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第1篇FPGA基础知识篇3

第1章FPGA入门了解3

1.1 FPGA特点和应用3

1.2 FPGA体系结构4

1.2.1 FPGA基本结构4

1.2.2 FPGA的结构特点8

1.2.3 FPGA的编程工艺10

1.3 FPGA常用芯片与选用10

1.3.1 FPGA常用芯片10

1.3.2 FPGA器件的选用13

第2章 集成开发工具MAX+plus Ⅱ16

2.1功能与菜单说明16

2.2 MAX+plus Ⅱ设计过程20

2.3 MAX+plus Ⅱ综合设计选择项37

2.3.1 LPM库的使用37

2.3.2项目层次结构与文件系统40

2.3.3全局逻辑综合方式41

2.3.4设置全局定时要求、定时分析44

2.3.5与第三方EDA软件接口46

2.3.6设置器件的下载编程方式48

2.3.7 FPGA器件烧写方法50

第3章Quartus Ⅱ使用详解53

3.1 Quartus Ⅱ设计流程53

3.2 Quartus Ⅱ设计方法57

3.2.1自上而下与自下而上的设计方法比较58

3.2.2自上而下的渐进式编译设计流程58

3.2.3自下而上的渐进式编译设计流程59

3.3 Quartus Ⅱ各功能详解59

3.3.1使用模块编辑器59

3.3.2项目设置60

3.3.3时序分析报告62

3.3.4仿真63

3.3.5下载65

3.4时序约束与分析68

3.4.1时序约束与分析基础68

3.4.2设置时序约束的方法70

3.4.3最小化时序分析73

3.5设计优化75

3.5.1优化流程75

3.5.2使用DSE75

3.5.3设计优化的初次编译77

3.5.4资源利用优化80

3.5.5 I/O时序优化81

3.5.6最高时钟频率优化83

3.6 SignalTap Ⅱ83

3.6.1设计中创建SignalTap Ⅱ83

3.6.2通过SignalTap Ⅱ察看数据85

3.6.3 SignalTap Ⅱ的高级配置86

第2篇 工业应用开发实例91

第4章 步进电机驱动系统设计91

4.1步进电机系统概述91

4.1.1步进电机的种类91

4.1.2步进电机的工作原理92

4.1.3步进电机的主要技术指标93

4.1.4步进电机的驱动控制系统95

4.2步进电机驱动器接口电路96

4.2.1 ULN2003达林顿芯片概述96

4.2.2步进电机驱动器硬件电路96

4.3硬件系统设计97

4.3.1创建Quartus Ⅱ工程项目97

4.3.2创建SOPC系统98

4.3.3生成Nios Ⅱ系统105

4.3.4创建顶层模块并添加PLL模块108

4.4软件设计与程序代码112

4.4.1创建Nios Ⅱ工程112

4.4.2程序代码设计与修改113

4.5实例总结116

第5章 工业数字摄像机应用设计117

5.1工业数字摄像机概述117

5.1.1系统原理及总体设计结构117

5.1.2图像传感器MT9P031简述118

5.2图像传感器与FPGA硬件接口电路设计122

5.3工业数字摄像机系统软件设计124

5.3.1创建Quartus Ⅱ工程项目124

5.3.2创建PLL宏模块124

5.3.3创建FIFO125

5.3.4 I2C总线接口控制器129

5.3.5 DE2_D5M主程序131

5.3.6工业数字摄像机系统原理图连线137

5.3.7引脚配置137

5.4实例总结138

第3篇 多媒体开发实例141

第6章 视频采集处理系统设计141

6.1视频采集处理系统概述141

6.1.1视频采集模块141

6.1.2视频输出模块147

6.2视频采集处理系统硬件接口电路152

6.2.1 SAA7113视频采集电路153

6.2.2 SAA7121视频编码处理电路153

6.3视频采集处理系统软件设计154

6.3.1创建Quartus Ⅱ工程项目155

6.3.2创建PLL宏模块155

6.3.3创建ROM宏模块157

6.3.4创建MASK_ ROM宏模块与ADD MASK例化161

6.3.5 I2 C总线接口控制器162

6.3.6 SAA7113芯片I2C命令集171

6.3.7 SAA7121芯片I2C命令175

6.3.8视频采集处理系统原理图连线179

6.3.9引脚配置179

6.4实例总结180

第7章 音频采集系统设计181

