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第一篇 FPGA基础2

第1章 FPGA硬件结构知识2

1.1 CPLD/FPGA概述2

1.1.1 CPLD/FPGA的特点2

1.1.2 CPLD/FPGA的发展方向4

1.1.3 CPLD/FPGA的应用领域4

1.2 FPGA体系结构5

1.2.1 FPGA基本结构5

1.2.2 FPGA的结构特点8

1.2.3 FPGA的编程工艺9

1.3 FPGA常用芯片与选用9

1.3.1 FPGA常用芯片10

1.3.2 FPGA器件的选用12

1.4 本章小结14

第2章 Verilog HDL语言编程基础15

2.1 Verilog HDL语言特点15

2.2 Verilog HDL程序的基本结构20

2.2.1 模块20

2.2.2 模块调用28

2.3 程序格式29

2.4 注释与间隔符30

2.5 数值30

2.6 字符串32

2.7 标识符33

2.8 系统任务和函数34

2.9 编译指令39

2.10 数据类型47

2.10.1 线网（Net）和变量（Variable）47

2.10.2 标量（Scalar）与矢量（Vector）49

2.10.3 线网（Net）数据类型50

2.10.4 变量（Variable）数据类型55

2.10.5 数组（Array）类型56

2.10.6 参数58

2.10.7 名字空间61

2.11 表达式61

2.11.1 操作符62

2.11.2 操作数72

2.11.3 延迟表达式75

2.11.4 表达式的位宽76

2.11.5 有符号表达式78

2.12 本章小结79

第3章 FPGA常用开发工具80

3.1 硬件开发工具Quartus II80

3.1.1 Quartus II简介80

3.1.2 Quartus II设计流程81

3.1.3 Quartus II设计方法84

3.1.4 Quartus II功能详解85

3.1.5 时序约束与分析93

3.1.6 设计优化99

3.1.7 SignalTap II107

3.2 ModelSim开发工具111

3.2.1 ModelSim简介111

3.2.2 基本仿真步骤111

3.2.3 ModelSim各界面介绍114

3.2.4 ModelSim调试功能118

3.3 本章小结122

第二篇 SOPC入门124

第4章 SOPC硬件系统开发124

4.1 SOPC系统特点与开发流程124

4.2 SOPC Builder硬件开发环境介绍125

4.2.1 SOPC Builder功能125

4.2.2 SOPC Builder组成126

4.2.3 SOPC Builder中包含的组件131

4.3 使用SOPC Builder创建Nios II系统模块132

4.3.1 创建Quartus II工程132

4.3.2 启动并配置SOPC Builder135

4.3.3 添加CPU及外设IP模块136

4.3.4 生成Nios II系统142

4.4 集成Nios II系统到Quartus II工程144

4.4.1 创建包含Nios II系统的Quartus II顶层模块144

4.4.2 FPGA引脚分配及其他设置149

4.4.3 Quartus II工程的编译并下载152

4.5 本章小结155

第5章 SOPC软件系统开发156

5.1 Nios II处理器结构156

5.1.1 Nios II处理器概述157

5.1.2 编程模型160

5.1.3 JTAG调试模块166

5.2 Nios II指令系统介绍168

5.2.1 Nios II处理器的指令集168

5.2.2 Nios II定制指令介绍171

5.2.3 定制指令实现方式177

5.2.4 定制指令设计实例——前导0检测器179

5.3 Nios II IDE集成开发环境182

5.3.1 Nios II IDE简介182

5.3.2 HAL系统库185

5.3.3 RTOS和TCP/IP协议栈190

5.4 使用Nios II IDE建立应用程序190

5.4.1 创建C/C＋＋工程190

5.4.2 配置工程的系统属性194

5.4.3 编译及运行工程196

5.4.4 调试模式198

5.5 使用Flash Programmer下载199

5.5.1 定制目标板200

5.5.2 Flash Programmer配置及下载203

5.6 本章小结205

第6章 Avalon总线规范206

6.1 Avalon总线概述206

6.1.1 Avalon总线的特点206

6.1.2 术语和概念207

6.2 Avalon总线信号208

6.2.1 Avalon信号类型列表208

6.2.2 Avalon信号时序211

6.2.3 Avalon总线传输特性212

6.3 Avalon从端口传输212

6.3.1 Avalon从端口信号介绍212

6.3.2 Avalon从端口读传输214

6.3.3 Avalon从端口写传输218

6.4 Avalon主端口传输222

6.4.1 Avalon主端口模块介绍222

