【DE2开发板新手必看】：FPGA基础实验与项目案例的综合分析


参考资源链接：[DE2：Altera Cyclone II FPGA开发板教程与资源概览](https://wenku.csdn.net/doc/648d666b9aecc961cb03c0bf?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. FPGA基础与DE2开发板简介

FPGA（现场可编程门阵列）作为一种具有可重构特性的半导体设备，近年来在电子设计自动化领域扮演了重要角色。它允许工程师自定义硬件功能，提供了比传统微处理器更高的执行效率和更灵活的配置能力。本章将为读者介绍FPGA的基础知识，并详细探讨DE2开发板的结构和功能。

## 1.1 FPGA简介

FPGA由大量的可配置逻辑块（CLB），可编程输入输出单元（IOB）和内部连线组成。CLB可以实现复杂的逻辑功能，IOB负责与外部电路的接口，而内部连线则负责将这些块相互连接。这些组件在制造完成后，通过编程来确定其功能，使得FPGA具备在系统中进行实时升级和自定义的特性。

## 1.2 DE2开发板概述

DE2开发板是由Altera（现为英特尔旗下公司）开发的一款具有代表性的FPGA开发工具。它搭载了多种丰富的硬件资源，如SRAM、SDRAM、音频和视频接口等，为设计者提供了一个完善的实验平台。DE2还配备了用于编程和调试的软件工具Quartus II，是学习和应用FPGA技术的理想选择。

通过下面章节的详细解读，我们将逐步深入FPGA设计的世界，掌握从理论到实践的关键知识。

# 2. FPGA的数字逻辑设计原理

## 2.1 数字逻辑设计的基础概念

### 2.1.1 逻辑门与布尔代数

数字逻辑设计的基石是逻辑门和布尔代数。逻辑门是构建数字电路的基本单元，它们执行布尔逻辑运算，如AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR和XNOR。布尔代数是一种数学形式，用于逻辑运算和逻辑门的符号表示。

布尔代数有三个基本运算：AND（逻辑乘）、OR（逻辑加）、NOT（逻辑非）。这些运算符可以组合起来表示更复杂的逻辑函数。例如，一个简单的逻辑门电路可以由一个AND门后接一个NOT门来构成一个NAND门，或者一个OR门后接一个NOT门来构成一个NOR门。

布尔代数的规则，如结合律、交换律、分配律和德摩根定律，是设计数字电路和简化逻辑表达式的基础。例如，德摩根定律允许我们将表达式 NOT (A AND B) 转换为 (NOT A) OR (NOT B)，这在优化电路设计时非常有用。

逻辑门和布尔代数的理解对于FPGA设计至关重要，因为它们构成了硬件描述语言（HDL）如Verilog和VHDL编程的基础。在FPGA设计中，设计师会利用这些基本逻辑运算来构建更复杂的系统。

### 2.1.2 组合逻辑与时序逻辑设计

数字逻辑设计中，电路被分为两大类：组合逻辑和时序逻辑。组合逻辑的输出仅依赖于当前输入，没有存储元件，如解码器和算术逻辑单元（ALU）。时序逻辑的输出依赖于当前输入和之前的状态，使用触发器（如D触发器）或锁存器来存储状态。

组合逻辑设计专注于使用逻辑门来实现特定的功能。这种设计的一个关键步骤是生成真值表，这是每个输入组合对应的输出值表。真值表可以转换成逻辑表达式，进而简化为最小项形式或最大项形式，最后通过逻辑门实现。

时序逻辑设计涉及存储元件的使用，这对于构建状态机、计数器和寄存器等电路至关重要。状态机是数字逻辑设计的一个核心概念，它根据当前状态和输入来确定下一步的状态和输出。时序逻辑电路的分析通常涉及状态转移表和状态转移图。

在FPGA设计中，组合逻辑和时序逻辑的实现都通过HDL描述并由综合工具转换为可编程逻辑块。例如，在Verilog中，组合逻辑可能用assign语句描述，而时序逻辑则可能用always块描述，后者通常包含敏感列表来处理时钟信号。

## 2.2 FPGA的硬件描述语言基础

### 2.2.1 Verilog语言入门

Verilog是一种硬件描述语言（HDL），广泛用于FPGA和ASIC设计。它允许设计师通过高级的、类似于编程语言的方式来描述硬件电路的功能和结构。Verilog有清晰的语法和丰富的库，支持模块化设计和代码重用。

Verilog的设计块通常从模块开始定义，这是最基础的设计单元。模块可以包含输入、输出和双向端口，以及内部信号和行为描述。例如：

module my_module(
    input wire clk,    // 时钟信号
    input wire reset,  // 复位信号
    input wire [3:0] in,  // 4位输入向量
    output reg [3:0] out // 4位输出向量
);

// Verilog代码描述硬件行为

endmodule

Verilog不仅支持数据流描述（如组合逻辑），还支持行为描述（如时序逻辑）。数据流描述使用assign语句，行为描述使用always块，后者的执行依赖于敏感列表。例如：

always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) begin
        out <= 0; // 同步复位
    end else begin
        out <= in; // 简单的数据流水线操作
    end
end

在设计中使用Verilog时，需要理解进程和并发性概念。进程由always块表示，其中的语句按顺序执行，但多个always块可以并发执行。并发性是在模拟中设计和测试电路时必须要考虑到的。

### 2.2.2 VHDL语言简介

VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是另一种广泛使用的硬件描述语言，它在1980年代由美国国防部为高速集成电路开发而设计。VHDL与Verilog类似，但语法和设计哲学有所不同。VHDL强调强类型检查和更接近传统编程语言的结构。

VHDL设计单元称为实体（entity），它描述了接口，而结构体（architecture）描述了实体的内部行为。一个简单的VHDL模块定义如下：

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL; -- 使用数字库

entity my_entity is
    Port ( clk : in STD_LOGIC;
           reset : in STD_LOGIC;
           in : in STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);
           out : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0));
end my_entity;

architecture Behavioral of my_entity is
begin
    -- VHDL代码描述硬件行为
    process(clk, reset)
    begin
        if reset = '1' then
            out <= (others => '0');
        elsif rising_edge(clk) then
            out <= in; -- 简单的寄存器传输操作
        end if;
    end process;
end Behavioral;

VHDL通过process块来实现时序逻辑，process块类似于Verilog中的always块。VHDL提供了强大的构造，如信号（signals）和变量（variables），以及并行执行（通过并发语句）和序列执行（通过process块）。VHDL还支持更复杂的结构，如generate语句和子程序。

VHDL的强类型系统对于复杂系统的设计是非常有帮助的，它可以帮助设计师捕捉到一些在设计初期可能忽略的错误。同时，VHDL由于其丰富的库支持，在航空航天和军事领域有广泛的应用。

## 2.3 FPGA设计流程与工具使用

### 2.3.1 Quartus II设计软件概述

Quartus II是一款由Altera（现为Intel旗下公司）开发的FPGA设计软件，它是用于设计和编程Intel FPGA和CPLD的综合工具。Quartus II支持从设计输入到最终编程的整个FPGA设计流程。它包括项目管理、综合、仿真、时序分析和芯片编程等多个步骤。

Quartus II的设计流程从创