EDA/SOPC-II型实验开发系统

3.1适用范围

EDA/SOPC实验箱是集EDA和SOPC开发为一体的综合性实验箱，它不仅可以独立完成几乎所有的EDA设计，也可以完成大多数的SOPC开发。
3.2系统简介
系统采用Altera公司的Cyclone系列的30万门FPGA为核心，整个系统采用模块化设计，各个模块之间可以自由组合，使得该实验箱的灵活性大大提高。同时实验箱还提供了丰富的接口模块，供人机交互，从而大大增加了实验开发者开发的乐趣，满足了普通高等院校、科研人员等的需求。
开发工程师可以使用VHDL语言、Verilog HDL语言、原理图输入等多种方式，利用Altera公司提供的QuartusII及Nios软件进行编译，下载，并通过EDA/SOPC实验箱进行结果验证。实验箱提供多种人机交互方式，如键盘阵列、按键、拨挡开关输入；七段码管、大屏幕图形点阵LCD显示；串口通信；VGA接口、PS2接口、USB接口、Ethernet接口等，利用Altera公司提供的一些IP资源和Nios 32位处理器，用户可以在该实验箱上完成不同的SOPC设计。
EDA/SOPC实验箱提供的资源有：
1、Altera公司的EP1C12Q240C8，30万门级FPGA，另外可选配更高资源的FPGA
2、FPGA配置芯片采用可在线变成的EPC2，通过JTAG口和简单的跳线即可完成设计的程序固化
3、1个数字时钟源，提供48MHz、12MHz、1MHz、100KHz、10KHz、1KHz、100Hz、10Hz、2Hz和1Hz等多个时钟
4、1个模拟信号源，提供频率和幅度可调的正弦波、三角波和方波
5、两个串行接口，一个用于SOPC开发时的调试，另一个可以完成其它的通信
6、1个VGA接口
7、1个PS2接口，可以接键盘或鼠标
8、1个USB接口，利用PDIUSBD12芯片实现USB协议转换
9、1个Ethernet接口，利用RTL8019芯片实现TCP/IP协议转换
10、基于SPI接口的音频CODEC模块
11、1个输入、输出探测模块，供数字信号的观察
12、16个LED显示
13、8个拨挡开关输入
14、8个按键输入
15、1个4X4键盘阵列
16、8个七段码管显示
17、1个扬声器模块
18、1个交通灯模块
19、1个直流电机模块
20、1个高速AD和1个高速DA
21、240×128大屏幕图形点阵LCD显示
22、存储器模块提供256K×32Bit的SRAM和2M×8Bit的FLASH ROM
下面就部分模块做简要介绍。
FPGA模块
FPGA采用Altera公司提供的Cyclone系列的EP1C12Q240C8，该芯片采用240脚的PQFP封装，提供173个IO接口。该芯片拥有12060个LEs；52个M4K RAM Block；总共可以提供239616Bit的RAM；另外芯片内部还自带有2个锁相环，可以在高速运行的时候保证系统时钟信号的稳定性。
FPGA与实验箱上提供的各个模块都已经连接好（详情请查看附录1），这样就避免了实验过程中繁琐的连线以及由于连线造成的不稳定的后过。
配置模块
本实验箱的配置芯片采用可在线多次编程的EPCS1，该芯片通过AS口下载，即可完成FPGA设计的固化。这样就避免了用户需要多条电缆或者需要编程器才能完成固化的麻烦，同时也方便了用户只需一条下载电缆即可完成FPGA的配置和EPCS1的编程。
时钟模块
时钟的产生由有源晶振产生48MHz的时钟信号，再由CPLD分频完成多种时钟信号的产生。时钟信号已经在系统板上连接到FPGA的全局时钟引脚（PIN_28），只需要通过时钟模块的简单跳线，即可完成FPGA时钟频率的选择。
USB模块
USB模块采用Philips公司的PDIUSBD12芯片，它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口。它还支持本地的DMA传输。
PDIUSBD12完全符合USB1.1版的规范、它还符合大多数器件的分类规格：成像类、海量存储器件、通信器件、打印设备以及人机接口设备。另外该芯片还集成了许多特性，包括SoftConnectTM、GoodLinkTM、可编程时钟输出、低频晶振和终止寄存器集合，所有这些特性都为系统显著节约了成本，同时使USB功能在外设上的应用变得容易。
存储器模块
实验箱上提供了256K×32Bit的SRAM和2M×8Bit的FLASH ROM，其中SRAM主要是为了在开发SOPC是存放可执行代码和程序中用到的变量，而FLASH则是用来固化调试好的SOPC代码等。SRAM选用两片ISSI公司的IS61LV25616（256K×16Bit）进行数据线并联从而扩展为256K×32Bit的存储区；FLASH ROM采用的是AMD公司的AM29LV017D，其容量为2Mbyte。
Ethernet模块
