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1、前 言主要术语摘要：* EDA（电子设计自动化）：Electronic Design Automation* PLD（可编程逻辑器件）：Programmable Logical Device* CPLD（复杂可编程逻辑器件）：Complex Programmable Logical Device * FPGA（现场可编程门阵列）：Field Programmable Gates Array* SOPC（可编程片上系统）：System On Programmable Chip* ISP（在系统可编程）：In System Programmable * ASIC（专用集成电路）：Applicati
2、on Specific Integrated Circuits* JTAG (边界扫描测试技术)：Join Test Action Group* VHDL (硬件描述语言)：Very high speed IC Hardware Description Language随着电子设计自动化（EDA）技术的不断发展，其含义已经不止局限在当初的类似Protel电路版图的设计自动化概念上,而当今的EDA技术更多的是指芯片内的电路设计自动化。也就是说，开发人员完全可以通过自己的电路设计来定制其芯片内部的电路功能，使之成为设计者自己的专用集成电路（即ASIC）芯片，这就是当今的用户可编程逻辑器件（PLD）
3、技术。可编程器件已有很久的发展历史了，其功能之卓越和成熟已经令当今的电子工程师们赞叹不已，除了它体积小、容量大、I/O口丰富、易编程和加密等优点外，更突出的特点是其芯片的在系统可编程技术。也就是说它不但具有可编程和可再编程的能力，而且只要把器件插在系统内或线路板上，就能对其进行编程或者再编程，这种技术被称为在系统可编程技术，简称ISP技术。ISP技术打破了产品开发时必须先编程后装配的惯例，而可以先装配后编程，成为产品后还可以在系统反复编程。ISP技术使得系统内硬件的功能象软件一样被编程配置，可以说可编程器件真正做到了硬件的“软件化”自动设计，这就是当今的EDA电子设计自动化技术。可以不夸张地说
4、由于可编程器件的出现，传统的（数字）电路设计方法和过程得到了一次革命和飞跃。可编程器件可分为数字可编程器件和模拟可编程器件两类。前者之技术发展已经相当成熟，在大量的电子产品中早已得到了实际应用；后者相对来说发展要晚一些，其现有的芯片功能也比较单一。数字可编程器件按其密度可分为低密度PLD和高密度PLD两种，低密度PLD器件如早期的PAL、GAL等，它们的编程都需要专用的编程器，属半定制ASIC器件；高密度PLD又称复杂可编程逻辑器件，如市场上十分流行的CPLD、FPGA器件，它们属于全定制ASIC芯片，编程时仅需以JTAG方式与计算机并口相连即可。此书将主要以数字可编程逻辑器件（CPLD、FP
5、GA）之设计与应用进行系统描述，有关模拟可编程器件的说明请参考本公司的其他书物。CPLD/FPGA同属于高密度用户可编程逻辑程器件，其芯片门数（容量）等级从几千门几万门、几十万门以上不等，在很大程度上他们具有类似之处，比如其电路设计方法都一样。相比而言，CPLD适合于做各种算法和组合逻辑电路设计，而FPGA更适合完成时序比较多的逻辑电路。由于FPGA芯片采用RAM结构，掉电以后其内部程序将丢失，在形成产品时一般都和其专用程序存储器配合使用。电路设计人员在使用CPLD/FPGA器件进行电路设计时不需过多的考虑它们的区别，因为其电路设计和仿真方法都完全一样，不同之处在于芯片编译适配时生成的下载文件
6、不一样而已；另外，同一价钱的可编程器件，FPGA芯片的门数（容量）要比CPLD芯片的门数（容量）高出好几个数量级。 可编程器件CPLD/FPGA厂商比较众多，如Altera、Lattice、Xilinx、Actel公司等，本公司推出的这套实验系统兼容这几家厂商的CPLD和FPGA芯片。上述几家公司推出的芯均配有功能强大的开发软件，不仅支持多种电路设计方法，如电原理路图、硬件描述语言VHDL等，而且还支持电路仿真和时序分析等功能。有关可编程器件的具体使用在实验系统例程中将详细介绍给读者。 CPLD/FPGA技术发展十分迅速，我们和广大读者一样，也在不断地学习。由于编者水平有限和时间仓促，本指导书
7、中错误和遗漏之处在所难免，衷心希望读者批评指正。 目 录第一部分 实验开发系统概述及使用说明第一章 EDA实验系统第二章 EDA/SOPC实验系统第二部分 实验部分实验一 EDA工具基本操作与应用实验二 计数器设计实验三 串入/并出移位寄存器实现实验四 四人抢答器设计实验五 序列检测器设计实验六 正弦信号发生器设计实验七 数字复接电路设计仿真实验八 DDS信号源的设计实现实验九 交通灯控制器设计实验十 数字钟设计实验十一 出租车计费器设计实验十二 频率计的实现附 录FPGA接口对照表第一部分 实验开发系统概述及使用说明第一章 EDA实验系统一、实验系统概述此系列实验系统针对数字电路设计CPLD
