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1、北京百科融创教学仪器设备有限公司 EDA/CPLD/FPGA教学实验箱目 录 目 录 1第一部分 EDA（CPLD/FPGA）技术概述2第三部分 QUARTUSII 开发工具的基本操作16第四部分：基础实验32【实验01】 组合电路32【实验02】 扫描显示电路实验37【实验03】 七人表决器40【实验04】 格雷码变换41【实验05】 四位全加器43【实验06】 多路选择器45【实验07】 四位并行乘法器46【实验08】 设计基本触发器47【实验09】 触发器功能模拟49【实验10】 设计74LS169计数器功能模块52【实验11】 步长可变的加减计数器54【实验12】 计数器及时序电路55
2、【实验13】 数控分频器60【实验14】 可控脉冲发生器64【实验15】 正负脉宽数控调制信号发生器66【实验16】 四位并行流水乘法器67第五部分：综合实验69【实验01】 矩阵键盘控制接口设计实验69【实验02】 电子色子游戏机设计实验72【实验03】 数字时钟设计实验74【实验04】 秒表设计实验77【实验05】 VGA显示接口设计实验（VGA彩条信号发生器）80【实验06】 PS/2键盘接口设计实验83【实验07】 1616点阵汉字显示设计实验86【实验08】 液晶显示与应用设计实验89【实验09】 串行AD数据采集与显示设计实验91【实验10】 数字电压表设计实验（并行AD数据采集与
3、显示）93【实验11】 简易函数信号发生器设计实验(并行DA转换)96【实验12】 波形发生与扫频信号发生器设计实验（串行DA）98【实验13】 硬件电子琴电路设计实验101【实验14】 乐曲自动演奏与硬件电子琴设计实验104附录 I 核心板硬件资源连接106I第一部分 EDA（CPLD/FPGA）技术概述电子设计自动化（EDA）技术是以计算机科学和微电子技术发展为先导，汇集了计算机图形学、拓扑逻辑学、微电子工艺与结构、计算数学等多种计算机应用学科的最新技术成果，在先进的计算机工作平台上开发出来的一整套电子系统设计的软件工具。EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了计算机辅
4、助设计CAD、计算机辅助工程设计CAE和电子设计自动化EDA三个发展过程。EDA软件工具种类繁多，如：Smartork、Orcad、Tango、Protel、Workbench（multsim）、Pspice 以及各大可编程器件厂商提供的专用开发软件，如：Altera公司提供的MAX+plus/QuartusII、Lattice公司提供的ispDesignExpert /PAC-Designer、Xilinx公司提供的Foudation Series/webpack等，本书将重点介绍Altera公司的可编程器件及其开发工具。 随着电子设计自动化（EDA）技术的不断发展，其含义也不断发生变化，早
5、期的电子设计自动化多指类似Protel电路版图的设计自动化概念，这种概念仅限于电路元器件与元器件之间即芯片外设计自动化，随着微电子技术的不断发展，当今的EDA技术更多的是指可编程逻辑器件的设计技术，即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，这就是我们今天所说的的EDA技术用户可编程逻辑器件（PLD）技术。其应用也无处不在，从简单的逻辑电路、时序电路设计到复杂的数字系统设计均能得心应手，在通信领域（软件无线电）、数字信号处理（DSP）领域、嵌入式/片上系统（SOC）及各种IP内核等诸多领域
6、早已广泛应用，如果说原来的Tango（Protel）的问世在电子设计领域是一次革命的话，那么今天的EDA（CPLD/FPGA）技术称得上是电子设计领域的第二次革命。随着可编程器件PLD技术的不断发展和崛起，其功能之卓越和先进已经令当今的电子工程师们赞叹不已，除了它设计灵活、仿真调试方便、体积小、容量大、I/O口丰富、成本低廉、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反复编程的能力，而且只要把器件插在用户自己设计的目标系统内或线路板上，就可以重新构造其设计逻辑而对器件进行编程或者反复编程，这种技术被称为在系统可编程技术，简称ISP技术。由于IS
7、P技术的应用，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内反复编程和修改，ISP技术使得系统内硬件的功能象软件一样被编程配置，使系统的升级和维护变得更容易和方便。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越。由于ISPPLD器件的写入、擦除控制电路和高压脉冲发生电路集成在PLD芯片内部，所以不需要编程器，直接利用器件的工作电压，在器件安装到系统板上后，不需要将器件从电路板上拔下来，可直接对器件进行编程，并可改变其内部的设计
8、逻辑，满足其设计需要。可编程器件PLD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。数字可编程逻辑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方式的下载电缆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、FPGA）之设计与应用进行系统描述，有