Ethernet模块采用的TCP/IP转换芯片为RTL8019AS芯片，该芯片是一款高集成度、全双工以太网控制器，内部集成了三级省电模式，由于其便捷的接口方式，所以成了多数系统设计中的首选。RTL8019AS支持即插即用标准，可以自动检测设备的接入，完全兼容Ethernet II以及IEEE802.3 10BASE5、10BASE2、10BASET等标准，同时针对10BASET还支持自动极性修正的功能，另外该芯片还有很多其他功能，此处不再赘述。
高速AD&高速DA
本实验箱中采用的高速AD为TLC5510，TLC5510是一个8位高速AD，其最高转换速率可到20MSPS，单5V供电，被广泛的应用在数字电视、医疗图象、视频会议等高速数据转换的领域。
本实验箱中采用的高速DA位TLC5602，该芯片也是一个单5V供电的8位高速DA，其最高转换输率可到33M，足以满足一般数据处理的场合。
240×128图形点阵LCD
本实验箱所用的图形点阵LCD为240×128点，可以用来显示图形、曲线、文本、字符等等。显示模块内藏有T6963C控制器，在该液晶显示模块上已经实现了行列驱动器及显示缓冲区RAM的接口，同时也硬件设置了液晶的结构：单屏显示、80系列的8位微处理器接口、显示屏长度为30个字符、宽度为16个字符等。
3.3实验内容
EDA实验内容：
实验一 七人表决器
实验二 格雷码变换…
实验三 BCD码加法器
实验四 四位全加器
实验五 四人抢答器
实验六 四位并行乘法器
实验七 设计基本触发器
实验八 设计74LS169计数器功能模块
实验九 步长可变的加减计数器
实验十 可控脉冲发生器
实验十一 正负脉宽数控调制信号发生器
实验十二 序列检测器
实验十三 四位并行流水乘法器
实验十四 出租车计费器
实验十五 多功能数字钟
实验十六 数字秒表
实验十七 频率计
实验十八 交通灯控制器
实验十九 数码锁
实验二十 VGA彩条发生器
SOPC实验单元
实验一 Hello实验
实验二 拨档开关、按键及LED实验
实验三 键盘扫描&8位7段码管显示实验
实验四 电机测速实验
实验五 定时器实验
实验六 串口通信实验
实验七 SPI接口音频Codec实验
实验八 高速AD和高速DA实验
实验九 SRAM&DMA实验
实验十 Flash ROM操作实验
实验十一 图形点阵液晶显示实验
实验十二 USB通讯实验（含USB控制器）
实验十三 以太网通讯实验（含以太网控制器）
实验十四 基于SOPC技术的简易数字示波器设计实验
实验十五 基于SOPC技术的电子文本阅读器设计实验（液晶终端显示）
实验十六 基于SOPC技术的电机闭环调速实验（速度反馈与PID调节）
实验十七 基于SOPC技术的时时FFT实验设计实验
3.4系统特点：
1、整个平台采用模块化设计，各种模块可以自由组合，同时提供丰富的扩展接口，非常适合于高端FPGA开发和IP Core的设计验证，以及本科生、研究生进行FPGA及SOPC中级、高级学习与设计。
2、IP Core和软件可移植性强：这是本系统的最大特点。本系统采用的所有IP Core都不是针对某一个厂家的某一种FPGA设计的，在源代码不变的情况下可以使用Altera和Xilinx的开发工具进行综合、布线，还可以在作很小改动的情况下使用ASIC工具进行综合，因而大大扩大了施用范围。与此相比，Altera的NIOS CPU、配套IP Core及SOPC builder开发环境只能用在Altera的FPGA上，而Xilinx的MicroBlaze和EDK开发环境只能用在Xilix的FPGA上。
3、配套资料丰富：硬件有完善的原理图设计说明，IP Core有完善的接口和功能描述，仿真、综合从单个IP Core到系统级都有详细的步骤说明，操作系统有详尽的编译、下载、调试说明。
4、配有完善详尽的学习教程： 针对高校的实际情况，设计了一套从简到难、从硬件到IP Core到软件、从单个IP Core到SOC（system on chip），从测试软件到操作系统调试的完整教程，帮助学生快速、全面的学习基于FPGA的嵌入式系统的概念、设计方法、调试步骤。与Altera或者Xilinx的集成开发系统相比，更加侧重于学习。
5、IP Core可维护性好：本系统采用的IP Core，如CPU、总线、外围设备等都有RTL级的Verilog/VHDL代码，所以可以随意进行仿真、改动和调试，对于出现的BUG可以迅速进行改正。与Altera或者Xilinx的集成开发系统相比，虽然性能差一些，但是便于使用者了解底层的设计和运行情况，可以学到更多的知识。
6、外围器件丰富：板上配有一般嵌入式系统常用的外围器件，比如高速A/D、高速D/A、基于SPI接口的音频CODEC模块、直流电机、SDRAM、FLASH、SRAM、JTAG调试接口、串口、以太网、USB、LCD显示器、键盘/鼠标接口、8段LED、按钮、拨码开关等，可以直接作为一个完整的嵌入式系统进行使用，或者作为一个产品的IP Core和软件的验证平台。
7、I/O扩展能力强： FPGA的所有I/O管教都引出到扩展插座上，可以根据特殊需要制作扩展板实现其他功能。