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1、1嵌入式 FPGA/SOPC 技术实验与实践教程2内容简介教材分基本理论和实践两大部分。介绍了 FPGA 和 SOPC 的基本理论，以及 Quartus 软件的使用方法；基于 FPGA 的开发技术；Nios 嵌入式系统开发过程；Nios 的常用组件与编程和 SOPC 技术的应用，SOPC 是实现嵌入式系统的最高形式。实践部分，结合常用的开发实例介绍 IDE Quartus 的设置，新建工程或文件、编译和下载文件的过程、方法及技巧。SOPC Builder 设计流程、Nios软核处理器、Nios软核处理器的配置方法。Nios 嵌入式软核处理器设计、SOPC 的软/硬件结合开发流程、 Nios的开
2、发平台和集成开发环境（IDE）特点和 Nios的外围接口等。教材适合大学二年级以上的电子类、计算机类、自动化类和机电类等专业的本科生的教材或教学参考书，或作为专业技术人员的培训参考资料。3前 言随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，可编程逻辑器件、EDA 技术、嵌入式系统、SOC、SOPC 和 IP 核等新概念和新技术层出不穷，新技术的应用迅速渗透到电子、通信、信息、机械制造、仪器仪表、航空航天及家用电器等领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高。微电子技术(即大规模集成电路加工技术)的发展是现代电子技术发展的基础。目前，在硅片单位面积上集成的晶体管数量越来越多，原来需要成千上
3、万只电子元器件组成的电子设备电路，现在仅用几片或单片超大规模集成电路就可以实现。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，这一特点决定了它是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统课程又是一门多学科交叉的课程，涉及微机原理与接口、计算机组成原理、操作系统、编译技术、网络通信、人机交互、软件测试、软硬件协同设计等诸多知识点，授课内容概括性强。现在是后 PC 时代，作为电子信息技术、计算机专业，掌握嵌入式系统是一门必需的技术。嵌入式系统是 IT 行业中重要的应用领域。为了适应新形势的要求，以与时俱进的教学理念进行教学实践。由于近几年来
4、，众多的嵌入式系统新产品不断问世，国内外各大 IT 公司纷纷投入巨资加紧研发，后 PC 时代的来临，促进了科技进步和经济发展。伴随着通信网络、计算机技术和微电子技术的高速发展，嵌入式系统己成为了 IT 业的一个焦点。同时在数字信息技术和网络技术高速发展的后 PC 时代，嵌入式系统因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，已渗透到工业、军事、医疗以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化进程和提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。另外，嵌入式领域的迅速发展，使得 FFGA 作为主芯片的嵌入式应用方向已被逐渐接受，在国内高校之中已有部分高校开设了 FPGA
5、和 SOPC 的课程；但是嵌入式系统又是实践性很强的一门课程，因此在 FPGA 和 SOPC 的教学中不应死读教材而应该通过大量的实验练习，才能快速理解基本的理论知识，并提高动手能力。SOPC(System On a Programmable Chip)称为可编程片上系统，它基于可编程逻辑器件(FPGA 或 CPLD)可重构的片上系统(SOC)。SOPC 集成了硬核或软核 CPU、DSP、锁相环(PLL)、存储器、IO 接口及可编程逻辑，可以灵活高效地解决 SOC 方案，而且设计周期短，设计成本低。 目前，SOPC 技术已成为备受众多中小企业、研究所和大专院校青睐的设计技术，是实现嵌入式系统的
6、最高形式。SOC 设计技术将是 21 世纪的技术发展趋势，是现在高校和社会嵌入式培训班必需的内容和亮点。目前，SOPC 技术已成为备受众多企业、研究所和大专院校青睐的设计技术（国内有近 60 几所高效开展了 Vrilog 语言课程和基于 Altera SOPC 的（联合4实验室）实验教学） 。EDA/SOPC 技术是进入二十一世纪以来发展最迅猛的电子设计技术之一，以其设计灵活、可裁剪、软硬件可编程等特点和优势，倍受设计者关注。随着信息技术的发展普及以及市场强有力的驱动，设计需求日趋多样化，系统设计越来越复杂，开发时间越来越紧迫。利用已有 IP核是快速实现应用系统，缩短产品开发周期的有效途径。A
7、ltera 的 NiosII 是用户可以随意配置核构建的 32 位嵌入式处理器 IP 核，采用 Avalon 总线结构通信接口，包含由 FS2（First Silicon Solutions，FS2 公司专门致力于芯片知识产权（IP） 、设计服务和针对 SoC、SOPC、FPGA、ASSP 和 ASIC 器件的编程、测试、调试和嵌入式跟踪片上仪器的开发工具。 ）开发的基于 JTAG 的片内设备内核。使用 Nios II 处理器的用户可以根据他们的需要来调整嵌入式系统的特性、性能以及成本，快速使得产品推向市场，扩展产品的生命周期，并且避免处理器的更新换代。SOPC 的整体解决方案以及 Nios
8、软核概念的提出，彻底颠覆了传统嵌入式系统的设计理念，从硬件和软件整体设计上将嵌入式系统的设计进行了极大地推动，使得嵌入式系统的硬件设计更加简单高效、易于理解，软件设计更加可视化、可移植性更强。嵌入式学习必须以实验为中心，因此应该在 FPGA 及 SOPC 的教学中通过大量的实验练习才能快速理解理论知识。本书使用的是 Quartus 9.0 free 版精选了几个有代表性的实验，通过练习不仅可以掌握工具的使用，还可以达到掌握基于 FPGA 及 SOPC 技术的嵌入式系统设计的理论知识的目的。首先基于当前流行的集成开发环境 ADS，使读者渐渐进入角色，同时以实例的形式掌握 C 与汇编的混合编程编译
9、与调试，在练习的过程中掌握工具的使用、硬件知识及软件编程方法。本书力图在总体结构和内容编排上具有系统性、启发性和实用性，做到由浅入深，循序渐进，易于入门，便于自学和适于教学。在做实验的过程中，领会和掌握基本理论知识，在完成实验后争取达到理论的升华。一本教材同时也应该是一本好的参考书，能够提供许多的资源。综合创新实验则以基本实验为基础与实际应用相结合，由学生自行设计，自由发挥。旨在注重培养学生的动手能力，发现问题和解决问题的能力。目的是培养复合型、创新性新世纪人才。 “创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力” 。“微机原理与接口技术” 、 “嵌入式系统” 、 “DSP”及“SOP
10、C”等系列实践教程是围绕甘肃省教学成果“嵌入式系统课程群建设及创新型人才培养”而展开的。系列教程得以出版，非常感谢我的导师马义德教授的引导、帮助和鼓励，以及清华大学出版社郑寅堃老师的帮助和指导。由于技术的迅速发展，编者水平有限，教材中论述疏漏之处必然存在，敬盼读者不吝赐教。作者2010 年 12 月56目 录第一部分第一部分 基本理论基本理论.7第 1 章 绪论.71.1嵌入式系统简介.71.2 FPGA简介.101.3 SOPC技术简介.161.4 硬件描述语言及其程序的基本架构.211.5 基于FPGA/SOPC实现嵌入式系统概述.24第 2 章 ALTERA可编程器件与 QUARTUS II 软件应用.252.1 Altera可编程逻辑器件.252.2 QuartusII简介.302.3 QuartusII的安装过程与使用.312.4 QuartusII设计流程.32第 3 章 AVALON总线与 NIOSII 处理器.333.1 Avalon总线.333.2 NiosII嵌入式处理器.383.3 Nios II体系架构.
