武大FPGA开发板详解和各组成调试程序

### 武大FPGA开发板详解和各组成调试程序 #### 第一章 概述 ##### 1.1 8051&FPGAEVM板描述 8051&FPGAEVM板是一款集成了8051内核单片机与Altera Cyclone系列FPGA的多功能开发板。这款开发板不仅适用于专业的单片机或FPGA开发人员，同时也非常适合初学者入门学习。其主要特点包括： - **高度集成**：支持独立调试8051系列单片机或学习使用Altera Cyclone系列FPGA。 - **灵活性强**：可以适配多种类型的8051内核单片机，例如89系列、87系列等。 - **高性能FPGA**：配备了Altera Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片，可以根据不同应用场景更换其他容量的FPGA。 - **方便配置**：使用EPCS1配置芯片，支持AS接口，可通过QUARTUS II软件轻松完成程序下载和配置。 - **丰富的外设资源**：包括3x6阵列键盘、1x3 GPIO键盘、1x3拨码开关、128x64点阵液晶显示器以及32KB SRAM存储资源。 - **扩展性好**：预留了FPGA接口，使得单片机所有引脚均与FPGA相连。 - **强大的电源系统**：具有电源反接保护电路，最大供电能力可达3A。 ##### 1.2 8051&FPGAEVM板性能指标 1. **单片机工作晶振**：22.1184MHz，旨在兼顾速度与串行通信波特率的需求，使得单片机接近24MHz的极限工作状态，并能实现高速串行通信，如115200bps或230400bps等。 2. **FPGA性能**：EP1C6Q240C8提供了120000个典型门资源、5980个逻辑单元（LE）、2个PLL以及92160位的RAM资源。工作频率可达300MHz以上。 3. **板载时钟源**：40MHz，可通过分频获得更低频率时钟或通过FPGA的数字锁相环倍频获得更高频率时钟。 4. **配置芯片**：EPCS1支持AS下载方式，无需额外编程器，可实现约50次正常下载。 5. **RS232接口**：可以直接与PC通信，使用标准的双公串行电缆即可。 6. **键盘和开关**：包含3x6阵列键盘和3个GPIO按键/开关，便于用户输入。 7. **LCD显示**：点阵型LCD，能够显示8x16字符或数字、图形和汉字。 8. **RAM模块**：62256，提供32KB存储空间，适用于一般应用需求。 9. **下载接口**：支持JTAG和AS两种下载方式。 10. **外围接口**：两个40pin接口，共提供64个I/O口，方便与外部电路连接。 11. **电源**：单一+9V供电，最大电流2-3A。 #### 第二章 8051&FPGAEVM工作原理和资源配置 ##### 2.1 工作原理框图 8051&FPGAEVM板的工作原理框图展示了各个主要组件之间的相互关系。该开发板的核心部件包括单片机、FPGA、配置芯片、RAM、RS232接口、键盘、液晶显示屏等。这些部件之间通过精心设计的电路进行连接，确保了系统的稳定运行和高效开发体验。 - **电源输入**：为整个系统提供稳定的+9V电压。 - **单片机**：作为系统的控制中心，负责处理各种任务。 - **FPGA**：作为可编程逻辑资源，可以实现复杂的数字信号处理、逻辑运算等功能。 - **配置芯片**：用于FPGA的程序下载和配置。 - **RS232接口**：用于与PC或其他设备进行串行通信。 - **JTAG接口**：用于FPGA的编程和调试。 - **RAM**：提供外部存储空间。 - **外围接口**：提供了与外部设备连接的接口。 - **键盘和液晶显示屏**：为用户提供人机交互界面。 ##### 2.2 工作原理 8051&FPGAEVM板的设计充分考虑了硬件资源的合理分配和高效利用。单片机与FPGA之间的通信通过预先定义好的总线结构实现，这使得两者之间可以高效地交换数据和控制信号。FPGA通过其丰富的逻辑资源可以实现复杂的数据处理任务，而单片机则负责整体的协调控制。 ##### 2.3 资源配置 - **时钟资源**：40MHz的时钟源为系统提供基础时钟信号，可以通过分频或倍频技术调整到所需的频率。 - **存储资源**：32KB的SRAM为FPGA提供了足够的工作空间。 - **I/O资源**：通过两个40pin的接口提供了丰富的I/O资源，便于与其他外部设备连接。 - **配置资源**：EPCS1配置芯片支持AS接口，使得FPGA的配置变得简单快捷。 #### 第三章 底层驱动和常用模块示例 本章将详细介绍8051&FPGAEVM板上常用的底层驱动和模块示例。 ##### 3.1 键盘扫描 键盘扫描是通过逐行扫描的方式检测键盘输入的状态。通常采用中断或循环检测的方式，当检测到按键按下时，记录下相应的键值并进行处理。 ##### 3.2 RAM的使用 RAM的使用主要是为了提供临时存储空间，如用于缓存数据、中间计算结果等。在8051&FPGAEVM板上，32KB的SRAM可以通过FPGA进行访问和操作。 ##### 3.3 ROM的使用 ROM主要用于存储固定的程序代码或数据。在本开发板上，虽然没有明确提到ROM资源，但可以通过FPGA模拟ROM的行为，实现对固定数据的存储和访问。 ##### 3.4 中断扩展 中断扩展是为了提高系统的响应能力和实时性能。8051&FPGAEVM板通过FPGA实现了中断扩展功能，使得单片机能够处理更多的中断事件。 ##### 3.5 总线集合 总线集合是指用于连接各个硬件组件的总线系统。本开发板采用了统一的总线结构，使得各个组件之间的通信变得更加便捷。 ##### 3.6 串口通信 串口通信是通过RS232接口实现的。开发板上的RS232接口可以直接与PC或其他设备进行串行通信，简化了数据传输的过程。 ##### 3.7 配置和下载 配置和下载是FPGA开发过程中的关键步骤。本开发板通过EPCS1配置芯片支持AS接口，可以通过QUARTUS II软件轻松完成程序的下载和配置。 ##### 3.8 LCD显示 LCD显示模块主要用于向用户展示信息。128x64点阵型LCD提供了足够的空间来显示文字、数字甚至是简单的图形。 ##### 3.9 特别注意 在使用8051&FPGAEVM板时，有一些特别需要注意的地方： - 当使用PLL时，所接时钟必须高于40MHz，如果不采用PLL，则时钟可以直接输入，无此限制。 - 在使用FPGA配置芯片EPCS1时，要注意避免频繁擦写导致寿命缩短。 - 为了防止意外损坏，应确保电源正确接入，并尽量避免过流情况发生。 8051&FPGAEVM板是一款功能强大、易于使用的开发平台，不仅适合专业人士进行深入研究和开发，也适合初学者学习掌握单片机和FPGA的基础知识和技术。通过本指南的介绍，希望能够帮助读者更好地理解和利用这块开发板的强大功能。