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1、基于FPGA的微机原理与接口技术实验平台设计专业：计算机科学与技术姓名：指导老师：摘要：本文就基于FPGA微机与接口实验平台设计的问题，首先讲述了 FPGA、VHDL以及Modelsim开发软件。其次构建了整个实验平台，包括FPGA 核心板的设计。在FPGA基础上，以可编程计数器/定时器8253和可编程并 行控制器8255为例，并介绍了 8255和8253接口芯片，用VHDL语言设计了 8255和8253的功能，最后在ModelSim SE开发软件上实现了编译、调试、 仿真。关键词：FPGA核心板，8253芯片，8255芯片，ModelSim SEabstractAbstract: In th
2、is paper，based on the PC and the interface experimental platform FPGA design problem, first about the FPGA, VHDL and Modelsim software development. Secondly, the whole experiment platform was constructed, including the FPGA core board design. Based on the FPGA, programmable counter / timers and prog
3、rammable parallel controllers 8253 8255, for example, and introduced the 8255 and 8253 interface chip, using VHDL language design 8255 and 8253 function, the last in ModelSim SE Development the software compilation, debugging, simulation.目录基于FPGA的微机原理与接口技术实验平台设计1谢仑11.1研究背景11.2研究现状21.3研究目的与意义31.4本文的结
4、构框架及要解决的问题3第二章FPGA、VHDL及开发环境简介44.2.3 FPGA 简介4妓41.2工作原理42.1.3 FPGA芯片的内部结构5VHDL 概述5VHDL 的由来5VHDL 的特点5VHDL的描述风格6VHDL基本程序结构73 Mode I s im SE72.3.1版本类型72.3.2仿真过程72.3.3窗口组成8第三章实验平台的构建81平台的需求分析83.1.1微机型号的选择81.2平台的使用对象83. 1.3平台的仿真对象93.2基于FPGA的整个实验平台的组成9FPGA核心板设计103.3.1外存储芯片113.3.2时钟与电源系统123.3.3扩展总线与调试元件123.
5、 4微机接口硬件实验123.4.1熟悉MUTIII型实验箱133.4.2 8253定时器的应用143.4.3 8255并行接口应用143.4.4 8250 串 口实验15第四章IP核的设计以及实验设计164.1 8255芯片介绍164.1.1 8255接口芯片的主要技术指标164.1.2 8255接口芯片引脚功能174.1.3 8255接口芯片的内部结构184.2 8255可编程I/O接口芯片设计194.2.1 8255的工作方式编程194. 2. 2控制寄存器的编程方法203.4.2 8255方式0的编程213.4.3 8255 位操作223. 825510芯片的程序设计234.3.1锁存器
6、234. 3. 2三态缓冲器244.3.3组合控制逻辑及8255的VHDL语言描述243. 8253芯片介绍254.1 定义25(1) 8253接口芯片的主要技术指标25(2) 8253接口芯片引脚功能26(3) 8253接口芯片的内部结构27(3) 8253可编程I/O接口芯片设计284.5. 1 8253的工作方式编程284.5.2控制寄存器的编程方法284. 5. 3工作方式选择29第五章编译、调试、仿真30第六章本文总结3132答谢错误!未定义书签。第一章绪论1.1研究背景世界上的第一个电子管式的计算机在1946年诞生，计算机从外部形状、 计算速度到内部的结构使用材料等都发生变化，并且
7、微电子技术对计算机的 发展非常重要。在计算机对人类社会影响越来越大的同时，学习计算机的基 础架构和相关接口技术，己成为十分基础和必要的要求，微机原理与接口技 术也已成为当今大学本科计算机相关专业学生的必修课之一。随着计算机技术的快速发展，人们生活的世界正逐步走向数字化、网络 化、信息化和智能化，计算机作为最重要的基础设备为整个社会的高速发展 提供了有力的支撑，计算机作为当今社会一种最为常见的智能控制设备，已 被几乎所有产业广泛的使用，并不断扩展着它的应用前景。在微机原理与接门技术相关教学工作中，实验教学是一个十分重要的环 节，尤其是在对相应应用型人才的培养过程中，实验教学的效果直接影响着 教学
8、质量。如果学生在实验这个环节上得不到足够的时间来进行实践和创 新，就不能深刻地理解课本上的理论知识，还可能会对这门课程的学缺乏 兴趣。那么再想胜任之后更为复杂的工程项0就变得更加困难，甚至无法实与此同时，国内高校为了提高教学质量，也都在积极的寻求回避实验室 的高成本支出。于是，基于计算机仿真技术的虚拟实验解决方案和虚拟实验 室技术成为了教育界关注的焦点。1.2研究现状虚拟实验室这个概念虽然仅提出了二十年左右，但是拥右着广阔的发展 前景，世界各地的实验室都在着力进行相关的研究与开发工作。国外的很多 大学都已经建立了远程虚拟实验室。国外虚拟实验室中典型成果有：美国linois大学的Nmrscope