9、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、几十万门到几百万门以上不等，适合于时序、组合逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片，实际上这样的CPLD/FPGA就是一个子系统部件。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复杂的逻辑电路。由于FPGA芯片采用RAM结构，失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，其芯片内部的电路文件（程序）可放置在磁盘上、ROM或E2P
10、ROM中，因而可以在FPGA芯片及其外围保持不动的情况下，换一块存储器芯片就能实现一种新的功能。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或适配时生成的下载文件不一样而已。 可编程器件CPLD/FPGA厂商比较众多，比较知名的如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片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，为用
11、户开发和调试产品提供了极大的方便。有关可编程器件设计软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，不断有新技术和新产品问世，我们和广大读者一样，也处在不断地学习和运用当中。由于编者水平有限和时间仓促，本指导书中难免有错误和遗漏之处，衷心希望读者批评指正。主要术语摘要：* EDA（电子设计自动化）：Electronic Design Automation* CAD（计算机辅助设计）：Computer Assist Design* CAE（计算机辅助工程设计）：Computer Assist Engineering* ASIC（专用集成电路）：Applicat
12、ion Specific Integrated Circuits* PLD（可编程逻辑器件）：Programmable Logical Device* SOC（片上系统）：System On a Chip* 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* ISP（在系统可编程）：In System Programmable* PAL（可编程阵列逻辑）：Programmable Array Logic* GAL（通用阵列逻辑)：Generic
13、Array Logic * 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第二部分 实验开发系统简介一、实验系统概述：RC-EDA系列实验箱主要是为可编程逻辑器件CPLD/FPGA和数字电路、现代电子学等相关课程的实验教学而开发设计的。RC-EDA系列实验系统不仅适合于高校相关电子课程的实验教学、课程设计、毕业设计和大学生电子设计竞赛等，同时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。RC-EDA系列实验系统功能齐全，可选型号比较多
14、，其中EDAII、EDAIII型均为数字电路设计实验开发系统，EDAIV型为数、模混合可编程器件实验开发系统。这些系列设备均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，其丰富的功能单元和全开放式设计，完全可以使学生做出超过大纲要求的具有复杂性和创造性的综合实验及复杂的数字系统设计。学校可根据教学及科研要求，选用不同型号的EDA实验系统。系统丰富的外围扩展模块及灵活的主芯片配置，使它可以完成近乎所有的数字电路的实验及设计：从简单的逻辑门到时序电路，状态机的设计，再到存储器的设计，各种总线控制器（如UART、I2C、SCI等），存储器
15、控制器（如SDRAM等）的设计，以及CPU的设计等等。二、实验系统硬件组成及资源介绍：一）、可编程器件核心板介绍为了方便用户使用，可编程器件实验系统采用核心板与主机分离的设计方法，用户可以根据自己的需要更换不同类型的核心板，来配合自己的可编程器件实验和开发活动。RC-EDA-IV型可编程器件实验系统使用的一款基于EP4CE6的FPGA核心板，该核心板外观见图1.2.1所示。 图1.2.1核心板外观图EP4CE6核心板拥有以下硬件资源：1、核心板的主控芯片：主控芯片的型号为EP4CE6E22C8N。2、串口通信接口、串口电平转换芯片、串口指示灯：这部分用来完成串口通信的实验，串口指示灯有两个，在串口发送和接收数据的时候闪烁。3、时钟信号输入接口：实验用到的时钟输入要分配到这几个引脚上（对应引脚见附录1）。4、左、上、右引脚接口：FPGA的实验引脚接口，其中右边引脚中的101引脚是一个复用引脚，在实验时需要进行设计才能作为普通IO引脚用（设置方法见附录1）。5、GND测试点：用来给示波器提供接地测试点。6、电源开关和独立电源接口：独立电源接口是在单独
