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正点原子开拓者FPGA开发手册.pdf
内容简介
前 言
第一篇 硬件篇
第一章 FPGA简介
1.1 FPGA的由来与特点
1.2 FPGA的基本结构
1.3 FPGA的设计流程
第二章 实验平台简介
2.1 ALIENTEK开拓者EP4CE10开发板资源初探
2.2 ALIENTEK开拓者FPGA开发板资源说明
2.2.1 硬件资源说明
2.2.2 软件资源说明
2.2.3 开拓者IO引脚分配
第三章 硬件资源详解
3.1 开发板原理图详解
3.1.1 FPGA
3.1.2 时钟输入
3.1.3 JTAG 接口
3.1.4 时钟/复位/按键电路
3.1.5 LED
3.1.6 有源蜂鸣器
3.1.7 电容触摸按键
3.1.8 数码管
3.1.9 RS232 接口
3.1.10 RS485 接口
3.1.11 VGA 接口
3.1.12 MCU LCD 模块接口
3.1.13 RGB LCD 模块接口
3.1.14 红外接收头
3.1.15 单总线接口
3.1.16 EEPROM
3.1.17 实时时钟
3.1.18 环境光传感器
3.1.19 AD/DA接口
3.1.20 I2S音频编解码
3.1.21 SDRAM
3.1.22 以太网接口（RJ45 ）
3.1.23 CAN接口
3.1.24 USB串口/串口 1选择接口
3.1.25 USB串口
3.1.26 OLED/摄像头模块接口
3.1.27 SD卡接口
3.1.28 SPI FLASH
3.1.29 ATK模块接口
3.1.30 WIRELESS模块接口
3.1.31 引出IO口
3.1.32 FPGA 电源设计
3.1.33 电源适配器输入接口
3.1.34 电源按键开关
3.1.35 电压转换电路
3.1.36 电源输入输出接口
3.2 开发板使用注意事项
3.3 FPGA的学习方法
第二篇 软件篇
第四章 Quartus II软件的安装和使用
4.1 Quartus II软件的安装
4.2 USB Blaster驱动安装
4.3 Quartus II软件的使用
4.3.1 新建工程
4.3.2 设计输入
4.3.3 配置工程
4.3.4 分析与综合（编译）
4.3.5 分配引脚
4.3.6 编译工程
4.3.7 下载程序
4.4 SignalTap II软件的使用
第五章 Modelsim软件的安装和使用
5.1 Modelsim的安装
5.2 Modelsim的使用
5.2.1 手动仿真
5.2.2 自动仿真（联合仿真）
第三篇 语法篇
第六章 Verilog HDL语法
6.1 Verilog概述
6.1.1 Verilog简介
6.1.2 为什么需要Verilog
6.1.3 Verilog和VHDL区别
6.1.4 Verilog和C的区别
6.2 Verilog基础知识
6.2.1 Verilog的逻辑值
6.2.2 Verilog的标识符
6.2.2.1 定义
6.2.2.2 规范建议
6.2.3 Verilog的数字进制格式
6.2.4 Verilog的数据类型
6.2.4.1 寄存器类型
6.2.4.2 线网类型
6.2.4.3 参数类型
6.2.5 Verilog的运算符
6.2.5.1 算术运算符
6.2.5.2 关系运算符
6.2.5.3 逻辑运算符
6.2.5.4 条件运算符
6.2.5.5 位运算符
6.2.5.6 移位运算符
6.2.5.7 拼接运算符
6.2.5.8 运算符的优先级
6.3 Verilog程序框架
6.3.1 注释
6.3.2 关键字
6.3.3 程序框架
6.4 Verilog高级知识点
6.4.1 阻塞赋值
6.4.2 非阻塞赋值
6.4.3 assign和always区别
6.4.4 带时钟和不带时钟的always
6.4.5 什么是latch
6.4.6 状态机
6.4.6.1 Mealy状态机
6.4.6.2 Moore状态机
6.4.6.3 三段式状态机
6.4.7 模块化设计
6.5 Verilog编程规范
6.5.1 编程规范重要性
6.5.2 工程组织形式
6.5.3 文件头声明
6.5.4 输入输出定义
6.5.5 prameter定义
6.5.6 wire/reg定义
6.5.7 信号命名
6.5.8 always块描述方式
6.5.9 assign块描述方式
6.5.10 空格和TAB
6.5.11 注释
6.5.12 模块例化
6.5.13 其他注意事项
第四篇 实战篇
第七章 流水灯实验
7.1 LED灯简介
7.2 实验任务
7.3 硬件设计
7.4 程序设计
7.5 下载验证
第八章 按键控制LED灯实验
8.1 按键简介
8.2 实验任务
8.3 硬件设计
8.4 程序设计
8.5 下载验证
第九章 按键控制蜂鸣器实验
9.1 蜂鸣器简介
9.2 实验任务
9.3 硬件设计
9.4 程序设计
9.5 下载验证
第十章 触摸按键控制LED灯实验
10.1 触摸按键简介
10.2 实验任务
10.3 硬件设计
10.4 程序设计
10.5 下载验证
第十一章 静态数码管显示实验
11.1 数码管简介
11.2 实验任务
11.3 硬件设计
11.4 程序设计
11.5 下载验证
第十二章 动态数码管显示实验
12.1 数码管动态显示简介
12.2 实验任务
12.3 硬件设计
12.4 程序设计
12.5 下载验证
第十三章 IP核之PLL实验
13.1 PLL IP核简介
13.2 实验任务
13.3 硬件设计
13.4 程序设计
13.5 下载验证
第十四章 IP核之RAM实验
14.1 RAM IP核简介
14.2 实验任务
14.3 硬件设计
14.4 程序设计
14.5 下载验证
第十五章 IP核之FIFO实验
15.1 FIFO IP核简介
15.2 实验任务
15.3 硬件设计
15.4 程序设计
15.5 下载验证
第十六章 UART串口通信实验
16.1 UART串口简介
16.2 实验任务
16.3 硬件设计
16.4 程序设计
16.5 下载验证
第十七章 RS485串口通信实验
17.1 RS-485简介
17.2 实验任务
17.3 硬件设计
17.4 程序设计
17.5 下载验证
第十八章 VGA彩条显示实验
18.1 VGA简介
18.2 实验任务
18.3 硬件设计
18.4 程序设计
18.5 下载验证
第十九章 VGA方块移动实验
19.1 VGA简介
19.2 实验任务
19.3 硬件设计
19.4 程序设计
19.5 下载验证
第二十章 VGA字符显示实验
20.1 VGA简介
20.2 实验任务
20.3 硬件设计
20.4 程序设计
20.5 下载验证
第二十一章 VGA图片显示实验（基于ROM）
21.1 VGA简介
21.2 实验任务
21.3 硬件设计
21.4 程序设计
