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1、2020 4 25 1 电气信息技术FPGA实验讲稿北京航空航天大学电工电子中心2008年10月16日 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 2 电气信息技术实践基础FPGA实验的目的 一 熟悉一款实验设备 KH31001二 学习一种硬件描述语言 VHDL三 掌握一款FPGA Cyclone1C6Q四 熟悉一种集成开发环境 QuartusII 5 0 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 3 数字器件的种类 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 4 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 5 主要PLD厂商 ALTERA是最大可编程逻辑器件供应商之一 开发
2、软件为MaxplusII和QuartusII XILINXFPGA的发明者 开发软件为Foundition和ISE 全球PLD FPGA产品60 以上是由Altera和Xilinx提供的 可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向 LatticeLattice是ISP技术的发明者 ISP技术极大的促进了PLD产品的发展 与ALTERA和XILINX相比 中小规模PLD比较有特色 ACTEL反熔丝 一次性烧写 PLD的领导者 由于反熔丝PLD抗辐射 耐高低温 功耗低 速度快 所以在军品和宇航级上有较大优势 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 6 硬件描述语言 硬件
3、描述语言 HardwareDescriptionLanguage 硬件描述语言的作用 描述硬件的逻辑结构 硬件描述语言的种类 VHDL Verilog等 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 7 实验箱结构框图 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 8 实验箱实物图 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 9 硬件资源 1 电源单元 a 3 3V 3A b 5V 5A c 5V 0 3A d 12V 2A e 12V 0 3A 2 输入单元 a 按钮式正负脉冲 高低电平转换输出 4 b 按钮式触发脉冲 1 c 8bitDIP开关 3 d 0 1 40MHz十组时钟
4、0 1 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 40M 各分别指拨分段选择和按钮设定选择等二组输出 e 4 4矩阵 扫描 键盘 1 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 10 硬件资源 3 输出单元 a LED 32 b 7段 独立 扫描 显示器 8 c 128 64LCD字型及绘图显示器 1 d 8 8点阵彩色显示器 1 e 米字型显示器 1 f 扬声器 8 0 5W 1 4 接口单元 a USB接口 1 b PS 2接口 1 c VGA 1 8X8X8阶彩色 d RS 232 1 5 扩展单元 a 8bitsD A b 8bitsA D c 256KbitsEPR
5、OM d 模拟可编程器件 ispPAC10 20 80 e 单片机 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 11 VHDL工程设计流程图 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 12 VHDL程序设计基本结构和程序设计例子 a b 输入端端口名s 通道选择控制信号输入端端口名y 输出端端口名功能描述 若s 0则y a 若s 1则y b IEEE库使用说明 实体 器件mux21的外部信号接口说明 PORT相当于器件的引脚 结构体 器件mux21的内部工作逻辑描述 即为实体描述的器件功能结构 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 13 进程 进程语句结构 进程标号 PRO
6、CESS 敏感信号参数表 实体名IS 进程说明部分 BEGIN顺序描述语句ENDPROCESS 进程标号 进程的例子ARCHITECUREs modeOFstartISBEGINp1 PROCESSBEGINWAITUNTILclock 等待clock激活进程IF driver 1 THENCASEoutputISWHENs1 output s2WHENs2 output s3WHENs3 output s4WHENs4 output s1ENDCASEENDIF ENDPROCESSp1 ENDARCHITECUREs mode 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 14 CASE
7、语句结构 CASE表达式ISWhen选择值 顺序语句 相当于then When选择值 顺序语句 ENDCASE 使用CASE语句需注意 1条件语句中的选择值必须在表达式的取值范围之内 2CASE语句的每个选择值只能出现一次 3CASE语句执行中必须选中且只能选中所列条件语句中的一条 这表明CASE语句至少包含一个条件语句 4除非条件语句的选择值能够覆盖CASE语句中表达式的值 否则最末一个条件句中的选择必须用 OTHERS 它表明所有条件句中未能列出其他可能的取值 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 15 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 16 CASE语句常见错误
8、SIGNALvalue INTEGERRANGE0TO15SIGNALout1 STD LOGIC CASEvalueIS 缺少以when引导的条件句ENDCASE CASEvalueISWHEN0 out1out1out1out1 0 ENDCASE 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 17 2元件例化语句 元件例化语句由两部分组成 前一部分对一个现成的设计实体定义为一个元件 第二部分则是此元件与当前的设计实体的连接说明 他们的语句格式如下 COMPONENT元件名ISPORT 端口名表 ENDCOMPONENT文件名 例化名 元件名PORTMAP 端口名 连接端口名 例如 程序
