SOPC第三章SOPC技术

SOPC实验指导书电信学院实验中心目录第一章EL-SOPC4000实验系统的资源介绍 (1)一、系统功能概述 (1)二、系统硬件资源 (2)三、特别说明 (11)第二章数字可编程设计实验 (12)实验一组合逻辑3-8译码器的设计 (12)第三章基于NIOS的软核设计实验 (23)实验一 Nios软核的设计 (23)实验二外设模块的设计 (27)实验三 SOPC应用系统的生成 (40)实验四 Nios II软核验证以及Nios II IDE软件的介绍 (46)实验五 SOPC系统的PIO验证 (52)实验六基于NIOS的交通灯实验 (55)实验七 7段数码管显示实验 (59)实验八按键及拨码开关实验 (61)实验九 16×16 LED点阵实验 (62)实验十 UART与PC机通信实验 (64)第一章EL-SOPC4000实验系统的资源介绍一、系统功能概述EL-SOPC4000实验箱是集EDA 和SOPC 开发为一体的综合性实验箱，它不仅可以独立完成各种EDA 设计，也可以完成多种SOPC开发。

主CPU适配器E-PLAY-SOPC配合EL-SOPC4000底板，可完成各种基本的EDA实验。

在实验板上有丰富的外围扩展资源，有常用的按键，拨码开关，LED灯，蜂鸣器，交通灯，16x16点阵，数码管，4x4矩阵键盘，AD/DA，CAN功能单元，RS232，RS485，可调时钟输出。

实验板上还集成了一个8寸的VGA接口的液晶屏，可完成视频图像的显示。

由于CPU 适配器E-PLAY-SOPC本身具有E_PLAY接口，只需提供电源即可独立完成功能测试，也可控制用户开发的E_PLAY接口模块。

由于EL-SOPC4000底板加入了两路E_LAB外扩接口，可以配合公司现有的多种E_LAB模块，来完成大学生毕业设计、电子设计竞赛、及创新设计，同时该系统也是从事教学及科研的广大教师和工程师们的理想开发工具，具有极高的灵活性，开放性和可开发性。

以我给的标题写文档，最低1503字，要求以Markdown 文本格式输出，不要带图片，标题为：sopc的技术方案# SOPC的技术方案## 1. 简介系统级片上系统（System-on-a-Chip, SOC）是将多个不同类型的硬件功能集成在一个芯片上的技术。

可编程逻辑器件（Programmable Logic Device, PLD）也得以发展，最终演变为可编程系统单片（System-on-Programmable Chip, SOPC）。

SOPC是一种集成了处理器核、外设和可编程逻辑资源的芯片。

本文将介绍SOPC的技术方案，包括其核心概念、设计流程和应用领域。

## 2. 核心概念### 2.1 可编程逻辑资源SOPC的核心是可编程逻辑资源，通常是通过可编程逻辑器件（如FPGA）实现的，用于实现不同的硬件功能。

可编程逻辑资源包括逻辑门、寄存器、复杂的算术逻辑单元（Complex Arithmetic Logic Unit, ALU）等，可以通过编程方式重新配置其功能和连接关系。

### 2.2 处理器核SOPC通常包含一个或多个处理器核，用于执行软件程序。

处理器核能够与可编程逻辑资源进行通信，并与外围设备进行交互。

处理器核有不同的架构和性能，常见的例子包括ARM Cortex-M系列和Intel x86系列。

### 2.3 外围设备外围设备包括各种接口和控制器，用于与外部设备进行数据交换。

常见的外围设备有串行接口（UART）、并行接口、时钟管理模块、存储器控制器等。

## 3. 设计流程SOPC的设计流程包括以下几个关键步骤：1. **需求分析**：确定所需的功能和性能指标，包括处理器核选择、外设选择和可编程逻辑资源容量等。

2. **系统设计**：根据需求分析结果，进行系统框架设计和模块划分。

3. **硬件设计**：根据系统设计，实现硬件模块的详细设计，包括处理器核、外设和可编程逻辑资源的配置和连接。

EDA/SOPC技术实验讲义康芯电子.kx-soc.用户必读●为了使您尽快地了解本公司的产品结构和性能，请您务必在设备使用前仔细阅读我们所提供光盘A里的“GW48EDA_PK2/PK3实验系统默认必读”，她会使您在最短的时间对本公司的EDA设备的结构有了大概的认识。

