西华大学FPGA实验指导书_V1.1

西华大学机械工程与自动化学院

数字电子技术基础与FPGA

实验指导书

西华大学机械工程与自动化学院

2013.12

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前言

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA 公司的FIEX系列等，本实验平台选用了ALTERA公司Cyclone II系列芯片

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM 即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。但是，由于它在一定程度上满足了当时的设计需求，于是他在1987年成为A I/IEEE的标准（IEEE STD 1076-1987）。1993年更进一步修订，变得更加完备，成为A I/IEEE的A I/IEEE STD 1076-1993标准。目前，大多数的CAD厂商出品的EDA软件都兼容了这种标准。VHDL的英文全写是：VHSIC（Very High eed Integrated Circuit）Hardware Descriptiong Language.翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。本实验平台可做FPGA的学习实验箱，主芯片采用了ALTERA公司的CycloneII 系列EP2C5T144C8N，学习VHDL语言，为数字电路系统设计打下坚实的基础，学习ALTERA公司的开发平台Quartus II 9.0 ，掌握FPGA系统的开发设计流程。

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第一章FPGA系统

1.1 系统简介

本FPGA系统教学开发平台采用国际著名可编程逻辑器件公司Altera的CycloneII系列芯片为核心，整个平台采用模块化设计，各种模块可以自由组合，同时提供丰富的扩展接口，非常适合于FPGA学习。

开发工程师可利用VHDL语言、Verilog语言、原理图或方程式，结合Altera 集成开发环境Quartus II，进行编辑、综合、仿真和布局布线，通过加载配置并进行设计验证。它可以满足绝大多数组合逻辑电路、时序逻辑电路设计需求；

可以进行初级的SOPC设计，简单的NIOS初级核设计，此书安排的实验由简单到难，一步一步引导你入FPGA的世界。

1.2 系统功能特点

板上1.2V，5V，3.3V完整电源管理

50M有源晶振，及一个扩展晶振接口

支持JTAG调试仿真模式和AS下载配置模式

双复位系统，重新配置与软件复位

主芯片采用Cyclone II 系列EP2C5T144C8N芯片，资源丰富

8个七段数码管

PS2键盘标准接口

标准RS232串口

蜂鸣器

VGA标准接口

IIC芯片，AT24C02

SPI芯片，AT93C46

RTC芯片，DS1302，及备用电池

温度传感器，DS18B20

8位AD，TLC549，及电位器

10位DA，TLC5615

LCD1602液晶

8位拨码开关

4X4标准矩阵键盘

大容量ALTERA配置芯片EPCS4

12个RGY三色LED模拟十字路口交通灯

1M容量高速SRAM，IS63LV1024

16个I/O引出，其中包括2个ALTERA专用PLL输出

1.3 开发平台标准配置

FPGA教学实验平台

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9V-2A电源适配器

JTAG下载电缆(支持Altera全系列CPLD和FPGA仿真与下载)

1.4 部分功能模块介绍

1.4.1 电源

FPGA教学实验开发平台采用多电源模式，输入电源为宽电源模式，支持9V 到24V电源输入，FPGA芯片采用3.3V的I/O电压和1.2V的内核电压，保证了芯片的稳定工作。除AD和DA采用5V电源外，其他芯片均采用3.3V电源，保证和FPGA的I/O电压的匹配。具体请参见原理图的电源部分。

1.4.2 时钟

本FPGA教学实验平台采用50M有晶振，以及ALTERA FPGA专用时钟输入引脚，使片内时钟分布均匀，芯片内部各个模块间的时钟同步性达到最佳状态。另外，预留一专用时钟输入引脚，方便需要时扩展。具体请参见原理图的时钟部分。

1.4.2 LED灯

由于本实验平台外部硬件资源丰富，所以12个LED灯中有8个通过一片74LV245芯片与SRAM的8位数据总线复用，通过74LV245的片选信号来选择控制SRAM的数据总线还是控制LED灯。其余的4个LED灯通过电阻与FPGA 直接相连。具体请参见原理图的LED部分

1.4.3数码管显示

本FPGA教学实验平台采用2个4位七段共阳极数码管。数码管的位选信号采用PNP型三极管来驱动。段选信号采用一片74LV245芯片与SRAM的部分地址总线复用。各个引脚的连接请参见原理图

1.4.4 RS232串口

为保证与FPGA I/O电压标准匹配，本FPGA教学实验平台用MAX3232低压芯片来转换RS232电平与FPGA接口之间的电平，实现本平台与PC机之间的通信。

1.4.5 LCD1602液晶

LCD1602液晶显示的数据总线采用两片74LV245与8位拨码开关复用，注意，此处使用了两片74LV245，当使用LCD1602时，与拨码开关相连的

74LV245(图上标号为U7)的片选控制线必须被禁止。

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1.4.6其他模块

其他模块请参见原理图，相关内容将在后续章节详解。

1.5 引脚及信号映射表

本FPGA教学实验平台的引脚连接与信号映射如下表：

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1.6 Quartus II 软件的安装与使用

1.6.1 Quartus II 9.0的安装与破解

A: 安装Quartus II 软件

安装Quartus II软件的方法比较简单，直接双击安装文件，点击下一步并选择路径进行安装即可，注意安装目录路径最好不要有中文和空格符号。

B: 破解Quartus II 软件

安装完成后，需要对软件进行破解，步骤如下：

1 ：将破解文件中的sys_cpt.dll ，拷贝到安装目录下，默认安装目录是在C:\altera\90sp2\quartus\bin ，将破解文件sys_cpt.dll 拷贝到该目录下覆盖原文件即可。

