EDA技术与应用-工具硬件SOPC简介

工具硬件SOPC简介

3.1

EDA/SOPC开发系统以Altera公司的CycloneⅡ系列的FPGA为核心，整个开发系统采用模块化设计，各个模块之间可以自由组合，使得该实验箱的灵活性大大提高。同时实验箱还提供了丰富的接口模块，供人机交互，从而大大增加了实验开发者开发的乐趣，满足了普通高等院校、科研人员等的需求。开发工程师可以使用VHDL、VerilogHDL、原理图输入等多种方式，利用Altera公司提供的QuartusⅡ及NiosⅡ软件进行编译、下载，并通过EDA/SOPC实验箱进行结果验证。实验箱提供多种人机交互方式，如键盘阵列、按键、拨挡开关输入，七段数码管、大屏幕图形点阵LCD显示，串口通信，VGA接口、PS2接口、USB接口、Ethernet接口等。利用Altera公司提供的一些IP资源和Nios32位处理器，用户可以在该实验箱上完成不同的SOPC设计。EDA/SOPC实验箱提供的资源有：·Altera公司的EP3C16Q240C8的FPGA，另外也可选配有更多资源的FPGA；·FPGA配置芯片采用可在线编程的EPCS4，通过JTAG口和AS口即可完成设计的固化；·1个数字时钟源，提供48 MHz、12 MHz、1 MHz、100 kHz、10 kHz、1 kHz、100 Hz、10 Hz、2 Hz和1 Hz等多个时钟；·1个模拟信号源，提供频率和幅度可调的正弦波、三角波和方波；·1个串行接口，用于完成与计算机的通信；·1个VGA接口；·1个PS2接口，可以接键盘或鼠标；·1个USB接口，利用PDIUSBD12芯片实现USB协议转换；·1个Ethernet接口，利用RTL8019芯片实现TCP/IP协议转换；·

基于SPI接口的音频CODEC模块；·1个输入、输出探测模块，用于观察数字信号；·16个LED显示模块；·8个拨挡开关输入模块和8个按键输入模块；·1个4 × 4键盘阵列；·8个七段数码管显示模块；·1个扬声器模块，1个交通灯模块，1个直流电机模块；·1个高速ADC和1个高速DAC；·240 × 128大屏幕图形点阵LED显示；·

存储器模块提供512K/1024K × 8 bit的SRAM和2M/4M × 8 bit的FLASHROM。实验箱基本布局如图3.1所示。实验箱基本布局如图3.1所示。图3.1

EDA/SOPC试验箱系统布局下面就部分模块做简要介绍。1. FPGA模块FPGA采用Altera公司提供的CycloneⅢ系列的EP3C16Q240C8，该芯片采用240脚的PQFP封装，提供161个IO接口。该芯片拥有15 408个逻辑单元(Les)；总共可以提供516 096 bit的RAM；另外，此芯片内部还自带有4个锁相环，可以在高速运行的时候保证系统时钟信号的稳定性。FPGA与实验箱上提供的各个模块都已经连接好了(详情请查看本书附录)，这样就避免了实验过程中繁琐的连线以及由于连线造成的不稳定的后果。2.配置模块实验箱的配置芯片采用可在线多次编程的EPCS4，该芯片通过AS口下载，即可完成FPGA设计的固化。这样就避免了用户需要多条电缆或者需要编程器才能完成固化的任务，同时也方便了用户只需一条下载电缆即可完成FPGA的配置和EPCS4的编程。3.时钟模块时钟模块由有源晶振产生48 MHz的时钟信号，再由CPLD分频完成多种时钟信号的产生。时钟信号已经在系统板上连接到FPGA的全局时钟引脚(PIN_33)，只需要通过时钟模块的简单跳线，即可完成FPGA时钟频率的选择。4. USB模块USB模块采用Philips公司的PDIUSBD12芯片，它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口。它还支持本地的DMA传输。PDIUSBD12完全符合USB1.1版的规范，它还符合大多数器件的分类规格：成像类、海量存储器件、通信器件、打印设备以及人机接口设备。另外，该芯片还集成了许多特性，包括SoftConnectTM、GoodLinkTM、可编程时钟输出、低频晶振和终止寄存器集合，所有这些特性都为系统显著地节约了成本，同时使USB功能在外设上的应用变得容易。5.存储器模块实验箱上提供了512K/1024 × 8 bit的SRAM和2M/4M × 8 bit的FLASHROM，其中SRAM主要是为了在开发SOPC时存放可执行代码和程序中用到的变量，而FLASH则是用来固化调试好的SOPC代码等。SRAM选用ISSI公司的IS61LV5128；FLASHROM采用的是AMD公司的AM29LV160，其容量为2 MB。6. Ethernet模块Ethernet模块采用的TCP/IP转换芯片为RTL8019AS。该芯片是一款高集成度、全双工以太网控制器，内部集成了三级省电模式，由于其具有便捷的接口方式，所以成了多数系统设计者的首选。RTL8019AS支持即插即用标准，可以自动检测设备的接入，完全兼容EthernetⅡ以及IEEE802.310BASE5、10BASE2、10BASET等标准，同时针对10BASET还支持自动极性修正的功能。另外该芯片还有很多其他功能，此处不再赘述。7.高速ADC&高速DAC实验箱中采用的高速ADC为TLC5510。TLC5510是一个8位高速ADC，其最高转换速率可到20 MS/s，单电源5 V供电，被广泛地应用在数字电视、医疗图像、视频会议等高速数据转换的领域。实验箱中采用的高速DAC为TLC5602，该芯片也是一个单电源5 V供电的8位高速DAC，其最高转换速率可到33 MS/s，足以满足一般数据处理的场合。8. 240 × 128图形点阵LCD实验箱所用的图形点阵LCD为240 × 128点，可以用来显示图形、曲线、文本、字符等。显示模块内嵌有T6963C控制器。在该液晶显示模块上已经实现了行列驱动器及显示缓冲区RAM的接口，同时也设置了液晶的结构：单屏显示，80系列的8位微处理器接口，显示屏长度为30个字符，宽度为16个字符等。3.2硬件使用验证示例下面以七人表决器为例说明实验箱的使用。表决器就是对于一个行为，由多个人投票，如果同意的票数过半，就认为此行为可行；如果否决的票数过半，则认为此行为无效。七人表决器顾名思义就是由七个人来投票，当同意的票数大于或者等于4人时，则认为同意该行为；当否决的票数大于或者等于4人时，则认为不同意该行为。实验中用7个拨挡开关来表示七个人，当对应的拨挡开关输入为“1”时，表示此人同意；否则，当若拨挡开关输入为“0”时，则表示此人反对。表决的结果用一个LED表示，若表决的结果为同意，则LED被点亮；如果表决的结果为反对，则LED不会被点亮。

