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黑金动力II代用户手册v3.0

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FPGA黑金开发板用户手册v3.0

黑金动力社区https://www.doczj.com/doc/2918797380.html, 修订历史

说明:

本文档是针对黑金动力Ⅱ开发板的用户手册,Ⅰ版硬件和Ⅱ版硬件的差别请参考文档末尾附录B的“硬件特殊说明”.

官方网站https://www.doczj.com/doc/2918797380.html,发布的教程主要针对新版开发板.

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FPGA黑金开发板用户手册

学习建议

本产品教程专注于NIOS Ⅱ嵌入式开发,主要由C语言开发,因此,打好C语言的基础很重要,在此推荐一本《C程序设计语言》(第2版),英文名为《The C Programming Language》(Second Edition),该书是由C语言的设计者Brian W.Kernighan和Dennis M.Ritchie编写的一部介绍标准C语言及其程序设计方法的权威性经典著作。全面、系统地讲述了C语言的各个特性及程序设计的基本方法,包括基本概念,类型和表达式、控制流、函数与程序结构、指针与数组、结构、输入与输出、UNIX系统接口、标准库等内容。

当然,结合《NIOS Ⅱ那些事儿》也是一个不错的选择,本教程紧密结合黑金开发板,由简入深,循序渐进,针对各个模块进行实例分析教学.

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目录

Chapter 1 主要器件及特性 ............................................................................ - 5 - Chapter 2 开关,按键与数码管 ....................................................................... - 8 - Chapter 3 点阵型液晶显示器(LCD)........................................................... - 11 - Chapter 4 VGA接口 ..................................................................................... - 15 - Chapter 5 PS/2 鼠标键盘接口................................................................... - 19 - Chapter 6 RS-232 串行接口 ...................................................................... - 22 - Chapter 7 USB接口及芯片 ......................................................................... - 24 - Chapter 8 LAN接口与芯片......................................................................... - 27 - Chapter 9 RTC时钟芯片.............................................................................. - 30 - Chapter 10 高速同步SDRAM ................................................................... - 31 - Chapter 11 扩展板接口 ............................................................................... - 33 - Chapter 12 JTAG/AS下载与调试接口...................................................... - 35 - 附录A ................................................................................................................ - 37 - 附录B ................................................................................................................ - 41 - 附录C ................................................................................................................ - 42 -

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FPGA黑金开发板用户手册

Chapter 1 主要器件及特性

本手册中描述了”黑金动力”系列开发板的设计原理和使用方法,作为开发板的配套说明材料.

这套开发板主要是面向FPGA的初级,中级开发人员,或者对FPGA感兴趣的爱好者,偏向个人用户.这套开发板采用核心板与扩展板分离的方式,简单实用,扩展性好,特别适合爱好者的快速入门和开发人员的产品开发验证,也适合做更深入的IC前端设计.在这套开发板上,一切皆有可能.

同时,这套开发板也提供了一个SOPC平台,可以实现嵌入式的软核,如NIOSII,Open RISC等,为嵌入式电子产品的设计开发提供了又一种选择.

主要元器件介绍

Altera Cyclone Ⅱ系列FPGA

核心板配置的FPGA芯片是Cyclone Ⅱ系列的EP2C8Q208C

更详细可到:https://www.doczj.com/doc/2918797380.html,/literature/lit-cyc2.jsp下载官方手册

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● 64Mbit 的SDRAM

核心板同时配备了高达64Mbit 的SDRAM,对于运行NIOS Ⅱ的软核提供了有力的保障,这款芯片的时钟频率有143MHz,实验证明,NIOS Ⅱ可以稳定地运行120MHz,速度还是相当快的. ● 16Mbit 的配置芯片

核心板还配备了16Mbit 的配置芯片,不仅可以储存配置信息,同时可以实现NIOS Ⅱ软件程序存储.

● 20MHz 的有源晶振

20M 的有源晶振为整个系统提供了时钟源泉.

● ENC28J60网口芯片

实现开发板与以太网之间的通信实验. ● USB 2.0高速数据接口

采用应用广泛,性能稳定的CH376芯片,实现了开发板USB 接口的扩展,便于与计算机进行高速数据通信. ● 板载128*64的点阵LCD

采用ST7565P 控制芯片,内置DC/DC 电路,可以通过串行,并行进行通信. ● 实时时钟芯片(RTC)

配置DS1302芯片,增加了主电源/后背电源

双电源引脚,同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力. ● EEPROM

配置24LC04芯片,24LC04是512*8bit 的EEPROM,支持IIC 接口. ● PS/2鼠标,键盘接口

标准的鼠标,键盘接口,支持3.3V 和5V 设备,可以 用来验证PS/2接口协议. ● 9针RS-232串口

实现与计算机的数据通信,辅助调试. ● VGA 接口

标准VGA 接口,可直接与显示器连接,用于验证VGA 时序. ● 5个独立按键

可以与液晶配合,实现完美的人机界面.

