FPGA实训论文

FPGA实训报告题目基于FPGA的LED跑马灯实验学生姓名李其瑞学号0967118124专业电子信息工程班级09级信息1班指导教师侯海鹏内蒙古科技大学信息工程学院实训报告II实训任务书11设计题目基于FPGA的LED动态显示12设计要求（1）掌握开关和LED灯的构成、原理与设计方法；（3）使用C语言进行编写；（2）使用XILINXEDK软件进行显示和仿真。121设计目的（1）掌握开关和LED灯的构成、原理与设计方法；（3）学会使用C语言编写设计逻辑电路；（2）熟悉XILINXEDK软件的使用方法。122基本要求（1）能用C语言设计多开关控制跑马灯的电路；（2）能进行多开关控制跑马灯检测和仿真；（3）能进行多开关控制跑马灯硬件下载。123发挥部分（1）利用C语言编写多种跑马灯工作方式；（2）硬件显示多种跑马灯功能。内蒙古科技大学信息工程学院实训报告III摘要嵌入式系统经历了从单片计算机、工业控制计算机、集中分布式控制系统，发展到嵌入式的平台的几个阶段从独立单机使用发展到联网设备；从以模拟电路为主发展到以数字电路为主、数/模混合型，进而进入全数字时代。总的来说，嵌入式系统向着更高性能、更小体积、更低功耗、更廉价、无处不在的方向发展。嵌入式系统的设计和实现朝着基于芯片，特别是片上可编程系统（SOPC）的方向发展。嵌入式开发套件（EDK）是用于设计嵌入式可编程系统的全面解决方案。该套件包括嵌入式软件工具（PLATFORMSTUDIO）以及嵌入式IBMPOWERPC硬件处理器核和/或XILINXMICROBLAZE软处理器核进行XILINX平台FPGA设计时所需的技术文档和IP。注意，这里的嵌入式软件工具指用来产生、编辑、编译、链接、加载和调试高级编程语言（通常是C或C）代码的工具，以便在处理器引擎上执行。由于嵌入式系统涉及了软件和硬件的开发以及两者的综合设计，因此其开发是较为复杂的。本设计首先通过EDK的XSP搭建一个硬件平台，添加设计需要的IP内核；然后引入SDK，在SDK中用C语言进行程序的编写并进行编译下载，基于XSP、SDK和FPGA等完成了用四个开关来控制8个LED灯的不同点亮方式及不同的跑马灯，进而完成多开关控制跑马灯。关键词嵌入式、XSP、SDK、跑马灯内蒙古科技大学信息工程学院实训报告IV目录实训任务书II11设计题目多开关控制跑马灯II12设计要求II121设计目的II122基本要求II123发挥部分II摘要III第一章设计原理及分析111设计原理1111LED点亮原理1112开关工作原理112原理分析1121设计流程1第二章设计内容及思路221设计程序及分析2211主程序及分析3212主程序流程图6213波形仿真程序6214波形仿真图形6215引脚分配7内蒙古科技大学信息工程学院实训报告V第三章XILINXEDK124软件的应用931创建硬件平台932添加IPCORE933生成仿真文件934生成硬件比特流935开发软件系统936下载9总结10致谢11参考文献12附录1程序代码13内蒙古科技大学信息工程学院实训报告1第一章设计原理及分析11设计原理用C语言编写跑马灯工作方式，然后通过软件下载进入实验箱，通过程序控制，顺次点亮LED灯。LED（LIGHTEMITTINGDIODE），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，发光二极管晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个PN结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成PN结的材料决定的。本设计用到的8个LED灯为共阴极，需要输入高电平才能把LED灯点亮即在逻辑电路中输入一个“1”电平。12原理分析通常，ISEFPGA开发软件在后台运行，XPS工具调用ISE软件提供的功能。XPS主要用来嵌入式处理器硬件系统的开发。微处理器、外围设备以及这些组件之间的连接问题，另外还有它们各自的属性设置都在XPS里进行。简单的软件开发可以在XPS里完成，而对于更复杂的应用开发和调试，XILINX则推荐使用SDK工具。硬件平台的功能验证可以通过硬件描述语言HDL仿真器完成。XPS提供了内蒙古科技大学信息工程学院实训报告2行为级、结构级以及定时精确级等三种类型的仿真。验证过程结构由XPS自动产生，其中包括了仿真的HDL文件。设计者只需要输入时钟时序、重配置信息以及一些应用代码即可。仿真细节将在下面的内容中进行相关讲述。完成设计后，在XPS中将FPGA比特流和可执行可链接格式文件下载，就可以进行目标器件的配置图113给出了自动扫描复用7段数码管的显示原理。