下面利用EDA/SOPC实验箱中的拨挡开关模块和LED模块来实现一个简单的七人表决器的功能。拨挡开关模块中的K1～K7表示七个人，当拨挡开关输入为“1”时，表示对应的人投同意票；当拨挡开关输入为“0”时，表示对应的人投反对票。LED模块中的LED1_1表示七人表决的结果。当LED1_1点亮时，表示事件通过；当LED1_1熄灭时，表示事件未能通过。拨挡开关K1～K7以及LED1_1与FPGA的引脚连接请查看本书附录。3.2.1建立工程建立一个新的工程，步骤如下：(1)选择开始→程序→Altera→QuartusⅡ7.2，运行QuartusⅡ软件。(2)选择File→NewProjectWizard，新建一个工程。(3)在Introduction页面中点击Next按钮。(4)指定工作目录，如d:/newproject/example1。(5)指定工程和顶层设计实体名称，如exp1，见图3.2。这时提示该工程不存在，询问是否新建，选择“是”即可。(6)点击两次Next按钮。图3.2指定工程名称及目录3.2.2选择器件(1)选择FPGA器件，如图3.3所示。图3.3选择器件(2)首先在Family框中选择CycloneⅢ，在Targetdevice中选择第二项，在Speedgrade选项中选择8，然后再选择器件EP3C16Q240C8。(3)点击Next按钮，直至出现Finish界面窗口，此时工程文件建立结束。如图3.4所示。图3.4工程文件建立结束3.2.3新建VHDL文件(1)点击File→New，新建一个VHDL文件，如图3.5所示。图3.5新建VHDL文件(2)点击OK按钮，再点击File→Save，无需做任何更改，再点击OK按钮即可，如图3.6所示。图3.6存储新建的VHDL文件(3)按照自己的想法，在新建的VHDL文件中编写VHDL程序。参考程序如下：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_arith.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityexp1isport(K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7:instd_logic; --输入：7个人

m_Result:outstd_logic --表决结果

);endexp1;architecturebehaveofexp1issignalK_Num:std_logic_vector(2downto0);signalK1_Num,K2_Num:std_logic_vector(2downto0);signalK3_Num,K4_Num:std_logic_vector(2downto0);signalK5_Num,K6_Num:std_logic_vector(2downto0);

signalK7_Num:std_logic_vector(2downto0);

beginprocess(K1,K2,K3,K4,K5,K6,K7)--计算表决同意人数

beginK1_Num<='0'&'0'&K1;K2_Num<='0'&'0'&K2;K3_Num<='0'&'0'&K3;K4_Num<='0'&'0'&K4;K5_Num<='0'&'0'&K5;K6_Num<='0'&'0'&K6;K7_Num<='0'&'0'&K7;endprocess;

process(K1_Num,K2_Num,K3_Num,K4_Num,K5_Num,K6_Num,K7_Num)

beginK_Num<=K1_Num+K2_Num+K3_Num+K4_Num+K5_Num+K6_Num+K7_Num;

endprocess;process(K_Num)--根据人数输出结果

beginif(K_Num>3)thenm_Result<='1';elsem_Result<='0';endif;endprocess;endbehave;3.2.4编译环节代码书写结束后需保存，选择Processing>StartCompilation，对编写的代码进行编译，直到编译通过。3.2.5仿真功能设计文件(1)编译通过后，选择File→New，在弹出的对话框中点击OtherFiles，选择VectorWaveformFile，并点击OK按钮，建立一个波形文件，如图3.7所示。图3.7新建波形文件(2)点击File→Save，在弹出的对话框中点击OK按钮即可存储新建的波形文件，如图3.8所示。图3.8存储新建的波形文件(3)在波形文件中点击鼠标右键，选择Insert→InsertNodeorBus，如图3-9(a)所示，在弹出的对话框中点击NodeFinder，在新弹出的对话框中的Filter中选择Pins:all，然后点击List按钮，这样，在NodesFounder区域就会出现先前在VHDL文件中定义的输入、输出端口，如图3.9(b)所示。然后再点击>>，把所有VHDL中定义的端口都选中，选择OK按钮即可。之后在InsertNodeorBus对话框中也选择OK按钮即可。

(a)(b)图3.9节点查找对话框(4)对加入到波形文件中的输入端点进行初始值设置，然后点击Processing>StartSimulation，在弹出的对话框中点击Yes按钮，系统开始仿真。(5)仿真结束后，出现如图3.10所示仿真图，查看仿真结果是否符合实验要求。图3.10仿真图3.2.6编程下载文件(1)仿真无误后，根据本书附录的引脚对照表，对实验中用到的拨挡开关及LED进行管脚绑定。选择Assignments→PinPl