7.1音频采集系统概述181

7.1.1音频编解码工作原理181

7.1.2音频编码过程介绍182

7.1.3 IIS音频接口总线184

7.2音频采集系统硬件设计185

7.2.1数字立体声音频编解码芯片AIC23应用介绍186

7.2.2硬件电路192

7.3程序设计与代码194

7.3.1创建Quartus Ⅱ工程194

7.3.2创建宏模块195

7.3.3创建Verilog HDL文件202

7.3.4创建硬件模块原理图205

7.3.5软件仿真与验证206

7.4实例总结206

第8章VGA视频输出应用207

8.1 VGA接口概述207

8.1.1 VGA接口定义207

8.1.2 VGA显像原理208

8.1.3 VGA工业标准与工作时序208

8.2 VGA芯片ADV7123概述209

8.2.1 ADV7123引脚功能描述210

8.2.2 ADV7123芯片接口功能说明212

8.3 VGA硬件接口电路设计214

8.4 VGA硬件系统与程序设计215

8.4.1创建Quartus Ⅱ工程项目215

8.4.2创建PLL宏模块217

8.4.3编写VGA控制器时序代码220

8.4.4模块原理图连线223

8.4.5引脚配置224

8.4.6程序仿真225

8.5实例总结226

第4篇 消费电子开发实例229

第9章 压力传感器数据采集系统229

9.1压力传感器数据采集系统概述229

9.1.1压力传感器概述230

9.1.2增益放大器233

9.1.3模数转换器（ADC）233

9.2压力传感器数据采集系统硬件电路236

9.3压力传感器硬件系统设计237

9.3.1创建Quartus Ⅱ工程项目238

9.3.2创建SOPC系统238

9.3.3生成Nios Ⅱ系统250

9.3.4创建顶层原理图模块250

9.4压力传感器软件系统设计与程序代码251

9.4.1创建Nios Ⅱ工程251

9.4.2程序代码设计251

9.5实例总结252

第10章SD卡音乐播放器设计253

10.1 SD存储卡概述253

10.1.1 SD存储卡物理结构与接口规范253

10.1.2 SD存储卡总线协议255

10.2 SD卡音乐播放器与FPGA接口电路设计258

10.2.1 SD存储卡硬件接口电路258

10.2.2字符型LCD硬件电路259

10.3硬件系统的SOPC设计260

10.3.1创建Quartus Ⅱ工程项目261

10.3.2创建SOPC系统262

10.3.3生成Nios Ⅱ系统270

10.3.4创建工程顶层文件与子模块文件274

10.4系统软件设计与程序代码281

10.5实例总结289

第11章 大容量存储器系统设计290

11.1存储器概述290

11.1.1 Flash存储器概述290

11.1.2 SDRAM存储器概述292

11.1.3 SRAM存储器概述295

11.2存储器与FPGA硬件接口电路设计296

11.2.1 SDRAM存储器硬件电路296

11.2.2 Flash存储器硬件电路297

11.2.3 SRAM存储器硬件电路297

11.2.4复位电路与LED电路297

11.3硬件系统设计300

11.3.1创建Quartus Ⅱ工程项目300

11.3.2创建SOPC系统302

11.3.3生成Nios Ⅱ系统310

11.3.4创建顶层模块311

11.4软件设计与程序代码312

11.5实例总结313

第12章LCD液晶显示器/触摸屏应用设计314

12.1 LCD液晶显示/触摸屏概述314

12.1.1 LCD液晶显示屏概述314

12.1.2触摸屏概述317

12.2 LCD液晶显示/触摸屏功能及应用318

12.2.1液晶显示模块概述318

12.2.2触摸屏控制芯片概述321

12.2.3 LCD液晶显示/触摸屏硬件接口电路325

12.3硬件系统设计327

12.3.1创建Quartus Ⅱ工程项目328

12.3.2创建SOPC系统328

12.3.3生成Nios Ⅱ系统337

12.3.4创建顶层模块338

12.4软件设计与程序代码342

12.4.1 μC/OS-Ⅱ操作系统移植要点343

12.4.2 Nios Ⅱ系统工程创建345

12.5实例总结347

第13章 数字温度传感器应用348

13.1数字温度传感器概述348

13.1.1 LM75A简述348