9、系统，任何拥有授权的用户都可以通过互 联网来访问该系统，从而使用系统内的虚拟仪器。例如，某用户想使用该系 统中的虚拟核磁共振仪，那么该用户首先需要获得该大学的授权，然后向 Nmrscope系统提交一个实验样品，系统会返回一些仪器的设置表格和功能清 单，用户按照实验步骤进行相关的实验操作后，就能够看到系统生成的实验 结果，整个实验过程是通过远程虚拟实验实现的。VETL(Virtual Environment Technology Laboratory)实验室，在教育 方面、训练方向和科学工程的数据可视化都能应用虚拟现实技术，并且该技 术能用VETL实验室来完成。休斯敦大学与NASA/Jhnson
10、航天中心合作，一 起建立了该实验室。其研宄成果主要为以下几个方面：科学教育领域中的虚拟现实技术，该虚拟实验室研宄了生物分子、海洋、 物理天体、原子核等多个科学领域。开发了一款虚拟三维环境工具，对使用 者的要求很低，用户可使用该工具简单的创建多感知的、连接到特定硬件上 的虚拟三维环境。国内虚拟实验与国际方而相比发展速度缓慢，为了紧跟国际虚拟实验室 的发展，中国的许多大学逐渐开始注重相关方面实验室的建设，并引起了教 育部的重视。例如，北邮与北京润尼尔网络科技有限公司一起研究了网络模 拟实验室OWVLab，该实验室在网络教学方面已经开始使用。因此我国的模拟实验室的研究、设计以及推广应用范围较窄还不成
11、熟，技术方面需要需要想 国外虚拟实验室深入学习与研究。1.3研究目的与意义微机原理与接口技术是一门理论与实践相辅相承的课程，除了通过教师 在课堂上对理论层次的讲解，还需要学生通过实验环节来具体实践，以达到 提高学生应用开发能力的教学目标。然而，由于我国各高校目前普遍存在扩 招后学生人数不断增加，而绝大部分高校的资金成本预算乂不足，造成了实 验室的实验设备不能及时地补充和更新，且实验器材又是易损难修的设备。如果学生在实验这个环节上得不到足够的时间来进行实践和创新，就不 能深刻地理解课本上的理论知识，还可能会对这门课程的学习缺乏兴趣。那 么再想胜任之后更为复杂的工程项目就变得更加困难，甚至无法实现
12、。与此 同吋，国内高校为了提高教学质量，也都在积极的寻求回避实验室的高成本 支出。1.4本文的结构框架及要解决的问题首先研究FPGA的工作原理以及FPGA芯片的内部结构，以及VIIDL硬件 编程语言的由来、特点、描述风格和基本和基本程序结构，Modelsim主要版 本类型、如何进行仿真以及窗口组成。其次构建了整个实验平台，主要包括FPGA核心板的设计与实现，微机 接口 IP核开发及实验设计，实验程序开发工具的设计与实现三个部分。解 决了如下问题：FPGA的核心板的功能分析、结构组成以及核心器件的选用外存储片的选用，电压的确定扩展总线与调试元件的设计各器件在实验平台上的布局最后以8255接口芯片
13、的功能设计为例进行说明，包括工作方式的编程、 控制寄存器的编程方法，8255芯片的程序设计包括锁存器、三态缓冲器、组 合控制逻辑，8255接口芯片的VHDL言语描述。并解决了如下问题：(1) 如何调用VHDL语言的IEEE库。(2) 如何用ENYIYT对8255芯片的外部端口进行描述，即对输入、输 出端口进行说明。(3) 如何用ARCHITECTURE描述8255芯片的电路功能与结构，可分为:行为描述、逻辑(数据流)描述、结构描述。(4) 用PROCESS语句对构造体的行为作具体描述。(5) 用Modelsim SE软件进行仿真并对结果进行分析。第二章FPGA、VHDL及开发环境简介2.1 F
14、PGA 简介2.1.1定义FPGA即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基 础上进一步发展的产物。2.1.2工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA,内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB、和内部连线（Interconnect）三个部分。2.1.3 FPGA芯片的内部结构可编程输入输出单元（I0B）、可配置逻辑块（CLB）、 数字时钟管理 模块（DCM）、嵌入式块RAM （BRAM）、丰富的布线资源（全局布线资源、长 线资源、短线资源、分布式的布线资源）、底层内嵌功能单元、内嵌专用硬2.2 VHDL 概述2.2.1 VHDL的由来因为双方使用的硬件编程语言各
15、不相同，兼容性非常差，研宄的成果不 能互相借鉴使用，致使公司开发硬件成本很高。为解决这个问题，1983年提 出了硬件描述语言标准化的问题。经过IEEE组织的多年的修订，成立丫很 多VHDL版本如87版、93版等。要想完全学会VHDL语言，需要大量的吋间 来研究，并且要有C语言基础，会进行二进制数值计算，懂数字电路以及一些计算机基础知识2. 2.2 VHDL的特点VHDL语言是一种硬件描述语言，和其他高级语言许多形似之处。该语 言与硬件密切相关，在进行集成电路设计时，应特别注意节省硬件资源。VHDL 语言中的语句大部分是并行语句，但其语句格式和C语言有非常大的相似之 处。具体特点如下：1、VHDL语言以行为描述为特点，对电子实体的各种功能，从非常抽象的角度进行描述，即行为描述。2、VHDL语言以结构化为特点，因而能从比较具体的角度描述电子实体 的结构，即结构描述。3、VHDL语言以混合描述为特点，可以从抽象到具体全方位描述电子实 体，以满足设计人员的需求。4、VHDL语言重复性好，其描述与具体的生产工艺没有关系，不同的生 产工艺与不同的工作库相对应。只要设计合理，生产工艺进步，便可
