本书以FPGA设计为主题，覆盖了实践过程中最可能遇到的深层次问题，并提供了经验指导。在某些方面，本书能够取代有限的工业经历，免去读者学习的困难。这种先进的、实用的方法，成为此书的特色。
　　这本书把多年推广到诸多公司和工程师团队的经验以及由专门的白皮书和应用要点汇集的许多知识进行浓缩，可以用来完善工程师的知识，帮助他们成为高级的FPGA设计者。

无

在设计顾问的业务中，我已经面对了无数的FPGA设计、方法和技术。无论客户是列于财富100强的名单，或只是一个初创的公司，他们将不可避免地做了一些正确的事情和做错了许多事情。在广泛的工业范围中已经做了多种的设计之后，我开始开发自己的库，并从这些经历的混杂知识进行直观的推断，当指导新的FPGA设计工程师时，我从这些经验中，草拟我的建议和意见。到目前为止，在讨论关于FPGA设计的专门实践时，这些经验很多已经作为专门的白皮书和应用要点的设计参考。这本书的目的是，把多年推广到更多公司和工程师团队的经验以及由专门的白皮书和应用要点汇集的许多知识，浓缩进一本书，可以用来完善工程师的知识和帮助他们成为高级的FPGA设计者。　
有许多关于FPGA设计的书籍，但是其中很少真正详细地讲述高层次的实用课题。本书试图删去不太必要的理论，推测未来的技术及过时工艺的细节，而用简明、扼要的格式写成一本不占用读者时间来讲述各种课题的书。书中的很多章节假设读者理解有一定的基础，为了简洁起见，不总是涉及背景信息和/或理论框架。本书覆盖在真实设计中已经遇到的深层次的课题，在一些方面，这本书取代有限的工业经历，进入到经验的指导，将有助于读者免去学习少数困难的问题。这是先进的、实用的方法，也是本书的特色。
需要说明的是，本书不像小说那样从头到尾有连贯的情节，对于一组相互没有内在联系的高级课题，要写成连贯的情节是不可能的。为了组织这本书，我已经按照典型的设计流程来安排章节的次序。先讨论结构，然后是仿真，再是综合，接着是布图等。 在书的开头提供的内容流图做了说明。为了便于进一步参考，章节排列在内容流图中相应方框的边上。
本书有专门章节包含大量的例子。为了简洁起见，我选择了Verilog作为默认的硬件描述语言，Xilinx公司作为默认的FPGA销售商，选择Synplicity作为综合和布图的工具，书中覆盖的课题可以方便地映射到VHDL语言、Altera销售商、Mentor Graphics的工具等等，为完整起见所包含的这些内容可能只起一些要点的作用。所以，对于即使使用其他技术的读者，本书仍然是有价值的。如果有任何反馈意见，请发邮件到stevekilts@spectrumdsicom。
致谢
在我的经历中，我曾经特别荣幸地与许多杰出的数字设计工程师一起工作。开始在Medtronic，后来为Honeywell Guidant Teradyne Telex Unisys AMD ADC等公司，以及大量FPGA应用的小型或初创的公司做顾问。我的知识在很大程度上要归功于由主要的FPGA厂商发表的应用说明和白皮报告。这些资源包括无价的实际探索，而这些不包含在标准的工程课程中。
针对本书，我特别感谢Xilinx和Synplicity公司，他们提供了整本书所利用的FPGA设计工具，以及大量的关键评论者。著名的评论者包括Synplicity的Peter Calabrese、Sunburst Design的Cliff Cummine、Synplicity的Pete Danile、Axcon的Anders Enggaard、NuHorizons的Paul Fuchs、Xilinx的Don Hodapp、Synplicity的Ashok Kulkarni、Spectrum Design Solutions的Rod Landers、Logic的Ryan Link、Verein的Dave Matthews、RomanJones的Lance Roman、 Polybus的B Joshua Rosen、iSine的Gary Stevens、Xilinx的Jim Torgerson和Larry Weegman。【注：请按照原书格式排版，注意行列对应】