6.4.2 Avalon主端口读传输222

6.4.3 Avalon主端口写传输224

6.5 Avalon流水线传输模式225

6.5.1 具有固定延迟的从端口流水线读传输226

6.5.2 具有可变延迟的从端口流水线读传输227

6.5.3 主端口流水线读传输228

6.6 Avalon流传输模式230

6.6.1 流模式从端口传输230

6.6.2 流模式主端口传输233

6.7 Avalon三态传输234

6.7.1 三态从端口传输235

6.7.2 三态主端口传输239

6.8 Avalon突发传输240

6.8.1 主端口突发传输241

6.8.2 从端口突发传输243

6.9 与传输无关的信号246

6.9.1 中断请求信号246

6.9.2 复位控制信号247

6.10 Avalon总线地址对齐方式247

6.10.1 本地地址对齐248

6.10.2 动态地址对齐248

6.11 本章小结249

第7章 Nios II外围设备及其编程250

7.1 并行输入／输出（PIO）250

7.1.1 功能描述250

7.1.2 配置选项251

7.1.3 寄存器描述与中断253

7.1.4 软件编程模型254

7.2 通用异步收发器（UART）255

7.2.1 功能描述255

7.2.2 配置选项256

7.2.3 寄存器描述与中断260

7.2.4 软件编程模型264

7.3 定时器（Timer）267

7.3.1 功能描述267

7.3.2 配置选项268

7.3.3 寄存器描述与中断270

7.3.4 软件编程模型271

7.4 JTAG UART273

7.4.1 功能描述274

7.4.2 配置选项275

7.4.3 寄存器描述与中断277

7.4.4 软件编程模型279

7.5 SDRAM控制器282

7.5.1 功能描述282

7.5.2 配置选项284

7.5.3 SDRAM控制器配置实例287

7.5.4 软件编程模型288

7.6 CFI控制器289

7.6.1 功能描述289

7.6.2 配置选项290

7.6.3 软件编程模型291

7.7 EPCS设备控制器292

7.7.1 功能描述292

7.7.2 配置选项294

7.7.3 软件编程模型294

7.8 DMA控制器295

7.8.1 功能描述295

7.8.2 配置选项296

7.8.3 寄存器描述与中断298

7.8.4 软件编程模型300

7.9 系统ID301

7.9.1 功能描述301

7.9.2 配置选项301

7.9.3 软件编程模型302

7.10 SPI302

7.10.1 功能描述302

7.10.2 配置选项306

7.10.3 寄存器描述308

7.10.4 软件编程模型310

7.11 本章小结310

第三篇 应用实战312

第8章 基于FPGA的SOPC系统开发实例1——七段数码管时钟显示实例312

8.1 实例内容说明312

8.2 设计思路分析313

8.3 硬件设计314

8.4 软件设计与程序代码321

8.5 实例小结325

第9章 基于FPGA的SOPC系统开发实例2——串口通信DMA传输实例327

9.1 实例内容说明327

9.2 设计思路分析327

9.3 硬件设计328

9.4 软件设计与程序代码338

9.4.1 Nios II HAL中与DMA设计相关的API函数338

9.4.2 软件部分的设计339

9.5 实例小结343

第10章 基于FPGA的SOPC系统开发实例3——LED灯控PWM IP核设计344

10.1 实例内容说明344

10.2 设计思路分析344

10.3 硬件设计345

10.4 软件设计与程序代码359

10.5 实例小结363

第11章 基于FPGA的SOPC系统开发实例4——通用TFT-LCD控制器及PS2鼠标设计实例364

11.1 实例内容说明364

11.2 设计思路分析365

11.3 硬件设计369

11.4 软件设计与程序代码393

11.5 实例小结402

第12章 基于FPGA的SOPC系统开发实例5——对对碰游戏403

12.1 实例内容说明403

12.2 设计思路分析404

12.3 硬件设计406

12.4 软件设计与程序代码413

12.5 实例小结433

第13章 基于FPGA的SOPC系统开发实例6——GPS信息接收系统的设计434

13.1 实例内容说明434

13.2 设计思路分析434

13.3 硬件设计442

13.4 软件设计与程序代码451

13.5 实例小结468

第14章 基于FPGA的SOPC系统开发实例7——基于Nios II的I2C总线传输应用设计469

14.1 实例内容说明469

14.2 设计思路分析469

14.3 I2C总线介绍470

14.3.1 I2C总线特点470

14.3.2 I2C总线工作原理470

14.4 AT24C02芯片介绍471

14.4.1 AT24C02概述471

14.4.2 AT24C02读写时序472

14.5 SOPC系统的创建473

14.6 软件设计与程序代码484

14.7 实例小结489

附录A Nios II HAL中与PIO设计相关的API函数490