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微型计算机系统接口技术实验教程-基于FPGA(第二版)

清华大学计算机系列教材

作者:周悦芝、董代洁
定价:35
印次:2-1
ISBN:9787302421962
出版日期:2016.04.01
印刷日期:2016.03.11

周悦芝董代洁编著清华大学出版社北京内 容 简 介本书采用基于Xilinx FPGA的计算机接口设计方法,使用普通逻辑设计方式,即用VHDL硬件描述语言设计和采用SOPC的嵌入式方式设计接口。全书共两部分,第一部分“实验平台及基础知识”共两章,第1章介绍硬件开发平台的基本结构及各个接口的基本原理和链接方式,第2章介绍Xilinx公司ISE开发设计平台的使用方法、离线仿真和在线调试逻辑分析仪的使用方法及步骤。第二部分“实验实例”共3章,其中第3、4章按照使用VHDL逻辑设计和SOPC方式设计分别介绍由简单到复杂的接口设计案例,第5章介绍综合设计案例,并在每个实验案例的基础上提出了实验进阶的要求。 本书是针对理工科本科生和研究生学习计算机接口技术的实验用书,也适合于学习FPGA和硬件设计人员学习使用。

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本书第一版出版后,被国内很多高校以及硬件开发人员应用,在出版社提出再版的要求后,作者着手第二版的写作与修改。第二版在第一版的基础上添加了一些新内容,为了使本书更能满足不同层次高校的需要,又增加了一些基本的接口设计以及在线逻辑分析仪的使用。同时,为了使本书有利于指导学生深入学习更高级的接口,培养创新能力,本书在第5章增加了综合接口设计的内容。 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。这样能够使学生对计算机及系统有一个整体的认识,同时也为进一步学习计算机应用方面的知识打下基础。 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。接口的应用也非常广泛,不同的领域在计算机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,本科生的计算机接口课程中涉及的内容是一些比较基础的接口知识,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、PS2、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也只是接触到应用层,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以及实验涉及的接口原理和协议,本书的主要内容是介绍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,在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。本书针对学生已有一定理论基础的情况安排各个实验内容,主要培养学生的综合设计能力,训练学生把理论用于实践、实际解决问题的能力。本教材特别是第二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一至两个实验,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。难一点的实验可以两三人组成一组,分工合作,共同完成。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的进阶要求,这样有助于培养学生适应社会的实际需求的能力。 本书共分两个部分: 第一部分共两章。第1章主要介绍实验硬件平台的基本构成和特点、基本的使用方法以及各个接口的基本功能。给出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。学生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2章介绍设计软件平台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、EDK嵌入式设计工具以及仿真和调试工具。本章通过一个个简单的实例,一步步地指导完成每一个功能,最后使学生对设计平台有总体理解。通过这一章的练习,学生应完成诸如LED和七段发光管的显示、DIP、PUSH输入控制、RS232串行接口的设计,掌握SOPC嵌入式设计的基本方法,并且掌握设计的离线仿真和调试中在线逻辑分析仪的使用。 第二部分共3章,讲解各个实验的具体设计思路和设计步骤,实验从易到难,对于较复杂的实验补充了一些基本的原理和协议。第3章介绍用VHDL语言设计接口实验,从简单的七段显示到复杂的网络接口设计实验逐步深入,每一个实验例程后还布置了实验进阶思考题。第4章介绍了用EDK嵌入式开发工具设计接口实验,内容也是由浅入深。第5章介绍了几个综合实验,将前面单一的实验进行组合,达到各种综合效果,比如音/视频、USB传输以及蓝牙设备等综合设计效果。 在教材中的实验设计包括一些FPGA片内逻辑设计代码、片内固件程序代码以及PC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;有的程序代码量太大,以电子资源方式提供。 有的实验内容采用了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研究生和本科生学生使用,也可用作硬件设计人员的学习参考用书。 配套的实验装置基于Xilinx 新的Spartan6系列FPGA芯片为主芯片,与各种外围接口器件结合,在实验装置上形成多种待完成接口。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Spartan6系列的FPGA是Xilinx公司在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硬件设计。 利用FPGA设计硬件,可移植性较强,特别是用VHDL进行设计,只要接口类型基本相同,稍加修改,重新绑定引脚后,在其他厂商生产的FPGA或CPLD上都可以进行移植,所以本书有较宽的适应面。另外,本书在工具的使用上沿用了Xilinx ISE Design Suite 12.1,这是因为工具版本的升级主要是为了适应厂家新生产出来的FPGA类型,而本书实验平台采用的FPGA系列Spartan6是2011年生产的高品质FPGA,对于实验教学已经绰绰有余,而且该系列FPGA也可以进行深层次的硬件开发。目前Xilinx公司最新版本的ISE系列开发工具Xilinx ISE Design Suite 14.7在使用上与Xilinx ISE Design Suite 12.1没有太大的区别。而Vivado Design Suite 只针对Virter7等7系列的高端产品,7系列的FPGA在硬件上有了更高的密度和更多的功能,CPU内核采用了ARM的CPU,即使这样在VHDL及SOPC的设计界面上也与ISE并无实质的差距。 首先要感谢Xilinx公司大学计划部谢凯年博士对我们工作的支持与帮助,感谢合作者陈彰林、金胜凯、陈俊彦、赵宏杰先生。与这本教材配套的实验平台EDKSP3ADSPTXMFI001是我们和Xilinx大学计划合作开发的。Xilinx公司为我们的工作提供了大力支持,包括软件设计工具的免费升级,硬件平台的合作开发以及实验设计中的技术支持。在陈彰林、金胜凯的帮助下,我们把原来基于Xilinx ISE 8和Xilinx EDK8的实验提升到了Xilinx ISE Design 12.1的版本,并且把实验从原来基于Spartan IIE和Vitex 4的实验移植到了新设计的基于Spartan6的开发平台上。在与他们的合作中,感受到他们的热情和真切、实在与求新。 感谢清华大学出版社白立军先生对我们的大力支持,使本书得以出版。 编者2015年12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实验平台介绍3

    1.2系统及接口功能介绍4

    1.2.1电源和系统时钟4

    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63

    2.1软件的介绍和安装63

    2.2Xilinx ISE Design Tools设计平台训练67

    2.2.1创建计数器工程67

    2.2.2仿真行为模型(功能仿真)70

    2.2.3下载和调试72

    2.2.4用ChipScope在线逻辑分析仪观察波形76

    2.3Xilinx EDK嵌入式开发设计平台训练82

    2.3.1建立一个基本的SOPC系统82

    2.3.2在基本系统基础上添加一个系统给定的控制模块90

    2.3.3设计一个接口控制模块并添加到系统中99

    2.3.4在EDK下用ChipScope在线逻辑分析仪观察波形123

    第二部分实 验 实 例

    第3章用VHDL设计接口133

    3.17段数码显示秒表实验133

    3.1.1实验目的及概述133

    3.1.2硬件设计及实现133

    3.1.3实验138

    3.2LCD显示功能实验138

    3.2.1实验目的及概述138

    3.2.2硬件设计及实现138

    3.2.3实验142

    3.3RS232接口设计142

    3.3.1实验目的及概述142

    3.3.2硬件设计描述143

    3.3.3实验154

    3.4SRAM输入输出接口实验154

    3.4.1实验目的及概述154

    3.4.2硬件设计描述155

    3.4.3实验172

    3.5音频接口实验172

    3.5.1实验目...

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