数字电路与EDA实验（任爱锋）_任爱锋袁晓光_9787560645476

本书基于台湾友晶科技DE0开发板实验平台，介绍了Altera Quartus Ⅱ EDA软件及Nios Ⅱ EDS嵌入式设计软件的基本应用。全书共6章：第1章介绍了台湾友晶科技DE0开发板、硬件描述语言及基本的EDA设计方法及相关工具软件；第2章介绍了基于FPGA的嵌入式开发工具Nios Ⅱ-Eclipse，并给出了详细的设计实例；第3章为EDA初级实验项目及其实现方法；第4章为EDA中级实验项目及其实现方法；第5章为EDA提高实验项目及其实现方法；第6章为EDA实验项目推荐等。

本书对于EDA技术的介绍比较全面，结构安排由浅入深，可作为电子工程、通信工程、自动控制、电子科学与技术、电气信息工程、微电子等专业专科、本科及研究生数字电路与EDA相关课程的实验教材及课程设计的参考书，还可作为电子类设计大赛学生的设计参考书，或相关工程技术人员的参考书。

西安电子科技大学国家电工电子教学基地（国家级教学实验中心）EDA实验室创建于1997年，在创建之初就得到了Altera公司、Xilinx公司等可编程器件厂商的大力支持。为了适应新技术的发展，2006年EDA实验室正式挂牌为西电Altera EDA/SOPC联合实验室及培训中心，EDA实验室的校级选修课高密度在系统可编程技术及应用课程作为电子工程学院所有专业学生的必修课，更名为数字电路与EDA实验。每年有上千名学生在EDA实验室学习FPGA设计技术，有近10位教师负责不同专业学生的授课。经过多年的授课实践及教学讨论，为了进一步规范该课程的教学内容，我们特编写了本书。本书也是学校教材立项重点建设教材。

本书内容编排如下：

第1章介绍了EDA设计的硬件开发平台与开发工具。本书所有设计实例工程都基于台湾友晶科技的DE0开发板，因此本章介绍了DE0开发板的主要资源及Cylcone Ⅲ FPGA。本章还介绍了VHDL和Verilog基本编程结构和语法，Quartus Ⅱ EDA软件的完整设计过程，并给出了一个完整的DDS信号发生器设计实例。ModelSim-Altera仿真工具以及SignalTap Ⅱ嵌入式逻辑分析仪FPGA调试工具也在本章中给出了简单的介绍。第2章介绍了基于FPGA的嵌入式开发工具，包括Qsys系统综合工具，Nios Ⅱ嵌入式软核及其开发软件Nios Ⅱ-Eclipse，最后给出了一个完整的基于Nios Ⅱ控制的DDS信号发生器实例。第3章为EDA初级实验，给出了5个完整的实验设计。第4章为EDA中级实验，给出了2个完整的中级难度实验。第5章为EDA提高实验，给出了3个具有一定难度的设计实验。第6章给出了6个推荐的EDA实验项目，其中只给出了设计要求及简单的设计分析；同时给出了EDA综合设计报告的参考格式，供读者在编写综合设计报告时参考。附录部分给出了VHDL和Verilog编程中常用的逻辑符号，以及台湾友晶科技DE0开发板的FPGA引脚分配表和原理图。本书中DDS设计实例贯穿始终，从最基本的DDS信号产生原理图设计到作为软核Nios Ⅱ处理器外设的Qsys自定制外设控制，读者可以根据实例体会整个Altera EDA工具的设计思想和流程。

任爱锋编写了本书的第1、2、5、6章和附录，并负责统筹全稿；袁晓光编写了第3、4章。西安电子科技大学的孙肖子教授在百忙之中审阅了全书并提出了许多宝贵的建议和修改意见，在此表示诚挚的谢意。此外，实验中心的王爽教授、周佳社教授对本书的编排给予了大力支持和帮助，在此一并表示感谢。

由于编者水平有限，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请读者批评指正。

编者

2017年3月15日

第1章 EDA硬件开发平台与开发工具.......................................................................... 1

1.1 硬件开发平台简介............................................................................................... 1

1.1.1 Cyclone Ⅲ FPGA简介................................................................................. 1

1.1.2 台湾友晶科技DE0 FPGA开发板................................................................... 3

1.1.3 台湾友晶科技DE0开发板的应用................................................................... 4

1.2 硬件描述语言.................................................................................................... 11

1.2.1 VHDL简介.................................................................................................. 12

1.2.2 Verilog HDL关键语法.................................................................................. 18

1.2.3 HDL的编程技术.......................................................................................... 20

1.3 Quartus Ⅱ 13.0 EDA软件应用.......................................................................... 21

1.3.1 创建新工程................................................................................................. 23

1.3.2 建立原理图编辑文件................................................................................... 26

1.3.3 建立文本编辑文件....................................................................................... 40

1.3.4 建立存储器编辑文件................................................................................... 41

1.3.5 设计实例..................................................................................................... 45

1.3.6 项目综合..................................................................................................... 49

1.3.7 Quartus Ⅱ编译器选项设置.......................................................................... 50

1.3.8 引脚分配..................................................................................................... 57

1.3.9 项目编译结果分析....................................................................................... 59

1.3.10 项目程序下载编程..................................................................................... 61

