FPGA开发板使用说明书培训讲学.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。FPGA开发板使用说明书-目录第一章综述1第二章系统模块1第三章软件的介绍10第四章USB电缆的安装与使用27-第一章综述THSOPC-3型FPGA开发板是根据现代电子发展的方向,集EDA和SOPC系统开发为一体的综合性实验开发板,除了满足高校专、本科生和研究生的SOPC教学实验开发之外,也是电子设计和电子项目开发的理想工具。一、实用范围:l 自主创新应用开发;l 单片机与FPGA联合开发;l IC设计硬件仿真;l 科研项目硬件验证与开发;l 高速高档自主知识产权电子产品开发;l 毕业设计平台;l 研究
2、生课题开发;l 电子设计竞赛培训;l 现代DSP开发应用;l 针对各类CPUIP核的片上系统开发;l DSPBiulder系统设计。二、硬件配置:THSOPC-3型FPGA开发板基于AlteraCycloneII器件的嵌入式系统开发提供了一个很好的硬件平台,它可以为开发人员提供以下资源:l 支持+5V电源适配器直接输入或者USB接口供电,5V、3.3V、1.2V混合电压源;l FPGACycloneIIFPGAEP2C8,40万门,2个锁相环;l isp单片机AT89S8253。isp单片机AT89S8253及开发编程工具,MCS51兼容,12KBisp可编程FlashROM,2KBispEE
3、PROM,都是10万次烧写周期;2.7-5.5V工作电压;0-24MHz工作时钟;可编程看门狗;增强型SPI串口,9个中断源等。此单片机可与FPGA联合开发,十分符合实现当今电子设计竞赛项目的功能与指标实现;l EPM3032CPLD;l 4Mbits的EPCS4配置芯片;l 512KB高速SRAM;l 20MHz高精度时钟源(可倍频到300MHz);l 4个用户自定义按键;l 8个用户自定义开关;l 8个用户自定义LED;l 2个七段码LED;l 标准AS编程接口和JTAG调试接口;l 两个标准2.54mm扩展接口,供用户自由扩展;l RS-232DB9串行接口;l PS/2键盘接口;l V
4、GA接口;l 4X4键盘;l 液晶显示屏20字X4行;l USB-Blaster编程器,可对FPGA通过JTAG口编程、调试、测试;单片机编程ByterBlasreMV编程器;l 光盘:配套子程序库、资料、编程软件、实验指导书。第二章系统模块一、系统组成本节将重点介绍开发板上所有的组成模块。图2-1是整个开发板的模块布局图,表2-1是对应的组成部分及其功能的简单描述。图2-1开发板的模块布局图序号名称功能描述U1CycloneCycloneII主芯片EP2C8Q208C存储单元U5SRAM512KB高速SRAM,即256K16bitsU2U10EPCS4EPCS164Mbits主动串行配置器件
5、接口资源U7,UARTRS-232标准9针串口VGAUSBVGA接口PS/2PS/2键盘接口P_FPGAFPGAI/O口P_MCU单片机液晶键盘接口P_ADDA扩展接口超高速ADC/DAC板/7寸数字TFT彩色液晶屏接口JTAGJTAG调试接口供用户下载FPGA代码,实时调试NiosIICPU,以及运行QuartusII提供的嵌入式逻辑分析仪SignalTapII等ASAS编程接口待用户调试FPGA成功后,可通过该接口将FPGA配置代码下载到配置器件中MCU_DLOAD单片机编程接口用户可通过该接口将单片机烧录程序下载到配置器件中人机交互S1S8自定义按键8个用户自定义按键,用于简单电平输入,
6、该信号直接与FPGA的IO相连K5单片机复位按键单片机AT89S8253的复位按键DS1DS8用户自定义LED8个用户自定义LED,用于电平高低的显示,该信号直接与FPGA的IO相连LED1LED2七段码LED静态七段码LED,用于简单数字、字符显示,直接由CPLD的IO驱动时钟输入Y1晶振高精度20MHz时钟源,用户可以用FPGA内部PLL或分频器来得到其它频率的时钟电源POWERJ6直流电源输入直流电源适配器插座,适配器要求为+5V/1AUSBUSB供电接口直接用USB线连接PC机提供+5V供电表2-1系统组成部分及其功能描述二、各个模块及其硬件连接详细说明1 CycloneIIEP2C8
7、FPGA(U1)继Altera公司成功推出第一代CycloneFPGA后,Cyclone一词便深深的烙在广大硬件工程师心中,一时间它便成为低功耗、低价位以及高性能的象征。然而在去年,Altera公司再一次发布第二代CycloneFPGA,与第一代相比,加入了硬件乘法器,同时内部存储单元数量也得到了进一步的提升,相信CycloneII比它的鼻祖Cyclone而言,会表现出更加出色的性能。本开发板上采用的FPGA是EP2C8Q208C8,它便是AlteraCycloneII系列中的一员,采用208引脚的PQFP封装。表2-2列出了该款FPGA的所有资源特性。LesLes8,25633,216M4K