●如果您对EDA软件和本公司的设备还不大了解，请您浏览光盘A里的“软件和硬件使用指南”，那里有我们用最快捷简单的方法对软件和硬件的整个操作流程。

●和讲义里所配套的实验在光盘A“GW48_EDA”文件夹里，如果您设备所配的是GWAC3板，那么的它的实验程序和实验指导课件在“EDA_VHDL_1C3”，比如讲义里1-1实验：您打开光盘“GW48_EDA/EDA_VHDL_1C3\chapter4\ep1c3_41_mux21A”即可。

如您设备所配的是SOPC实验系统，那么它所对应的是“EDA_SOPC1C6_12”。

●在“EDA_VHDL_1C3”或“EDA_SOPC1C6_12”的“重要文档”里有我们提供的EDA/SOPC系列软件的按装说明和本讲义的电子文档，“原理图”里我们提供了和我们设备相关的部分原理图，“ISPMCU_downloda”是实验设备上89S51单片机在系统下载软件。

●如果您用的是现代计算机组成原理的设备，那么它所对应的实验程序在“CMPUT_EXPMT”文件夹里。

●本讲义附录第六节里有电子设计竞赛板GWDVP-B文档说明，它所对应的演示例程和电子文档说明在光盘A/EDA_VHDL_1C3/chpt12_GWDVP+里。

●如果您配有GW-ADDA板，它的A/D、D/A与GWAC3板或GWAC6/12板的引脚在本讲义附录第六节里都已一一列出，第五节里是SOPC板的引脚说明。

目录4第一章 EDA_VHDL实验/设计与电子设计竞赛4 1-1、应用QuartusII完成基本组合电路设计5 1-2. 应用QuartusII完成基本时序电路的设计6 1-3. 设计含异步清0和同步时钟使能的加法计数器7 1-4. 7段数码显示译码器设计8 1-5. 8位数码扫描显示电路设计9 1-6. 数控分频器的设计10 1-7. 32位并进/并出移位寄存器设计10 1-8. 在QuartusII中用原理图输入法设计8位全加器11 1-9. 在QuartusII中用原理图输入法设计较复杂数字系统11 1-10. 用QuartusII设计正弦信号发生器13 1-11. 8位16进制频率计设计16 1-12. 序列检测器设计16 1-13. VHDL状态机A/D采样控制电路实现18 1-14. 数据采集电路和简易存储示波器设计19 1-15. 比较器和D/A器件实现A/D转换功能的电路设计20 1-16 移位相加硬件乘法器设计24 1-17 采用流水线技术设计高速数字相关器24 1-18 线性反馈移位寄存器设计25 1-19 乐曲硬件演奏电路设计28 1-20 乒乓球游戏电路设计32 1-21 循环冗余校验(CRC)模块设计33 1-22. FPGA步进电机细分驱动控制设计(电子设计竞赛赛题)34 1-23. FPGA直流电机PWM控制实验35 1-24. VGA彩条信号显示控制器设计37 1-25. VGA图像显示控制器设计37 1-26. 清华大学学生基于GW48PK2系统VGA图像显示控制器设计示例5则38 1-27. 直接数字式频率合成器(DDS)设计实验(电子设计竞赛赛题)39 1-28. 嵌入式锁相环PLL应用实验41 1-29. 使用嵌入式锁相环的DDS设计实验（200MHz超高速 DAC的PLL测试42 1-30. 基于DDS的数字移相信号发生器设计(电子设计竞赛赛题)45 1-31. 采用超高速A/D的存储示波器设计(含PLL,电子设计竞赛赛题)46 1-32. 信号采集与频谱分析电路设计(电子设计竞赛赛题)46 1-33. 等精度数字频率/相位测试仪设计实验(电子设计竞赛赛题)48 1-34. FPGA与单片机联合开发之isp单片机编程方法49 1-35. 