2:把license.dat 里的XXXXXXXXXXXX 用您的网卡号替换。

您计算机网卡号可以通过下面方式得到：

打开您计算机的开始－运行－输入"CMD" 回车

打开命令行窗口如下：

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在命令行窗口写入"IPCONFIG/ALL" 回车，如下图描述即是你计算机的网卡号

把license.dat 里HOSTID=后面的 XXXXXXXXXXXX 用您的网卡号替换，例如把license.dat 里的HOSTID=XXXXXXXXXXXX 改成

HOSTID=002564618AB5, 不要写成 00-25-64-61-8A-B5,保存，把 license.dat 复制到 quartus 软件安装目录下。

注意license.dat 中有两处需要修改。

3:打开 quartus 软件 ，选择Tools License Setup 进入License 设置界面

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指定你的License File(license.dat)位置，必须出现上方红色圆圈的内容才表示设定成功。点击确认，完成破解。 1.6.2 USB Blaster 下载电缆驱动安装

插上USB Blaster ，Windows 会自动弹出如下对话框，选择否，并下一

步：

如下图，选择从列表指定安装，并下一步：

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如下图，浏览到USB Blaster驱动程序位置并进行安装即可。

USB Blaster 的驱动程序位置在Quartus II 软件安装目录下的：xxx

\quartus\drivers\usb-blaster下，选择相应的32位机或64位机进行安装即可。其中，xxx表示Quartus II 软件的安装路径。

安装成功后，在设备管理中可查看到USB Blaster ,如下图：

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1.6.3 Quartus II 的使用与工程的建立

本小节将讲解如何使用Quartus II 建立一个工程，首先打开Quartus II 软件，选择File New Porject Wizard 进入新建工程页面。

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注意：工程存放的路径和工程名最好不要包含中文名称和空格符号。 点击Next 进入如下界面：

直接点击Next 跳过上页，进入如下界面：

选择了芯片型号后点击Next 进入如下界面：

直接点击Next ，直到结束，致此，一个工程已经被建立。

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可以看到，Quartus II 主界面由：工程导向窗口，状态窗口，用户区，信息窗口，四个部分组成。

1.6.4 文件的建立与编译，综合，布局布线。

1. 工程建好后，点击File New,打开如下图所示对话框所示：选中，VHDL File ,点击OK ，从而建立VHDL 文件。

2. 在建立的VHDL File 中编写代码。

3. 编写完成代码后，对FPGA 进行一些基本设置。点击Assignments

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Devices 打开如下图对话框。

选中Device 选项，并点击Device and Pin …进入，并点击Configuration 选择配置芯片EPCS4，点击Unnused Pins ,将未使用的引脚设置成输入三态。如下图两图所示：

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点击确定退出以上设置。

4. 接下来锁定引脚。点击Assigment →Pin Planner 进入锁定引脚界面如下：

在Location 选项下选择与相应信号相对应的引脚即可。如下图： 5. 引脚分配完成后，点击Processing →Start Compilation 开始对程序进行编

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译，综合以及布局布线等。

1.6.5

使用JTAG 下载工程

下载程序时，用USB Blaster 将PC 机的USB 与FPGA 教学平台上的JTAG 接口相连，正确安装驱动后，在Quartus II 软件中点击 Tools Programmer 打开程序下载界面如下：

1. 点击选择下载工具，如下图所示：

选中USB-Blaster[USB-0],关闭退出。 点击Mode 下拉按钮，选中JTAG ，如图

所示。 3. 点击Add File 选择要下载的文件，点击Start 开始下载。

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注意：选择下载文件时，JTAG方式应该选择文件后缀为.sof的文件，使用AS方式下载时应该选择文件后缀为.pof的文件。

1.6.6 使用AS方式下载工程

在使用AS方式下载工程时，在只需在JTAG方式下改变Mode处的下载方式，再添加相应的.pof文件，并把下载选项的前三项选中即可下载。如下图所示：

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西华大学机械工程与自动化学院第二章实验

实验一门电路设计

1.1 实验目的

1．学习基本门电路的设计方法

2．了解VHDL语言的基本设计思想

3. 掌握Quartus II 的基本使用步骤

1.2 实验内容

使用VHDL语言实现2输入与门并仿真验证；1.3 实验电路

1.4实验步骤

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1.4.1 启动Quartus II ，新建工程；

图1.1

图1.2

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qazq.html