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fpga中国创新中心,FPGA实验指导书
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2024-01-05
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fpga中国创新中心 英特尔FPGA中国创新中心是英特尔在中国的FPGA产业聚集平台,提供FPGA云加速、培训、展厅等服务,支持多种领域的FPGA开发和应用。该中心还展示了英特尔FPGA的最新科技和解决方案,以及行业应用的案例和合作伙伴 。
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1
目录
目录 ....................................................................................................................................................................1
第一章 系统的硬件单元及使用说明.................................................................................................3
一、本实验箱的结构特点:..........................................................................................................................3
二、各模块电路说明:..................................................................................................................................4
1、数码管显示模块 ...................................................................................................................................4
2、AD 转换模块........................................................................................................................................4
3、DA 转换模块........................................................................................................................................5
4、以太网模块 ...........................................................................................................................................5
6、VGA 接口模块......................................................................................................................................6
7、PS/2 接口模块.......................................................................................................................................7
8、串行接口模块 .......................................................................................................................................7
9、开关量输入输出模块 ...........................................................................................................................8
10、按键模块 .............................................................................................................................................8
11、LED 灯指示模块................................................................................................................................9
12、音频接口模块 .................................................................................................................................9
13、TFT 液晶接口模块 ...........................................................................................................................10
14、USB 接口电路...................................................................................................................................10
第二章 QUARTUS II 和 NIOS II 软件的使用方法.....................................................................11
一、QUARTUS II 软件的使用方法 ...............................................................................................................11
二、SOPC BUILDER / NIOS II IDE 软件使用方法........................................................................................20
第三章 VHDL 基本程序设计实验......................................................................................................28
实验一 组合逻辑半加器的设计 .......................................................................................................28
实验二 使用 VHDL 设计组合逻辑全加器 ......................................................................................35