8、MemoryBlocksM4KMemoryBlocks36105所有RAMBits165,888483,8401818硬件乘法器1835PLLsPLLs24表2-2EP2C8Q208C8资源列表开发板上提供了两种途径来配置FPGA:l 使用QuartusII软件,配合下载电缆从JTAG接口下载FPGA所需的配置数据,完成对FPGA的配置。这种方式主要用来调试FPGA或NiosIICPU,多在产品开发初期使用。l 使用QuartusII软件,配合下载电缆,通过AS接口对FPGA配置器件进行编程,在开发板下次上电的时候,会完成对FPGA的自动配置。这种模式主要用来产品定型后,完成对FPGA代码的固
9、化,以便产品能够独立工作。2 SRAM(U5)开发板上的SRAM由3.3VCMOS静态RAMIS61LV25616组成容量为256K16bits的存储空间,高速度SRAM和高带宽数据总线,保证了NiosIICPU可以工作在非常高效的状态。本开发板所用的SRAM为-10等级的,这就意味着NiosIICPU可以在16位总线带宽情况下,以100MHz的速度进行读写操作,数据吞吐率高达到200Mbyets/S。SRAM与FPGA的硬件连接见表2-3。FPGA引脚U5引脚信号说明FPGA引脚U5引脚信号说明371A0479D2392A14810D3403A28413D4414A38614D5435A48
10、715D69018A58816D79219A67429D89420A77230D99521A87031D109622A96932D118123A106835D128024A116736D137725A126437D147626A136338D157527A146040UB#5842A156139LB#5743A165941OE#5644A178917WE#457D0446CS#468D1/28NC表2-3SRAM与FPGA的硬件连接注:1)/表示没有连接。2)#表示低电平有效。3 RS-232接口(UART,U7)UART是一个标准的DB9孔连接头,通常用于FPGA和计算机以及其它设备间通过R
11、S-232协议进行简单通信。U7是一个电平转换芯片MAX3232,负责把发送的LVCMOS信号转换成RS-232电平,同时把接收到的RS-232电平转换成LVCMOS信号。由于目前的设计开发中,RS-232通信仅仅是为了进行系统调试或简单的人机交互,所以在开发板设计时,仅在DB9孔接口中保留了通信时必须的RXD和TXD信号。RS-232与FPGA的硬件连接见表2-4。FPGA引脚UART引脚信号说明FPGA端PC端1042TXDRXD1033RXDTXD/5/GND表2-4SRAM与FPGA的硬件连接注:TXD和RXD在UART中已经交换,如果与计算机通信,仅需要一条串口延长线便可,无需交叉。
12、4 JTAG调试接口(JTAG)在FPGA开发过程中,JTAG是一个不可少的接口,因为开发人员需要下载配置数据到FPGA。在NiosII开发过程中,JTAG更是起着举足轻重的作用,因为通过JTAG接口,开发人员不仅可以对NiosII系统进行在线仿真调试,而且还可以下载代码或用户数据到CFIFlash中。开发板上提供如图2-2所示的10针插座,其每个插针的信号定义见表2-5。图2-2开发板上的JTAG调试插座JTAG插座信号定义JTAG插座信号定义1TCK6/2GND7/3TDO8/4Vcc(3.3V)9TDI5TMS10GND表2-5JTAG插座信号定义注:/表示该插针没有任何信号。5 AS编
13、程接口(AS)AS接口主要用来给板上的EPCS4行编程,故称其为编程接口,板上也是采用图2-2示的10针插座,其信号定义见表2-6。AS插座信号定义AS插座信号定义1DCLK6nCE2GND7DATAOUT3CONF_DONE8nCS4Vcc(3.3V)9ASDI5nCONFIG10GND表2-6JTAG插座信号定义6 自定义按键(K1K4)为了方便开发人员作一些简单的、手动的逻辑输入,开发板上提供了4个用户自定义按键。这四个按键连接到了FPGA的四个IO引脚上,具体的定义和使用则有开发人员自由决定。按键与FPGA的硬件连接见表2-7。FPGA引脚按键编号FPGA引脚按键编号97K1101K3
14、99K2102K4表2-7按键与FPGA的硬件连接注:按键按下为低电平,抬起为高电平。7 自定义LED(DS1DS8)为了方便开发人员进行简单直观的信号观察,开发板上提供了八个用户自定义LED。这八个LED由FPGA的IO引脚直接驱动,当FPGA对应的I/O输出低电平时,LED点亮;当FPGA对应的IO输出高电平时,LED熄灭。LED和FPGA的硬件连接见表2-8。FPGA引脚LED编号FPGA引脚LED编号56DS192DS557DS294DS675DS395DS776DS496DS8表2-8LED与FPGA的硬件连接8 电源切换开关P4P4为自定义LED(DS1DS8)的电源开关,当短路帽