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开发板示意图

核心板

扩展板

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黑金动力社区https://www.doczj.com/doc/2918797380.html, Chapter 2 开关,按键与数码管

按键在绝大多数电子电气设备中都存在身影,可以说,如果说显示屏是人与机器之间沟通的窗户的话,按键就是沟通的桥梁,通过按键,可以方便快捷地对机器进行操作控制.在黑金开发板中,我们设置了5个按键,分别为上,下,左,右,确认,用户可以自行设定按键的功能.

电源开关

电源接口及开关位于核心板左上方,如图

其中F1为限流1.1A的F110保险管,在电源的保护上起到了很大的作用

按键

核心板上的复位电路

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该复位电路可以实现对开发板的初始化作用,防止程序陷入死循环.

扩展板上的按键

扩展板上搭配有5个按键,可以满足大多数场合的设计需要,采用低电平闭合电路.

按键开关管脚映射表

LEDs

在核心板上设置了4个LED,可以作为测试使用,电路如图

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LED管脚映射表

数码管

在扩展板上设有6位独立共阳数码管,实验证明数码管在诸多设计开发中起到了不可代替的作用.数码管的电路如图

该电路图为第一位数码管的电路,其他的电路与之类似.其中,每个数码管都通过一个9012三极管放大电流,保证其亮度均匀.

数码管管脚映射表

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Chapter 3 点阵型液晶显示器(LCD)

在扩展板的右方包括了一块128*64像素的液晶显示器,带有少见的白色背光.常见的LCD模块有LCM(玻璃),背光,PCB板,三种之中LCM(玻璃)模块必不可少,有无背光,有无PCB用户可以根据需要自行选择.点阵的LCD模块按驱动控制器的集成方式分成两种:COB和COG,COG是将驱动控制芯片集成到了玻璃里面,用户只需在电路板上加上无法集成的电阻电容即可实现对LCD的控制;而COB则需要将驱动芯片焊接在LCD 模块后面的PCB板上.

黑金开发板上提供的LCD使用的是COG液晶,它将驱动控制IC集成到了LCM上,这样就省去了PCB底板,节省了很大的空间.该LCD的驱动芯片为ST7565P,支持三种接口方式,通常采用串行时序方式,接口简单,使用方便.

LCD的原理图

LCD的管脚映射表

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LCD参数

注意:该LCD的显存存在8(page)*8+1行,即65行,s0-s131列,即132列,与标准的128*64液晶有的差异,该LCD的最后一行(page8的D0)和最后三列(ADC为正常时,s129,s130,s131;ADC为反向时,s0,s1,s2)是不能显示的,而显存上其他数据与LCD 上的点一一对应,具体如下图红圈所示

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显示屏上的每个点都对应控制器片内显示缓存RAM中的一个位,显示屏上的

64*128个点分别对应显示RAM的8个Page,每个Page有128 Byte的空间对应,如图所示

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用户如果要点亮LCD屏幕上的某一个点时,实际上就是对该点所对应的显示RAM 区中的某一个位进行置1操作;所以就要确定该点所在的行地址,列地址.由上图可以看出,液晶的行地址实际上就是Page的信息,每个Page应有8行;而列地址表示该点的横坐标,在屏上为从左到右排列,Page中的一个Byte对应的是一列(8行,即8个点),一共128列.可以根据这样的关系在程序中控制LCD屏幕的显示.

在LCD上显示字符,不管是中文还是英文,都需要字库的支持,在有些LCD模块中,已经将字库烧写在芯片当中,这样的字库有优点也有缺点.优点是操作简单,而缺点是不灵活,显示效果不好,扩展性差,而且性价比不高.黑金开发板所选用的COG屏幕是不带字库的.