8、/FPGA及模拟电路设计技术有一总体上的概念。其中II、III型均为数字电路设计实验开发系统，IV、V型为数、模混合可编程器件实验开发系统。这些系列设备都能不同程度地满足高校的现代电子技术EDA教学和数字电路及其它相关实验课程的要求。由于可编程器件的设计灵活性，其系统更能满足高校的相关课程设计，毕业设计及大学生电子设计竞赛等。对于程度较高的同学，本系统极其丰富的功能单元和可搭接的灵活性，使他们完全能够做出超出大纲要求的具有复杂性和创造性的综合实验。同时该系统也是从事教学及科研的广大教师和电子工程师的理想开发工具。希望读者能从中得到裨益，并提出宝贵的改进意见。二、配套软件Max+plus II
9、10.0基础版 (商业版见报价单及相关资料说明) 1.运行环境 Win95/98 2.层次化设计 支持 3.原理图输入 支持 4.文本输入支持 5.AHDL输入 支持 6.VHDL输入 支持7.原理图设计宏库 基本库 8.仿真和时序分析 支持9.逻辑综合 支持 10. 硬件编程/下载 支持 11.支持芯片 Max7000全系列（如7000A、7000B、7000E、7000S等）和Max9000系列等Flex6000、8000、10K（如10K系列的10K10、20、30、50、10K100等）、10KE系列等三、系统硬件组成 （一）IV型实验箱结构组成：1 CPLD/FPGA适配器板：标准配
10、置是本公司的EPF10k10或MAX7128接口板。主要负责整个系统与不同公司不同类型的芯片实现通讯，下载接口是数字芯片的下载接口（DIGITAL JTAG），主要用于CPLD/FPGA芯片的数据下载。该适配器板目前我公司提供有Altera、Lattice、Xilinx公司的不同门数的芯片。也可根据客户需求专门订做。 扫描驱动类接口：1） 8位八段数码管显示输出系统的显示采用8位8段共阴极数码管（高电平有效），所对应的接口序号为： 8位段驱动接口：a、b、c、d、e、f、g、Dp；8位位驱动采用3-8译码产生，对应的接口为：SEL0SEL2，悬空为高电平，其具体的对应关系如下表所示：LED数码
11、管显示接口及对应的显示状态接口序号数码管SEL2SEL1SEL0状态111第1位亮110第2位亮101第3位亮100第4位亮011第5位亮010第6位亮001第7位亮0xX第8位亮2）48键盘输入本矩阵键盘为48键盘，其接口电路原理图如图Y-5所示，I/O口分别为KIN0、KIN1、KIN2、KIN3、SEL0、SEL1、SEL2，其中SEL0、SEL1、SEL2位于1616点阵区。3）1616位发光二极管（LED）点阵E2PROM（2864），用来保存字符数据信息，接口序号为：数据线：D0D7；地址线：A0A11；片选线：/CE；读有效信号线：/OE；写有效信号线：/WE。1616点阵显示，
12、各驱动接口为：第一行到第十六行对应的为L0L15，第一列到第十六列驱动采用3-8译码，对应的接口为SEL0SEL3。具体对应关系见下表：点阵显示接口对应关系表SEL3SEL2SEL1SEL0点亮列号1111第1列1110第2列1101第3列1100第4列1011第5列1010第6列1001第7列1000第8列0111第9列0110第10列0101第11列0100第12列0011第13列0010第14列0001第15列0000第16列 3通用数字式接口1）18个按键开关。2）18个拨码开关。3）12红、黄、绿发光二极管按交通灯形式排列。4） 8位直线排列LED等。 4模拟器件及接口1）扬声器（高
13、电平TTL驱动）。2）AD558数/模转换（8位，05V电压输出）。有两种输出方式。第一种，将短路子接在左侧的两个铜柱上，转换输出到区域的个孔输出；第二种，将短路子接在右侧的两个铜柱上，转换输出接到的同相输入端。3） LM358单电源二运放。与AD558配合，将的输出接到的同相输入端，作为他的同相输入信号；在的右上脚，有模块，他的信号可作为的反相输入端。 5模拟信号源模块模块中第一排端口为输入口，第二排端口为输出口，分别说明如下：Diff IN：需差分转换信号输入口；Mux IN1：需叠加信号1输入口；Mux IN2：需叠加信号2输入口；Diff OUT+：差分信号正极性输出端口，为Diff IN差分后的信号；Diff OUT-：差分信号负极性输出端口，为Diff IN差分后的信号；Mux OUT：叠加信号输出端口，为Mux IN1与Mux IN2相加后的信号；SIN_OUT 312KHz：正弦信号312KHZ输出端口； 6支持模拟可编程器件 支持Lattice公司的Pac10、20、80芯片组，并增添了单片机和一些信号源。本系统适合做数摸混合电路实验及单片机和可编程器件系统实验，还可方便的扩展部分接口实验等。 7