21.5 下载验证
第二十二章 RGB TFT-LCD彩条显示实验
22.1 RGB TFT-LCD简介
22.2 实验任务
22.3 硬件设计
22.4 程序设计
22.5 下载验证
第二十三章 RGB TFT-LCD字符显示实验
23.1 RGB TFT-LCD简介
23.2 实验任务
23.3 硬件设计
23.4 程序设计
23.5 下载验证
第二十四章 红外遥控实验
24.1 红外遥控简介
24.2 实验任务
24.3 硬件设计
24.4 程序设计
24.5 下载验证
第二十五章 DS18B20数字温度传感器实验
25.1 温度传感器DS18B20简介
25.2 实验任务
25.3 硬件设计
25.4 程序设计
25.5 下载验证
第二十六章 DHT11数字温湿度传感器实验
26.1 DHT11简介
26.2 实验任务
26.3 硬件设计
26.4 程序设计
26.5 下载验证
第二十七章 频率计实验
27.1 等精度频率计简介
27.2 实验任务
27.3 硬件设计
27.4 程序设计
27.5 下载验证
第二十八章 EEPROM读写测试实验
28.1 EEPROM简介
28.2 实验任务
28.3 硬件设计
28.4 程序设计
28.5 下载验证
第二十九章 环境光传感器实验
29.1 AP3216C简介
29.2 实验任务
29.3 硬件设计
29.4 程序设计
29.5 下载验证
第三十章 实时时钟数码管显示实验
30.1 PCF8563简介
30.2 实验任务
30.3 硬件设计
30.4 程序设计
30.5 下载验证
第三十一章 AD/DA实验
31.1 PCF8591简介
31.2 实验任务
31.3 硬件设计
31.4 程序设计
31.5 下载验证
第三十二章 音频环回实验
32.1 WM8978简介
32.2 实验任务
32.3 硬件设计
32.4 程序设计
32.5 下载验证
第三十三章 SDRAM读写测试实验
33.1 SDRAM简介
33.2 实验任务
33.3 硬件设计
33.4 程序设计
33.5 下载验证
第三十四章 录音机实验
34.1 WM8978简介
34.2 实验任务
34.3 硬件设计
34.4 程序设计
34.5 下载验证
第三十五章 OV7725摄像头VGA显示实验
35.1 OV7725简介
35.2 实验任务
35.3 硬件设计
35.4 程序设计
35.5 下载验证
第三十六章 OV7725摄像头RGB TFT-LCD显示实验
36.1 OV7725简介
36.2 实验任务
36.3 硬件设计
36.4 程序设计
36.5 下载验证
第三十七章 OV5640摄像头VGA显示实验
37.1 OV5640简介
37.2 实验任务
37.3 硬件设计
37.4 程序设计
37.5 下载验证
第三十八章 OV5640摄像头RGB TFT-LCD显示实验
38.1 OV5640简介
38.2 实验任务
38.3 硬件设计
38.4 程序设计
38.5 下载验证
第三十九章 SD卡读写测试实验
39.1 SD卡简介
39.2 实验任务
39.3 硬件设计
39.4 程序设计
39.5 下载验证
第四十章 SD卡图片显示实验（VGA显示）
40.1 SD卡-VGA图片显示简介
40.2 实验任务
40.3 硬件设计
40.4 程序设计
40.5 下载验证
第四十一章 SD卡图片显示实验（LCD显示）
41.1 SD卡-LCD图片显示简介
41.2 实验任务
41.3 硬件设计
41.4 程序设计
41.5 下载验证
第四十二章 音乐播放器实验
42.1 音乐播放器简介
42.2 实验任务
42.3 硬件设计
42.4 程序设计
42.5 下载验证
第四十三章 以太网通信实验
43.1 以太网简介
43.2 实验任务
43.3 硬件设计
43.4 程序设计
43.5 下载验证
第四十四章 以太网传输图片（VGA显示）
44.1 SDRAM-VGA图片显示简介
44.2 实验任务
44.3 硬件设计
44.4 程序设计
44.5 下载验证
第四十五章 以太网传输图片（LCD显示）
45.1 SDRAM-LCD图片显示简介
45.2 实验任务
45.3 硬件设计
45.4 程序设计
45.5 下载验证
第四十六章 基于OV7725的以太网传输视频实验
46.1 以太网视频传输简介
46.2 实验任务
46.3 硬件设计
46.4 程序设计
46.5 下载验证
第四十七章 基于OV5640的以太网传输视频实验
47.1 以太网视频传输简介
47.2 实验任务
47.3 硬件设计
47.4 程序设计
47.5 下载验证
第四十八章 基于以太网的板对板音频互传实验
48.1 板对板音频互传简介
48.2 实验任务
48.3 硬件设计
48.4 程序设计
48.5 下载验证
第四十九章 交通灯实验
49.1 交通信号灯简介
49.2 实验任务
49.3 硬件设计
49.4 程序设计
49.5 下载验证
第五十章 高速AD/DA实验
50.1 高速AD/DA简介
50.2 实验任务
50.3 硬件设计
50.4 程序设计
50.5 下载验证
开拓者 FPGA 开发指南
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II
开拓者 FPGA 开发指南
内容简介 ........................................................................ 1
ALIENTEK PIONEER 开发板教程
前 言 ......................................................................... 2
第一篇
硬件篇 ............................................................... 3
第一章 FPGA简介 ................................................................. 4
1.1
FPGA的由来与特点 .................................................. 5
1.2
FPGA的基本结构 .................................................... 8
1.3
FPGA的设计流程 ................................................... 12
第二章 实验平台简介 ............................................................ 16
2.1
ALIENTEK开拓者EP4CE10开发板资源初探 .............................. 17