当扫描时钟足够快时，虽然四个数字的显示还是分时复用的，但是人眼看到的好像是同一时刻显示了4个数字。121设计流程一个完整的嵌入式设计流程包括硬件设计和调试、软件设计与调试，各个步骤相对独立但又相辅相成。由于嵌入式应用场合多样，且软、硬件都可裁剪，因此并不是每个设计都要完成所有的步骤包括硬件搭建、软件设计、仿真等如下图内蒙古科技大学信息工程学院实训报告3简化的嵌入式设计流程图内蒙古科技大学信息工程学院实训报告4第二章设计内容及思路21设计程序及分析主要包含三个程序功能程序及其分析、仿真程序和仿真图、引脚分配程序及其分析。211主程序及分析INCLUDE“XPARAMETERSH“INCLUDE“XGPIOH“INCLUDE“XGPIO_LH“/文件头引入函数包INCLUDE“XUTILH“VOIDDELAYINTJINTK0,TEMP20/定义延时函数FORK0KLOCF9NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINIOSTANDARDLVCMOS33NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINLOCE9NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINIOSTANDARDLVCMOS33NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINLOCD11内蒙古科技大学信息工程学院实训报告8NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINIOSTANDARDLVCMOS33NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINLOCC11NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINIOSTANDARDLVCMOS33NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINLOCF11NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINIOSTANDARDLVCMOS33NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINLOCE11NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINIOSTANDARDLVCMOS33NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINLOCE12NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINIOSTANDARDLVCMOS33NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINLOCF12NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINIOSTANDARDLVCMOS33内蒙古科技大学信息工程学院实训报告9第三章XILINXEDK124软件的应用31创建硬件平台利用XPS的板级开发包向导（BSBWIZARD）快速构建设计的硬件平台，是EDK设计的第一步。32添加IPCORE添加IPCORE以及用户定制外设在XPS中添加所需的IPCORE，对于XPS库中缺少的模块，需要用户自行设计。同样，XPS提供了建立用户自定义外设的向导，可简化该过程。33生成仿真文件生成仿真文件并测试硬件系统生成硬件系统的仿真文件，可选择行为级、结构级以及时序级仿真，利用MODELSIM等工具测试系统，特别是用户自定义的外设；如果测试失败，需要返回上一步修改。34生成硬件比特流生成硬件网表和比特流文件，这个步骤类似于传统FPGA设计的综合、布局布线、生成编程文件这3个操作。35开发软件系统导入SDK针对软件需求编写硬件代码，确定软件的操作系统、库、外设驱动等属性，针对每个应用软件工程，设置编译器、优化级别、使用的连接文件等信息。等设置完成后，编译生成ELF格式的可执行代码。36下载使用JTAG编程电缆或编程器将更新后的最终比特流烧写到FPGA、PROM、FLASH以及CF卡。内蒙古科技大学信息工程学院实训报告10总结本次课程设计是实现基于C语言设计多开关控制跑马灯，这两个星期的设计不仅让我巩固了自己的理论知识，而且也使我的动手能力有所提高。时间过得很快，这两周又快结束了。