第1章高速度结构详述/结构
第2章面积结构设计
第3章功耗结构设计RTL设计与优化
第4章设计实例：高级加密标准
第5章高级设计RTL仿真
第6章时钟区域
第7章设计实例：I2S与SPDIF分析　 分析优化
第8章实现数学函数
第9章浮点单元位置与路线　位置与路线优化
第10章复位电路
第11章高级仿真静态时序与性能优化
第12章综合编码
第13章设计实例：安全散列算法编程与调试装置
第14章综合优化
第15章布图
第16章布局布线优化
第17章设计实例：微处理器
第18章静态时序分析
第19章PCB的问题

译者序
前言
第1章高速度结构设计
11高流量
12低时滞
13时序
131添加寄存器层次
132并行结构
133展平逻辑结构
134寄存器平衡
135重新安排路径
14小结
第2章面积结构设计
21折叠流水线
22基于控制的逻辑复用
23资源共享
24复位对面积的影响
241无复位的资源
242无置位的资源
243无同步复位的资源
244复位RAM
245利用置位/复位触发器引脚
25小结
第3章功耗结构设计
31时钟控制
311时钟偏移
312控制偏移
32输入控制
33减少供电电压
34双沿触发触发器
35修改终端
36小结
第4章设计实例：高级加密标准
41AES结构
411一级字节代换
412零级行间移位
413两个流水线级列混合
414一级轮密钥加
415紧缩结构
416部分流水线结构
417完全流水线结构
42性能与面积
43其他的优化
第5章高级设计
51抽象设计技术
52图形状态机
53DSP设计
54软硬件协同设计
55小结
第6章时钟区域
61跨越时钟区域
611准稳态
612解决方案一：相位控制
613解决方案二：双跳技术
614解决方案三：FIFO结构
615分割同步模块
62在ASIC样机中的门控时钟
621时钟模块
622选通移除
63小结
第7章设计实例：I2S与SPDIF
71I2S
711协议
712硬件结构
713分析
72SPDIF
721协议
722硬件结构
723分析
第8章实现数学函数
81硬件除法
811乘法和移位
812迭代除法
813Goldschmidt方法
82泰勒和Mactaurin级数展开
83CORDIC算法
84小结
第9章设计实例：浮点单元
91浮点格式
92流水线结构
921Verilog实现
922资源和性能
第10章复位电路
101同步和异步复位
1011完全异步复位的问题
1012完全同步复位
1013异步确立同步释放
102混合复位类型
1021不可复位触发器
1022内部产生复位
103多时钟区域
104小结
第11章高级仿真
111测试台结构
1111测试台元件
1112测试台流程
112系统激励
1121MATLAB
1122总线功能模型
113编码覆盖范围
114门级仿真
115触发覆盖范围
116运行时间陷阱
1161时间刻度
1162毛刺抑制
1163组合延时模型
117小结
第12章综合编码
121判决树
1211特权与并行性
1212完全条件
1213多控制分支
122陷阱
1221阻塞与非阻塞
1222for环路
1223组合环路
1224推论的锁存器
123设计组织
1231分割
1232参数化
124小结
第13章设计实例：安全散列算法
131SHA1结构
132实现结果
第14章综合优化
141速度与面积
142资源共享
143流水线、重新定时和寄存器平衡
1431复位对寄存器平衡的影响
1432重新同步寄存器
144有限状态机编译
145黑匣子
146物理综合
1461前向注释和反向注释
1462基于图形的物理综合
147小结
第15章布图
151设计分割
152关键路径布图
153布图风险
154最佳布图
1541数据通道
1542高扇出
1543器件结构
1544可重用性
155减小功耗
156小结
第16章布局布线优化
161优化约束
162布局和布线之间的关系
163逻辑复制
164跨层次优化
165I/O寄存器
166封装因子
167映射逻辑到RAM
168寄存器排序
169布局种子
1610指导布局和布线
1611小结
第17章设计实例：微处理器
171SRC结构
172综合优化
1721速度与面积
1722流水线
1723物理综合

