基于FPGA的SOPC实践教程(含光盘)

**部分 FPGA设计软件及工具入门 第1章 概述 基于FPGA的SOPC系统设计实验与实践教程是计算机科学与技术、信息安全、电子信息工程、通信工程、自动化等专业的学生必修的一门专业基础课。它要求学生掌握数字逻辑的基本理论、基本分析与设计方法，具备用VHDL（或Verilog HDL）语言进行数字逻辑设计的能力，为后续专业课程的学习和今后从事数字系统设计工作打下良好基础。《基于FPGA的SOPC实践教程》是一门理论与实践相结合的教程，目的是提高学生对所学内容的感性认识和对知识点的理解，培养学生分析问题、解决问题的能力。 开设基于FPGA的SOPC实践课程，可以巩固、加深和拓宽课堂教学的内容；可以帮助学生更好地了解数字系统设计的思想和方法，熟悉数字系统设计自上而下的层次概念及模块化的设计思路。随着电子技术的发展，芯片的复杂程度越来越高，用可编程逻辑器件设计出的数字系统电路，具有简化系统设计、增强系统可靠性及灵活性的优良性能。可编程技术是当前电子工程设计人员设计数字系统时所采用的先进技术手段，体现了现代EDA电子技术的发展动态，有着较强的实际应用价值。为使学生跟上电子技术的发展步伐，我们将先进的基于FPGA的SOPC系统设计技术引入实验教学，目的就是让学生在初步掌握数字系统设计思想和方法的同时，能够在计算机上使用Quartus II 8.0进行VHDL（或Verilog HDL）语言的编程、编译，掌握使用专业仿真软件ModelSim SE 6.0对数字系统进行功能和时序仿真，进一步学习使用SOPC Builder进行嵌入式系统设计。因此实验就是设计的过程，通过对这些设计软件平台和工具的学习与运用，要求学生掌握使用EDA软件进行数字系统的设计与调试方法；掌握基于VHDL（或Verilog HDL）语言的模块设计方法；*终学会多种数字系统的分析、设计、电路调试及错误排查方法。目的是培养学生在整个实验过程中耐心、细致的科研作风，鼓励他们勇于开拓创新；培养学生的实践动手能力和团队合作精神，以及分析和解决实际问题的能力。 本书从三个层次来引导读者学习基于FPGA的SOPC系统设计技术。 **，基础数字系统的设计。通过对FPGA芯片及相应开发工具的学习，读者对于EDA技术及其相关概念有所了解；结合读者对数字逻辑电路知识的掌握，通过具体采用自上而下的设计方法并应用图形输入、硬件描述语言等设计手段，来设计、实现一些简单的数字逻辑及数字系统应用电路，使读者能初步掌握FPGA芯片的结构、功能以及EDA技术的应用，为后续学习打下基础。 第二，综合数字系统的设计。通过一些实例，将FPGA应用于接口、控制、通信等领域，使读者掌握EDA技术的软硬件开发环境、开发方法及对FPGA芯片进行外围接口控制和IP模块的使用，让读者能独立设计一些实际工作中可能用到的模块，为更高层次的应用打下基础。 第三，基于FPGA的嵌入式SOPC系统设计。随着嵌入式处理器、专用数字器件和DSP算法以IP核的形式嵌入FPGA中，以单片FPGA完成整个嵌入式系统数字部分的设计已经成为现实。此部分教学通过学习Altera公司提供的Nios II软核处理器，了解SOPC 的基本概念和基于FPGA的嵌入式系统的开发方法，掌握SOPC硬件开发工具、软件调试工具的使用。 本书强调从基础、综合、嵌入式SOPC三个层面讲解基于FPGA的设计技术。在实例的安排上，着重突出“应用”和“实用”的原则；在实例的讲解上，既介绍了设计原理、基本步骤和流程，也穿插了一些经验技巧和注意事项，在潜移默化的过程中提高读者的理论知识和实践能力。对于有一定基础的读者，建议直接从实例部分入手，一边阅读一边实际操作，这样印象会比较深，效果更好。基础知识欠缺的读者请先详细学习书中基础部分的理论知识，然后再进行应用实例的学习。在学习中，尽量做到反复理解和演练，以达到融会贯通、举一反三的功效。特别希望尽量和自己的工作设计联系起来，以达到“即学即会，学以致用”的*大化境界。 