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编辑点评:正点原子领航者FPGA开发指南参考书籍

FPGA 器件属于专用集成电路中的一种半定制电路,是可编程的逻辑列阵,能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题。FPGA 的基本结构包括可编程输入输出单元,可配置逻辑块,数字时钟管理模块,嵌入式块RAM,布线资源,内嵌专用硬核,底层内嵌功能单元。

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内容简介

领航者ZYNQ之FPGA开发指南将由浅入深的带领大家开启ZYNQ的学习之旅。本手册主要学习ZYNQ的 PL(Program Logic,可编程逻辑)部分,共分为硬件篇、软件篇、语法篇与实战篇共四个篇章。

硬件篇:硬件篇主要介绍本手册的硬件实验平台以及硬件资源详解。

软件篇:软件篇主要介绍 FPGA 常用开发软件的安装教程与使用方法。

语法篇:语法篇主要介绍 FPGA 的硬件描述语言 Verilog 的语法知识。

实战篇:实战篇主要通过 21 个实例带领大家一步步深入了解 FPGA。

本手册为领航者 ZYNQ 开发板的配套教程,在开发板配套的光盘里面,有开发板的原理图以及所有实例的完整代码,这些代码都有详细的注释,所有源码都经过我们严格测试,不会有任何编译错误。另外,源代码有我们生成好的 bit 文件(用于下载程序的文件),大家只需要通过下载器下载到开发板即可看到实验现象,亲自体验实验过程。