1.4 ModelSim-Altera 10.1d简介................................................................................ 63

1.4.1 ModelSim软件架构..................................................................................... 63

1.4.2 ModelSim软件仿真应用实例....................................................................... 64

1.5 FPGA调试工具SignalTap Ⅱ应用...................................................................... 68

1.5.1 在设计中嵌入SignalTap Ⅱ逻辑分析仪........................................................ 68

1.5.2 使用SignalTap Ⅱ进行编程调试................................................................... 73

1.5.3 查看SignalTap Ⅱ调试波形.......................................................................... 74

第2章基于FPGA的嵌入式开发工具......................................................................... 76

2.1 Qsys系统开发工具............................................................................................. 76

2.1.1 Qsys与SOPC简介....................................................................................... 76

2.1.2 Qsys系统主要界面...................................................................................... 77

2.2 Nios Ⅱ嵌入式软核及开发工具介绍................................................................... 82

2.2.1 Nios Ⅱ嵌入式处理器.................................................................................. 82

2.2.2 Nios Ⅱ嵌入式处理器软硬件开发流程.......................................................... 82

2.3 FPGA嵌入式系统设计实例................................................................................ 84

2.3.1 实例系统软硬件需求分析与设计规划........................................................... 84

2.3.2 实例系统硬件部分设计................................................................................ 86

2.3.3 实例系统Nios Ⅱ嵌入式软件设计.............................................................. 102

第3章 EDA初级实验............................................................................................... 114

3.1 流水灯实验...................................................................................................... 114

3.1.1 实验要求................................................................................................... 114

3.1.2 实验基本要求的设计示例........................................................................... 115

3.2 计时器实验...................................................................................................... 123

3.2.1 实验要求................................................................................................... 123

3.2.2 实验基本要求的设计示例........................................................................... 124

3.3 单稳态触发器实验........................................................................................... 130

3.3.1 实验要求................................................................................................... 130

3.3.2 实验基本要求的设计示例........................................................................... 130

3.4 脉宽调制(PWM)实验........................................................................................ 134

3.4.1 实验要求................................................................................................... 134

3.4.2 实验基本要求的设计示例........................................................................... 135

3.5 直接数字频率合成(DDS)波形发生器实验......................................................... 136

3.5.1 实验要求................................................................................................... 136

3.5.2 实验基本要求的设计示例........................................................................... 136

第4章 EDA中级实验............................................................................................... 141

4.1 呼吸流水灯实验............................................................................................... 141

4.1.1 实验要求................................................................................................... 141

4.1.2 实验基本要求的设计示例......................................................................... 141

4.2 通用异步串行收发(UART)实验......................................................................... 150

4.2.1 实验要求................................................................................................... 150

4.2.2 实验基本要求的设计示例........................................................................... 150

第5章 EDA提高实验............................................................................................... 162

5.1 VGA视频信号产生实验................................................................................... 162

5.1.1 设计原理................................................................................................... 162

5.1.2 VGA同步信号产生.................................................................................... 165

5.1.3 字符的视频显示设计.................................................................................. 169

5.1.4 跳动的矩形块视频显示设计....................................................................... 173

5.2 Qsys用户自定制外设实验................................................................................ 175

5.2.1 Qsys用户自定制元件说明.......................................................................... 175

5.2.2 Qsys自定义资源库组件实例DDS信号产生模块...................................... 178

5.3 PS/2键盘接口的FPGA设计............................................................................. 192

5.3.1 PS/2连接器接口........................................................................................ 192

5.3.2 键盘扫描编码介绍..................................................................................... 192

5.3.3 PS/2串行数据传输..................................................................................... 194

5.3.4 用FPGA实现PS/2键盘接口通信的VHDL设计......................................... 196

5.3.5 PS/2设计实例............................................................................................ 198

第6章 EDA实验项目推荐........................................................................................ 200

6.1 自动售货机控制系统设计................................................................................. 200

6.1.1 设计要求................................................................................................... 200

6.1.2 设计分析................................................................................................... 200

6.2 PS/2键盘接口控制器设计................................................................................ 201

6.2.1 设计要求................................................................................................... 201

6.2.2 设计分析................................................................................................... 201

6.3 VGA图像显示控制系统设计............................................................................ 202

6.3.1 设计要求................................................................................................... 202

6.3.2 设计分析................................................................................................... 202

6.4 基于FPGA的电梯控制系统设计...................................................................... 204

6.4.1 设计要求................................................................................................... 204

6.4.2 设计分析................................................................................................... 204

6.5 洗衣机洗涤控制系统设计................................................................................. 205

6.5.1 设计要求................................................................................................... 205

6.5.2 设计分析................................................................................................... 205

6.6 基于FPGA的多路数据采集系统设计............................................................... 207

6.6.1 设计要求................................................................................................... 207

6.6.2 设计分析................................................................................................... 207

6.7 综合设计报告参考格式.................................................................................... 207

6.7.1 报告封面格式............................................................................................ 207

6.7.2 报告正文格式............................................................................................ 207

6.7.3 报告附录格式............................................................................................ 208

6.7.4 报告的其他部分格式.................................................................................. 208

附录............................................................................................................................ 209

附录1 Verilog HDL中常用运算符.......................................................................... 209

附录2 VHDL中常用运算符................................................................................... 210

附录3 DE0开发板引脚分配表............................................................................... 211

附录4 DE0开发板原理图...................................................................................... 214

参考文献..................................................................................................................... 232

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