9、1LIBRARYIEEE USEIEEE STD LOGIC 1164 ALL ENTITYnd2ISPORT a b INSTD LOGIC c OUTSTD LOGIC ENDnd2 ARCHITECTUREnd2behvOFnd2ISBEGINC aNANDb ENDnd2behv 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 18 程序2 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 19 综合后的结果 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 20 选择信号赋值语句 选择信号赋值语句的语句格式如下 WITH选择表达式SELECT赋值目标信号 表达式WHEN选择值表达式WHE
10、N选择值 表达式WHEN选择值选择信号赋值语句本身不能在进程中应用 其功能却与进程中的CASE语句的功能相似 CASE语句的执行依赖于进程中敏感信号的改变而启动进程 而且要求CASE语句中各子句的条件不能有重叠 必须包含所有的条件 选择信号语句中也有敏感量 即关键词WHEN旁的选择表达式 每当选择表达式的值发生变化时 就将启动此语句对各子句的选择值进行测试对比 当发现有满足条件的子句时 就将此子句表达式中的值赋给赋值目标信号 与CASE语句相类似 选择赋值语句对子句条件选择值的测试具有同期性 不像以上条件信号赋值语句那样是按照子句的书写顺序从上至下逐条测试的 因此 选择赋值语句不允许有条件重叠
11、现象 也不允许存在条件涵盖不全的情况 例如 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 21 WITHseltSELECTMuxout aWHEN0 1 bWHEN2TO5 cWHEN6 dWHEN7 Z WHENOTHERS 上例是一个列出选择条件为不同取值范围的4选1多路选择器 当不满足条件时 输出呈高阻态 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 22 VHDL中状态机的实现 数字电子学中许多过程遵循由一系列时钟脉冲所发起的预先确定的步序 这些过程可由一个单独的时钟输入驱动 在每一个时钟脉冲输入时有一个或多个输出以一种特殊的顺序进行响应 除了时钟触发器 这些过程常常还有其他外部
12、激励对输出状态进行影响 这种可在逻辑系统中执行的事件序列称为状态机 状态机的输出跟随可以预测的时序 受时钟和其他输入激励信号触发 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 23 跑马灯实验 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 24 实验连线和实验操作 输入信号 时钟clk接10Hz输入 SW7 复位rst接拨动开关I01 拨码开关SW3左1 输出信号 8位输出信号接LED模块O25 O32 下载程序 将SW7拨至第二段 10Hz 拨码开关SW3的IO1拨至ON的位置 此时 LED灯的前8位会有规律的闪烁 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 25 跑马灯设计 北京航
13、空航天大学自动化学院 2020 4 25 26 if rst 0 then 系统初始化present 0 elsif clk eventandclk 1 thencasepresentiswhens0 if q1 00000000 then S0模式 从左到右逐个点亮LEDq1 0 q1 00000001 present s1 elseq1 q1 0 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 27 q1 q1 0 例如q1的初值10000000 它将按以下规律变化100000000100000000100000000100000000100000000100000000100000001
14、0 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 28 S1模式 whens1 if count 0111 then S1模式 从右到左逐个点亮LEDcount 0 q1 10000001 present s2 elseq1 q1 6downto0 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 29 S2模式 从两边到中间逐个点亮LED whens2 if count 0011 then S2模式 从两边到中间逐个点亮LEDcount 0 q1 00011000 present s3 elseq1 7downto4 q1 4 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 30 向中间移动
15、 初值10000001q1 7downto4 q1 4 后四位左移10000001010000100010010000011000 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 31 S3模式 从中间到两边逐个点亮LED whens3 if count 0011 then S3模式 从中间到两边逐个点亮LEDcount 0 q1 10000000 present s0 elseq1 7downto4 q1 6downto4 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 32 1格雷码序列器的状态机 状态格雷码S0000S1001S2011S3010S4110S5111S6101S7100 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 33 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 34 参考书目 1北京航空航天大学电工电子中心FPGA实验指导书2EDA先锋工作室吴继华王诚编著人民邮电出版社2005年7月3EDA先锋工作室吴继华王诚编著人民邮电出版社2005年7月4潘松王国栋编著电子科技大学出版社2003年6月5夏宇闻北京航空航天大学出版社2003年7月 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 35 学习网站 1 2 3 4 www cpld 北京航空航天大学自动化学院 2020 4 25 36 谢谢 北京航空航天大学自动化学院
