sopc实验指导书(1)

CON目录第一章实验箱简介 (2)第二章EDA实验单元 (5)实验一七人表决器 (5)实验二格雷码变换 (13)实验三BCD码加法器 (15)实验四四位全加器 (17)实验五四人抢答器 (19)实验六四位并行乘法器 (20)实验七设计基本触发器 (21)实验八设计74LS169计数器功能模块 (25)实验九步长可变的加减计数器 (27)实验十可控脉冲发生器 (28)实验十一正负脉宽数控调制信号发生器 (30)实验十二序列检测器 (32)实验十三四位并行流水乘法器 (34)实验十四出租车计费器 (37)实验十五多功能数字钟 (39)实验十六数字秒表 (41)实验十七频率计 (43)实验十八交通灯控制器 (45)实验十九数码锁 (47)实验二十VGA彩条发生器 (49)附录 (51)第一章实验箱简介EDA/SOPC实验箱是集EDA和SOPC开发为一体的综合性实验箱，它不仅可以独立完成几乎所有的EDA设计，也可以完成大多数的SOPC开发。

采用Altera公司的Cyclone系列的12万门FPGA为核心，整个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语言、Verilog HDL语言、原理图输入等多种方式，利用Altera公司提供的Quartus II及Nios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Nios 32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EP1C6Q240C8，12万门级FPGA，另外可选配更高资源的FPGA●FPGA配置芯片采用可在线变成的EPC2，通过JTAG口和简单的跳线即可完成设计的固化●1个数字时钟源，提供48MHz、12MHz、1MHz、100KHz、10KHz、1KHz、100Hz、10Hz、2Hz和1Hz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●两个串行接口，一个用于SOPC开发时的调试，另一个可以完成其它的通信●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，供数字信号的观察●16个LED显示●8个拨挡开关输入●8个按键输入●1个4X4键盘阵列●8个七段码管显示●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AD和1个高速DA●240×128大屏幕图形点阵LCD显示●存储器模块提供256K×32Bit的SRAM和2M×8Bit的FLASHROM实验箱基本布局如下图1-1所示：图1-1 EDA/SOPC 试验箱系统布局下面就部分模块做简要介绍。

FPGA模块FPGA采用Altera公司提供的Cyclone系列的EP1C6Q240C8，该芯片采用240脚的PQFP封装，提供185个IO接口。

该芯片拥有5980个LEs；20个M4K RAM Block；总共可以提供92160Bit的RAM；另外芯片内部还自带有2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（详情请查看附录1），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。

配置模块本实验箱的配置芯片采用可在线多次编程的EPC2，该芯片通过JTAG （与FPGA共用，通过跳线选择）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EPC2的编程。

时钟模块时钟的产生由有源晶振产生48MHz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_28），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。

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SoftConnect TM、GoodLink TM、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的节约了成本，同时使USB功能在外设上的应用变得容易。

存储器模块实验箱上提供了256K×32Bit的SRAM和2M×8Bit的FLASH ROM，其中SRAM主要是为了在开发SOPC是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选用两片ISSI 公司的IS61LV25616（256K×16Bit）进行数据线并联从而扩展为256K×32Bit的存储区；FLASH ROM采用的是AMD公司的AM29LV017D，其容量为2Mbyte。

Ethernet模块Ethernet模块采用的TCP/IP转换芯片为RTL8019AS芯片，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Ethernet II以及IEEE802.3 10BASE5、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。

高速AD&高速DA本实验箱中采用的高速AD为TLC5510，TLC5510是一个8位高速AD，其最高转换速率可到20MSPS，单5V供电，被广泛的应用在数字电视、医疗图象、视频会议等高速数据转换的领域。

本实验箱中采用的高速DA位TLC5602，该芯片也是一个单5V供电的8位高速DA，其最高转换输率可到33M，足以满足一般数据处理的场合。

240×128图形点阵LCD本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，同时也硬件设置了液晶的结构：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。

第二章EDA实验单元实验一七人表决器一实验目的1．熟悉Quartus II软件的使用。

2．熟悉EDA/SOPC实验箱。

3．熟悉EDA开发的基本流程。

二硬件需求1．EDA/SOPC实验箱一台。

三实验原理所谓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；否则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；反之，当否决的票数大于或者等于4人时，则认为不同意。

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；否则，如果表决的结果为反对，则LED不会被点亮。

四实验内容本实验就是利用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，否则当拨挡开关输入为‘0’时，表示对应的人投反对票；LED模块中LED1_1表示七人表决的结果，当LED1_1点亮时，表示一致同意，否则当LED1_1熄灭时，表示一致反对。

拨挡开关K1～K7以及LED1_1与FPGA的引脚连接请查看附录一。

五实验步骤完成七人表决器的实验步骤如下：1．选择开始>程序>Altera>Quartus II 4.0，运行Quartus II软件。

2．选择File>New Project Wizard，新建一个工程。

3．在introduction中点击next。

4．指定工作目录，如E:/SOPC。

5．指定工程核顶层设计实体名称，如exp1。

见图2-1。

6．点击3次next。

7．选择FPGA器件：选择Cyclone，并在Do you want to assign a specific device?选项中选择Yes，并点击next。

见图2-2。

图2-1 指定工程名称及目录图2-2 选择器件8．首先在Speed选项中选择8，然后再选择EP1C6Q240C8器件。

见图2-3。

图2-3 选择具体的FPGA9．点击Finish，工程文件建立结束。

10．点击File>New，新建一个VHDL文件。

见图2-4。

图2-4 新建VHDL文件11．点击OK，并点击File>Save，无需做任何更改，点击OK即可。

见图2-5。

图2-5 存储新建的VHDL文件12．按照自己的想法，在新建的VHDL文件中编写VHDL程序（可参考光盘中【实验内容/EDA实验/example1/exp1.vhd】）。

13．代码书写结束后，选择Processing>Start Compilation对编写的代码进行编译，直到编译通过。

14．编译通过后，选择File>New，在弹出的对话框中点击Other Files，选择Vector Waveform File，并点击OK，建立一个波形文件。

见图2-6。

图2-6 新建波形文件15．点击File>Save，在弹出的对话框中点击OK即可。

见图2-7。

图2-7 存储新建的波形文件16．在波形文件中点击鼠标右键，选择Insert Node or Bus，在弹出的对话框中点击Node Finder，在新弹出的对话框中的Filter中选择Pins:all，然后点击List，这样在Nodes Founder区域就会出现先前VHDL文件中定义的输入、输出端口，然后再点击>>，选择OK即可，然后在Insert Node or Bus 对话框中也选择OK。