测相仪设计(电子设计竞赛赛题)50 1-36. PS/2键盘鼠标控制电子琴模块设计50 1-37. PS/2鼠标与VGA控制显示游戏模块设计50 1-38. FPGA_单片机_PC机双向通信测频模块设计50 1-39. 10路逻辑分析仪设计(电子设计竞赛赛题)51 1-40. IP核：数控振荡器NCO应用设计52 1-41. IP核：FIR数字滤波器应用设计53 1-42. IP核：FFT应用设计53 1-43. IP核：CSC VGA至电视色制互转模块应用设计54 1-44. IP核：嵌入式逻辑分析仪SignalTapII调用55 1-45. USB与FPGA通信实验56第二章 SOPC/EDA设计实验I56 2-1 用逻辑锁定优化技术设计流水线乘法器实验57 2-2 用逻辑锁定优化技术设计16阶数字滤波器实验59 2-3 基于DSP Builder的FIR数字滤波器设计实验60 2-4 基于DSP Builder的IIR数字滤波器设计实验60 2-5 基于DSP Builder的DDS与数字移相信号发生器设计实验62 2-6 m序列伪随机序列发生器设计实验63 2-7 巴克码检出器设计实验65 2-8 RS码编码器设计实验65 2-9 正交幅度调制与解调模型设计实验67 第三章 SOPC/EDA设计实验II67 3-1 基于MATLAB/DSP Builder DSP可控正弦信号发生器设计72 3-2 32位软核嵌入式处理器系统Nios开发实验73 3-3 设计一个简单的SOPC系统74 3-4 简单测控系统串口接收程序设计74 3-5 GSM短信模块程序设计75 3-6 基于SOPC的秒表程序设计77 3-7 Nios Avalon Slave外设（PWM模块）设计78 3-8 Nios Avalon Slave外设（数码管动态扫描显示模块）设计79 3-15 DMA应用和俄罗斯方块游戏设计79第四章 SOPC/EDA设计实验III ( NiosII系统设计 )79 4-1、建立NIOSII嵌入式处理器硬件系统87 4-2、NIOSII软件设计与运行流程94 4-3、加入用户自定义组件设计100 4-4、加入用户自定义指令设计103 4-5、FLASH编程下载104 4-6、设计DSP处理器功能系统104 4-7、AM调制电路设计105第五章液晶接口实验105 5-1 GDM12864A液晶显示模块接口开发111 5-2 HS162-4液晶显示模块与单片机的接口114 5-3 G240-128A液晶显示模块的接口115第六章 CPU与其结构组件设计实验115 6-1 复杂指令CPU设计122 6-2 8051/89C51单片机核于FPGA中实现实验124第七章模拟EDA实验124 7-1 模拟EDA实验与其设计软件使用向导（PAC_Designer使用）124 7-2 基于ispPAC80的5阶精密低通滤波器设计126 7-3 基于ispPAC10的直流增益为9的放大器设计129附录：GW48 EDA/SOPC主系统使用说明129 第一节：GW48教学系统原理与使用介绍，132 第二节：实验电路结构图137 第三节：超高速A/D、D/A板GW-ADDA说明138 第四节：步进电机和直流电机使用说明138 第五节：SOPC适配板使用说明139 第六节：GWDVPB电子设计竞赛应用板使用说明141 第七节：GWCK/PK2/PK3系统万能接插口与结构图信号/与芯片引脚对照表EDA/SOPC与电子设计竞赛培训实验讲义使用说明1、本讲义中所列的所有实验示例皆在GW48-PK2/PK3（GW48-CK）、GW48-SOPC系统上验证2、本讲义中所列的大多数实验都有配套的演示示例以供验证，以与含相应的实验指导课件。

