基于FPGA的SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與典型實(shí)例

前言

　　基于FPGA的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)是21世紀(jì)電子應(yīng)用工程師必備的基本技能之一，而基于FPGA的SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)是當(dāng)前電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最前沿的技術(shù)之一。Altera公司、Xilinx公司、Lattis公司、QuickLogic公司等全球最重要的FPGA及EDA公司都分別推出SOPC系統(tǒng)解決方案。SOC設(shè)計(jì)技術(shù)將是2l世紀(jì)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，是現(xiàn)在高校和社會(huì)嵌入式培訓(xùn)班必需的內(nèi)容和亮點(diǎn)?！　OPC設(shè)計(jì)具體包括以32位Nios II為核心的嵌入式系統(tǒng)的硬件配置、硬件設(shè)計(jì)、硬件仿真、軟件設(shè)計(jì)以及軟件調(diào)試等。SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本軟件工具包括：　　·Quartus II：用于完成Nios II系統(tǒng)的綜合、硬件優(yōu)化、適配、編程下載以及硬件系統(tǒng)　　調(diào)試等；　　·SOPC Builder：是Altera Nios II嵌入式處理器開(kāi)發(fā)軟件包，用于實(shí)現(xiàn)Nios II系統(tǒng)的配　　置、生成；　　·ModelSim：用于對(duì)SOPC生成的NiosⅡ系統(tǒng)的HDL描述進(jìn)行系統(tǒng)功能仿真；　　·Nios II IDE：用于進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)、調(diào)試以及向目標(biāo)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行Flash下載?！　∧壳笆袌?chǎng)上同類的SOPC書比較少，而且清一色地介紹編程語(yǔ)言和基礎(chǔ)原理，對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)細(xì)節(jié)和實(shí)際工程案例涉及甚微，與SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)在的蓬勃發(fā)展與大量應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不符。本書的出版正可以填補(bǔ)這種空白。本書將以實(shí)用和應(yīng)用為基本原則，根據(jù)作者多年積累的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)講練結(jié)合、循序漸進(jìn)的形式來(lái)講解，便于讀者牢固深入學(xué)習(xí)，快速入門與提高。

內(nèi)容概要

　　基于FPGA的SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)是當(dāng)前電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最前沿的技術(shù)之一。全書通過(guò)核心技術(shù)與典型實(shí)例的形式，全面系統(tǒng)、深入淺出地介紹了基于FPGA的嵌入式SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例。全書共分14章，第1～3章簡(jiǎn)要介紹了FPGA硬件結(jié)構(gòu)知識(shí)、Verilog HDL編程基礎(chǔ)、FPGA常用開(kāi)發(fā)工具，引導(dǎo)讀者入門；第4～7章重點(diǎn)對(duì)嵌入式SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致闡述，內(nèi)容包括：SOPC硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、SOPC軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、Avalon總線規(guī)范、Nios II外圍設(shè)備及其編程；第8～14章通過(guò)7個(gè)典型實(shí)例，對(duì)基于FPGA的嵌入式SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行實(shí)際演練，具體包括：七段數(shù)碼管時(shí)鐘顯示實(shí)例、串口通信DMA傳輸實(shí)例、LED燈控PWM IP核的設(shè)計(jì)實(shí)例、通用TFT-LCD控制器及PS2鼠標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)例、對(duì)對(duì)碰游戲設(shè)計(jì)實(shí)例、GPS信息接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例以及基于Nios II的I2C總線傳輸應(yīng)用設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)這些例子的學(xué)習(xí)，讀者設(shè)計(jì)的能力將迅速提升，產(chǎn)生質(zhì)的飛躍?！　”緯Z(yǔ)言通俗，結(jié)構(gòu)清晰，基礎(chǔ)知識(shí)和大量工程實(shí)例結(jié)合，實(shí)踐性強(qiáng)。不但詳細(xì)介紹了基于FPGA的嵌入式SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的構(gòu)架與軟硬件編程，同時(shí)提供了應(yīng)用設(shè)計(jì)思路與方案，對(duì)實(shí)例的所有程序代碼做了詳細(xì)注釋，利于讀者理解和鞏固知識(shí)點(diǎn)?！　”緯溆泄獗P一張，包含了全書所有實(shí)例的硬件原理圖和程序源代碼，方便讀者學(xué)習(xí)和使用。本書適合計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、電子及硬件等相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生，以及從事FPGA開(kāi)發(fā)的科研人員使用。

