FPGA应用开发实验指南：从基础到SOPC系统

"FPGA应用开发实验指导书-学生版本new.pdf" 这是一份针对FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）应用开发的实验指导书，适合学生学习使用。书中详细介绍了多个实验，涵盖了从基础的Quartus II软件操作到复杂的SOPC（System on a Programmable Chip，可编程片上系统）系统开发。以下是各实验的核心知识点： **实验一：Quartus软件操作** 1. **QuartusII的文本编辑输入法**：学习如何使用Quartus II进行文本编辑，即基于硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编写设计代码。 2. **QuartusII的图形编辑输入法**：介绍通过图形界面设计电路的方法，包括原理图捕获和状态机编辑。 **实验二：简单的组合逻辑电路设计** 1. **四舍五入判别电路**：设计一个电路用于处理数字的四舍五入操作。 2. **控灯电路**：控制LED灯的亮灭，理解基本的逻辑门和组合逻辑。 3. **优先权排队电路**：实现不同输入信号的优先级判断。 **实验三：显示译码电路** 1. **数字循环显示**：设计电路实现数字的循环滚动显示。 2. **字母循环显示电路**：扩展到字母的显示，涉及字符编码和译码。 **实验四：BCD码加法电路** 1. **二进制码到BCD码的转换**：学习二进制到BCD（Binary-Coded Decimal，二进制编码的十进制）的转换逻辑。 2. **1位BCD加法器**：构建一个能处理BCD码的加法运算单元。 3. **2位BCD加法器**：进一步扩展到两数的BCD加法。 **实验五：分频器** 1. **偶数倍分频**：设计分频电路，使输出频率为输入频率的偶数倍。 2. **奇数倍分频**：实现分频为输入频率的奇数倍。 3. **嵌入式锁相环宏功能模块的使用**：利用锁相环技术实现高精度分频。 **实验六：触发器与计数器** 1. **触发器功能的模拟实现**：理解和使用不同类型的触发器（如D触发器、JK触发器等）。 2. **计数器**：设计各种计数模式（如二进制、十进制、模N计数器）的电路。 3. **时钟电路**：理解时钟信号在数字系统中的重要性并设计时钟分发电路。 **实验七：存储器的设计** 1. **用LPM实现32×8RAM**：使用LPM（Logic Macro Cell，逻辑宏单元）库创建固定大小的RAM。 2. **用VHDL实现**：用硬件描述语言VHDL自定义RAM结构。 3. **用片外RAM实现**：连接外部SRAM或DRAM，扩展FPGA内部存储能力。 4. **SRAM的应用**：探讨静态RAM（SRAM）在高速缓存或其他需要快速访问的应用场景。 **实验八：波形发生器设计** 1. **加入计数器元件**：利用计数器产生不同频率的波形。 2. **建立存储器初值设定文件**：设置存储器的初始值以生成特定波形。 3. **加入只读存储器ROM元件**：使用ROM存储预定义的波形数据。 4. **编辑和编译顶层设计文件**：完成整个系统的设计和验证。 **实验九：交通灯设计** 1. **设计原理**：基于现实世界交通规则设计红绿灯控制器。 2. **部分程序**：展示部分关键代码实现。 3. **具体设计步骤**：详细说明从需求分析到实现的步骤。 **实验十：基于DE2的SOPC系统开发** 1. **建立一个新的SOPC系统**：在FPGA中构建嵌入式处理器系统。 2. **在SOPCBuilder中定义目标系统**：配置处理器、外设和总线架构。 3. **分配基地址和中断请求优先级**：管理硬件资源的地址空间和中断处理。 4. **显示外设的连接关系**：可视化系统组件间的连接。 5. **指定其他的NiosII设定**：优化Nios II嵌入式处理器的配置。 6. **生成SOPCBuilder目标系统**：完成系统集成并生成配置文件。 7. **将目标集成到Quartus项目中**：将SOPC系统整合到Quartus工程中。 8. **下载硬件设计到目标FPGA**：通过JTAG接口下载设计到DE2开发板上的FPGA。 9. **使用NiosII IDE开发软件**：编写和调试运行在Nios II处理器上的软件。 这份实验指导书全面地覆盖了FPGA开发的各个方面，从基础的逻辑电路设计到复杂的嵌入式系统构建，是学习FPGA技术的宝贵资料。通过这些实验，学生能够掌握FPGA开发的基本流程，提升硬件描述语言编程技能，并理解数字系统设计的核心概念。