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Chapter 4VGA接口

VGA(Video Graphics Array)接口,也叫D-Sub接口,是显示卡上输出模拟信号的接口,显卡所处理的信息最终都要输出到显示屏上显示,显卡的输出接口就是电脑与显示屏之间桥梁,它负责向显示器输出相应的图像信号.CRT显示器因为设计制造上的原因,只能接受模拟信号,这就需要显卡能够输入模拟信号,于是就有了VGA接口.虽然液晶显示器可以直接接接收数字信号,但是为了兼容性,大多数液晶显示器也配备了VGA接口模块.

VGA是IBM在1987年随PS/2机一起推出的一种视频传输标准,具有分辨率高,显示速率快,颜色丰富等优点,在彩色显示器领域得到了广泛的应用.目前VGA技术的应用还主要基亍VGA显示卡的计算机,笔记本等设备.根据分辨率不同,VGA分为VGA (640x480),SVGA(800x600),XGA(1024x768),SXGA(1280x1024)等.

虽然说VGA的标准对于现在的个人计算机市场十分过时,但是VGA仍然是所有制造商所支持的最低标准,例如不管所有厂商的显卡,在不安装自己驱动的情况下,都是支持VGA 标准显示的.

VGA接口是一种D型接口(D-SUB),上面共有15个针孔,分成三排,每排五个,如图所示.

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VGA引脚定义

引脚1,2,3分别为红绿蓝三基色模拟电压,为0~0.714V peak-peak(峰-峰值),0V代表无色,0.714V代表满色.一些非标准显示器使用的是1Vpp的满色电平.HSYNC与VSYNC分别为行数据同步与帧数据同步,为TTL电平.

黑金开发板的扩展板上配备了一个VGA接口,其电路为

VGA管脚映射表

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VGA的时序介绍

VGA的时序如图所示,它分为行数据时序和帧数据时序

行数据时序为显示一行数据的时序,由上图可看出,显示一行数据需要处理两件事情:第一,产生行同步HSYNC.不难看出HSYNC是一个脉冲信号,该信号周期

为:e=a+b+c+d,低电平时间为a.其中a,b,c,d均为时间信号,这些信号根据需要显示的分辨率的不同而不同.第二,产生显示的数据(DATA)信号,此信号为模拟信号,当在显示有效数据(Active Video)内,DATA信号为0~0.714Vpp的模拟电压(R,G,B),根据分辨率的不同,DATA的采样率,点数也不同.

帧数据时序与行数据时序类似,是显示一个屏数据的时序.只是这里的基本单位为每行数据,而行数据里面的最基本单位为每个点.

下表列出常用分辨率及时间参数

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Chapter 5 PS/2鼠标键盘接口

PS/2 原是“Personal System 2”的意思,“个人系统2”,是IBM公司在上个世纪80年代推出的一种个人电脑。以前完全开放的PC标准让IBM觉得利益受了损失。所以IBM设计了PS/2这种电脑,目的是重新定义PC标准,不再采用开放标准的方式。在这种电脑上IBM使用了新型MCA总线,新的OS/2操作系统。PS/2电脑上使用的键盘鼠标接口就是现在的PS/2接口。因为标准不开放,PS/2电脑在市场中失败了。只有PS/2接口一直沿用到今天。

PS/2是在较早电脑上常见的接口之一,用于鼠标、键盘等设备。一般情况下,PS/2接口的鼠标为绿色,键盘为紫色。

PS/2接口是输入装置接口,而不是传输接口。所以PS2口根本没有传输速率的概念,只有扫描速率。在Windows环境下,PS/2鼠标的采样率默认为60次/秒,USB 鼠标的采样率为120次/秒。较高的采样率理论上可以提高鼠标的移动精度。

PS/2接口设备不支持热插拔,强行带电插拔有可能烧毁主板。

PS/2可以与USB接口互转,即PS/2接口设备可以转成USB,USB接口设备也可以转成PS/2

早期,在PS/2键盘中,包含了一个嵌入式的微控制器(如InDl,8048系列),以用来执行各项的工作并减少整个系统工作中的负担。微控制器所要作的工作就是监测所有的按键,以及当按键被按下或放开时,就回报给主机。

在黑金开发板的扩展板上设置了一个PS/2接口,采用标准6针mini-DIN接口,其电路如图所示

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PS/2管脚映射表

PS/2接口示意图

PS/2接口通过两根信号线与计算机进行通信,PS/2总线包括时钟和数据线.数据信号使用11 bit的串行信号.鼠标与键盘所发送的数据包是不同的.

读取基本的键盘数据,不需要FPGA发送任何数据,只需读取键盘发回来的数据即可.

如下面的时序图.

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