書籍目錄

第一篇 FPGA基礎(chǔ)第1章 FPGA硬件結(jié)構(gòu)知識(shí)1.1 CPLD/FPGA概述1.1.1 CPLD/FPGA的特點(diǎn)1.1.2 CPLD/FPGA的發(fā)展方向1.1.3 CPLD/FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域1.2 FPGA體系結(jié)構(gòu)1.2.1 FPGA基本結(jié)構(gòu)1.2.2 FPGA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.2.3 FPGA的編程工藝1.3 FPGA常用芯片與選用1.3.1 FPGA常用芯片1.3.2 FPGA器件的選用1.4 本章小結(jié)第2章 VerilogHDL語(yǔ)言編程基礎(chǔ)2.1 VerilogHDL語(yǔ)言特點(diǎn)2.2 VerilogHDL程序的基本結(jié)構(gòu)2.2.1 模塊2.2.2 模塊調(diào)用2.3 程序格式2.4 注釋與間隔符2.5 數(shù)值2.6 字符串2.7 標(biāo)識(shí)符2.8 系統(tǒng)任務(wù)和函數(shù)2.9 編譯指令2.10 數(shù)據(jù)類型2.10.1 線網(wǎng)（Net）和變量（Variable）2.10.2 標(biāo)量（Scalar）與矢量（Vector）2.10.3 線網(wǎng)（Net）數(shù)據(jù)類型2.10.4 變量（Variable）數(shù)據(jù)類型2.10.5 數(shù)組（Array）類型2.10.6 參數(shù)2.10.7 名字空間2.11 表達(dá)式2.11.1 操作符2.11.2 操作數(shù)2.11.3 延遲表達(dá)式2.11.4 表達(dá)式的位寬2.11.5 有符號(hào)表達(dá)式2.12 本章小結(jié)第3章 FPGA常用開(kāi)發(fā)工具3.1 硬件開(kāi)發(fā)工具QuartusⅡ3.1.1 QuartusⅡ簡(jiǎn)介3.1.2 QuartusⅡ設(shè)計(jì)流程3.1.3 QuartusⅡ設(shè)計(jì)方法3.1.4 QuartusⅡ功能詳解3.1.5 時(shí)序約束與分析3.1.6 設(shè)計(jì)優(yōu)化3.1.7 SignalTapⅡ3.2 ModelSim開(kāi)發(fā)工具3.2.1 ModelSim簡(jiǎn)介3.2.2 基本仿真步驟3.2.3 ModelSim各界面介紹3.2.4 ModelSim調(diào)試功能3.3 本章小結(jié)第二篇 SOPC入門第4章 SOPC硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)4.1 SOPC系統(tǒng)特點(diǎn)與開(kāi)發(fā)流程4.2 SOPCBuilder硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹4.2.1 SOPCBuilder功能4.2.2 SOPCBuilder組成4.2.3 SOPCBuilder中包含的組件4.3 使用SOPCBuilder創(chuàng)建NiosⅡ系統(tǒng)模塊4.3.1 創(chuàng)建QuartusⅡ 工程4.3.2 啟動(dòng)并配置SOPCBuilder4.3.3 添加CPU及外設(shè)IP模塊4.3.4 生成NiosⅡ 系統(tǒng)4.4 集成NiosⅡ 系統(tǒng)到QuartusⅡ工程4.4.1 創(chuàng)建包含NiosⅡ 系統(tǒng)的QuartusⅡ頂層模塊4.4.2 FPGA引腳分配及其他設(shè)置4.4.3 QuartusⅡ 工程的編譯并下載4.5 本章小結(jié)第5章 SOPC軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)5.1 NiosⅡ 處理器結(jié)構(gòu)5.1.1 NiosⅡ 處理器概述5.1.2 編程模型5.1.3 JTAG調(diào)試模塊5.2 NiosⅡ 指令系統(tǒng)介紹5.2.1 NiosⅡ 處理器的指令集5.2.2 NiosⅡ 定制指令介紹5.2.3 定制指令實(shí)現(xiàn)方式5.2.4 定制指令設(shè)計(jì)實(shí)例——前導(dǎo)0檢測(cè)器5.3 NiosⅡ IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境5.3.1 NiosⅡ IDE簡(jiǎn)介5.3.2 HAL系統(tǒng)庫(kù)5.3.3 RTOS和TCP/IP協(xié)議棧5.4 使用NiosⅡ IDE建立應(yīng)用程序5.4.1 創(chuàng)建C/C++工程5.4.2 配置工程的系統(tǒng)屬性5.4.3 編譯及運(yùn)行工程5.4.4 調(diào)試模式5.5 使用FlashProgrammer下載5.5.1 定制目標(biāo)板5.5.2 FlashProgrammer配置及下載5.6 本章小結(jié)第6章 Avalon總線規(guī)范6.1 Avalon總線概述6.1.1 Avalon總線的特點(diǎn)6.1.2 術(shù)語(yǔ)和概念6.2 Avalon總線信號(hào)6.2.1 Avalon信號(hào)類型列表6.2.2 Avalon信號(hào)時(shí)序6.2.3 Avalon總線傳輸特性6.3 Avalon從端口傳輸6.3.1 Avalon從端口信號(hào)介紹6.3.2 Avalon從端口讀傳輸6.3.3 Avalon從端口寫傳輸6.4 Avalon主端口傳輸6.4.1 Avalon主端口模塊介紹6.4.2 Avalon主端口讀傳輸6.4.3 Avalon主端口寫傳輸6.5 Avalon流水線傳輸模式6.5.1 具有固定延遲的從端口流水線讀傳輸6.5.2 具有可變延遲的從端口流水線讀傳輸6.5.3 主端口流水線讀傳輸6.6 Avalon流傳輸模式6.6.1 流模式從端口傳輸6.6.2 