实验三 带进位输入的 8 位加法器 ...................................................................................................41
实验四 全减器 ...................................................................................................................................44
实验五 四位向量加法/减法器 ..........................................................................................................47
实验六 组合逻辑 3-8 译码器的设计................................................................................................49
实验七 数据比较器 ...........................................................................................................................52
实验八 多路数据选择器 ...................................................................................................................54
实验九 编码器 ...................................................................................................................................57
实验十 计数器 ...................................................................................................................................60
实验十一 7 段数码管控制接口 ............................................................................................................63
实验十二 16*16 点阵设计 ....................................................................................................................65
实验十三 MOORE 机............................................................................................................................69
实验十四 MEALY 机 ............................................................................................................................72
实验十五 D/A 接口 .................................................................................................................................75
实验十六 A/D 接口 .................................................................................................................................77
2
第一章 系统的硬件单元及使用说明
一、本实验箱的结构特点:
1、系统构成
SOPC 综合实验系统开发实验平台采用 ALTERA Cyclone II EP2C20 处理器,集众多功能
于一体,采用全新的"主控制板+……+核心板+平台主板"自由组合式结构。根据实验研发需求,
可实现基于 ALTERA、XILINX、ACTEL、Lattice 等厂家的软核/硬核处理器相结合的嵌入式系
统设计。本实验系统实验平台功能强大,硬件接口丰富,平台嵌入式软件除支持 C、C++语言开
发之外,还支持 uC/OS II、uClinux 嵌入式操作系统。独特的核心板扩展接口可完美实现核心板与
核心板、核心板与平台主板之间无缝连接,实现复杂的系统功能。用户可根据需求,选择 SOPC
和 CPLD 组合、单片机和 SOPC 的组合……通过模式转换功能,不同的硬件模块间,可实现多种
独立的具有特色的综合模块组合。平台优异的综合性设计大大提高了开发平台的利用率,是 SOPC、
EDA、SOC、单片机相互结合的实验教学、电子系统设计创新实验室、嵌入式系统实验室、科研
开发最理想的选择,同时也是各高等院校参加电子设计大赛最理想的创新开发训练平台。
1)本研究中心一直致力于技术创新,不遗余力地支持企事业单位以及高校教育事业的发展并推
进其科研机构研发能力的提升。为了满足不同的设计需求,一切从设计出发,综合创新开发实验
平台目前已配套开发出近 20 种扩展核心开发板。核心开发板自成系统,功能强大,实用性强,可
采用如下三种方式完成系统设计开发:
主控制板自成嵌入式系统,所提供的硬件资源丰富,标准工业级多层板设计,可脱离实验箱硬
件平台,独立开发使用。
核心板与主控制板实验箱平台配套开发使用,除了提供更为丰富的硬件平台接口资源以外,还
为用户提供可扩展的自由定制的特色模块,灵活性强,可实现更多、更强、更有创意的综合系统
功能。
主控制芯片与主控制板上下叠加结合使用,国内独创,根据国际嵌入式技术的发展可以随时更
换主流的控制芯片,可完美实现各种电子系统板级创新设计构想,拓宽嵌入式软硬件设计视野,
训练出一流的高科技人才。
2、创新设计应用领域:
基于 CPLD/FPGA 和 VHDL/Verilog 的普通和典型 EDA 实验与开发;
基于 SOPC 的 Nios II 嵌入式系统实验与开发;
经典 8051/89C51 单片机 IP 核开发应用;
普通单片机与 FPGA 综合实验与开发;
现代计算机组成原理实验;
Altera SOPC 与 DSP 的高级创新应用开发;
基于 ALTERA Nios II 多核 32 位处理器的创新应用开发;
ALTERA Nios II 核心板与 Nios II 核心板之间的创新开发应用;
ALTERA Nios II 核心板与 Xilinx Microblaze 核心板之间的并行创新开发应用;
3、适用专业范围:
本系统综合创新开发实验平台专为电子系统级产品设计、嵌入式软硬件设计、EDA 基础教学、
IP Core 开发与验证(包含 8/16/32 位 CPU 处理器设计)、DSP 图像/通讯创新开发设计……适用
于计算机和电子类等专业及全国相关各科研院所、企业单位,如计算机科学、微电子、音视频与
多媒体教学、现代计算机组成原理、通信、信息技术与仪器仪表、电子工程、机电一体化、自动
化等相关专业。
3
二、各模块电路说明:
1、数码管显示模块
模块说明:
数码管的断信号由 FPGA 直接驱动,JP3,JP4 代表两个共阳极数码管的 A、B、C、D、E、F、Dp
