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1、1FPGA教学实验板说明书西安邮电学院计算机系电子科学信息与技术实验室2009-10-292FPGA教学实验板说明书Altera公司 FLEX 10K系列 FPGA芯片,具有高密度，低成本，低功耗的特点，属于查找表型逻辑单元结构，其不仅具有实现普通逻辑功能的逻辑阵列，而且具有实现“宏函数”的嵌入式阵列，因而可以实现高效存储器和特殊的逻辑功能.本系统选用 EPF10K10作为系统核心，外部辅以单片机AT89C51，串行数模转换器 TLC5615，串行模数转换器 ADC0832等构成 FPGA教学实验板硬件电路，能够提供 VerilogHDL和 FPGA设计两门课程教学实验的验证，内容包括：键盘扫
2、描，数码管和 LCD显示，LED指示，单片机，蜂呜器，I 2C总线接口器件，外部扩展等，还可以用于课程设计或者毕业设计等实验。系统基本组成如图-1 所示。3ALTERA EPF10K10接口显示电路按键输入D/A、A/D 电路步进电机电源蜂呜器电路EDA 实验开发装置C51 单片机并口下载线PC机并口扩展串口I2C器件图-1现将各部分分述如下：1.EPF10K10芯片简介及扩展端口说明 （1）FLEX 10K系列芯片简介EPF10K10属于Altera公司FLEX 10K系列FPGA芯片,内部结构灵活，内嵌存储块，属于查找表型逻辑单元结构，FLEX 10K是工业界第一个嵌入式的PLDs，具有高
3、密度，低成本，低功耗的特点。FLEX 10K把连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合，同时又兼收并储了众多可编程逻辑器件的优点来完成普通门阵列的宏功能。FLEX 10K器件的嵌入式阵列和逻辑阵列能够让设计人员轻松地开发出集存储器、数字信号处理器及特殊逻辑等强大功能于一体的芯片。Altera FLEX 10K系列主流器件如表1所示。FPGA FLEX 10K系列主流器件4器 件 管脚/封装选择 I/O脚 电压供应 速度等级 逻辑单元 门数 RAM BITSEPF10K10 84PLCC，144TQFP，208PQFP 59，102，134 5.0V-3，-4576 10000 6144E
4、PF10K10A100TQFP，144TQFP，208PQFP，256BGA66，102，134，1503.3V-1，-2，-3576 10000 6144EPF10K20 144TQFP，208PQFP，240PQFP 102，147，189 5.0V-3，-41152 20000 12288EPF10K30/E144TQFP，208PQFP，256BGA，484BGA102，147，176，2202.5V，5.0V-1，-2，-31728 30000 24576EPF10K50（V）144TQFP，208PQFP，240OQFP，256BGA，356BGA，484BGA102，147，18
5、9，191，256，2543.3V，5.0V-1，-2，-32880 50000 40960EPF10K70 240PQFP 189 5.0V-3，-43744 70000 18432EPF10K100A/E208PQFP，240PQFP，256BGA，356BGA，484BGA147，189，191，274，3382.5V，3.3V-1，-2，-34992 100000 49152EPF10K130E240PQFP，356BGA，484BGA，600BGA，672BGA186，274，369，426，4132.5V-1，-2，-36656 130000 65536EPF10K200E240P
6、QFP，356BGA，484BGA，600BGA，672BGA182，274，470，470，4702.5V-1，-2，-39984 200000 98304表1FLEX10K 系列器件具有以下特性：高密度阵列嵌入式编程逻辑器件系列；0.5mCMOS SRAM 工艺制造；在电路可配置；所有 I/O端口有输入/输出寄存器；快速有效地实现特大规模电路，包括存储5器、DSP、专用算术逻辑、微处理器和微控制器等；专用进位链路，可实现快速加法器和计数器功能；专用级联链路，有效地实现高速多输入功能；内部三态总线，支持系统集成；支持多时钟系统的低时滞要求；具有 JTAG 边界扫描测试内建电路；3.3V 或
7、5.0V 工作模式；由 Altera 公司的 MAX+PLUS 开发系统提供软件支持；具有84 到 562 引脚的多种封装选择。FLEX10K 系列器件根据规模的大小可分为EPF10K10、EPF10K20、EPF10K30、EPF10K40、EPF10K50、EPF10K70、EPF10K100 等系列，其中 EPF10K10 系列具有 10000 个典型门、7000-31000 个可用门，576 个逻辑门，720 个触发器，最大用户I/O 为 150，同时内嵌了可在不降低逻辑功能的情况下应用的40960bit 的 RAM（每个 EBA 有 2048 位） 。并且支持多电压接口，同时内置 J
8、TAG 边界扫描测试电路。（2）EPF10K10芯片扩展端口说明 EPF10K10 的 20 和 21 号 IO 口分别接在 MAX232 的 10 号和 9号管脚上用来完成串口通信的功能。38、39、4144 和 46 及 47 号IO 口与 8 段拨码开关相连用来构成 EPF10K10 的一组手动输入。EPF10K10 的 12 插外接扩展的管脚对应如表2, EPF10K10 的 14 外接扩展的管脚对应如表3 所示。12插外接扩展端口说明 EPF10K10管脚 管脚说明扩展端口编号EPF10K10管脚 管脚说明扩展端口编号14 INT-DONE 1 14 GND 76表214插外接扩展端