流模式主端口傳輸6.7 Avalon三態(tài)傳輸6.7.1 三態(tài)從端口傳輸6.7.2 三態(tài)主端口傳輸6.8 Avalon突發(fā)傳輸6.8.1 主端口突發(fā)傳輸6.8.2 從端口突發(fā)傳輸6.9 與傳輸無(wú)關(guān)的信號(hào)6.9.1 中斷請(qǐng)求信號(hào)6.9.2 復(fù)位控制信號(hào)6.10 Avalon總線地址對(duì)齊方式6.10.1 本地地址對(duì)齊6.10.2 動(dòng)態(tài)地址對(duì)齊6.11 本章小結(jié)第7章 NiosⅡ 外圍設(shè)備及其編程7.1 并行輸入/輸出（PIO）7.1.1 功能描述7.1.2 配置選項(xiàng)7.1.3 寄存器描述與中斷7.1.4 軟件編程模型7.2 通用異步收發(fā)器（UART）7.2.1 功能描述7.2.2 配置選項(xiàng)7.2.3 寄存器描述與中斷7.2.4 軟件編程模型7.3 定時(shí)器（Timer）7.3.1 功能描述7.3.2 配置選項(xiàng)7.3.3 寄存器描述與中斷7.3.4 軟件編程模型7.4 JTAGUART7.4.1 功能描述7.4.2 配置選項(xiàng)7.4.3 寄存器描述與中斷7.4.4 軟件編程模型7.5 SDRAM控制器7.5.1 功能描述7.5.2 配置選項(xiàng)7.5.3 SDRAM控制器配置實(shí)例7.5.4 軟件編程模型7.6 CFI控制器7.6.1 功能描述7.6.2 配置選項(xiàng)7.6.3 軟件編程模型7.7 EPCS設(shè)備控制器7.7.1 功能描述7.7.2 配置選項(xiàng)7.7.3 軟件編程模型7.8 DMA控制器7.8.1 功能描述7.8.2 配置選項(xiàng)7.8.3 寄存器描述與中斷7.8.4 軟件編程模型7.9 系統(tǒng)ID7.9.1 功能描述7.9.2 配置選項(xiàng)7.9.3 軟件編程模型7.10 SPI7.10.1 功能描述7.10.2 配置選項(xiàng)7.10.3 寄存器描述7.10.4 軟件編程模型7.11 本章小結(jié)第三篇 應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)第8章 基于FPGA的SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例1——七段數(shù)碼管時(shí)鐘顯示實(shí)例8.1 實(shí)例內(nèi)容說(shuō)明8.2 設(shè)計(jì)思路分析8.3 硬件設(shè)計(jì)8.4 軟件設(shè)計(jì)與程序代碼8.5 實(shí)例小結(jié)第9章 基于FPGA的SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例2——串口通信DMA傳輸實(shí)例9.1 實(shí)例內(nèi)容說(shuō)明9.2 設(shè)計(jì)思路分析9.3 硬件設(shè)計(jì)9.4 軟件設(shè)計(jì)與程序代碼9.4.1 NiosⅡ HAL中與DMA設(shè)計(jì)相關(guān)的API函數(shù)9.4.2 軟件部分的設(shè)計(jì)9.5 實(shí)例小結(jié)第10章 基于FPGA的SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例3——LED燈控PWMIP核設(shè)計(jì)10.1 實(shí)例內(nèi)容說(shuō)明10.2 設(shè)計(jì)思路分析10.3 硬件設(shè)計(jì)10.4 軟件設(shè)計(jì)與程序代碼10.5 實(shí)例小結(jié)第11章 基于FPGA的SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例4——通用TFT-LCD控制器及PS2鼠標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)例11.1 實(shí)例內(nèi)容說(shuō)明11.2 設(shè)計(jì)思路分析11.3 硬件設(shè)計(jì)11.4 軟件設(shè)計(jì)與程序代碼11.5 實(shí)例小結(jié)第12章 基于FPGA的SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例5——對(duì)對(duì)碰游戲12.1 實(shí)例內(nèi)容說(shuō)明12.2 設(shè)計(jì)思路分析12.3 硬件設(shè)計(jì)12.4 軟件設(shè)計(jì)與程序代碼12.5 實(shí)例小結(jié)第13章 基于FPGA的SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例6——GPS信息接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)13.1 實(shí)例內(nèi)容說(shuō)明13.2 設(shè)計(jì)思路分析13.3 硬件設(shè)計(jì)13.4 軟件設(shè)計(jì)與程序代碼13.5 實(shí)例小結(jié)第14章 基于FPGA的SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例7——基于NiosⅡ的I2C總線傳輸應(yīng)用設(shè)計(jì)14.1 實(shí)例內(nèi)容說(shuō)明14.2 設(shè)計(jì)思路分析14.3 I2C總線介紹14.3.1 I2C總線特點(diǎn)14.3.2 I2C總線工作原理14.4 AT24C02芯片介紹14.4.1 AT24C02概述14.4.2 AT24C02讀寫時(shí)序14.5 SOPC系統(tǒng)的創(chuàng)建14.6 軟件設(shè)計(jì)與程序代碼14.7 實(shí)例小結(jié)附錄A NiosⅡ HAL中與PIO設(shè)計(jì)相關(guān)的API函數(shù)

