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微型计算机接口技术实验教程——基于FPGA设计

教育部“高等学校教学质量与教学改革工程”立项项目、“十一五”国家重点图书规划

作者:董代洁、周悦芝
定价:29.50
印次:1-1
ISBN:9787302254065
出版日期:2011.11.01
印刷日期:2011.10.20

本书是配合清华大学计算机系为全校理工科研究生开设的“微型计算机系统接口技术”课而编写的实验教材。这门课程的特点是以实验为主,前面理论课的讲解部分主要陈述接口技术的一般知识、实验涉及的接口原理和协议,本书主要介绍了可编程硬件设计平台的基本构成、基于硬件设计平台的EDA设计方法以及各个实验的设计方法和参考例程的基本步骤。内容以大实验为主,设计接口硬件的同时,有的还需要有软件的配合或包含设计驱动程序,在已有一定理论基础上安排的各个实验内容,主要培养学生的综合设计能力,训练学生把理论用于实践、解决实际问题的能力。 本书适合高等院校理工科类研究生和本科生使用,也可用作硬件设计人员的学习参考书。

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前 言 计算机系统接口技术是计算机类及其他工科类学生的重要课程,一般计算机专业的学生在学习了数字逻辑和计算机组成原理后再学习计算机接口技术,而非计算机类的工科学生在学习了数字逻辑课程后要学习微机原理及接口技术课程。这样将对计算机及系统有一个整体的认识,同时也能让学生进一步地学习计算机应用方面的知识。 计算机接口技术包含的内容很广,一般是指CPU与外部设备或存储器的接口,其中包括内部总线与外部设备的接口、软件和硬件的接口、系统软件和应用软件的接口等,应用方面也非常广泛,不同的领域在计算机的应用中通过相同或不同的接口与计算机进行数据交换。计算机接口技术一类的课程主要针对CPU与外部设备或存储器的接口硬件原理以及与这些接口相关的系统软件调用、设备驱动软件和设备应用软件。 通常在本科生的计算机接口课程中涉及的内容是一些比较基本的接口知识,比如基本的总线结构、存储器与CPU的基本连接和一些常用的外部设备接口,实验涉及的内容也着重于基本的接口实验,比如一般的串并接口、PS/2、定时/计数器、中断控制器、DMA控制器,即使涉及比较复杂的接口如USB接口等,在具体教学或实验时只是接触到应用层,不涉及更深层的内容。而研究生的计算机接口技术课程应该层次更高一些,因为包括非电类的工科学生一般已学习了数字原理和计算机原理一类的课程,所以为研究生开设的接口技术课程需要学习一些更复杂的接口原理,注重接口实验的综合性和实际应用,在教学和实验过程中也应该有更多的开发余地。 计算机系统接口技术是以硬件为重点的课程,目前Xilinx和Altera等公司生产的FPGA和CPLD的可编程器件在各个领域的硬件产品设计中已占据了越来越重要的地位,特别是其可重复编程特性,大大降低了设计的成本并且加快了设计的效率,而FPGA在器件容量上比CPLD更大,适合设计由小到大不同规模的硬件逻辑,所以在高校中以EDA为设计手段采用基于FPGA 为主芯片的实验教学平台已成了主要的趋势。而且随着FPGA产品性能的不断提升,目前的FPGA产品内部已包含了更多的资源,包括CPU硬核等,而与之相配合的软件设计平台也提供了大量的软核可以利用,包括CPU软核、各种常用的设备控制IP, Xilinx公司新的软件设计平台集成了逻辑设计、嵌入式设计、DSP信号处理设计和仿真调试等功能,利用这些硬件和软件的资源可以设计更复杂的接口,也可以利用集成开发软件的嵌入式和DSP设计平台设计具有SOPC功能的接口设备。 本书是配合清华大学计算机系为全校理工科研究生开设的“微型计算机系统接口技术”课而编写的实验教材。这门课程的特点是以实验为主,前面理论课的讲解部分主要陈述接口技术的一般知识和讲解实验涉及的接口原理和协议,而这本实验教材的主要内容是介绍了硬件平台的基本构成、基于硬件平台的EDA设计方法以及各个实验的设计方法和参考例程的基本步骤。内容以大实验为主,设计接口硬件的同时,有的还需要有软件的配合或包含设计驱动程序,不像其他多数教材以一个个的小实验组成,而是在已有一定理论基础上安排的各个实验内容,主要培养学生的综合设计能力,训练学生把理论用于实践、解决实际问题的能力。本教材特别是后面部分的实验内容比目前已出版的其他教材的实验内容要难一些,我们采用的是学生在选择实验的时候根据自己所学的专业和兴趣来挑选1~2个实验,一般情况下做一个完整的实验已满足了一门课实验的要求。难一点的实验可以2~3人组成一组,分工合作,共同完成。还有就是教材中也布置了在已有实验的基础上做更深入的实验或在已有实验指导的基础上进行一些变化等任务,这样有助于在当前科技日新月异的情况下使培养的学生能够适应社会的实际需求。 本实验教程一共分为两个部分。 第一部分第1章主要介绍了实验硬件平台的基本构成和特点、基本的使用方法、各个接口的基本功能,给出了各个接口的电路图和信号连接表,对于可编程的接口芯片介绍了芯片的基本原理和使用方法。实验者可以通过这一章了解所选实验接口的大致原理,在具体设计时可以查阅接口的逻辑图和详细信号连接及可编程器件的寻址、编程方式。 第一部分第2章介绍了设计软件平台Xilinx ISE Design 12.1的安装和使用方法,该软件工具集成了ISE Design Tools逻辑设计工具和EDK嵌入式设计工具以及DSP信号处理设计工具,在本书中只介绍前两个工具的使用。本章是通过一个个简单的实例,一步步地指导完成每一个功能,最后达到对软件设计平台的总体理解。通过这一章的练习,学习者已完成了诸如LED和七段发光管的显示、DIP、PUSH输入控制、RS232串行接口的设计,也掌握了SOPC嵌入式设计的基本方法。 第一部分第3章介绍了两个基础的接口实验: SRAM存储和LCD显示,为第二部分的大实验做铺垫。 第二部分的内容讲解各个实验的具体设计思路和设计步骤,书中包含了6个大实验,实验从简到难,对于较复杂的实验补充了一些基本的原理和协议。实验1和实验2介绍的是音频和VGA实验,参考设计给出的方法是用VHDL设计接口逻辑。实验3和实验4分别介绍USB从设备设计和USB嵌入式主设备的设计,这两个实验都是采用了EDK工具以SOPC的方式实现一个完整的接口设备设计。实验5介绍了用VHDL语言设计网络接口的详细思路、设计流程、仿真和调试方法。实验6的内容是通过ISE Design Tools 的Core Generator产生一个PCIe的软核,再通过对这个软核的利用实现一个1通道的PCIe设备,并进行仿真模拟和连接测试。 在教材中的实验设计包括一些FPGA片内逻辑设计代码和片内固件程序代码以及PC一方的应用程序和驱动程序,有的程序不太长,我们把程序放在了教材里,有的程序量太大,其参考设计工程可从清华大学出版社网站上下载。 实验内容有的是采用了Xilinx 公司提供的参考设计,并在原设计的基础上作了进一步的改进。 本书适合高等院校理工科类研究生和本科生使用,也可用作硬件设计人员的学习和参考书。 配套的实验装置是基于Xilinx 新的Spartan6系列FPGA芯片为主芯片,各种外围接口器件与之相结合,在实验装置上形成具有多种待完成接口。在这个实验装置上,可以通过EDA的方式在FPGA内部设计各种接口逻辑,并且由于Spartan6系列的FPGA是Xilinx 在Spartan 系列器件的基础上升级了好几代的产品,在性能上都有了很大的提高,内部集成有PCIe的硬核,还有高速的串行收发器、DSP逻辑片等,因此在FPGA的片内有丰富的可以利用的资源,利用这些资源可以进行较为复杂的接口及接口设备设计。 作 者2011年4月