2.2
ALIENTEK开拓者FPGA开发板资源说明 ................................. 20
2.2.1 硬件资源说明 .............................................. 20
2.2.2 软件资源说明 .............................................. 26
2.2.3 开拓者IO引脚分配 .......................................... 27
第三章 硬件资源详解 ............................................................ 36
3.1 开发板原理图详解 ................................................. 37
3.1.1
FPGA ...................................................... 37
3.1.2 时钟输入 .................................................. 39
3.1.3
JTAG 接口 ................................................. 40
3.1.4 时钟/复位/按键电路 ........................................ 40
3.1.5
LED ....................................................... 41
3.1.6 有源蜂鸣器 ................................................ 41
3.1.7 电容触摸按键 .............................................. 42
3.1.8 数码管 .................................................... 42
III
开拓者 FPGA 开发指南
ALIENTEK PIONEER 开发板教程
3.1.9
RS232 接口 ................................................ 43
3.1.10
RS485 接口 ................................................ 44
3.1.11
VGA 接口 .................................................. 44
3.1.12
MCU LCD 模块接口 .......................................... 46
3.1.13
RGB LCD 模块接口 .......................................... 46
3.1.14 红外接收头 ................................................ 47
3.1.15 单总线接口 ................................................ 48
3.1.16
EEPROM .................................................... 49
3.1.17 实时时钟 .................................................. 49
3.1.18 环境光传感器 .............................................. 50
3.1.19
AD/DA接口 ................................................. 50
3.1.20
I2S音频编解码 ............................................. 51
3.1.21
SDRAM ..................................................... 51
3.1.22 以太网接口（RJ45 ） ....................................... 52
3.1.23
CAN接口 ................................................... 53
3.1.24
USB串口/串口 1选择接口 ..................................... 54
3.1.25
USB串口 ................................................... 54
3.1.26
OLED/摄像头模块接口 ....................................... 55
3.1.27
SD卡接口 .................................................. 56
3.1.28
SPI FLASH ................................................. 56
3.1.29
ATK模块接口 ............................................... 57
3.1.30
WIRELESS模块接口 .......................................... 57
3.1.31 引出IO口 .................................................. 58
IV
开拓者 FPGA 开发指南
ALIENTEK PIONEER 开发板教程
3.1.32
FPGA 电源设计 ............................................. 59
3.1.33 电源适配器输入接口 ........................................ 60
3.1.34 电源按键开关 .............................................. 61
3.1.35 电压转换电路 .............................................. 61
3.1.36 电源输入输出接口 .......................................... 62
3.2 开发板使用注意事项 ............................................... 63
3.3