本手册不仅非常适合广大学生和电子爱好者学习 FPGA,其大量的实验以及详细的注释,也是公司产品开发的不二参考。 

目录大全

内容简介 …………………………………………………………………… 9

前 言 …………………………………………………………………… 10

第一篇 硬件篇 …………………………………………………………. 11

ZYNQ简介 ……………………………………………………….. 12

ZYNQ简介 …………………………………………………………… 13

FPGA简介 …………………………………………………………… 15

ZYNQ PL简介 ………………………………………………………… 20

ZYNQ PS简介 ………………………………………………………… 26

实验平台简介 ……………………………………………………. 31

领航者ZYNQ开发板资源初探 …………………………………………….. 32

领航者开发板底板资源 …………………………………………… 32

领航者开发板核心板资源 …………………………………………. 34

领航者ZYNQ开发板资源说明 …………………………………………….. 36

硬件资源说明 ………………………………………………….. 36

软件资源说明 ………………………………………………….. 42

硬件资源详解 ……………………………………………………. 45

领航者ZYNQ的IO分配 ………………………………………………….. 46

PL端的IO分配 ………………………………………………….. 46

PS端的IO分配 ………………………………………………….. 51

开发板底板原理图详解 ………………………………………………… 56

底板电源 ……………………………………………………… 56

ZYNQ 启动模式 …………………………………………………. 59

有源蜂鸣器 ……………………………………………………. 59

PL LED ……………………………………………………….. 60

PS LED ……………………………………………………….. 60

PL按键 ……………………………………………………….. 61

PS按键 ……………………………………………………….. 61

电容触摸按键 ………………………………………………….. 62

14-Pin JTAG接口 ……………………………………………….. 63

USB串口 ……………………………………………………… 63

RS232 接口 …………………………………………………… 64

RS485 接口 …………………………………………………… 65

RGB LCD 模块接口………………………………………………. 66

XADC接口 …………………………………………………….. 67

OLED/摄像头模块接口 …………………………………………… 68

EEPROM ………………………………………………………. 68

实时时钟 …………………………………………………….. 69

ATK模块接口…………………………………………………… 70

I2S音频编解码 ………………………………………………… 71

HDMI接口 …………………………………………………….. 72

PL端千兆以太网接口(RJ45)……………………………………… 74

USB 2.0接口 ………………………………………………….. 76

Micro SD卡接口 ……………………………………………….. 79

CAN接口 ……………………………………………………… 80

IO扩展口 …………………………………………………….. 81

开发板核心板原理图详解 ………………………………………………. 82

核心板电源 ……………………………………………………. 82

ZYNQ主控芯片 ………………………………………………….. 85

DDR3 SDRAM存储器 ………………………………………………. 88

6-Pin JTAG 接口………………………………………………… 91

PS复位按键 ……………………………………………………. 92

PL LED ……………………………………………………….. 92

PS LED ……………………………………………………….. 93

PL时钟输入 ……………………………………………………. 93

PS时钟输入 ……………………………………………………. 93

PL配置状态指示灯 ……………………………………………… 94

PS端千兆以太网 ……………………………………………….. 94

QSPI FLASH …………………………………………………… 96

eMMC ………………………………………………………… 97

开发板使用注意事项 ………………………………………………….. 98

ZYNQ的学习方法 ……………………………………………………… 99

第二篇 软件篇 ………………………………………………………… 101

Vivado软件的安装和使用 ………………………………………….. 102

Vivado软件的安装 …………………………………………………… 103

Vivado软件的使用 …………………………………………………… 112

新建工程 …………………………………………………….. 113

设计输入 …………………………………………………….. 121

分析与综合 …………………………………………………… 127

约束输入 …………………………………………………….. 131

设计实现 …………………………………………………….. 134

下载比特流 …………………………………………………… 136

在线逻辑分析仪的使用 ……………………………………………….. 141

HDL实例化调试探针流程………………………………………….. 142

Hardware Manager中观察调试信号………………………………….. 148

网表插入调试探针流程 ………………………………………….. 153

在Vivado中进行功能仿真 ……………………………………………… 162

第三篇 语法篇 ………………………………………………………… 178

Verilog HDL语法 ………………………………………………… 179

Verilog概述 ……………………………………………………….. 180

Verilog简介 ………………………………………………….. 180

为什么需要Verilog …………………………………………….. 180

Verilog和VHDL区别 …………………………………………….. 180

Verilog和C的区别 ……………………………………………… 181

Verilog基础知识 ……………………………………………………. 181

Verilog的逻辑值 ………………………………………………. 181

Verilog的标识符 ………………………………………………. 182

Verilog的数字进制格式………………………………………….. 182

Verilog的数据类型 …………………………………………….. 182

Verilog的运算符 ………………………………………………. 183

Verilog程序框架 ……………………………………………………. 186

注释 ………………………………………………………… 186

关键字 ………………………………………………………. 186

程序框架 …………………………………………………….. 187

Verilog高级知识点 ………………………………………………….. 190

阻塞赋值(Blocking)…………………………………………… 190

非阻塞赋值(Non-Blocking)……………………………………… 191

assign和always区别 ……………………………………………. 193

带时钟和不带时钟的always……………………………………….. 193

什么是latch ………………………………………………….. 194

状态机 ………………………………………………………. 195

模块化设计 …………………………………………………… 199

Verilog编程规范 ……………………………………………………. 203

编程规范重要性 ……………………………………………….. 203

工程组织形式 …………………………………………………. 204

文件头声明 …………………………………………………… 204

输入输出定义 …………………………………………………. 205

parameter定义 ………………………………………………… 205

wire/reg定义 …………………………………………………. 205

信号命名 …………………………………………………….. 206

always块描述方式 ……………………………………………… 206

assign块描述方式 ……………………………………………… 207

空格和TAB …………………………………………………… 207

注释 ……………………………………………………….. 207

模块例化 ……………………………………………………. 208

其他注意事项 ………………………………………………… 208

第四篇 实战篇 ………………………………………………………… 210

LED灯闪烁实验 ………………………………………………….. 211

LED灯简介 …………………………………………………………. 212

实验任务 ………………………………………………………….. 212

硬件设计 ………………………………………………………….. 212

程序设计 ………………………………………………………….. 213

下载验证 ………………………………………………………….. 216

按键控制LED闪烁实验 …………………………………………….. 219

按键简介 ………………………………………………………….. 220

实验任务 ………………………………………………………….. 220

硬件设计 ………………………………………………………….. 220