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  • 第一部分 实验平台及基础知识

    第1章 教学实验硬件开发平台3

    1.1 EDK-SP6ADSP-TXMFI001实验平台的功能概述3

    1.2 系统及接口功能介绍4

    1.2.1 电源和系统时钟5

    1.2.2 配置5

    1.2.3 接口功能介绍6

    第2章 学习使用教学实验软件平台58

    2.1 Xilinx ISE Design Suite 12.1的安装58

    2.2 ISE  Design Tools设计平台训练62

    2.2.1 创建计数器工程62

    2.2.2 仿真行为模型(功能仿真)65

    2.2.3 下载、调试68

    2.3 EDK嵌入式开发设计平台训练71

    2.3.1 建立一个基本的SOPC系统71

    2.3.2 在基本系统基础上添加一个系统给定的控制模块79

    2.3.3 自己设计一个接口控制模块并添加到系统中88

    第3章 基础接口实验训练114

    3.1 SRAM输入输出实验114

    3.1.1 实验目的及概述114

    3.1.2 硬件设计描述114

    3.1.3 设计实现133

    3.2 LCD显示实验134

    3.2.1 实验目的及概述134

    3.2.2 LCD接口硬件的设计134

    3.2.3 LCD接口应用软件的设计135

    第二部分 实 验 实 例

    实验1 音频接口实验147

    1.1 实验目的及概述147

    1.2 立体声回放功能的实现147

    1.2.1 模块和功能整体概述147

    1.2.2 各模块实现方法详解149

    1.2.3 实验方法及结果153

    1.3 高级实现--通过SRAM进行音频信息的存储和播放154

    1.3.1...

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