FPGA的学习方法 ................................................... 63
第二篇
软件篇 .............................................................. 66
第四章 Quartus II软件的安装和使用 .............................................. 67
4.1
Quartus II软件的安装 ............................................. 68
4.2
USB Blaster驱动安装 .............................................. 73
4.3
Quartus II软件的使用 ............................................. 77
4.3.1 新建工程 .................................................. 77
4.3.2 设计输入 .................................................. 85
4.3.3 配置工程 .................................................. 90
4.3.4 分析与综合（编译） ........................................ 92
4.3.5 分配引脚 .................................................. 94
4.3.6 编译工程 .................................................. 96
4.3.7 下载程序 .................................................. 97
4.4
SignalTap II软件的使用 .......................................... 109
第五章 Modelsim软件的安装和使用 ............................................... 122
5.1
Modelsim的安装 .................................................. 123
5.2
Modelsim的使用 .................................................. 128
V
开拓者 FPGA 开发指南
ALIENTEK PIONEER 开发板教程
5.2.1 手动仿真 ................................................. 129
5.2.2 自动仿真（联合仿真） ..................................... 142
第三篇
语法篇 ............................................................. 154
第六章 Verilog HDL语法 ........................................................ 155
6.1
Verilog概述 ..................................................... 156
6.1.1
Verilog简介 .............................................. 156
6.1.2 为什么需要Verilog ........................................ 156
6.1.3
Verilog和VHDL区别 ........................................ 156
6.1.4
Verilog和C的区别 ......................................... 157
6.2
Verilog基础知识 ................................................. 157
6.2.1
Verilog的逻辑值 .......................................... 158
6.2.2
Verilog的标识符 .......................................... 158
6.2.2.1 定义 ................................................. 158
6.2.2.2 规范建议 ............................................. 159
6.2.3
Verilog的数字进制格式 .................................... 159
6.2.4
Verilog的数据类型 ........................................ 160
6.2.4.1 寄存器类型 ........................................... 160
6.2.4.2 线网类型 ............................................. 160
6.2.4.3 参数类型 ............................................. 160
6.2.5
Verilog的运算符 .......................................... 161
6.2.5.1 算术运算符 ........................................... 161
6.2.5.2 关系运算符 ........................................... 161
6.2.5.3 逻辑运算符 ........................................... 162
VI
开拓者 FPGA 开发指南
ALIENTEK PIONEER 开发板教程
6.2.5.4 条件运算符 ........................................... 162
6.2.5.5 位运算符 ............................................. 162
6.2.5.6 移位运算符 ........................................... 163