本书对实验过程中将用到的软件进行了详细的实例讲解，建议读者在开始实验之前先认真学习本书前面的理论知识，并按实例讲解进行演练，这将有助于读者快速掌握设计软件的使用。 基于FPGA的SOPC系统设计实验可分为实验准备、设计调试和实验结束后的总结分析与书写实验报告三个阶段。实验前要认真预习和充分准备，实验过程中仔细操作并认真记录，对实验中出现的故障和问题，要逐级按流程查找，在排除故障和问题的过程中，应对错误和问题的现象、查找错误的方法、修改后的设计方案等做详细的分析记录。为完成好每次实验任务，学生需要做好以下三方面的工作。 （1）实验课前必须认真预习，写出实验预习报告。 学生根据实验任务书中的任务，复习相关的理论知识，了解实验目的、实验原理、实验任务及要求、方法、实验设备，并完成设计任务，写出预习报告。 （2）实验课中认真仔细地操作，完成实验任务。 实验过程中积极思考、认真操作、互相配合。对实验中遇到的故障、问题及解决方案，进行分析、总结和归纳。 （3）课后认真进行实验总结、分析，书写实验报告。 对实验结果进行总结、分析，书写实验报告，实验报告要体现出设计者的设计方法、手段及分析问题和解决问题的能力，还应包含实验现象及结论。 第2章 常用FPGA开发工具 FPGA开发工具比较多，本章重点对常用开发工具设计软件Quartus II8.0和专业仿真软件ModelSim SE 6.0进行详细介绍。首先介绍设计软件Quartus II8.0的使用方法。 2.1 硬件开发工具Quartus II8.0 2.1.1 Quartus II8.0简介 Altera Quartus II8.0设计软件提供完整的多平台设计环境，能够直接满足特定设计需要，为可编程芯片系统（SOPC）提供全面的设计环境。Quartus II8.0软件含有FPGA和CPLD所有设计阶段的解决方案，图2.1.1列出了Quartus II8.0的设计流程。 图2.1.1 Quartus II的设计流程 此外，Quartus II软件为设计流程的每个阶段提供Quartus II图形用户界面、EDA工具界面和命令行界面。可以在整个流程中只使用这些界面中的一个，也可以在设计流程的不同阶段使用不同界面。本章将对整个设计流程进行介绍，使用户对Quartus II的使用方法有一定的了解。 2.1.2 Quartus II8.0设计流程 可以使用Quartus II软件完成设计流程的所有阶段，它是一个全面、易用的独立解决方案。图2.1.2显示了Quartus II图形用户界面所提供的功能。 图2.1.2 Quartus II图形用户界面所提供的功能 图2.1.3显示了首次启动Quartus II软件时出现的Quartus II图形用户界面。 图2.1.3 Quartus II图形用户界面 Quartus II软件有一个模块化编译器。编译器包括以下模块（标有星号的模块表示在完整编译时，可根据设置选择使用）： （1）分析和综合； （2）分区合并*； （3）适配器； （4）汇编器*； （5）标准时序分析器和TimeQuest时序分析器*； （6）设计助手*； （7）EDA网表写入器*； （8）HardCopy网表写入器*。 要将所有的编译器模块作为完整编译的一部分来运行，在Processing菜单中单击Start Compilation。也可以单独运行每个模块，从Processing菜单的Start子菜单中单击希望启动的命令。还可以逐步运行一些编译模块。 此外，还可以通过选择Compiler Tool（Processing 菜单），在Compiler Tool窗口（图2.1.4）中运行该模块来分别启动编译模块。在Compiler Tool窗口中，可以打开该模块的设置文件或报告文件，还可以打开其他相关窗口。 Quartus II软件也提供一些预定义的编译流程，可以利用Processing菜单中的命令来使用这些流程。 以下步骤描述了使用Quartus II图形用户界面的基本设计流程。