理由,但人们只看到你没做成;做成一件事只需一个理由,就是坚持”这句话送给广大的FPGA初学者与开发人员。希望你们坚持自己的梦想,不改初衷,在FPGA设计这条路上走得更好、更远!

 

张雷鸣 老师                 

主讲现代电子系统设计、EDA、研究生的数字电子系统设计等

2014530日于河南科技大学电气工程学院 
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