173布图优化
1731分割布图
1732关键路径布图：提取1
1733关键路径布图：提取2
第18章静态时序分析
181标准分析
182锁存器
183异步电路
184小结
第19章PCB的问题
191电源供电
1911供电要求
1912稳压
192去耦电容
1921概念
1922计算数值
1923电容器布局
193小结
附录AAES密码的流水线级
附录BSRC处理器的顶层模块
参考文献

Steve Kilts　Spectrum Design Solutions公司的创始人之一，首席设计工程师。Steve拥有广泛的FPGA设计经验，包括应用在DSP、高速计算和总线体系结构、集成电路测试系统、工业自动化和控制、音频、视频、嵌入式微处理器、PCI、医疗系统设计，商业航空和ASIC原型。Steve和他的团队已为部分财富100强公司和小型创业者们成功地完成了众多项目。

FPGA技术自20世纪80年代中期出现至今，经历了20多年的发展，正在得到越来越广泛的应用，包括各个领域的数字系统、数字信号处理（DSP）系统和嵌入式系统都会用到FPGA器件。与此同时，FPGA也引起电子设计技术的深刻变革，FPGA的可编程特性使得设计者可以在应用现场，利用计算机上自动化设计软件完成数字系统产品样机的设计、更新和调试，不仅缩短了产品的上市时间，而且也能适应技术标准和协议的更新和升级，延长了产品的寿命周期。
FPGA技术的这些特点要求设计者的设计能力不断提高，除了自动化设计软件在不断完善和升级，还要求设计者有更丰富的系统设计知识、软/硬件的设计本领和面对实际问题的处理能力。为了满足广大FPGA设计者的上述需要，获得明尼苏达大学电子工程理科硕士学位的Steve Kilts，作为Spectrum Design Solutions的共同创建者和主要工程师，他与他的团队已经成功地完成许多委托项目，作者具有丰富和广泛的FPGA设计经验，包括在音频、DSP、高速计算和总线结构、IC测试、工业自动化和控制、嵌入微处理器、PCI、医疗系统设计、商用飞机和ASIC样机等广泛的领域。同时他在瞄准速度高、面积小和功率低的FPGA设计中进行性能的舍取方面积累了多年的经验。
“高级FPGA设计——结构、实现和优化”一书强调FPGA设计和实现中的高级课题，工程师和计算机科学家通过此书可以加速掌握FPGA设计的学习过程，由于强调实际的设计，逻辑和实践的方法，使读者可应对特殊的设计挑战，显著减少设计中的弯路，使读者增长和补充可行的经验，这些实用的参考包括：
说明每个课题的波形图和电路图
用Verilog程序说明典型问题的例子
给出大量应用的案例研究
每章结尾的小结
此书按照典型的设计流程来安排各章的次序。前几章讨论结构，然后是仿真，再是综合，接着是布图等。书中其余的章节是实例，作者选择Verilog作为硬件描述语言，选择Xilinx公司作为FPGA的销售商，选择Synplicity作为综合和布图的工具，书中覆盖的课题可以方便地映射到VHDL语言、Altera销售商、Mentor Graphics的工具，所以，即使对于使用其他技术的读者，此书仍然是有价值的。
对于为了获得高层次FPGA设计技巧的工程师和计算机科学家来说，本书是理想的。同时，本书可用来作为内行经验的参考，对电子工程和计算机科学的高年级学生和硕士生来说，本书也是一本杰出的教科书。
李丹和刘涛等硕士生参与了本书的翻译过程，讨论过许多理解和翻译方面的问题，但是由于译者水平有限，译文中难免有不妥当、不确切乃至错误之处，敬请读者批评指正。译者
2008年10月