《SOPC技术原理及应用》实验指导书适用专业:电气、测控等编写单位:电气信息学院编写人:曹林审核人:审批人:批准时间:年月日目录前言MagicSOPC 创新教学实验开发平台 (3)实验1 PIO 输出—流水灯控制 (4)实验2 PIO输出—步进电机控制 (7)实验3 PIO 输入—读取开关信号 (12)实验4 PIO 外部中断实验 (15)前言MagicSOPC 创新教学实验开发平台MagicSOPC 是基于Altera Nios II SOPC 系列的专业级创新教学实验开发平台；采用Altera 公司Cyclone II 系列150 万门的FPGA，先进的系统化、模块化设计；丰富的人机交互方式，众多的高性能外设使得MagicSOPC 实验开发平台具有卓越的性能和无与伦比的灵活性；是SOPC、EDA、DSP 教学实验、电子设计创新实验室、现代嵌入式系统实验室、科研开发的上佳选择。

实验开发平台采用核心板加主板的结构，提供多种人机交互方式，多种模块外设，如：矩阵键盘、按键、拔档开关、触摸屏输入；数码管显示、大屏幕TFT 彩色液晶显示屏；AC97 音频模块；VGA、TV、PS/2、USB、IrDA、CAN、I2C、SPI、RS232、RS485、Modem、Ethernet、CF 卡、SD/MMC 卡、IDE 接口及高速AD/DA 模块等。

开发工程师可在该实验平台上实现EDA、SOPC、DSP 等各种设计并进行验证。

核心板可灵活地用于二次开发。

与一般的实验箱不同，MagicSOPC 主板的所有外设都不需要进行跳线设置，做实验时方便简单；此外每个外设的信号都设置了测试点，方便用户使用逻辑分析仪进行信号测量。

一切为设计为用户考虑是本开发平台的出发点。

考虑到核心板对用户的实用性，核心板除设计最小系统外，还设计有按键、LED 以及电源插座等，用户直接/或量身定制底板使用，这样核心板可用于用户自己的设计中，亦可用于电子设计大赛。

《现代电子设计技术》课程要点归纳第1章概述1 SOPC名词解释2 VHDL名词解释：Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language超高速集成电路硬件描述语言3 集成电路发展的6个阶段：晶体管，小规模集成电路（SSI），中规模集成电路(MSI)，大规模集成电路（LSI），超大规模集成电路(VSLI)，片上可编程系统(SOC)4 片上系统（SOC）基本概念：SoC (System on Chip,片上系统) 是ASIC(Application Specific IntegratedCircuits) 设计方法学中的新技术,是指以嵌入式系统为核心,以IP 复用技术为基础,集软、硬件于一体,并追求产品系统最大包容的集成芯片.狭意些理解,可以将它翻译为“系统集成芯片”,指在一个芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O 等功能,包含嵌入软件及整个系统的全部内容;广义些理解,可以将它翻译为“系统芯片集成”,指一种芯片设计技术,可以实现从确定系统功能开始,到软硬件划分,并完成设计的整个过程.5 SOC设计方法学中的系统集成芯片技术包括的三个方面：设计重用技术，软硬件协同设计技术，纳米级电路设计技术6 SOC设计重用技术的概念、特点、构成及要求：主要指的是IP重用技术，重用预先设计并经验证的模块（可从第三方获得），以达到缩短设计周期、加快投入市场的目的；它由IP的设计和IP的使用两个部分构成，要求所设计的IP可重用、可配置和可升级，目标是IP能即插即用。

7 软硬协同技术的概念及其构成：一般来说，面向SOC的软硬件协同设计理论是从一个给定的系统描述着手，通过有效地分析系统任务和所需的资源，采用一系列变换方法并遵循特定的准则自动生成符合系统功能要求、符合系统约束的硬件和软件架构。