6.2.5.7 拼接运算符 ........................................... 163
6.2.5.8 运算符的优先级 ....................................... 164
6.3
Verilog程序框架 ................................................. 164
6.3.1 注释 ..................................................... 164
6.3.2 关键字 ................................................... 165
6.3.3 程序框架 ................................................. 166
6.4
Verilog高级知识点 ............................................... 169
6.4.1 阻塞赋值 ................................................. 170
6.4.2 非阻塞赋值 ............................................... 170
6.4.3
assign和always区别 ....................................... 171
6.4.4 带时钟和不带时钟的always ................................. 171
6.4.5 什么是latch .............................................. 172
6.4.6 状态机 ................................................... 173
6.4.6.1 Mealy状态机 .......................................... 174
6.4.6.2 Moore状态机 .......................................... 174
6.4.6.3 三段式状态机 ......................................... 175
6.4.7 模块化设计 ............................................... 178
6.5
Verilog编程规范 ................................................. 180
6.5.1 编程规范重要性 ........................................... 181
6.5.2 工程组织形式 ............................................. 181
VII
开拓者 FPGA 开发指南
ALIENTEK PIONEER 开发板教程
6.5.3 文件头声明 ............................................... 181
6.5.4 输入输出定义 ............................................. 182
6.5.5
prameter定义 ............................................. 182
6.5.6
wire/reg定义 ............................................. 183
6.5.7 信号命名 ................................................. 183
6.5.8
always块描述方式 ......................................... 184
6.5.9
assign块描述方式 ......................................... 185
6.5.10 空格和TAB ................................................ 185
6.5.11 注释 ..................................................... 185
6.5.12 模块例化 ................................................. 185
6.5.13 其他注意事项 ............................................. 186
第四篇
实战篇 ............................................................. 187
第七章 流水灯实验 ............................................................. 188
7.1
LED灯简介 ....................................................... 189
7.2 实验任务 ........................................................ 189
7.3 硬件设计 ........................................................ 190
7.4 程序设计 ........................................................ 190
7.5 下载验证 ........................................................ 194
第八章 按键控制LED灯实验 ...................................................... 197
8.1 按键简介 ........................................................ 198
8.2 实验任务 ........................................................ 198
8.3 硬件设计 ........................................................ 199
8.4 程序设计 ........................................................ 200
VIII
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