9、口说明表32EPF10K10 芯片配置器件工作期间，FLEX10K 器件将配置数据保存在 SRAM中。因为 SRAM数据是易丢失的，SRAM 单元必须在器件加电后装入配置数据。当 FLEX10K器件完成配置后，它的存储器和 I/O引脚必须被初始化，初始化后，器件进入用户模式，开始系统运行。对于FLEX10K系列器件，Altera 公司提供了四种配置方案：EPC1 配置法、被动串行法、被动并行同步法、被动并行异步法。这四种配置方案可通过将 FLEX10K器件的引脚 MSEL1和 MSEL0设置为不同的高电平和低电平进行选取，见表4。FLEX10K系列器件的四种配置方案MSEL1 MSEL0 配置
10、方案GND GND EPC1配置或被动串行配置11 RDY-nBSY 2 7 CLKUSR 8141 nRS 3 128 DEV-OE 9142 nWS 4 55 GCLK1 1055 CS 5 122 DEV-nCLR 113 nCS 6 GND 12EPF10K10管脚 管脚说明扩展端口编号EPF10K10管脚 管脚说明扩展端口编号109 D1 1 GND 8110 D2 2 54 IN0 9111 D3 3 124 IN1 10112 D4 4 56 IN2 11113 D5 5 126 IN3 12114 D6 6 19 IO1 13116 D7 7 GND 147VCC GND 被动
11、并行同步配置VCC VCC 被动并行异步配置表4EPF1OK10配置文件大小：器件 配置数据大小（Bits）配置文件大小（Kbytes）EPF1OK10 118，000 15表5注：配置文件大小由.rbf 文件决定。（1）本实验板可以采用 Altera公司专用配置芯片 EPC1进行配置，由于其采用不可檫除型 EEPROM故在实验中我们一般不使用,现给出 EPC1接口说明如表6 所示。EPC1接口说明EPC1管脚号 管脚说明 EPF10K10管脚1 DATA I/O (108)2 DCLK DCLK (107)3 OE (35)nSTAU4 nCS CONF_DONE (2)表6（ 2） 同 时
12、 由 于 EPF10K10 具 有 JTAG（ Joint Text Action Group:联 合 测 试 行 动 小 组 ） 接 口 ， 我 们 也 可 以 使 用 该接 口 对 EPF10K10 进 行 在 线 配 置 ， 本 实 验 板 我 们 主 要 采 用该 接 口 对 EPF10K10 进 行 在 线 配 置 。使 用 EPF10K10 芯 片 一 个 特 别 突 出 的 优 点 就 是 ： 该 芯 片 可 以 通过 在 线 配 置 的 方 式 来 调 整 电 路 结 构 、 延 时 信 息 等 ， 这 给 电 路 设计 人 员 调 试 电 路 带 来 极 大 的 方 便 。
13、而 并 口 下 载 电 缆8ByteBlaster 正 是 将 PC 机 中 的 配 置 信 息 传 送 到 PCB 板EPF10K10 芯 片 中 必 不 可 少 的 器 件 。ByteBlaster 下 载 电 缆 组 成 部 分 有 ： 与 PC 机 并 口 相 连的 25 针 插 座 头 、 与 PCB 板 插 座 相 连 的 10 针 插 头 和 25 针到 10 针 的 变 换 电 路 。 在 不 同 的 配 置 模 式 下 ， 25 针 插 头 和 10 针 插 头 都 对 应 有相 应 的 名 称 ， 该 装 置 采 用 JTAG 模 式 配 置 ， 10 针 对 应 针 的名
14、 称 如 表 7 所 示 ， 25 针 连 接 线 对 应 名 称 如 表 8 所 示 。并 口 下 载 电 缆 ByteBlasterMV原理图见图2。JTAG模式下ByteBlaster 10针接口信号名称接口引脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10名称 TCK GND TDO VCC TMS 空 空 空 TDI GNDEPF10K10引脚号 1 4 34 105表7JTAG 模式下 ByteBlaster的 25针连接线名称引脚号 2 3 8 11 15 1825名称 TCK TMS TDI TDO VCC GND表8ByteBlasterMV原理图：9图23. 单片机部分在本实
15、验板中我们选用美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机AT89C51单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，元件10如图-3所示。 单片机的P1.0P1.5接在条形拨码开关SWDIP-5上用于配置P1口，P1.5P1.7接在三态D型锁存器的Q0、D1和Q2管脚上后与DB25接口相联。P2.0和P2.1接在36和37号I/O口上。ALE/ 管脚接在PROGEPF10K10的管脚号为8的I/O口上，外部访问允许端口 /VPP
16、接在3EA口插接件上。P3.0/RXD，P3.1/TXD分别接在MAX232的12号和11号管脚上，通过MAX232的电平转换作用完成与计算机的通信。P3.2/ ，P3.3/ 分别与EPF10K10的12，13号I/O口相连。0INT1ITP3.4/T0 和P3.5/T1管脚接在17、18号I/O口上，P3.6 / 和P3.7 /WR接在9、10号I/O口上。P0 口(P0.0P0.7)是一个8 位漏极开路RD双向输入输出端口，P0.0 P0.7 接在EPF10K10的2633号管脚上。综上，AT89C51管脚连接可归为表9，AT89C51的20插扩展如表10所示，10插扩展如表11所示。AT89C51管脚连接管脚编号 管脚说明 所连芯片端口编号连接芯片P2.0 准双向并行I/O 口36P2.1 准双向并行I/O 口3730 ALE/PROG8P3.2 0INT12P3.3 113P3.4 T0 17P3.5 T1 18E