段;数据 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 对应的断码分别为:0xC0、0XF9、0xA4、0xB0、
0x99、0x92、0x82、0xF8、0x80、0x90 。
2、AD 转换模块
模块说明:
此模块设计了两种 AD 转换器件。
AD9288 是采用了并行双通道独立 8 位、高速采样(100MHZ)的 A/D 器件,模拟信号分别通过
INPUT_A、INPUT_B 输入,时钟输入采用 FPGA 控制的 10-100MHZ 时钟信号,数据采用 8 位并
行输出。FPGA 控制采样率,此实验可以很快的验证采样定律。注意在使用该模块的过程中应该
LED_7SEG_1A
LED_7SEG_1B
LED_7SEG_1C
LED_7SEG_1D
LED_7SEG_1F
LED_7SEG_1G
LED_7SEG_1DP
LED_7SEG_1E
LED_7SEG_2B
LED_7SEG_2C
LED_7SEG_2D
LED_7SEG_2A
LED_7SEG_2E
LED_7SEG_2F
LED_7SEG_2G
LED_7SEG_2DP
1
2
3
4 5
6
7
8
RP504
1
2
3
4 5
6
7
8
RP506
a
bf
c
g
d
e
DPY
4
5
9
7
6
2
1
a
b
c
d
e
f
g
10
dp
dp
3
8
a
bf
c
g
d
e
DPY
4
5
9
7
6
2
1
a
b
c
d
e
f
g
10
dp
dp
3
8
1
2
3
4 5
6
7
8
RP503
1
2
3
4 5
6
7
8
RP505
1
2
3
4
5
6
7
8
JP3
1
2
3
4
5
6
7
8
JP4
3.3V
VDD
1
SDATA
2
CS
3
NC
4
NC
5
SCLK
6
GND
7
Vin
8
IC4
AinA
2
AinA
3
S1
8
AinB
10
AinB
11
GND
16
D7B
17
D6B
18
D5B
19
D4B
20
D3B
21
D2B
22
D1B
23
D0B
24
D0A
37
D1A
38
D2A
39
D3A
40
D4A
41
D5A
42
D6A
43
D7A
44
GND
45
IC1
C10
C11
1
2
3
J9
VD
INPUTA
INPUTB
DA7
DA6
DA5
DA4
DA3
DA2
DA1
DA0
DB7
DB0
DB1
DB2
DB3
DB4
DB5
DB6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
J4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
J5
SCLK
SDATA
CS
+3.3V
1
2
3
J3
SCLK
1
2
INPUTC
4
将入信号应该为调节到 0 到 1V 的电压范围内的高频交流信号。
AD7920 是 12 位高速串行 AD,时钟输入信号 0—3M,电压输入为 0—3.3v 范围内直流电压。
3、DA 转换模块
模块说明:
ADV7120 是美国 ADI 公司出品的高速数模转换电路,在单芯片上集成了 3 个独立的 8 位高速
D/A 转换器,特别是用于高速 D/A 转换的应用系统。J11、J12、J13 作为 FPGA 数据输入端口分
别对应 DA_OUT_1、DA_OUT_2、DA_OUT_3 三路模拟电压输出。
4、以太网模块
G0
G1
G2
G3
G4
G5
G6
G7
B0
B1
B2
B3
B4
B5
B7
B6
R7
R6
R5
R4
R3
R2
R1
R0
1
2
J2
G0
7
G1
8
G2
9
G3
10
G4
11
G5
12
G6
13
G7
14
B0
18
B1
19
B2
20
B3
21
B4
22
B5
23
B6
24
B7
25
CLOCK
27
IOB
33
IOG
38
IOR
39
COMP
40
VREF
41
FSADJUST
42
R0
43
R1
44
R2
1
R3
2
R4
3
R5
4
R6
5
R7
6
REF WHITE
26
IC1
1
2
DA_OUT1
1
2
DA_OUT2
1
2
DA_OUT3
1
2
3
4
5
6
7
8
J11
1
2
3
4
5
6
7
8
J12
1
2
3
4
5
6
7
8
J13
5
模块说明:
该模块为百兆以太网设计模块,FPGA 通过排线连接 J2、J3、J4 对以太网数据进行读写和控
制。
6、VGA 接口模块
模块说明:
上电时 CPLD 内部逻辑会自动加载存储器信息控制 VGA 显示时序和图像,实验
者,只需要由 FPGA 通过数据线和地址线对存储器单元进行操作。
TX_CLK
1
TX_EN
2
TXD_0
3
TXD_1
4
TXD_2
5
TXD_3/SNI_MODE
6
PWR_DOWN/INT
7
RESERVED
8
RESERVED
9
RESERVED
10
RESERVED
11
RESERVED
12
RD -
13
RD +
14
AGND
15
TD -
16
TD +
17
PFBIN1
18
AGND
19
RESERVED
20
RESERVED
21
AVDD33
22
PFBOUT
23
RBIAS
24
25MHz_OUT
25
LED_ACT/COL/AN_EN
26
LED_SPEED/AN1
27
LED_LINK/AN0
28
RESET_N
29
MDIO
30
MDC
31
IOVDD33
32
X2
33
X1
34
IOGND
35
DGND
36
PFBIN2
37
RX_CLK
38
RX_DV/MII_MODE
39
CRS/CRS_DV/LED_CFG
40
RX_ER/MDIX_EN
41
COL/PHYAD0
42
RXD_0/PHYAD1
43
RXD_1/PHYAD2
44
RXD_2/PHYAD3
45
RXD_3/PHYAD4
46
IOGND
47
IOVDD33
48
IC2
DP83848C
PHY_MDIO
PHY_MDC
PHY_TX_CLK
PHY_TX_EN
PHY_TXD0
PHY_TXD1
PHY_TXD2
PHY_TXD3
PHY_RXD0
PHY_RXD1
PHY_RXD2
PHY_RXD3
PHY_RX_CLK
PHY_RX_DV
PHY_RX_CRS
PHY_RX_ERR
PHY_RX_COL
R84
R85
R86
LED3
LED2
LED1
3.3V
T1 HR601627
8
7
Rx-
6
5
Rx+
3
Tx-
2
Tx+
1
4
HD5
PHY5_TD+
PHY5_TD-
PHY5_RD+
PHY5_RD- RJ45_5_RX-
RJ45_5_RX+
RJ45_5_TX-
RJ45_5_TX+
3.3V
A3.3V
Y125M
C89
20P
C90
20P
11
7
12
8
13
9
14
10
15
6
1
2
3
4
5
VGA
DB15_VGA
Vsync
Hsync
VGA_R
VGA_G
VGA_B
1
2
3
-V
4
+V
8
7
6
5
IC305
AD589RJ
VREF
G3
G4
G5
G6
G7
BLANK
SYNC
B3
B4
B5
B7
B6
R7
R6
R5
R4
R3
R2
VAA
VREFCLOCK
G0
7
G1
8
G2
9
G3
10
G4
11
G5
12
G6
13
G7
14
BLANK
15
SYNC
16
VAA
17
GND
28
B0
18
B1
19
B2
20
B3
21
B4
22
B5
23
B6
24
B7
25
CLOCK
27
GND
29
GND
30
GND
31
GND
32
IOB
33
VAA
34
VAA
35
IOG
38
IOR
39
COMP
40
VREF
41
FSADJUST
42
R0
43
R1
44
R2
1
R3
2
R4
3
R5
4
R6
5
R7
6
ISYSN
37
VAA
36
REF WHITE
26
IC1
ADV7120_PLCC
REF_WHITE
VAA
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