回顾这两周，有收获、有感动。这一周的主要任务是EDK实验。总体来说，这一周收获还是很大，掌握了EDK的流程、利用EDK搭建基本的系统、利用EDK创建硬件系统等在做EDK实验时我们用到了XILINXSPARTAN3ESTARTERBOARD平台。整个EDK实验分为都有自己动手做项目，第一个项目主要就是搭建一个系统，让FPGA芯片和串口通信。第二和第三个项目主要是添加额外的IP到硬件设计和创建自定义IP。第四个主要是添加一个内部的BLOCKRAM内存控制器和写一个基本的应用程序来访问一个IP外设，然后下载到SPARTAN3E板子上验证。在第五个和第六个实验上，在使用SDK调试器来设置断点和CHIPSCOPE调试我们遇到了一些问题，之后通过在网上查找资料，然后队员间讨论，最后在老师的帮助下我们完成了整个实验。我们也一直相信，没有最好的，只有更好的。在设计的过程中不断培养我对科学的认真，谨慎，耐心等态度，为我以后的学习和工作打下了良好的基础。遇到问题不能害怕，只要坚持自己的理论正确那么结果就应该与理论相符合，要抱着对科学认真的态度，只有养成认真严谨的学习和工作作风才能学到知识。不论是学习或是以后工作，我们都不能忽略细节，坚信凡是问题都会有原因，要认真思考并检查，一步步修整，尽量使设计工作更加完整。内蒙古科技大学信息工程学院实训报告11致谢为期两周的EDK课程设计结束了，在这两周中我受益匪。我顺利完成了38译码器的设计，通过本次设计使我对使用C语言进行编程及XILINXEDK的使用有了更深一步的了解首先在这里感谢侯海鹏老师。从课程设计开始的方案选择到后来的元器件的选择及使用以及最后的程序运行，侯老师给予了我们很大的帮助，老师每天都要不辞辛劳的来到机房为我们辅导、答疑。当我有问题时，老师总会耐心地为我解答。而且身为老师他能主动发现学生的问题，及时主动的帮助解答，侯老师的这种敬业认真的精神真的是让我感动，同时也值得我们学习在侯老师的身上我学会无论以后做什么工作，遇到什么困难，我们都要有一颗热心、耐心、恒心、真心去对待，凡事要学会坚持，这样做我们方可迈向成功因此我再次真诚地感谢侯老师，谢谢您，您辛苦了然后我要感谢我的同学们，在我制作报告的过程中同学们为我提出了宝贵的意见，而且对于我不会的地方帮我演示，使我的报告得以顺利的完成，而且在我对程序有不明白的地方时耐心地为我讲解，所以我真诚的对他们表示感谢。我也要感谢学校，为我们提供了这么好的理论与实践相结合机会，还有图书馆的老师们，为我们提供了那么多的学习资料，为增加我们的知识面起到了很大的作用我的这次实训在老师和同学的帮助下圆满完成了，在这里我要特别感谢我的指导老师侯海鹏老师，是他在我不懂的时候认真、耐心的给我指导，让我从中又学到了不少的知识。最后，感谢所有在这次毕业论文中给予过我帮助的人。对上述朋友，再一次真诚地表示感谢内蒙古科技大学信息工程学院实训报告12参考文献1赵立民可编程逻辑器件与数字系统设计机械工业出版社2任晓东，文博CPLD/FPGA高级应用开发指南电子工业出版社3戴士剑,涂彦晖数据恢复技术M2版北京电子工业出版社,20074任欣,李涛,胡晓勤远程文件备份与恢复系统的设计与实现J计算机工程,2009,35101121141赵立民可编程逻辑器件与数字系统设计机械工业出版社2任晓东，文博CPLD/FPGA高级应用开发指南电子工业出版社5江国强EDK技术与应用M，电子工业出版社6谭建生数字电路与逻辑设计电子工业出版社7潘松,黄继业EDK实用课程科学出版社8中国集成电路大全编委会中国集成电路大全CMOS集成电路国防工业出版社9张凤言电子电路基础高等教育出版社10沙占有新型单片开关电源的设计与应用电子工业出版社11UNIFIEDEFIUNIFIEDEXTENSIBLEFIRMWAREINTERFACESPECIFICATIONV23EB/OL20090522HTTP/WWWUEFIORG/SPECS/12INTELCORPORATIONEDKIIMODULEWRITERSGUIDEV07EB/OL20100331HTTP/CDNETWORKSKR1DLSOURCEFORGENET/PROJECT/EDK2/GENERAL20DOCUMENTATION/EDKII20MODULE20WRITER_S20GUIDE_0_7PDF内蒙古科技大学信息工程学院实训报告13附录主程序INCLUDE“XPARAMETERSH“INCLUDE“XGPIOH“INCLUDE“XGPIO_LH“/文件头引入函数包INCLUDE“XUTILH“VOIDDELAYINTJINTK0,TEMP20/定义延时函数FORK0KLOCF9NETFPGA_0_LEDS_8BIT_GPIO_D_OUT_PINIOSTANDARDLVCMOS33N