FPGA与SOPC设计教程:DE2-115实践

第1章 DE2-115开发平台及HDL简介 1 1.1 硬件开发平台简介 1 1.1.1 Cyclone Ⅳ FPGA简介 1 1.1.2 DE2-115 FPGA学习板简介 5 1.1.3 DE2-115开发板应用 7 1.2 硬件描述语言简介 28 1.2.1 VHDL简介 29 1.2.2 Verilog HDL关键语法简介 34 1.2.3 HDL的编程技术 36 第2章 FPGA设计流程 38 2.1 Quartus Ⅱ设计流程概述 38 2.2 Quartus Ⅱ 13.0软件应用 40 2.2.1 创建新工程 40 2.2.2 建立原理图编辑文件 42 2.2.3 建立文本编辑文件 55 2.2.4 建立存储器编辑文件 57 2.2.5 设计实例 60 2.2.6 项目综合 64 2.2.7 编译器选项设置 65 2.2.8 引脚分配 72 2.2.9 编译结果分析 74 2.2.10 程序下载编程 75 2.3 ModelSim-Altera 10.1d简介 78 2.3.1 ModelSim软件架构 78 2.3.2 ModelSim软件仿真实例 78 2.4 FPGA调试工具SignalTap Ⅱ应用 82 2.4.1 在设计中嵌入SignalTap Ⅱ逻辑分析仪 83 2.4.2 使用SignalTap Ⅱ逻辑分析仪进行编程调试 89 2.4.3 查看SignalTap Ⅱ调试波形 89 第3章 基于SOPC的嵌入式开发技术 91 3.1 Qsys系统开发工具 91 3.1.1 Qsys与SOPC简介 91 3.1.2 Qsys系统主要界面 92 3.2 Nios Ⅱ嵌入式软核及开发工具介绍 96 3.2.1 Nios Ⅱ嵌入式处理器简介 96 3.2.2 Nios Ⅱ嵌入式处理器软硬件开发流程简介 97 3.3 SOPC嵌入式系统设计实例 98 3.3.1 实例系统软硬件需求分析与设计规划 98 3.3.2 实例系统硬件部分设计 100 3.3.3 实例系统Nios Ⅱ嵌入式软件设计 115 第4章 DE2-115平台应用 126 4.1 DE2-115平台内嵌的USB Blaster及FPGA配置 126 4.2 音频编/解码 127 4.2.1 音频编/解码硬件芯片WM8731 127 4.2.2 WM8731控制电路的实现 131 4.2.3 用WM8731 D/A转换器产生正弦波 137 4.3 使用SDRAM及SRAM 146 4.3.1 在Qsys中使用SDRAM 146 4.3.2 在Qsys中使用SRAM 154 4.4 视频D/A转换器 158 4.4.1 ADV7123视频D/A转换器 159 4.4.2 VGA显示器应用实例 162 4.5 用DE2-115平台实现电视信号解码 168 4.5.1 电视解码原理 168 4.5.2 用DE2-115平台实现电视接收机 172 4.6 网络接口 188 4.6.1 88E1111硬件接口 188 4.6.2 利用88E1111设计千兆以太网 190 4.6.3 NicheStack TCP/IP协议栈及其应用 191 4.7 RS-232接口 199 4.8 DE2-115控制面板 204 4.8.1 安装并初始化DE2-115控制面板 204 4.8.2 控制LED、七段数码管和LCD显示 205 4.8.3 SRAM/SDRAM/FLASH/EEPROM控制器和编辑器 206 4.8.4 USB/SD/PS设备状态的监测 207 4.8.5 VGA显示控制 209 4.8.6 RS-232通信 209 4.8.7 DE2-115控制面板的总体结构 210 4.9 DE2-115高级应用范例 210 4.9.1 DE2-115平台出厂设置 211 4.9.2 PS/2鼠标 211 4.9.3 音乐录制和回放 213 4.9.4 USB设备 215 4.9.5 USB画笔 217 4.9.6 SD卡设备 218 4.9.7 SD卡音乐播放器 219 4.9.8 卡拉OK机 221 第5章 基于DSP Builder的简单DSP系统设计 223 5.1 DSP Builder简介 224 5.1.1 授权有效性验证 224 5.1.2 DSP Builder设计流程 224 5.2 DSP Builder设计过程 226 5.2.1 创建MATLAB/Simulink设计模型 226 5.2.2 Simulink设计模型仿真 237 5.2.3 完成RTL仿真 238 5.3 用DSP Builder实现FIR滤波器 240 5.3.1 创建FIR滤波器MATLAB/Simulink设计模型文件 240 5.3.2 在Simulink中仿真并生成VHDL代码 246 第6章 数字系统设计练习 249 6.1 开关、LED及多路复用器 249 6.1.1 将输入/输出器件连接到FPGA上 249 6.1.2 多路复用器 250 6.1.3 3位宽5选1多路复用器 251 6.1.4 用七段数码管显示简单字符 252 6.1.5 循环显示5个字符 252 6.1.6 循环显示8个字符 254 6.2 二进制与BCD码的转换及显示 255 6.3 无符号数乘法器 259 6.4 锁存器与触发器 261 6.4.1 RS锁存器 261 6.4.2 D锁存器 262 6.4.3 D触发器 263 6.4.4 三种存储单元 263 6.4.5 D触发器的应用 264 6.5 计数器 264 6.6 时钟与定时器 266 6.7 有限状态机 267 6.7.1 One-hot编码的FSM 267 6.7.2 二进制编码的FSM 269 6.7.3 FSM实现序列检测及模10计数器 272 6.7.4 移位寄存器结合FSM实现字符自动循环显示 273 6.8 存储器块 274 6.8.1 用Quartus Ⅱ的LPM功能实现RAM 274 6.8.2 用Verilog实现RAM 277 6.8.3 FPGA片外RAM的使用 278 6.8.4 用LPM实现简单双口RAM 280 6.8.5 伪双口RAM 282 6.8.6 用DE2-115控制面板查看并修改片外RAM的内容 284 6.9 简单的处理器 284 6.9.1 实现一个简单的处理器 285 6.9.2 为处理器增加程序存储器 288 6.10 增强型处理器 290 第7章 “计算机组成原理”课程练习 294 7.1 一个简单的计算机系统 295 7.2 程序控制输入/输出 298 7.3 子程序与堆栈 301 7.4 轮询与中断 304 7.4.1 建立一个包含计时器及JTAG UART的Nios Ⅱ系统 305 7.4.2 通过JTAG UART发送和接收数据 307 7.4.3 计时器中断的使用 309 7.5 总线通信 310 7.5.1 实现外部总线桥及七段数码管控制器 311 7.5.2 将SRAM控制器连接到外部总线上 317 7.5.3 通过外部总线将SRAM中的数据显示到数码管上 320 附录A DE2-115原理图 321 附录B DE2-115平台上EP4CE115F29C7的引脚分配表 346 参考文献 352