13.1.2 LM75A器件引脚描述349

13.1.3 LM75A相关寄存器介绍350

13.1.4中断（OS）输出353

13.1.5 I2C总线通信协议354

13.2数字温度传感器与FPGA接口电路357

13.3传感器硬件系统设计357

13.3.1创建Quartus Ⅱ工程项目358

13.3.2创建SOPC系统358

13.3.3生成Nios Ⅱ系统363

13.3.4创建顶层原理图模块366

13.4软件设计与程序代码367

13.4.1创建Nios Ⅱ工程367

13.4.2程序代码设计与修改367

13.5实例总结369

第5篇 通信开发实例373

第14章 以太网通信系统设计373

14.1以太网系统概述373

14.1.1以太网协议与MAC 802.3帧格式373

14.1.2网络传输介质375

14.1.3以太网物理层芯片与MAC层芯片接口377

14.2以太网控制器DM9000A简述379

14.2.1以太网控制器DM9000A引脚功能380

14.2.2以太网控制器DM9000A应用383

14.2.3以太网控制器DM9000A寄存器功能385

14.3以太网硬件接口电路设计402

14.3.1自动极性切换器电路402

14.3.2以太网接口电路403

14.4以太网硬件系统设计403

14.4.1创建Quartus Ⅱ工程项目404

14.4.2创建SOPC系统405

14.4.3生成Nios Ⅱ系统417

14.4.4创建顶层模块并添加PLL模块417

14.5软件设计与程序代码421

14.5.1创建Nios Ⅱ421

14.5.2程序代码设计与修改422

14.6实例总结425

第15章USB2.0接口数据通信系统设计426

15.1 USB2.0芯片CY7C68013概述426

15.1.1 I2C总线与控制器427

15.1.2 USB启动方式和枚举429

15.1.3中断系统429

15.1.4复位和唤醒432

15.1.5程序/数据RAM432

15.1.6寄存器地址434

15.1.7端点434

15.1.8外部FIFO接口436

15.1.9可编程通用接口（GPIF）436

15.2 CY7C68013与FPGA硬件接口电路437

15.2.1 CY7C68013芯片引脚功能介绍437

15.2.2 CY7C68013与FPGA硬件接口电路原理439

15.3从模式（slave） FIFO传输概述440

15.3.1硬件连接440

15.3.2 Slave FIFO的常用传输方式441

15.4 USB系统软件设计与实现445

15.4.1 USB设备固件设计445

15.4.2 USB设备驱动程序设计449

15.4.3 USB设备应用程序（API）设计449

15.5 USB接口数据通信应用设计449

15.5.1同步读写FIFO实例设计450

15.5.2 USB IN/OUT实例设计453

15.6实例总结458

第 16章IrDA红外收发器应用459

16.1 IrDA红外数据通信概述459

16.1.1 IrDA分类459

16.1.2 IrDA基本通信协议层规范460

16.1.3 IrDA标准的协议栈461

16.1.4 IrDA编解码概述461

16.2 IrDA与FPGA硬件接口电路设计463

16.2.1 HSDL3201红外收发器概述463

16.2.2 IrDA与FPGA硬件接口电路464

16.3 3/16编解码软件设计464

16.3.1顶层程序文件465

16.3.2 3/16编解码程序465

16.3.3 UART顶层逻辑程序468

16.3.4 UART接收逻辑程序469

16.3.5 UART发送逻辑程序472

16.4 IrDA原理图连线475

16.5实例总结476

第17章GPS通信系统设计477

17.1 GPS通信系统概述477

17.1.1 GPS系统工作原理478

17.1.2 GPS模块输出信号分析478

17.1.3 GPS模块电路原理图481

17.2硬件系统设计482

17.2.1创建Quartus Ⅱ工程项目483

17.2.2创建SOPC系统483

17.2.3生成Nios Ⅱ系统492

17.2.4创建顶层原理图模块492

17.3软件设计与程序代码493

17.3.1创建Nios Ⅱ工程493

17.3.2程序代码设计与修改493

17.4实例总结504

参考文献505