章節(jié)摘錄

　　第一篇 FPGA基礎(chǔ)　　第1章 FPGA硬件結(jié)構(gòu)知識(shí)　　隨著信息技術(shù)革命和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，可編程邏輯技術(shù)已發(fā)展成一門關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)，而FPGA在工業(yè)界也已被廣泛的應(yīng)用。本書第1章，將首先介紹FPGA硬件結(jié)構(gòu)知識(shí)?！　?.1 CPLD/FPGA概述　　CPLD是復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programable Logic Device）的簡(jiǎn)稱，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programable Gage Array）的簡(jiǎn)稱，兩者的功能基本相同，只是實(shí)現(xiàn)原理略有不同，所以有時(shí)可以忽略這兩者的區(qū)別，統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或CPLD/FPGA。　　CPLD最早由Altera公司推出即MAX系列，多為Flash、EEPROM架構(gòu)或乘積項(xiàng)（Product Term）架構(gòu)，需外接配置用的EPROM下載。由于Altera的FLEX/ACEX/APEX系列也是ARAM架構(gòu)，所以通常把Altera的FELX/ACEX/APEX系列芯片也叫做FPGA。

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　　語(yǔ)言通俗，結(jié)構(gòu)清晰，基礎(chǔ)知識(shí)和大量工程實(shí)例結(jié)合，實(shí)踐性強(qiáng)。不但詳細(xì)介紹了基于FPGA的嵌入式SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的構(gòu)架與軟硬件編程，同時(shí)提供了應(yīng)用設(shè)計(jì)思路與方案，對(duì)實(shí)例的所有程序代碼做了詳細(xì)注釋，利于讀者理解和鞏固知識(shí)點(diǎn)?！　　痘贔PGA的SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與典型實(shí)例》配有光盤一張，包含了全書所有實(shí)例的硬件原理圖和程序源代碼，方便讀者學(xué)習(xí)和使用?！痘贔PGA的SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與典型實(shí)例》適合計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、電子及硬件等相關(guān)專業(yè)的大學(xué)生，以及從事FPGA開(kāi)發(fā)的科研人員使用。

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