15、切换到左边则DS1DS8部供电,短路帽切换置右端给DS1DS8提供3.3V电源。9 晶振(Y1)开发板上提供了高精度、高稳定性20MHz时钟,该时钟直接与FPGA的23(CLK0)引脚相连。如果设计人员需要其它频率时钟源,可以在FPGA内部进行分频或利用FPGA内部PLL倍频等途径来得到。10 直流电源输入(POWERUSB)开发板上外部供电仅需在POWER输入5V直流电压即可。用户需要特别注意的是,插入J6的插头必须为内正外负供电极性,如图2-3所示。为了保证系统能够稳定工作,电源适配器功率最好在5V/1A以上。图2-3电源适配器插头说明用户亦可用USB线直接连接PC机及开发板的USB接口直
16、接供电。11 八位自锁开关为了方便开发人员作一些简单的、手动的逻辑输入,开发板上提供了8个用户自定义自锁开关。这八个开关连接到了FPGA的八个I/O引脚上,控制高低电平的输入,具体的定义和使用则有开发人员自由决定。开关与FPGA的硬件连接见表2-9。FPGA引脚拨动开关信号名称FPGA引脚拨动开关信号名称150S1152S5149S2142S6147S3141S7146S4139S8表2-9八位自锁开关与FPGA的硬件连接注:S1S8与扩展接口(P_FPGA)复用,故用P_FPGA接口时此八个开关要打到高电平。12 PS/2键盘接口开发板上提供了PS/2设备接口,用于鼠标和键盘开发实验。PS/
17、2接口与FPGA的硬件连接见表2-10。FPGA引脚PS/2引脚键盘信号FPGA引脚PS/2引脚键盘信号395CLK371DAT表2-10PS/2接口与FPGA的硬件连接13 VGA接口开发板上提供了VGA接口,用于VGA显示程序的开发实验。VGA接口与FPGA的硬件连接见表2-11。FPGA引脚VGA引脚信号名称FPGA引脚VGA引脚信号名称4113HS391R4014VS372G433B表2-11VGA接口与FPGA的硬件连接14 扩展接口(P_ADDA)图2-4所示是间距为2mm的标准双排针插座,提供了33个用户自定义IO,以满足普通用户的一般需要。可作为超高速ADC/DAC板/7寸数字
18、TFT彩色液晶屏扩展接口。图2-4P_ADDA所使用的接插件类型FPGA引脚P_ADDA引脚信号说明FPGA引脚P_ADDA引脚信号说明/13.3V18721FPGA_IO/2GND18522FPGA_IO/3+12V18923FPGA_IO/4-12V18824FPGA_IO1625FPGA_IO19225FPGA_IO1616FPGA_IO19126FPGA_IO1647FPGA_IO19527FPGA_IO1638FPGA_IONC28FPGA_IO1689FPGA_IO19829FPGA_IO16510FPGA_IO19730FPGA_IO17011FPGA_IO20031FPGA_I
19、O16912FPGA_IO19932FPGA_IO17313FPGA_IO20333FPGA_IO17114FPGA_IO20134FPGA_IO17615FPGA_IO20635FPGA_IO17516FPGA_IO20536FPGA_IO18017FPGA_IO20837FPGA_IO17918FPGA_IO20738FPGA_IO18219FPGA_IO/39VCC18120FPGA_IO/40GND表2-12P_ADDA与FPGA的硬件连接注:/表示该插针没有任何信号。15 扩展接口(P_FPGA)FPGA引脚P_FPGA引脚信号说明FPGA引脚P_FPGA引脚信号说明1501FPGA
20、_IO1398FPGA_IO/2VCC1459FPGA_IO1493FPGA_IO14110FPGA_IO/4GND14411FPGA_IO1475FPGA_IO14212FPGA_IO1516FPGA_IO14313FPGA_IO1467FPGA_IO15214FPGA_IO表2-13P_FPGA与FPGA的硬件连接16 测频引脚(P1)P1插针上边为FPGA的P132引脚,可接入外部的时钟频率以完成等精度频率计的测量实验。下边为FPGA的P160引脚。17 P2P2插针上边为FPGA的P193引脚,下边为GND。18 单片机复位按键(K5)K5为单片机U3(AT89S8253)的复位按键。
21、19 接口(P_MCU)P_MCU为单片机的I/O口,硬件连接见表2-14。单片机引脚P_MCU引脚单片机引脚电源/地P_MCU引脚P1.01/VCC2P1.13/GND4P1.25P3.5/6P1.37P3.4/8P1.49P3.3/10P1.511P3.2/12P1.613P1.7/14表2-14P_MCU与单片机的I/O口硬件连接20 单片机编程接口(MCU_DLOAD)21 LED1管脚FPGA引脚LED131A,B,C,D,E,F,G301514三、使用注意事项:用户在使用开发板时请严格遵照下述说明:1 严禁用手直接接触开发板上的芯片管脚,避免静电危害。2 最好使用原配电源适配器,如
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