程序设计 ………………………………………………………….. 221

下载验证 ………………………………………………………….. 223

按键控制蜂鸣器实验 ……………………………………………… 224

蜂鸣器简介 ………………………………………………………… 225

实验任务 ………………………………………………………….. 225

硬件设计 ………………………………………………………….. 225

程序设计 ………………………………………………………….. 226

下载验证 ………………………………………………………….. 230

触摸按键控制LED灯实验 …………………………………………… 231

触摸按键简介 ………………………………………………………. 232

实验任务 ………………………………………………………….. 232

硬件设计 ………………………………………………………….. 232

程序设计 ………………………………………………………….. 233

下载验证 ………………………………………………………….. 236

呼吸灯实验 …………………………………………………….. 238

呼吸灯简介 ……………………………………………………….. 239

实验任务 …………………………………………………………. 239

硬件设计 …………………………………………………………. 239

程序设计 …………………………………………………………. 240

下载验证 …………………………………………………………. 242

IP核之MMCM/PLL实验 ……………………………………………… 243

MMCM/PLL IP核简介 …………………………………………………. 244

实验任务 …………………………………………………………. 247

硬件设计 …………………………………………………………. 247

程序设计 …………………………………………………………. 248

下载验证 …………………………………………………………. 255

IP核之RAM实验 ………………………………………………….. 257

RAM IP核简介 ……………………………………………………… 258

实验任务 …………………………………………………………. 259

硬件设计 …………………………………………………………. 259

程序设计 …………………………………………………………. 259

下载验证 …………………………………………………………. 267

IP核之FIFO实验 …………………………………………………. 269

FIFO IP核简介 …………………………………………………….. 270

实验任务 …………………………………………………………. 271

硬件设计 …………………………………………………………. 271

程序设计 …………………………………………………………. 271

下载验证 …………………………………………………………. 284

UART串口通信实验 ……………………………………………….. 286

UART串口简介 ……………………………………………………… 287

实验任务 …………………………………………………………. 288

硬件设计 …………………………………………………………. 288

程序设计 …………………………………………………………. 289

下载验证 …………………………………………………………. 301

RS485串口通信实验 ………………………………………………. 304

RS-485简介 ……………………………………………………….. 305

实验任务 …………………………………………………………. 305

硬件设计 …………………………………………………………. 306

程序设计 …………………………………………………………. 307

下载验证 …………………………………………………………. 313

RGB TFT-LCD彩条显示实验………………………………………….. 315

RGB TFT-LCD简介 …………………………………………………… 316

实验任务 …………………………………………………………. 322

硬件设计 …………………………………………………………. 322

程序设计 …………………………………………………………. 325

下载验证 …………………………………………………………. 335

RGB TFT-LCD字符和图片显示实验…………………………………….. 337

RGB TFT-LCD简介 …………………………………………………… 338

实验任务 …………………………………………………………. 338

硬件设计 …………………………………………………………. 338

程序设计 …………………………………………………………. 338

下载验证 …………………………………………………………. 350

HDMI彩条显示实验 ……………………………………………….. 351

简介 …………………………………………………………….. 352

实验任务 …………………………………………………………. 355

硬件设计 …………………………………………………………. 355

程序设计 …………………………………………………………. 357

下载验证 …………………………………………………………. 374

HDMI方块移动实验 ……………………………………………….. 376

HDMI简介 …………………………………………………………. 377

实验任务 …………………………………………………………. 377

硬件设计 …………………………………………………………. 377

程序设计 …………………………………………………………. 377

下载验证 …………………………………………………………. 381

EEPROM读写测试实验 ……………………………………………… 383

EEPROM简介 ……………………………………………………….. 384

实验任务 …………………………………………………………. 389

硬件设计 …………………………………………………………. 389

程序设计 …………………………………………………………. 391

下载验证 …………………………………………………………. 402

RTC实时时钟LCD显示实验……………………………………….. 403

PCF8563简介 ………………………………………………………. 404

实验任务 …………………………………………………………. 406

硬件设计 …………………………………………………………. 407

程序设计 …………………………………………………………. 408

下载验证 …………………………………………………………. 424

频率计实验 …………………………………………………. 425

等精度频率计简介 ………………………………………………….. 426

实验任务 …………………………………………………………. 427

硬件设计 …………………………………………………………. 427

程序设计 …………………………………………………………. 428

下载验证 …………………………………………………………. 439

高速AD/DA实验 ………………………………………………. 441

高速AD/DA简介 …………………………………………………….. 442

实验任务 …………………………………………………………. 445

硬件设计 …………………………………………………………. 445

程序设计 …………………………………………………………. 448

下载验证 …………………………………………………………. 456

MDIO接口读写测试实验…………………………………………. 459

简介 …………………………………………………………….. 460

实验任务 …………………………………………………………. 466

硬件设计 …………………………………………………………. 466

程序设计 …………………………………………………………. 468

下载验证 …………………………………………………………. 478

以太网ARP测试实验 …………………………………………… 481

简介 …………………………………………………………….. 482

实验任务 …………………………………………………………. 494

硬件设计 …………………………………………………………. 494

程序设计 …………………………………………………………. 496

下载验证 …………………………………………………………. 518

以太网UDP测试实验 …………………………………………… 525

简介 …………………………………………………………….. 526

实验任务 …………………………………………………………. 530

硬件设计 …………………………………………………………. 530

程序设计 …………………………………………………………. 530

关于FPGA

FPGA(Field Programmable Gate Array)是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA设计不是简单的芯片研究,主要是利用 FPGA 的模式进行其他行业产品的设计。 与 ASIC 不同,

FPGA在通信行业的应用比较广泛。通过对全球FPGA产品市场以及相关供应商的分析,结合当前我国的实际情况以及国内领先的FPGA产品可以发现相关技术在未来的发展方向,对我国科技水平的全面提高具有非常重要的推动作用。

与传统模式的芯片设计进行对比,FPGA 芯片并非单纯局限于研究以及设计芯片,而是针对较多领域产品都能借助特定芯片模型予以优化设计。从芯片器件的角度讲,FPGA 本身构成 了半定制电路中的典型集成电路,其中含有数字管理模块、内嵌式单元、输出单元以及输入单元等。在此基础上,关于FPGA芯片有必要全面着眼于综合性的芯片优化设计,通过改进当前的芯片设计来增设全新的芯片功能,据此实现了芯片整体构造的简化与性能提升。

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