《FPGA-CPLD原理及应用》实验指导书V2.0

FPGA/CPLD原理及应用实验指导书第2版编写:张守祥信息与电子工程学院2015.07前言实验教学是培养学生实践动手能力和创新精神的重要途径，是高等教育教学体系的重要组成部分，改革的重点是提高教学质量，注重创新人才的培养。作为未来电子系统设计新领域的SoPC技术已经成为了国际新技术的热点，具有广阔的应用前景。目前国内很多高校都已开设了单片机、EDA技术等课程，而新兴的“SoPC技术应用”、“嵌入式系统设计”、“可重用设计”、“集成电路设计”等与实际应用密切相关的课程已成为众多高校重点发展的方向。面对层出不穷的EDA新技术以及数字系统设计方法的变革，适应社会对电子信息技术人才的需求，必须加大实践教学的力度，给学生创造实践动手的环境，只有这样，才能不断激发学生的主动性、积极性和创造性，才能在实际中培养学生的创新意识和协作精神，使学生有真正施展自己才华的空间。为此针对DE2-115系统开发板，编写了符合电子类教学大纲要求的实验教材。FPGA实验系统为学生提供一个良好的创新环境和实验基地，可以完成PLD、EDA、NiosII嵌入式系统等方面的实验与项目开发。并针对多媒体开发板的特点，结合电子类本科教学大纲，设计开发不同层次的实验项目，如基础型的单元实验、综合性和设计性实验和基于NiosII模块库实验等。完成由基础实验上升到设计提高性实验，从而发展到综合应用以及多层次、连贯性、综合性的实验体系。1.基础型的单元实验根据DE2实验板的特点，以及电子类专业的培养方案，开发相应的实验教材，逐步地引导并解释如何在开发板上使用Altera的QuartusII软件。提供的实验项目涵括了数字逻辑课程的重要概念，目的是引导学生提高新工具的使用、调试和分析能力而设计的，促使学生能创造及测试出小的电路，进而利用这些经实验测试成功的设计，发展出更大更有趣的计划。引入了先进的计算机辅助设计工具，学生利用硬件描述语言、基于FPGA开发系统进行数字系统设计，提高了学生进行电路设计的能力。在完成简单电路的基础上，让学生尝试设计一些较复杂的电路:交通灯控制器，数字钟的设计等，由学生自行编写代码，在QuartusII上完成软件仿真，并在DE2上用硬件来验证实验的正确性。2.综合设计型实验这类实验的特点，可以是不同方法的综合，如采用Matlab和VHDL两种方法相结合的实验。不同的设计思路相结合，以流水线设计和非流水线设计为例。还可以是不同课程的融合，比如学生不但对DSPBuilder有了初步认识，而且对Matlab软件及C语言如何与SoPC系统结合使用有了一定的了解。3.基于NiosⅡ实验模块库NiosⅡ处理器是用户可配置的通用RISC处理器，它是一个非常灵活和强大的处理器。由于基于NiosⅡ系统设计的灵活性和易用性，且可供实现设计的资源丰富，因此利用此平台可以开发出很多适合电子类本科学生学习和设计的课题题目。这些实验中有的做仿真就可以，有的需要在实际系统上进行。第1章介绍了实验系统及系统设置;第2章介绍了以电路原理图输入方式完成的一些电路功能;第3章是VHDL语言类常用实例代码，介绍了使用硬件描述语言实现一些基本的电路功能，是实验项目的基础代码;第4章是基础实验，列出了基于DE2-115平台的VHDL编码基础类实验项目;第5章是基于SoPC的扩展实验，适合FPGA的高级应用。目录第1章实验系统介绍及设置............................................................................................................11.1DE2-115介绍.....................................................................................................................11.2QuartusII及USB-Blaster驱动安装....................................................................................31.3DE2-115引脚分配一般性指导.........................................................................................9第2章原理图输入实验项目..........................................................................................................10实验2.1模100同步计数器......................................................................................................10实验2.2锁存器74373...............................................................................................................16实验2.3四位串入串出移位寄存器..........................................................................................17第3章VHDL语言常用实例代码..................................................................................................20实验3.1标准逻辑位功能.........................................................................................................20实验3.28-3编码器....................................................................................................................22实验3.374LS138译码器...........................................................................................................23实验3.4两个4位数比较器......................................................................................................25实验3.5七段LED数码管........................................................................................................26实验3.6时钟上沿属性演示.....................................................................................................28实验3.7具有异步复位和置位功能D触发器.........................................................................31实验3.8简单计数器..................................................................................................................34实验3.9简单分频器..................................................................................................................35实验3.108255芯片工作方式0实现.......................................................................................36第4章基础实验..............................................................................................................................40实验4.13-8译码器实验..........................................................................................................40实验4.2十进制计数器与嵌入式逻辑分析仪SignalTapII.....................................................50实验4.3灯光控制实验.............................................................................................................75实验4.5移位寄存器实验.........................................................................................................85实验4.6简易CPU设计.............................................................................................................96第5章扩展实验............................................................................................................................109实验5.1LCD实验...................................................................................................................109实验5.2跑马灯实验................................................................................................................119实验5.3C2H编译器实验......................................................................................................129实验5.4上电自动加载软硬件实验........................................................................................135实验5.5SDRAM读写测试实验................................