软硬协同主要包括系统描述、软硬件划分、软硬件协同综合以及软硬件协同模拟与验证。

用 户 使 用 手 册目第一章 综述录1NIOSII-EP2C35 开发板资源介绍 ………………………………..…………………… 1 SOPC-III 系统板资源介绍 …………………………………………………….………….. 3 第二章 系统模块 5NIOSII-EP2C35 开发板模块说明 …… ……………………………………………… 5 NIOSII-EP2C35 开发板使用注意事项 ………………………………………….. 36 SOPC-III 系统板模块说明 …………………………………………………………….. 37 SOPC-III 系统板使用注意事项 … … … … … … … … … … … … . . … … … … … … … … 42 第三章 软件的安装 43概述 ……………………………………………………………………………………………….……. 43 QuartusII 软件的安装 …………………………………………………………………….….. 45 QuartusII 软件的授权 …………………………………………………………………….….. 50 NIOSII 软件的安装 …………………………………………………………………………… 55 第四章 USB 电缆的安装与使用 59概述 ……………………………………………………………………………………………………. 59 USB 电缆在 WINXP 系统中的安装 ………………………………………………... 61 USB 电缆在 Linux 系统中的安装……………………………………..……...…..….65 USB 电缆在 QuartusII 软件中和设置………………….…………………….……..65 USB 电缆的规格指标 ………………………………………….………………….………… 67 USB 电缆使用注意事项 …………………………………….…………………….……….. 71 疑难解答 ………………………………………………………….………………………….……. 71SOPC-NIOSII EDA/SOPC System Platform用户使用手册第一章综述SOPC-NIOSII EDA/SOPC 实验开发系统是根据现代电子发展的方向，集 EDA 和 SOPC 系统开发为一体的综合性实验开发系统，除了满足高校专、本科生和研究生 的 SOPC 教学实验开发之外， 也是电子设计和电子项目开发的理想工具。

FPGA/SOPC开发快速入门教程1V2.032005-9-1前言FPGA在复杂逻辑电路以及数字信号处理领域中扮演者越来越重要的角色，SOC（片上系统）以其低功耗，高性能，低成本，高可靠性等优点成为嵌入式系统的发展趋势。

作为一个简明的教程，主要宗旨是让初学者快速地了解FPGA/SOPC（可编程片上系统）开发的流程。

目前IT技术的发展可以说是一日千里，以本人的观点来讲，如果希望在电子设计领域有所作为，则必须具备快速掌握新技术的能力。

电子设计最重要的是实践的积累，我们只要具备了一定的基础，应当马上投入实践，否则很多概念都无法真正理解。

有不少人包括我，当下决心要成为一个合格的电子设计工程师的时候，总是想如果把有关电路方面的理论都掌握了才能所向披靡，有底气参加实际项目设计。

当然如果能做到“把有关理论都掌握了”这样的境界，我想应该是很理想的，但经验发现这并不实际。

据我所知，我所认识的不少电子设计牛人，他们的理论知识可能都比不上我们的本科生，但很多不错的产品都是从他们的手中开发出来的，有了实践的经验后，他们掌握新技术的速度相当惊人。

有人跟我说：“新技术是拿来用的，不是拿来学的。

”他们认为掌握新的设计技术应当尽快掌握它的设计流程。

因此，我参考朋友给我的意见，写了这个简易的教程，以非常详细的实例来让初学者了解基于QuartusII和NiosII IDE的FPGA/SOPC开发的基本流程，目的是为了让初学者尽快上手FPGA/SOPC的开发流程，尽快投入到实践中。

为了易于说明问题，本教程中的一些概念并不是很严谨，如果读者对某些提法有异议，请参考相关资料和教材，并以相关资料和教材为准。

通过该简明教程，初学者能快速了解FPGA/SOPC的基本开发流程，很多技巧和深入理解都靠长期的经验积累，因此初学者应该在了解了基本流程以后，思维不能局限于此，应在实践中提高水平，并参考更全面和权威的资料。

本教程配套CT-SOPCx系列FPGA/SOPC学习套件（对于该套件的相关内容请参考附录。